[分析] 歯科技工所における3Dプリントの適用範囲と材料要件

[分析] 歯科技工所における3Dプリントの適用範囲と材料要件
この投稿は Little Soft Bear によって 2017-9-5 17:08 に最後に編集されました。

技術分野における 3D プリントの使用も絶えず改善されています。多くのメーカーが、ステレオリソグラフィー技術または DLP 技術 (デジタル光処理) を通じて高エネルギー光を使用して液体材料を固める、対応する印刷装置を提供できます。歯科模型、必要な取り外し可能な歯のレプリカ、さらには取り外し可能な人工歯肉、鋳造フレームワークの埋没パターン、インプラントガイド、パッド、個別のトレイ、一時的な修復物、義歯床などはすべて、これらの用途のために市場で見つけることができます。この記事では、上記のアプリケーションの範囲を概説し、対応する要件を示し、利用可能な材料の長所と短所、および歯科技工士がそれらを使用して達成できる修復の可能性について説明します。

IDS 2015 以降、3D プリンティングも技術分野の重要なトレンドとなっていますが、すべてのトレンドが最終的に成功するわけではありません。付加製造（実際にはこの製造技術のより正確な名称）技術には、いくつかのコンポーネントがあります。まず、プリンターを選択する必要があります。ほとんどの場合、歯科技工士は小型で安価な機器を使用し、光硬化樹脂材料を使用します。以下は完全なリストではありませんが、現在歯科市場にある印刷機器のほとんどが含まれています：Varseo プリンター (BEGO)、SHERAeco 印刷シリーズ (SHERA)、同じ構造の D30 および D40 (Rapid Shape)、pro3dure-fab シリーズ (dentona)、同じ構造の Kevvox プリンター シリーズ、LukaPrint、Objet30 および Objet260 (Stratasys)、Xtreme、Xcede、Ultra およびその他の EnvisionTEC プリンター。

これらのプリンターのほとんどは、DLP テクノロジー (Digital Light Processing) を使用しています。このプロセスは、従来のステレオリソグラフィーのように点ごとに照明するのではなく、表面全体を照明するため、非常に高速です。しかし、この方法にも弱点があります。一方では、固化した部品が印刷プラットフォーム上に吊り下げられており、最新の固体樹脂層を液体タンクの底から分離して、前の成形樹脂層と結合する必要があります。この場合に発生する力により、印刷された構造に欠陥が生じる可能性があります。一方、印刷領域のサイズやプロセスにおける解像度にも制限があります。印刷領域が広くなると精度が低下します。ただし、このサイズでも研究室のニーズを満たすことができます。模型の印刷には、Prodways（フランス）の機器を使用するなど、印刷領域の広いプリンターやその他の方法が必要です。

これらの小型の実験室用プリンターで使用される光硬化材料は、このシステムの 2 番目のコンポーネントであるため、この記事で再度詳しく説明します。 3 番目で最後の要素はプロセスであり、これには印刷だけでなく、印刷物のクリーニングと後硬化も含まれます。

3D プリンターは歯科技工士にとって高価なものではありませんが、具体的にどのような用途に使用すればよいのでしょうか?どのような印刷樹脂を使用する必要がありますか?よく見ると、さまざまな分野のアプリケーションに対する要件が大きく異なることがわかります。そのため、メーカーは、取り外し可能な模型歯肉パーツ、バーンアウト鋳造フレームワーク、外科用（インプラント）ガイド、各種パッド、個別トレイ、仮歯、義歯床まで、モデル印刷用の樹脂を幅広く取り揃えています。

ここでは、まず医療機器製品と実験室材料を区別する必要があります。医療機器製品の場合、材料はパーソナライズされた製品用にテストされ、承認される必要があります。これに関しては関連する規制がありますので、医療機器法および医療機器規則を参照してください。上記のアプリケーションのうち、最初の 2 つだけが実験室製品です。

医療機器製品は患者にとって安全でなければなりません。そのため、臨床応用性と生体適合性が求められます。しかし、後者は材料の特性ではありません。さらに、正しい処理は、高く評価されているアプリケーションと同じくらい重要です。生体適合性は、材料と生物との相互作用に基づいているからです。これらの樹脂が無害ではないことはボトルに記載されています。いくつかの異なる警告が表示されます。感嘆符は、皮膚や目の炎症、アレルギー反応など、一般的な健康への脅威を示します。しかし、一部の材料は環境に有害であり、腐食性があり、さらには健康にも有害であると考えられています。安全データシートでは、危険性を説明し、対応する保護対策を推奨する必要があります。これらの危険性はすべて、個々の成分（通常はモノマー、オリゴマー、開始剤、添加剤）によって引き起こされます。これらは安全データシートに明記する必要があります。

原材料が放射線照射によってさらにポリマー、つまり複合材料に形成された場合にのみ、危険性はなくなります。これを保証するには、材料とプロセスが一緒に承認され、臨床応用に必要な機械的特性が保証され、製品の説明書に記載される必要があります。何らかの理由で歯科技工士が関連情報にアクセスできない場合、適用された方法によってより安全な製品が生み出されることを確実にするのは歯科技工士の責任です。現在、さまざまな材料の製造業者が安全データシートのみを提供し、使用説明書に他の危険性について言及している場合、職場での最大限の安全を確保するという規制の目的が達成されません。

以下にさまざまなアプリケーション シナリオについて説明し、処理後に達成する必要のある材料特性について詳しく説明します。

歯科模型<br /> 印刷された模型（図 1）は、従来の石膏模型と同じ機能を果たす必要があり、患者の口腔状態を高い精度で反映する必要があります。また、現行機種では用途に応じて、フィルムプレス時に一定の温度に耐えられる必要があります。クラウンとブリッジの修復用のモデルの中には、取り外し可能な個々の歯のレプリカが付属しているものもあります。これらのダイは個別に印刷する必要があり、適用時に非常に正確に配置する必要があります。このような精度は、まずプリンターの品質に依存し、次に樹脂の粘度と反応性、そして印刷プロセスに依存します。精度以外に、熱安定性に対する高い要件はありません。色も一部のユーザーにとって非常に重要です。ほとんどの色はアイボリーとライトベージュの色調の間ですが、グレーの素材もあります。また、表面の詳細が見えるほど十分な不透明度も重要です。

SHERA は、歯列矯正モデルの高速印刷用 (SHERAprint-model fast) と、美観要件を満たすモデルを印刷するための (SHERAprint-model plus) の 2 種類の材料を提供しています。 2 つの材料は組成も異なります。これに似たのが、NextDent の 2 つのモデル材料、NextDent Model と NextDent Model Ortho です。後者は精度が低い材料であり、主に真空鋳造に推奨されます。 Dreve は 2 種類の樹脂も提供しています。ただし、他の点では異なります。1 つは 405nm の波長の光を使用するプリンターで使用するように設計されており、もう 1 つの樹脂は 365nm の波長の光で硬化します。

ガムシミュレーション<br /> 歯科技工室の模型上の歯肉シミュレーション部分（図2）は人工歯肉とも呼ばれ、歯肉を最もよくシミュレートすることができます。このため、印刷された素材は、かなり弾力性があるだけでなく、トリミングも可能でなければなりません。歯を所定の位置に保つには、優れた引張強度だけでなく、十分な引裂強度も必要です。これらは完全に異なる 2 つのプロパティです。



引張強度または破断伸びはパーセンテージで表され、伸びの度合い、つまり材料が破断し始めるポイントを表します。引き裂き強度は反対方向の力を表し、切断したサンプルをさらに破壊するために必要な単位面積あたりの力を指します。破断時の伸長には、歯が開口部内にしっかりと固定されるように材料を伸ばす必要があります。しかし、材料が割れた場合、人工歯肉が完全に剥がれないように引き裂き強度が必要です。 Dreve ProDiMed GmbHは、この歯原型が歯の模型や人工歯肉に及ぼす圧力に関して特許（EP2499990、US8506297、JP2012196456）を取得しているため、Dreve社の材料を使用する場合はライセンスを申請する必要があります。

インベストメント鋳造ブラケット

ここで説明する最後の実験製品は、鋳造ブラケットの埋没パターンです (図 3)。これも、歯科模型と同様に、非常に一般的な用途です。この方法は、ジュエリーの製造でも同じように長い間使用されてきました。患者の口腔内情報を入手した後、コンピュータ上でブラケットを設計し、印刷します。サポート部分を取り外した後、樹脂インベストメントを埋め込みました。



溶融金属で鋳造する場合、樹脂型は短時間で焼き尽くされ、残留物は残りません。ここでは比較的多量のガスが生成され、鋳造材料に亀裂が生じる可能性があるため、金属を充填する必要もあります。最悪の場合、プロセス全体を繰り返す必要があります。したがって、材料には非常に異なる要件が課されます。重合プロセス中の収縮は最小限に抑える必要があります。収縮があると樹脂部分に応力が生じ、複合埋没パターンが変形する原因になります (図 4)。ただし、サポート構造を巧みに使用することでこれに対抗できます。


材料の溶融挙動を知っておく必要があります。溶融金属と接触して残留物やガスが形成されることは許容されません。さらに、埋め込み中に変形しないように材料は十分に強度がなければなりません。精度はあらゆる歯科用途における基本的な要件です。 BEGO の材料 VarseoWax CAD/Cast は、高いグリーン強度を備えています。したがって、後硬化が不要になる可能性があり、時間の節約になるという利点があります。ただし、後硬化をお勧めします。さらに、使用する埋め込み材料は印刷樹脂と互換性がなければなりません。

植え付けガイド

ここで説明する用途の範囲には、まず第一に、身体に接触し、材料の生体適合性が必須であることからクラス I 製品として分類される医療機器が含まれます。

使用中、未反応モノマーや開始剤などの有害成分が生成されて患者の唾液や粘膜に入ることはありません。重合時に、（後）光硬化時間が短すぎたり、間違った波長を使用したり、光硬化装置（後硬化）の出力が低すぎたりすると、重合が不十分になり、上記のような危険につながります。ただし、光の照射時間が長すぎると、樹脂成分の反応により変形が生じる可能性があります。特に、インプラントガイドは歯列弓全体を覆う必要がある場合が多く、相対的に大きな変形が生じることも意味します。

このような材料は、外科医が手術部位をよりよく視覚化できるように透明である必要があります (図 5)。一方、SHERAprint-sg と NextDent SG のオレンジ色 (この場合、これらはおそらく同じ材料で作られています) (図 6 のガイド画像は Dreve 提供) や BEGO Wax Surgical Guide の青色など、歯や歯茎との色のコントラストが望ましい場合がよくあります。これらの材料は、歯と顎の骨にしっかりと固定できるだけでなく、準備ドリルをガイドするカラーを保持できるほどの硬さが必要です。この分野での用途では、それほど高い機械的特性は必要ありません。ガイドリングには高い精度が求められます。偏差があると、準備されたインプラントベッド3にインプラントが適切にフィットしない可能性があります。ガイドプレートを使用することでこれを回避できます。したがって、ガイドは患者の口の中で揺れることなく安定して配置される必要があります。さらに、インプラントガイドのガイドリングは揺れてはいけません。したがって、必要な穴はできるだけ小さくする必要がありますが、手作業で行うとより多くの労力がかかります。ガイドが達成できる精度は、プリンター、印刷プロセス、および樹脂によって決まります。



インプラントガイド使用時に血液に接触する可能性があります。したがって、滅菌されていることが望ましい。このため、ガイドリングの導入後に消毒または滅菌が行われます。蒸気滅菌を使用すると、熱応力が発生し、変形を引き起こしたり、機械的特性が変化する可能性があります。エチレンオキシド (EO) で滅菌する場合、自由二重結合がまだ残っていると、特定の状況下で有毒ガスが材料に結合する可能性があります。これは材料の特性に影響を与えます。したがって、EO を滅菌に使用する場合は、合成材料に吸収されたエチレンオキシドが使用前に確実に放出されるようにする必要があり、そのためにはより長い保管期間が必要になります。ベータ線またはガンマ線による放射線滅菌は、高エネルギー放射線によって結合が切断されたり再結合される可能性があるため、すべての合成材料（PEEK と PPS を除く）に永久的な影響を与えます。これにより脆化が生じることが多く、精度や生体適合性にも影響が出る可能性があります。したがって、消毒にはエタノールを使用することをお勧めします。これは、迅速で効率的かつ無害です。

咬合スプリント<br /> 咬合スプリントは強い咬合力に耐える必要があります。その中でも、臼歯咬合パッドは非常に高い要求が求められる用途です。したがって、適切な材料が実際に開発されるまで、この分野での推進にはより長い時間がかかるでしょう。ご想像のとおり、積層造形技術を使用してこれらのパッドを製造することに対する市場の需要は非常に高くなります。そのため、かつては植え付けガイド材を使ってパッドを作ったこともありましたが、当然ながら結果は期待外れでした。マットの破損を防ぐには、十分な強度に加えて、材料の高い延性（最低でも 10% 以上）と十分な衝撃靭性（15 kJ/m2 以上）が不可欠です。鋭い骨折端も患者にとって大きな危険となります。咬合パッドの耐摩耗性は特に重要です。咬合スプリントは口の中に長時間装着する必要がないため、クラス I 医療機器に分類されます。しかし、滞留時間とその結果生じる潜在的なリスクは、インプラントガイドよりも依然として高くなります。美観上の理由から、また真空ラミネート技術を置き換えるためには、適用される材料は高い透明性を備えている必要があります。特に、患者が長期間装着する必要がある咬合スプリントについては、メーカーが適切な修復材料を提供できることも期待されており、この修復の可能性は現在テストされています。

さらに、咬合スプリントの支持部分の締め付けも非常に重要です。咬合スプリントの組織表面は変更できませんが、その外面は研磨して整えることができます。 NextDent は、NextDent Ortho Splint に加えて、別の素材である NextDent Ortho Rigid も発売しました。この素材は硬いだけでなく、耐衝撃性もわずかに高くなっています。しかし、この素材はOrthoDentSplintのように無色ではありません。興味深いことに、NextDent の材料はすべてクラス IIa 製品に分類されています。クラス IIa 医療機器には中程度の潜在的リスクがあります。この場合、入れ歯や歯の詰め物のように口の中に永久に装着しておくことはできません。

用途によっては、柔らかく柔軟性の高い咬合スプリントの方が適している場合があります。 EVAL などの複合材料は、積層技術においてこの目的に使用されます。このタイプの材料の弾性率は 1000 MPa の範囲ですが、延性は 20% です。 NextDent はこの用途の唯一のサプライヤーであり、同社が提供する材料は NextDent Ortho IBT と呼ばれ、歯列矯正にも使用されています。

パーソナライズされたトレイ

ほぼすべてのメーカーがこの用途に適した材料を提供できます。積層造形技術を使用して作られたこのタイプのトレイは、より複雑な幾何学的形状を実現できます (図 7)。これには医療機器製品も含まれますが、患者との接触時間が短いため、要件は比較的低くなります。インプラントガイドの場合と同様に、印象材の接着力が高いにもかかわらず、トレイが壊れないように十分な強度を備えていなければならないため、個々のトレイの完全な硬化も特に重要です。したがって、トレイのハンドルが十分に安定するように設計することが非常に重要です。トレイへのシリコン（またはその他の印象材）の接着も重要です。もちろん、患者さんの口の中に残しておくことはできません。処理時間を不必要に長くしないために、製造時間を短くすることも非常に重要です。


一時的な修復

歯科における付加製造のもう一つの用途は、クラウンとブリッジの修復物の製造です。時間を節約するために、ほとんどの歯科医は従来の方法で患者の一時的な修復を行います。さらに、高充填材料を使用すると、（少なくとも）上記のほとんどのプリンターでは対応できない患者の咀嚼アプリケーションが不要になります。しかし、そのような製品はすでに市場に登場しています。たとえば、NextDent（有名な歯科用3Dプリント樹脂メーカー）のCEO、Rik Jacobs氏の口内のクラウン修復物であるSHERAprintcbは、NextDentが製造したMFH材料（MFH = マイクロ充填ハイブリッド材料）で作られています。修復版はオランダのTNO Researchのプリンターで印刷されました。この MFH 材料に加えて、NextDent は一時的なクラウンやブリッジを印刷するための別の樹脂、NextDent C&B も提供しています。機械的特性は MFH 材料よりも劣ります。 NextDent C&B の曲げ強度は 85 ～ 100Mpa ですが、NextDent C&B MFH は 100 ～ 130Mpa です。 FixTemp (Dreve) などの従来の材料は、24 時間後には曲げ強度が 90 MPa、最終曲げ強度が 120 MPa になります。しかし、このタイプの印刷材料の耐摩耗性はまだ決定されていません。これらの素材は、メーカーの指示に従って標準色に染色できます。しかし、著者らの経験によれば、染色は樹脂の硬化に影響を及ぼし、ひいてはプリントの生体適合性にも影響を及ぼす可能性がある。

さらに、EnvisionTec 社が提供するマイクロハイブリッド充填材である E-Dent も、仮修復物の製造に使用されます。この材料を使用してベニヤ板を印刷することもできます。 A1、A2、A3の3色からお選びいただけます。充填剤含有量は重量比で最大約50％です。そのため、特別なボクセル単位の印刷方法があり、取扱説明書に詳細が記載されています。データシートに記載されている NextDent C&BMFH の機械的特性は、さらに明確にし、従来の処理で使用される材料の要件を満たす必要があります。 '



義歯床

義歯の製造に積層造形技術を導入すると（図8）、次のような問題も生じます。筆者の見解では、義歯の歯並びもデジタル化によって必要な品質を実現できれば、義歯開発の加速が真に達成できると考えられます（図9）。なぜなら、現在印刷されている義歯には、依然として対応する人工歯が必要であり、もちろん最も重要なことは、患者が義歯を使って食事や会話ができることだからだ。しかし、この材料の製造プロセスと、この材料がどのような用途に使用できるかを明らかにする必要があります。

まず、長期にわたって生体適合性が保証されなければならず、つまり義歯を長年にわたって装着できる必要があります。問題となっている成分が浸出した場合、その製品は受け入れられません。しかし、このプリントの利点は、そもそもメチルメタクリレートが含まれていないことです。この伝統的な義歯材料の原料には既知のアレルゲンが含まれており、多くの人がアレルギー反応を起こします。さらに、この付加製造技術では、従来の処理方法よりも収縮が少なくなります。

これらの新材料の機械的特性は注意深く検査されなければならない。合成材料が ISO 20795-1 の機械的特性要件 (弾性係数 > 2000Mpa、曲げ強度 > 65Mpa) を満たしている場合でも、経験上、落下または修理時に破損するかどうかは依然として不確実です。さらに、破断時の伸び（最小 10%）と衝撃靭性（> 15 kJ/m2、好ましくは 20 kJ/m2）も興味深いパラメータです。

さらに、義歯の審美性も非常に重要であり、義歯床の色と表面の質がこれに重要な役割を果たします。義歯が十分に快適でない場合、患者は義歯の使用をためらうでしょう。必要に応じて義歯の裏張りをやり直す必要があり、裏張り材と義歯床の良好な接続を確保する必要があります。しかし、シリコンを硬質プラスチックに接合するのは簡単ではありません。通常、結合を実現するにはメチルメタクリレートをベースにした接着剤が必要です。積層造形技術で使用される樹脂は、通常、PMMA ベースの合成材料よりも MMA ベースのものが少なくなります。

要約する

積層造形技術の可能性は技術者の間でも確認されています。パーソナライズされた製品は、個人のスキルを必要とせず、非常に高い精度で短時間で加工できます。現在、市場に出回っている各メーカーの樹脂は、8つの分野で使用可能です。しかし、すべてのケースにおいてまだ完全に説得力があるわけではありません。したがって、今後数年間で製品範囲が引き続き改善され、拡大されることが期待されます。

現在、市場のベンダーがユーザーに提供しているドキュメントとサポートには大きなばらつきがあります。明らかに、インターネットで入手できる関連製品文書の一部は、使用されている材料の安全データシートのみです。製品マニュアルの詳細の深さも大きく異なります。ユーザーは最大 8 ページのコンテンツを読む可能性がありますが、それが本当に知りたい情報ではない可能性があります。

最初の質問に戻りますが、付加製造技術によって歯科技工士の成功度を高めることができるかどうかという点では、その貢献は多面的であるはずです。すべての歯科技工所は、プリンターや洗浄および後硬化用の機器の購入を正当化するのに十分な処理量があるかどうかを検討する必要があります。また、従業員をトレーニングし、必要な経験を積むのにかかる時間も忘れないでください。ただし、これらの投資により、独自の研究室にさらなる可能性が開かれ、いくつかの新しいテクノロジーを事前に試すことができる可能性があります。適切なプリンターと適切な材料を選択することが決定的な要素なので、この点に費やす時間と労力を惜しんではなりません。
出典: World Dental Technology さらに読む:
【分析】医療分野における3Dプリント生体組織の5つの主な応用方向

技術、歯科、医療

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