羅 燊， 徐 航， 章 婷， 全浩源， 朱曉群

(北京化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100029)

3D打印技術(shù)，又稱(chēng)增材制造，是一種建立在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)之上，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新型制造技術(shù)，其主要采用分層加工和堆疊成型的方式實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的制造。經(jīng)過(guò)短短幾十年的發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了十幾種不同成型原理的3D打印技術(shù)。而其中光固化3D打印是最早出現(xiàn)的3D打印技術(shù)，且成熟度較高，這與光固化技術(shù)的特點(diǎn)密切相關(guān)。由于光的波長(zhǎng)只有幾百納米，且在時(shí)間和空間上具有可控性，而光固化樹(shù)脂僅在光照下才從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，未受到光照的區(qū)域依舊保持液態(tài)，這些特性為光固化3D高精度打印奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。上世紀(jì)70年代末到80年代初，有4位科學(xué)家提出利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生三維實(shí)體的新思想，他們分別是美國(guó)3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美國(guó)UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，而只有美國(guó)科學(xué)家Charles Hull將該思想實(shí)現(xiàn)。1982年他和他所在的UVP公司成立了全球第一家3D打印設(shè)備生產(chǎn)公司——3D Systems公司，并于1988年發(fā)明了第一臺(tái)打印機(jī)——SLA-250(Stereolithogra-phy，液態(tài)樹(shù)脂固化或光固化)3D打印機(jī)，這是3D打印技術(shù)正式誕生的標(biāo)志。此后，許多新型3D打印技術(shù)相繼出現(xiàn)，光固化3D打印技術(shù)也得到飛速發(fā)展。

相較于其他3D打印技術(shù)，光固化3D打印技術(shù)有下列優(yōu)點(diǎn)：成型速度較快，系統(tǒng)工作相對(duì)穩(wěn)定；可打印尺寸范圍廣；尺寸精度高；表面質(zhì)量較好，適合做精細(xì)件；可制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型；原材料利用率較高。

1 光固化3D打印技術(shù)的分類(lèi)及其應(yīng)用領(lǐng)域

光固化3D打印擁有多種不同的打印技術(shù)，這些技術(shù)的差異主要是光源及其控制系統(tǒng)不同，包括發(fā)光光源種類(lèi)、光源波長(zhǎng)和圖案控制系統(tǒng)。就被打印的材料而言，光固化3D打印都是建立在光固化原理之上，即材料都是從液態(tài)光敏樹(shù)脂(小分子或低聚物)變?yōu)楣虘B(tài)高分子三維網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。對(duì)于不同打印技術(shù)而言，材料本身并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。除最早發(fā)明的SLA外，光固化3D打印相繼出現(xiàn)了若干新型打印技術(shù)，如DLP(digital light processing)、LCD(liquid crystal display)、雙光子打印技術(shù)、全息3D打印技術(shù)、CLIP(Layerless continuous liquid interface production，連續(xù)無(wú)分層液體界面提取)快速成型技術(shù)等。對(duì)于相同的材料，光控系統(tǒng)決定了打印的精度和打印效率。以下分別介紹各種光固化3D打印技術(shù)及其應(yīng)用。

1.1 SLA 打印技術(shù)

SLA技術(shù)，是最早出現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)商品化的一種光固化快速成形技術(shù)，同時(shí)也是研究最深入、應(yīng)用最廣泛的快速成形技術(shù)之一。

1.1.1工作原理

光固化SLA打印機(jī)所用光源是激光器。由于激光器發(fā)射波長(zhǎng)的可選擇性比較多，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適波長(zhǎng)。但是，長(zhǎng)波較長(zhǎng)，打印的精度會(huì)有所下降，需要引發(fā)劑的吸收波長(zhǎng)也較長(zhǎng)，而且長(zhǎng)波長(zhǎng)光引發(fā)劑可選的種類(lèi)少、價(jià)格高，通常自身還帶有顏色。因此，考慮到材料成本等問(wèn)題，通常選擇250～400 nm之間的波長(zhǎng)。SLA打印技術(shù)的圖像控制是通過(guò)程序控制激光器的移動(dòng)，將特定波長(zhǎng)的激光聚焦到光固化液態(tài)材料表面，使之由點(diǎn)到線、由線到面照射液態(tài)材料使其凝固，完成一個(gè)層截面的打印。由步進(jìn)系統(tǒng)控制每層打印厚度，層層疊加，即可完成一個(gè)三維物體的打印。因此，SLA打印不需要額外添加光圖案化控制系統(tǒng)。由于SLA打印的精度由激光束斑點(diǎn)的尺寸決定，因此與DLP和LCD等技術(shù)相比，SLA打印技術(shù)的精度稍差。

1.1.2打印流程

SLA打印一般要經(jīng)過(guò)4個(gè)步驟：(1)利用軟件對(duì)3D模型進(jìn)行切片處理，一般根據(jù)實(shí)際精度要求可以切成每層50 μm以上厚度，輸入打印機(jī)，打印機(jī)按照切片后的文件逐層打?。?2)在盛有液態(tài)光敏樹(shù)脂的樹(shù)脂槽中，可升降工作臺(tái)處于液面下一個(gè)截面層厚的高度，聚焦后的激光束在計(jì)算機(jī)控制下沿液面進(jìn)行掃描，被掃描的區(qū)域(即被照射到的樹(shù)脂)固化，掃描過(guò)程為點(diǎn)到線、線到面，從而得到該截面的一層樹(shù)脂薄片；(3)升降工作臺(tái)下降一個(gè)層厚距離，重復(fù)(2)中的操作，液體樹(shù)脂再次暴露在光線下掃描固化，逐層進(jìn)行固化，直到整個(gè)產(chǎn)品成型[1]；(4)升降臺(tái)將打印臺(tái)升高，超出液體樹(shù)脂表面，取出產(chǎn)品。打印的物件可以通過(guò)后期處理工作，如拋光、電鍍、噴漆或染色等，賦予表面其他顏色或光澤等，得到最終產(chǎn)品。

1.1.3技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)SLA是最早出現(xiàn)的快速成型技術(shù)，成熟度高；成形過(guò)程穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高；產(chǎn)品型號(hào)豐富，所用儀器供應(yīng)商眾多，便于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

(2)SLA打印物件的平面尺寸理論上不受限制，可以打印大尺寸物品；可以同時(shí)打印多個(gè)零件；可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失模；SLA工藝系統(tǒng)分辨率和成型精度較高，可構(gòu)建成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸比較精細(xì)的工件，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、一般切削刀具難以進(jìn)入的模型。

1.1.4技術(shù)缺點(diǎn)

(1)SLA打印機(jī)器價(jià)格高，使用和維護(hù)的成本相對(duì)較高，目前每次只能打印單色物品；(2)由于是點(diǎn)到線再到面的打印方式，產(chǎn)品成型的速度慢，打印物品需要較長(zhǎng)時(shí)間。由于在SLA成形過(guò)程中伴隨著物理和化學(xué)變化，易導(dǎo)致成形件較軟、較薄的部位產(chǎn)生翹曲變形，因而極大地影響了成形件的整體尺寸精度；(3)SLA設(shè)備對(duì)加工環(huán)境要求嚴(yán)格，需要恒溫恒濕的密閉空間。

1.1.5應(yīng)用領(lǐng)域

SLA打印技術(shù)不受成型的尺寸影響，可以在航空航天領(lǐng)域、汽車(chē)制造領(lǐng)域、模具鑄造行業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)、房地產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。值得一提的是，SLA在模具制造領(lǐng)域、尤其是大尺寸模具制造領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)的模具制備方法，如模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往采用機(jī)加工方法，后續(xù)還需要鉗工進(jìn)行修整，費(fèi)時(shí)耗資，而且精度不高。尤其是對(duì)于一些形狀復(fù)雜的鑄件，模具的制造更是一個(gè)巨大的難題和挑戰(zhàn)。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也擁有數(shù)控機(jī)床、仿型銑等高級(jí)設(shè)備，但除了設(shè)備價(jià)格昂貴外，模具加工周期很長(zhǎng)，并且由于沒(méi)有很好的軟件系統(tǒng)支持，機(jī)床編程也很困難。SLA快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，為快速、高精度以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具鑄模提供了保障。

1.2 DLP打印技術(shù)

DLP(數(shù)字光處理)技術(shù)采用LED作為光源，其曝光模塊是投影儀系統(tǒng)。該技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)程序數(shù)字化控制投影儀中的振鏡切換，投影出特定圖案，每次投影一個(gè)切片(即一個(gè)片層)的圖像，逐層固化光敏液態(tài)樹(shù)脂，從而快速精準(zhǔn)地創(chuàng)建出3D打印物品[2]。

1.2.1工作原理

和目前所有光固化成型技術(shù)相同，DLP光固化成型同樣基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的聚合原理。設(shè)備中包含一個(gè)可以盛放光敏樹(shù)脂的液槽，DLP成像系統(tǒng)(光機(jī))置于液槽下方(下曝光)，其成像面正好位于液槽底部，通過(guò)能量及圖形控制，每次可固化一定厚度及形狀的薄層樹(shù)脂。液槽上方設(shè)有升降工作臺(tái)，每次截面曝光完成后向上升起一定高度(該高度與切片層厚一致)，使得當(dāng)前固化完成樹(shù)脂與液槽底面分離并粘接在打印平臺(tái)或上一次成型的樹(shù)脂層上。重復(fù)操作打印形成三維實(shí)體[3]。

1.2.2打印流程

首先，將三維實(shí)體模型利用切片軟件進(jìn)行切片處理，產(chǎn)生的切片數(shù)據(jù)可以精確控制光機(jī)和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。其次，光機(jī)根據(jù)切片數(shù)據(jù)控制振鏡圖案，投影出與片層形狀一致的光斑到樹(shù)脂槽內(nèi)，樹(shù)脂固化，完成片層的加工。隨后，升降臺(tái)下降一個(gè)層厚距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹(shù)脂，再進(jìn)行第二層照射，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上。如此重復(fù)操作，層層疊加而成三維物品。最后，將模型從樹(shù)脂中取出清洗，進(jìn)行后固化，再經(jīng)拋光、電鍍、噴漆或著色處理即可得到要求的三維物品。

1.2.3DLP打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：光源是靜止的，無(wú)需移動(dòng)，振動(dòng)偏差??；面曝光，一次投影一層圖案，產(chǎn)品成型速度快；LED光源成本低、壽命長(zhǎng)，使得打印成本低且節(jié)省能源；成型精度高，質(zhì)量好，可用來(lái)制造較為精細(xì)的零部件。

技術(shù)缺點(diǎn)：(1)可用于DLP技術(shù)的光機(jī)完全依賴(lài)進(jìn)口，造成精度較高的商業(yè)級(jí)DLP打印機(jī)價(jià)格昂貴，工業(yè)級(jí)的價(jià)格更高；DLP打印系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、使用和維護(hù)成本高昂，且核心技術(shù)(光機(jī))被單一公司所壟斷，使其應(yīng)用與發(fā)展受到限制。(2)DLP打印所用樹(shù)脂材料較為昂貴；由于接近可見(jiàn)光曝光，所以液態(tài)光敏材料使用和儲(chǔ)存都需要避光。(3)受精度和光機(jī)的影響，目前DLP技術(shù)打印尺寸較小。(4)受限于封裝技術(shù)，DLP光機(jī)系統(tǒng)目前可選用光源波長(zhǎng)普遍較長(zhǎng)，通常為395和405 nm，由此導(dǎo)致可選用的引發(fā)劑種類(lèi)較少且價(jià)格較貴，從而導(dǎo)致材料成本升高。

1.2.4應(yīng)用領(lǐng)域

DLP 技術(shù)由于其打印精度高，但又受限于其成型尺寸較小，在對(duì)精度要求高、物體尺寸較小的珠寶、齒科行業(yè)以及新產(chǎn)品的初始樣板快速成型、精細(xì)零件樣板等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。但是，由于DLP機(jī)器使用成本高、成型面小，隨著LCD技術(shù)的出現(xiàn)與快速發(fā)展，在許多領(lǐng)域，尤其是口腔領(lǐng)域，DLP逐漸被LCD技術(shù)所取代。

1.3 LCD打印技術(shù)

LCD打印技術(shù)的誕生稍晚于DLP技術(shù)。兩者核心技術(shù)的主要差別是LCD的每層圖像由液晶成像控制，取代了DLP昂貴的光機(jī)系統(tǒng)。由于液晶屏價(jià)格非常便宜，因此LCD機(jī)器造價(jià)非常低，而且液晶顯示的精度雖然不及投影曝光方式，但也比較高，完全可滿足其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，在小型化機(jī)型方面，LCD打印機(jī)已經(jīng)超越SLA和DLP機(jī)器。

1.3.1工作原理

LCD的顯像原理是靠液晶開(kāi)與關(guān)以透過(guò)或阻擋光線，控制明暗場(chǎng)，通過(guò)TFT基板控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)，形成圖像，從而使得通過(guò)液晶基板的光線形成圖像并被投射到相應(yīng)的成型面，使樹(shù)脂固化。除了成像系統(tǒng)的差別，其他的打印機(jī)部件與DLP技術(shù)基本相似。

1.3.2打印流程

在微型計(jì)算機(jī)及顯示屏驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下，由計(jì)算機(jī)程序提供圖像信號(hào)，在液晶屏幕上出現(xiàn)選擇性的透明區(qū)域；在紫外光源的照射下，液晶屏幕的圖像透明區(qū)域?qū)ψ贤夤庾韪魷p小，透過(guò)液晶屏的紫外光線構(gòu)成紫外光圖像區(qū)域，而在沒(méi)有圖像顯示的區(qū)域不透明，紫外光線被阻擋。被遮擋部分的液態(tài)光固化樹(shù)脂沒(méi)有被紫外光線照射到，仍然保持液態(tài)，而被照射到的液態(tài)樹(shù)脂固化。經(jīng)過(guò)固化的樹(shù)脂逐層堆積形成三維物品。

1.3.3LCD打印技術(shù)的優(yōu)劣

打印優(yōu)勢(shì)：(1)液晶顯示屏的顯示精度高，液晶屏成像直接接觸性成型，打印出的產(chǎn)品精度較高，較易實(shí)現(xiàn)平面精度100 μm，優(yōu)于第一代SLA技術(shù)，可比肩桌面級(jí)DLP技術(shù)的打印精度。(2)價(jià)格便宜，對(duì)比SLA和DLP打印技術(shù)，性?xún)r(jià)比極其突出。(3)LCD技術(shù)是面成型光源，比DLP技術(shù)成型面大，可以同時(shí)打印多個(gè)零件而不犧牲速度。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于沒(méi)有采用激光振鏡或者投影模塊裝置，容易組裝和維修。 (5)相比傳統(tǒng)的SLA和DLP打印，LCD打印機(jī)價(jià)格便宜，性?xún)r(jià)比高，節(jié)能省電。(6)樹(shù)脂通用：由于采用405 nm背光，除少數(shù)SLA專(zhuān)用樹(shù)脂由于曝光率不足無(wú)法兼容外，所有DLP類(lèi)的樹(shù)脂或者大部分光固化樹(shù)脂理論上都可以兼容[4]。

打印劣勢(shì)：(1)受外部光線干擾程度較為嚴(yán)重，在正常光線下無(wú)法清晰顯示；光效率沒(méi)有DLP法高。(2)光強(qiáng)弱，目前市場(chǎng)上可用的是彩色液晶屏，阻擋了近90%的光透過(guò)，降低了打印速度或者導(dǎo)致固化不完善。(3)LCD液晶屏是易耗件，需要經(jīng)常更換；在使用過(guò)程中液晶屏?xí)匣S著LCD面板的老化，產(chǎn)品的精度會(huì)越來(lái)越差。(4)由于90%的光被阻擋透過(guò)，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化成熱，進(jìn)而影響液晶屏的壽命，所以需要設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)對(duì)液晶屏進(jìn)行降溫。散熱設(shè)備或多或少降低光的透過(guò)甚至?xí)淖児馔高^(guò)路線，從而對(duì)光強(qiáng)以及精度造成一定的影響。(5)由于液晶不耐受波長(zhǎng)較短的紫外線，在可見(jiàn)光區(qū)液晶屏的壽命較長(zhǎng)，因此光源要求較長(zhǎng)波長(zhǎng)，但是光源波長(zhǎng)直接決定引發(fā)劑的選擇，可見(jiàn)光引發(fā)劑價(jià)格昂貴，使材料成本增加。

1.3.4應(yīng)用領(lǐng)域

由于LCD機(jī)器造價(jià)低、成型面大，成型精度接近DLP，因此，高性?xún)r(jià)比讓LCD在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如齒科領(lǐng)域、藝術(shù)領(lǐng)域、動(dòng)漫設(shè)計(jì)等，很大程度上可以取代DLP與桌面SLA應(yīng)用領(lǐng)域。

1.4 MJP打印技術(shù)

MJP技術(shù)是MultiJet Printing的縮寫(xiě)，其中文名稱(chēng)是多噴嘴噴墨3D打印技術(shù)。MJP技術(shù)采用壓電噴射打印、逐層堆疊形成三維物品。簡(jiǎn)而言之，MJP是傳統(tǒng)噴墨打印在Z軸上的疊加。MJP打印可以提供最高的Z軸分辨率為16 μm，可以打印高精準(zhǔn)的精細(xì)零件，而SLA、DLP、LCD在Z軸上的最佳打印精度通常為50 μm。

1.4.1打印原理

MJP多噴嘴噴墨3D打印技術(shù)是在平整的平臺(tái)上通過(guò)壓電以墨滴形式噴射一層液態(tài)光敏樹(shù)酯，墨滴大小可以由噴頭來(lái)控制。噴射出的墨滴隨即被紫外線燈同步照射固化，每完成一層，建模工作臺(tái)就會(huì)下降并制作另外一層，不斷重復(fù)上述過(guò)程直到整個(gè)零件打印完成。MJP打印使用可熔蠟質(zhì)材料作為支撐，通過(guò)加熱融化即可去除，因此在打印過(guò)程中需要有加熱噴頭噴射蠟質(zhì)支撐。

1.4.2MJP打印技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：(1)能夠打印出高精確度三維物品，一般可達(dá)0.016 mm～0.050 mm；最小細(xì)節(jié)一般為0.1 mm，最小壁厚通常為0.3 mm。(2)打印尺寸理論上不受限制，市場(chǎng)售機(jī)器成型尺寸一般在298 mm以?xún)?nèi)。(3)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一次成型，細(xì)節(jié)特征明顯，物體特征尺寸最小可達(dá)0.25 mm；不受幾何形狀的限制，無(wú)需拆除支撐，支撐材料為易溶蠟，去除方便。(4)后處理方式簡(jiǎn)單高效，邊角筆直干凈、明顯。(5)可打印彩色物件。

技術(shù)缺點(diǎn)：(1)要求材料的粘度低；也可使用高粘度材料，但是需要高溫加熱降其粘度以保證打印。(2)機(jī)器價(jià)格較高，一般都在百萬(wàn)級(jí)別，目前國(guó)產(chǎn)機(jī)器尚未研發(fā)成功。(3)由于要求材料粘度低，所以所用液態(tài)樹(shù)脂的分子量低，打印的材料性能一般較差，尤其是材料的韌性較差。

1.4.3應(yīng)用領(lǐng)域

(1)多數(shù)用于構(gòu)建高精度、高清晰度的模型和原型。(2)可用于概念性試產(chǎn)驗(yàn)證、功能測(cè)試、模具制造領(lǐng)域的母模、直接熔模鑄造。(3)目前應(yīng)用于牙科、醫(yī)療、珠寶藝術(shù)等領(lǐng)域。

1.5 全息3D打印

全息投影技術(shù)是利用激光光波的干涉，將影像與再現(xiàn)影像記錄下來(lái)的一種影像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)360°全面而無(wú)死角投射影像。全息3D打印就是通過(guò)這種影像原理快速形成三維物品。

1.5.1基本原理

激光全息光刻打印機(jī)能夠提供全息工作模式、光刻工作模式和全息光刻工作模式，并完全實(shí)現(xiàn)編程控制模式的自由切換。工作中打印機(jī)將物體的激光全息圖整個(gè)“嵌入”光敏樹(shù)脂中，直接在空間中實(shí)現(xiàn)固化，一次性完成打印。激光全息光刻打印機(jī)通常采用正性光刻膠作為打印介質(zhì)，曝光所需的光刻膠區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)全息圖制作，實(shí)現(xiàn)全息圖生成，也可經(jīng)過(guò)蝕刻工序完成衍射結(jié)構(gòu)元件制作。

1.5.2全息3D打印技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：(1)產(chǎn)品成型速度極快，是現(xiàn)有技術(shù)的百倍以上，三維模型一體成型；整體結(jié)構(gòu)一次完成，通過(guò)圖像直接投射到光敏樹(shù)脂上，無(wú)需打印支撐。(2)分辨率高，可達(dá)26000 dpi；成像的清晰度、逼真度和立體感較強(qiáng)。(3)全息投影所展示的影像不受任何空間和場(chǎng)地限制，展示模式非常豐富。

技術(shù)缺點(diǎn)：(1)目前只能打印小型物件；由于需要使激光在樹(shù)脂中均勻分布，目前僅有1 cm3左右。(2)反應(yīng)瞬時(shí)產(chǎn)生的熱量較高，如果沒(méi)有及時(shí)釋放出來(lái)，會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)應(yīng)力較高，對(duì)打印物件的力學(xué)性能影響較大。(3)無(wú)法打印過(guò)于復(fù)雜的形狀，持續(xù)的照射會(huì)導(dǎo)致不需要的液態(tài)樹(shù)脂部分固化。(4)由于技術(shù)不成熟，可用的樹(shù)脂材料種類(lèi)也極其有限。(5)光學(xué)設(shè)備昂貴且復(fù)雜，不適于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的運(yùn)用。(6)容易出現(xiàn)“激光散斑”現(xiàn)象，即令激光干擾到自身，從而導(dǎo)致打印件表面粗糙。

1.5.3應(yīng)用領(lǐng)域

由于3D全息打印技術(shù)尚不夠成熟，其在我們的日常生活中尚未有豐富的應(yīng)用。但是已有如LLNL團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)制造醫(yī)療活體植入物及3D組織打印公司Prellis Biologics打印功能性毛細(xì)血管構(gòu)建人體組織替代器官產(chǎn)品等突破性應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)。相信在不久的未來(lái)，全息3D打印必將成為前景廣闊、應(yīng)用廣泛的高新技術(shù)。

1.6 雙光子3D打印

雙光子3D打印(two-photon polymerization，TPP)，學(xué)名為雙光子激光直寫(xiě)技術(shù)、雙光子聚合光固化成型技術(shù)。常見(jiàn)的3D打印機(jī)工作原理都是分層制造，層與層之間的精度由于存在所謂的“臺(tái)階效應(yīng)”而受到限制[5]，這使得3D打印機(jī)難以制造低粗糙度、高精度的器件，如各種光學(xué)元件、微納尺度的結(jié)構(gòu)器件等。而雙光子3D打印技術(shù)的出現(xiàn)有望完美解決這個(gè)問(wèn)題。

1.6.1工作原理

SLA、DLP、LCD、MJP或是全息技術(shù)等打印方法都是利用單光子聚合，將一個(gè)光子作為基礎(chǔ)單位進(jìn)行吸收，一次只能通過(guò)一個(gè)光子。而有些情況下，某些物質(zhì)存在特殊的能級(jí)躍遷模式，需要同時(shí)吸收兩個(gè)光子才能發(fā)生能級(jí)躍遷，這叫“雙光子吸收效應(yīng)”[6]。雙光子吸收的條件非常苛刻，只有在高度聚焦的激光中心部位，才會(huì)有足夠高的輻照度來(lái)確保有兩個(gè)光子同時(shí)被吸收。雙光子3D打印就是利用兩束激光聚焦，將反應(yīng)區(qū)域局限在焦點(diǎn)附近的極小位置。通過(guò)納米級(jí)別的精密移動(dòng)臺(tái)，使激光焦點(diǎn)在光敏物質(zhì)內(nèi)移動(dòng)。焦點(diǎn)經(jīng)過(guò)的位置，光敏物質(zhì)會(huì)變性固化，從而打印出任意形狀的3D物體，所以具有非常高的打印精度，可達(dá)納米級(jí)。由于雙光子聚合發(fā)生的固化只發(fā)生在激光聚焦的光敏樹(shù)脂槽中央，而不是像SLA/DLP一樣發(fā)生在樹(shù)脂槽液面或者樹(shù)脂槽底部，因此，使用雙光子技術(shù)的3D打印機(jī)無(wú)需將打印件從樹(shù)脂槽底部剝離，無(wú)需安裝刮刀進(jìn)行光敏樹(shù)脂液面的找平。

1.6.2雙光子3D打印的優(yōu)劣勢(shì)

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：(1)產(chǎn)品成型精度極高，飛秒激光雙光子聚合利用雙光子聚合的幾率正比于光強(qiáng)的平方，因而聚合區(qū)域可以小于光束衍射極限，得到比激光波長(zhǎng)更小的微米級(jí)和亞微米級(jí)結(jié)構(gòu)。(2)可以設(shè)計(jì)和加工各種各樣的微納復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

技術(shù)缺點(diǎn)：(1)雙光子激光直寫(xiě)技術(shù)所適用的光敏物質(zhì)(主要是雙光子引發(fā)劑)種類(lèi)有限。(2)將打印完畢的物體固定下來(lái)需要復(fù)雜繁瑣的加工過(guò)程。(3)成型速度慢，只適合做小尺寸模型。(4)機(jī)器昂貴。

1.6.3應(yīng)用領(lǐng)域

雙光子3D打印技術(shù)可以設(shè)計(jì)和加工各種微納結(jié)構(gòu)，如科研中使用的光子晶體(photonic crystal)和光纖頂端加工的內(nèi)窺鏡等。該技術(shù)可以將大量的現(xiàn)實(shí)信息縮小到微觀級(jí)別，不為肉眼所見(jiàn)。目前雙光子打印技術(shù)只在科研領(lǐng)域、微電子、光學(xué)、微器件等領(lǐng)域應(yīng)用，如光子晶體的單元結(jié)構(gòu)極其微小，加工非常困難，使用雙光子技術(shù)則可以非常方便地加工出這種周期性排列的微納結(jié)構(gòu)。用雙光子3D打印技術(shù)還可以創(chuàng)作微觀雕塑，復(fù)寫(xiě)世界各地的建筑原貌，使大量的現(xiàn)實(shí)信息被縮小到微觀級(jí)別。

1.7 CLIP打印技術(shù)

最后介紹光固化3D打印技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重大發(fā)明——Layerless continuous liquid interface production(CLIP)。該技術(shù)巧妙地利用氧氣阻聚克服了DLP打印速度慢的短板，較現(xiàn)有的DLP技術(shù)提高了25～100倍的打印速度，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為2016年最值得期待的3D打印技術(shù)。其能實(shí)現(xiàn)快速打印主要是利用了自由基聚合中氧氣阻聚的原理。氧氣是自由基光固化的高效阻聚劑，有氧氣的地方光固化很難發(fā)生，或聚合速度極慢，因?yàn)樽杂苫c氧氣反應(yīng)的速度是引發(fā)聚合速度的104～106倍。CLIP技術(shù)就是利用了光聚合這個(gè)最大的技術(shù)缺陷，發(fā)明了一種可以透氧的聚四氟乙烯膜，氧氣通過(guò)該膜與樹(shù)脂底部液面接觸，形成了一層非常薄的不能被光固化的區(qū)域，叫做Dead Zone(光固化死區(qū))，使得液槽底部永遠(yuǎn)保持一層極薄的液體樹(shù)脂，而聚合發(fā)生在死區(qū)上方。這樣就完全避免了固化的樹(shù)脂與液槽底部窗口粘連，紫外線也可以連續(xù)照射樹(shù)脂，在這種情況下打印平臺(tái)可以連續(xù)上升，從而大大提升了打印速度[7]。

但是，CLIP技術(shù)已發(fā)明近四年的時(shí)間，卻未得到廣泛應(yīng)用，有其技術(shù)上的原因。首先，CLIP技術(shù)能實(shí)現(xiàn)快速提升，其核心是透氧膜，但是，透氧膜技術(shù)是3D system公司的核心技術(shù)，被其壟斷，其他國(guó)家和地區(qū)目前沒(méi)有該技術(shù)，而且該膜也不向中國(guó)出售；其次，即使在產(chǎn)地美國(guó)，該膜的售價(jià)目前也非常昂貴，一張A4大小的膜大概售價(jià)7千元人民幣，膜本身也有使用壽命，屬于易耗品，更換成本高，導(dǎo)致下游用戶(hù)受限；再者，CLIP技術(shù)打印速度快是建立在低粘度樹(shù)脂體系上，因?yàn)橐ＷC液態(tài)樹(shù)脂的流動(dòng)速度與快速打印速度匹配，即液態(tài)樹(shù)脂能及時(shí)快速補(bǔ)充到打印區(qū)域才可實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印，而粘度高的樹(shù)脂流動(dòng)性差，不能及時(shí)補(bǔ)充到打印區(qū)域，就會(huì)出現(xiàn)打印缺陷，或者要通過(guò)降低打印速度，等待材料流平。所以，目前看到的各種CLIP技術(shù)視頻展示的都是打印空心結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@樣每層需要的樹(shù)脂量較少，比較方便補(bǔ)充。而低粘度樹(shù)脂就在很大程度上限制了打印件的材料性能。

1.8 小結(jié)

光固化打印是目前成型精度最高、速度相對(duì)最快的3D打印方式。其材料配方可選擇性廣，材料利用率高，并且具有多種打印原理與技術(shù)，在珠寶、模具、玩具、教育、動(dòng)漫、家庭、齒科及醫(yī)療、精密制造等眾多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。如美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)的何梅博士及研究生Kimberly Plevniak應(yīng)用3DS微型SLA打印機(jī)——ProJet?1200制造用于快速檢驗(yàn)貧血癥的POC微流體裝置；又如美國(guó)波士頓大學(xué)的生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與馬里蘭州Potomac Photonics公司合作，利用3D System ProJet 3500 HDMax 3D printer打印機(jī)制造干細(xì)胞模板研究干細(xì)胞的生長(zhǎng)變化微環(huán)境；Vauxhall Motors公司，即英國(guó)通用汽車(chē)的分公司之一，利用ProJet 660全彩色打印機(jī)和注液機(jī)制造精準(zhǔn)堅(jiān)固、可用于測(cè)試的車(chē)體部件，等等。眾多的光固化3D打印技術(shù)的區(qū)別主要是由硬件光學(xué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)決定的。

該技術(shù)目前仍然存在很多亟待改進(jìn)的地方，如打印時(shí)底部離型膜是易耗品，經(jīng)常需要更換，使得整體機(jī)器的造價(jià)與維護(hù)成本較高；在材料方面光固化3D打印使用液態(tài)光敏樹(shù)脂，在光照下迅速凝固變成交聯(lián)高分子，故成型時(shí)需要支撐，而去除支撐時(shí)容易損壞模型；由于光固化的快速反應(yīng)以及聚合本身帶來(lái)的體積收縮造成的內(nèi)應(yīng)力等，使得材料強(qiáng)度、剛度、耐熱性能等有限，材料脆性較高，在性能上目前無(wú)法替代傳統(tǒng)的高分子材料制件；打印后的物品表面沾有液態(tài)樹(shù)脂以及原型樹(shù)脂固化不完全，需要二次固化等等。未來(lái),通過(guò)機(jī)械、計(jì)算機(jī)、材料等領(lǐng)域的研究者聯(lián)合共同研發(fā)，突破技術(shù)瓶頸，光固化3D打印必將取得巨大進(jìn)步，發(fā)揮更大的作用。

2 光固化3D打印光敏樹(shù)脂的組成和特點(diǎn)

光敏樹(shù)脂，也叫“UV”樹(shù)脂，一般情況下為液態(tài)，在光照下固化形成交聯(lián)的高分子網(wǎng)絡(luò)，常用以制備涂料、油墨、粘合劑等產(chǎn)品。光敏樹(shù)脂固化速度快，反應(yīng)一般不需要加熱，室溫反應(yīng)即可；由于本身就呈液態(tài)，無(wú)需添加溶劑，綠色環(huán)保；反應(yīng)只需要光照，非常節(jié)能；操作也比較簡(jiǎn)單，適合自動(dòng)化操作，效率高。光敏樹(shù)脂主要成分為樹(shù)脂或低聚物(也叫預(yù)聚體)、活性稀釋劑、光引發(fā)劑以及其他添加劑等等。根據(jù)光固化機(jī)理分為自由基型和陽(yáng)離子型兩類(lèi)，相應(yīng)的單體、樹(shù)脂和引發(fā)劑也分為自由基型和陽(yáng)離子型。由于自由基型光固化材料可選擇性廣，應(yīng)用比較廣泛，下文主要針對(duì)自由基型光固化液態(tài)材料做介紹。

用于光固化3D打印用的光敏樹(shù)脂主要有以下幾個(gè)共性要求：

(1)對(duì)粘度有一定要求，需要保證材料能快速補(bǔ)充到打印區(qū)域，即流平速度快。根據(jù)不同打印技術(shù)以及打印速度，對(duì)粘度的要求有一定區(qū)別。對(duì)于DLP、LCD以及SLA技術(shù)，需要樹(shù)脂有較好的流動(dòng)性，可以迅速補(bǔ)充到打印區(qū)域，如果粘度大，流動(dòng)性差，容易造成打印缺陷；對(duì)于MJP打印技術(shù)，樹(shù)脂要從噴頭中噴射出來(lái)，對(duì)粘度的要求更嚴(yán)格。粘度對(duì)底層離型力的大小也有影響，粘度大，離型力往往偏大，對(duì)底層離型膜的損害比較嚴(yán)重。粘度對(duì)打印的精度也有一定的影響，粘度越大打印的精度越差；粘度大，打印完成后物品不能快速清洗干凈，尤其樹(shù)脂嵌入在微小空隙里，清洗更加不易。但是粘度越大，材料的機(jī)械、熱性能等往往越好。

(2)反應(yīng)速度快且反應(yīng)的體積收縮小。為使聚合反應(yīng)速度加快，應(yīng)選擇與光源波長(zhǎng)匹配的高活性引發(fā)劑以及合適的單體與樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)，以提高反應(yīng)速度，即提高3D打印速度。體積收縮是自由基光聚合體系難以克服的問(wèn)題之一，通常來(lái)說(shuō)，雙鍵密度越大，體積收縮越大。但是，雙鍵密度大對(duì)聚合反應(yīng)速度有利。就雙鍵密度而言，對(duì)丙烯酸酯類(lèi)結(jié)構(gòu)的光聚合體系，反應(yīng)速度與體積收縮對(duì)雙鍵密度的要求存在矛盾。因此，在體系設(shè)計(jì)的時(shí)候要綜合考慮，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)體系組成。

(3)精度對(duì)材料的設(shè)計(jì)要求。除了機(jī)器本身可以達(dá)到的精度，材料設(shè)計(jì)本身也可以提高打印精度，關(guān)鍵在于能否選擇合適的光引發(fā)劑和光阻劑提高材料的打印精度。

(4)不同的打印物品對(duì)材料性能有不同要求，如力學(xué)機(jī)械性能、耐熱性能、燃燒性能等，這需要材料工程師對(duì)各種類(lèi)型的光固化樹(shù)脂有全面了解，進(jìn)行各種復(fù)配試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)材料性能的同時(shí)，還需兼顧材料的粘度才能實(shí)現(xiàn)順利打印。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，需要考慮粘度與性能的平衡。

3 光固化3D打印在齒科的應(yīng)用

每一個(gè)生物體都是個(gè)性化的，不論其整體還是器官。口腔作為人體的器官之一，其整體與內(nèi)部的牙齒都是人人不同的。因此，齒科的個(gè)性化特點(diǎn)最為突出：齒科領(lǐng)域?qū)纫蟾撸恳粋€(gè)模型設(shè)計(jì)都是個(gè)性化的，不會(huì)重復(fù)。因此，在3D打印技術(shù)出現(xiàn)以前，依靠技術(shù)工人手工操作難度較高，效率低下。而且齒科的模型普遍較小，這些特點(diǎn)使得齒科與光固化3D打印技術(shù)可完美結(jié)合。

光固化3D打印的個(gè)性化設(shè)計(jì)、成型精確度高的特點(diǎn)充分迎合齒科醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的需求。目前，光固化3D打印技術(shù)在齒科的隱形矯正器、固定義齒、種植外科導(dǎo)板、活動(dòng)義齒的基托及個(gè)性化修復(fù)體熔模等齒科矯正輔助工具的制作，以及口腔種植、修復(fù)、正畸、內(nèi)科等領(lǐng)域得以快速發(fā)展。得益于光固化3D打印，齒科醫(yī)學(xué)的發(fā)展也愈發(fā)滿足大眾對(duì)個(gè)性化治療的需求，兩者相得益彰。

隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)與成熟，并與口腔領(lǐng)域完美結(jié)合，推動(dòng)了一個(gè)新的技術(shù)——口腔數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)。口腔數(shù)字化是指借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字設(shè)備輔助診斷、設(shè)計(jì)、治療等。這一技術(shù)不僅簡(jiǎn)化了手工作業(yè)繁瑣的程序，更攻克了手工精確度較低及效率低下的瓶頸。通過(guò)三維掃描、CAD/CAM設(shè)計(jì)，齒科實(shí)驗(yàn)室可以準(zhǔn)確、快速、高效地設(shè)計(jì)隱形矯正器、固定義齒、種植外科導(dǎo)板等輔助治療工具，將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通過(guò)3D打印技術(shù)直接制造出樹(shù)脂模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的數(shù)字化?？傊?，3D打印技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了制造環(huán)節(jié)的工序，大大縮短了口腔修復(fù)的周期。

3.1 光固化3D打印在齒科正畸領(lǐng)域的應(yīng)用

傳統(tǒng)牙頜正畸模型是通過(guò)獲取患者上下牙頜的硅橡膠印模，再灌注石膏形成石膏模型[8]。牙頜正畸模型可以充分的展示病人的牙齒、牙列、基骨等關(guān)系，在正畸治療過(guò)程中如排牙、正畸托槽的精確粘貼、咬合平衡治療，以及無(wú)托槽隱形矯正器的制作等方面，起到不可或缺的作用，為醫(yī)生更加直觀、方便、準(zhǔn)確的制定矯正方案提供有力支持。得益于計(jì)算機(jī)、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，口腔數(shù)字化已逐漸成熟并開(kāi)始應(yīng)用。利用口掃儀對(duì)患者口腔進(jìn)行掃描，采集信息，并利用圖像處理軟件進(jìn)行三維重建，轉(zhuǎn)化成三維數(shù)字化模型，以stl格式存儲(chǔ)并進(jìn)行切片，就可以利用光固化3D打印技術(shù)將模型打印出來(lái)。相比傳統(tǒng)制造的石膏模型，利用光固化3D打印技術(shù)制作模型所用時(shí)間短，效率高。數(shù)字模型相較于傳統(tǒng)石膏模型，具有物理存儲(chǔ)空間小、保存方便、安全性高、不易受物理磨損和破壞、數(shù)據(jù)分析方便迅速、可高效遠(yuǎn)程傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)。

Magdalena等[9]通過(guò)三維掃描儀對(duì)石膏模型掃描獲取stl文件，并對(duì)所得文件進(jìn)行模型修復(fù)重建，然后應(yīng)用光固化3D打印進(jìn)行實(shí)體打印所獲模型，通過(guò)與石膏模型線性測(cè)量研究表明：利用3D打印技術(shù)進(jìn)行正畸模型的制作具有可行性和經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)曾飛煌等[10]運(yùn)用光柵掃描儀對(duì)患者牙列的硅橡膠印模進(jìn)行信息采集，通過(guò)逆向工程軟件Geomagic Studio進(jìn)行模型重建，并轉(zhuǎn)換為stl格式，分層切片處理數(shù)字模型后導(dǎo)入光固化快速成型機(jī)，制得實(shí)體牙頜模型，并分別對(duì)相應(yīng)的石膏模型、數(shù)字模型和樹(shù)脂模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果顯示，與石膏模型和數(shù)字模型相比，樹(shù)脂模型在牙的高度、寬度、厚度以及牙弓寬度、長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)測(cè)量間無(wú)顯著性差異。

魏斌[11]用光柵掃描技術(shù)掃描藻酸鹽印模材料獲取牙頜數(shù)字模型，并通過(guò)SLA光固化快速成型機(jī)打印獲得實(shí)體模型，運(yùn)用真空吸附熱壓膜方法，獲取了透明矯正器，并與利用石膏模型制得的矯正器做對(duì)比，證明通過(guò)SLA光固化快速成型打印得到的牙頜模型與石膏模型在所制矯治器上無(wú)顯著差異，以此提出了開(kāi)發(fā)透明牙膜矯治數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的構(gòu)想。目前，從口腔掃描到數(shù)據(jù)模擬計(jì)算再到模型輸出，整套技術(shù)比較完善。利用光固化3D打印技術(shù)制作正畸模型已逐漸成為主流方向，在制件工藝上已經(jīng)滿足實(shí)際需求，并進(jìn)一步降低了對(duì)醫(yī)生的技術(shù)要求。由于我國(guó)人口規(guī)模大，人民的生活水平提高，對(duì)口腔健康、美觀的重視加深，我國(guó)的正畸市場(chǎng)潛力巨大。

對(duì)于光固化3D打印的正畸材料，首先材料要針對(duì)相應(yīng)的3D打印機(jī)研發(fā)；模型設(shè)計(jì)者以及3D打印機(jī)廠家根據(jù)自身機(jī)器以及匹配材料，可以對(duì)模型做補(bǔ)償調(diào)整，兩者相互協(xié)調(diào)匹配可以達(dá)到最好的打印精度。其次，除精度外，由于正畸模型在后續(xù)翻模透明牙套時(shí)需要經(jīng)過(guò)瞬時(shí)高溫真空吸塑，因此需要材料具有一定的韌性與耐瞬時(shí)高溫沖擊不變形的特性，有些義齒加工廠還要求打印模型可以經(jīng)受兩次或多次翻模，即模型在第一次翻模后不可因受熱受力發(fā)生形變或精度降低。由于一個(gè)患者正畸周期普遍在一年半以上，因此至少需要打印50副以上牙套，所以對(duì)正畸樹(shù)脂的使用量較大。齒科正畸領(lǐng)域與光固化3D打印相結(jié)合，將為光固化3D打印技術(shù)和材料開(kāi)辟巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，將成為3D打印最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

3.2 光固化3D打印在齒科修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

光固化3D打印技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用已有一段時(shí)間。早在1994年Maeda等[12]就利用3D激光掃描儀和電荷耦合攝像機(jī)采集硅橡膠印模及托盤(pán)制成上下頜印模，并通過(guò)光固化3D打印，用光敏樹(shù)脂制作數(shù)字化全口義齒基托。光固化3D打印在齒科修復(fù)領(lǐng)域目前受限于材料的生物相容性問(wèn)題，不能直接與人體長(zhǎng)時(shí)間接觸，主要作為過(guò)渡性材料使用，如齒科熔模鑄造、齒科修復(fù)模型等。

傳統(tǒng)失蠟精密鑄造制作的樁核工序復(fù)雜，費(fèi)用較高。3D打印技術(shù)制作樁核全程數(shù)字化，精度更高，同時(shí)節(jié)省材料和人力。牛茂等[13]以標(biāo)準(zhǔn)牙列缺損模型為原始模型，光學(xué)掃描三維測(cè)量上頜標(biāo)準(zhǔn)牙列缺損石膏模型，獲得其數(shù)字化模型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)RPD支架的CAD模型，并存儲(chǔ)為stl格式數(shù)據(jù)。將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行切片，再利用3D打印熔模樹(shù)脂模型，手工去除支撐材料，得到PRD支架樹(shù)脂熔模。將制作完成的樹(shù)脂熔模翻模成石膏模型，結(jié)果證明制作出的可摘局部義齒支架樹(shù)脂熔模在支托和連接體部位適合性良好。熔模樹(shù)脂除了要求高精度以外，還需要樹(shù)脂的燃燒性能好，燃燒后無(wú)殘留，并且在燃燒前能有相對(duì)較好的力學(xué)性能，不變形，能維持石膏模型凝固定型。

目前，齒科模型樹(shù)脂在齒科修復(fù)過(guò)程中應(yīng)用比較廣泛，而且商業(yè)化技術(shù)已經(jīng)非常成熟。大部分的修復(fù)模型集中在義齒加工廠進(jìn)行打印鑄造。醫(yī)院將患者的口腔掃描數(shù)據(jù)傳給義齒加工廠，工廠對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理后，將切片后的模型利用光固化3D打印機(jī)打印出來(lái)。該樹(shù)脂模型與患者的口腔形狀一致，醫(yī)生可在其上進(jìn)行模擬修復(fù)操作，根據(jù)該模型形狀為患者制作種植牙、牙冠等，并在其上進(jìn)行嵌套操作，完全匹配后再將該牙齒種植到患者口腔內(nèi)，大大減少了患者的痛苦，提高了就診效率。該修復(fù)模型在材料性能上除了要求高精度以外，還要求模型在使用期內(nèi)不變形、表面硬度高、耐磨，滿足醫(yī)生在其上反復(fù)模擬修復(fù)操作的需求。

隨著光固化3D打印技術(shù)的日益成熟以及新型打印材料的發(fā)明與改良，相信光固化3D打印在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景會(huì)越來(lái)越好。

3.3 光固化3D打印在齒科手術(shù)導(dǎo)板中的應(yīng)用

傳統(tǒng)齒科手術(shù)依靠醫(yī)生的個(gè)人技術(shù)嫻熟度，對(duì)醫(yī)生的技能要求較高，這給手術(shù)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。而齒科手術(shù)導(dǎo)板在手術(shù)中能輔助醫(yī)生很好地控制種植體的植入方向、角度、深度，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，減少手術(shù)時(shí)間，并可實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)不翻瓣種植等優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的種植手術(shù)導(dǎo)板多采用在石膏模型上的熱壓膜技術(shù)，雖能兼顧上部修復(fù)效果，但卻無(wú)法精準(zhǔn)控制種植體位置，很大程度上依賴(lài)醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，偏差也較大。隨著數(shù)字化醫(yī)學(xué)的發(fā)展，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用，精準(zhǔn)齒科手術(shù)導(dǎo)板也成為可能。基于該技術(shù)原理制作的數(shù)字化牙種植外科導(dǎo)板，采用材料主要為金屬粉末、液態(tài)樹(shù)脂、ABS材料、PEEK材料等[14,15]?；诩す獾腟LS、EBM等3D打印技術(shù)，設(shè)備和金屬材料的價(jià)格高，相應(yīng)牙科產(chǎn)品制作成本高，即便是應(yīng)用于制作種植體也不利于廣泛推廣，在一次性消耗類(lèi)產(chǎn)品如術(shù)前種植外科導(dǎo)板制作方面更是難以被接受。相對(duì)而言，基于光固化的SLA等3D打印技術(shù)成本較低、打印精度高且打印件表面質(zhì)量較好，更適用于制作種植導(dǎo)板[16]，但同時(shí)對(duì)齒科手術(shù)導(dǎo)板的材料性能提出了較高的要求。齒科手術(shù)導(dǎo)板屬于Ⅰ類(lèi)醫(yī)療器械，需要通過(guò)生物相容性的檢測(cè)；同時(shí)，對(duì)力學(xué)性能、耐熱性能、耐消毒性能有較高的要求，這也給材料設(shè)計(jì)者增加了較大的難度，從而大大限制了光固化3D打印在臨床上的應(yīng)用推廣[17,18]。因此，光固化3D打印手術(shù)導(dǎo)板目前應(yīng)用較少，國(guó)產(chǎn)化材料亟待開(kāi)發(fā)，符合Ⅰ類(lèi)醫(yī)療器械的光固化材料是重點(diǎn)研究方向，必將具有良好的市場(chǎng)前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的基本國(guó)情是人口基數(shù)大，這為我國(guó)的齒科市場(chǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)第三、第四次全國(guó)口腔健康流行病學(xué)調(diào)查報(bào)告結(jié)果顯示，我國(guó)口腔疾病發(fā)病率整體較高，但是口腔疾病就診率低。2016年我國(guó)口腔疾病患者人數(shù)為6.87億，但口腔醫(yī)院的就診人數(shù)僅為3211萬(wàn)人，就診患者占口腔患者比例僅為4.67%。隨著人們生活水平的提高和對(duì)健康醫(yī)療的重視，這一比例將會(huì)快速增加。根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，2008～2017年我國(guó)口腔市場(chǎng)規(guī)模以每年15%的速率增長(zhǎng)，到2017年口腔市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到880億元。其中，2017年度種植修復(fù)市場(chǎng)規(guī)模為200億元，正畸病例206萬(wàn)例，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到247.2億元，年增幅超過(guò)15%。而據(jù)《2018中國(guó)衛(wèi)生健康統(tǒng)計(jì)年鑒》的口腔疾病就診率數(shù)據(jù)及對(duì)其市場(chǎng)大略估算，2018～2019年我國(guó)口腔服務(wù)行業(yè)規(guī)模將達(dá)到約1035～1215億元。影響口腔服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模的人口基數(shù)、口腔疾病患病率、單次口腔就診消費(fèi)及治療滲透率等因素均呈指數(shù)型增長(zhǎng)。隨著市場(chǎng)的迅速擴(kuò)張，2017～2018年我國(guó)民營(yíng)口腔機(jī)構(gòu)的數(shù)量由47033家激增至54479家，而包括國(guó)營(yíng)在內(nèi)的總體市場(chǎng)中口腔機(jī)構(gòu)數(shù)則達(dá)到了約100000家。

隨著3D打印技術(shù)的不斷完善和提高，工業(yè)生產(chǎn)3D打印機(jī)的系統(tǒng)化日益完善，3D打印機(jī)的價(jià)格日趨降低，且性能逐漸提升，3D打印技術(shù)具有提升材料利用效率，降低如種植牙、義齒等精密物品生產(chǎn)的復(fù)雜程度和難度，以及促進(jìn)產(chǎn)品的不斷完善和創(chuàng)新等優(yōu)勢(shì)。總之，3D打印作為顛覆性技術(shù)，在個(gè)性化極其突出的齒科市場(chǎng)，尤其在齒科修復(fù)、齒科正畸、齒科手術(shù)導(dǎo)板領(lǐng)域具有非常突出的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)前景廣闊。