Druk 3D – przyszłość i teraźniejszość

Jakub Szymaniak, Grzegorz Romek, Filip Dziedzic

Technologia druku 3D w ostatnich latach przeżywa rozkwit: drukarki i coraz inteligentniejsze tworzywa znajdują zastosowanie w praktycznie każdej sferze życia człowieka. Razem z ekspertami
sprawdzamy, jak ta technologia zmienia świat stomatologii.

Czym jest druk 3D?
Druk 3D to ogólne określenie różnego rodzaju rozwiązań pozwalających na przenoszenie cyfrowych modeli do świata rzeczywistego – i wbrew pozorom nie jest to technologia, która powstała w XXI w. Pierwsza na świecie ogólnodostępna drukarka trójwymiarowa miała swoją premierę już w 1986 r. Było to jednak nieporęczne narzędzie ograniczone przede wszystkim masą własną oraz niewielkim wyborem dostępnych tworzyw. Dalsze prace nad tym rozwiązaniem w kolejnych dekadach umożliwiły udoskonalenie dokładności i powtarzalności procesów drukowania, powstanie nowych technik produkcji, a przede wszystkim zaowocowały stworzeniem przeróżnych materiałów plastycznych: od specjalnego rodzaju cementu po biomateriały znajdujące zastosowanie w medycynie spersonalizowanej.

Do głównych technik stosowanych we współczesnej stomatologii należą:

• SLA (Stereolitografia) – wytwarzanie za pomocą specjalistycznej żywicy utwardzanej laserem.
• DLP (Digital Light Processing) – w ramach tej techniki do druku wykorzystuje się fotopolimery, które są następnie utwardzane pod wpływem światła.
• MJ (Material Jetting) – technika ta przypomina druk na tradycyjnych drukarkach tuszowych. Światłoczuły materiał rozpylany jest na platformie, a następnie warstwa po warstwie utwardzany światłem UV.

Zastosowania
1. Modele robocze - podstawowe zastosowanie druku 3D
Najczęściej spotykanym zastosowaniem technologii druku 3D jest przygotowywanie anatomicznych modeli roboczych. Wykorzystywane są one np. do pracy nad protezami szkieletowymi czy aparatami ortodontycznymi. Stworzenie projektu możliwe jest dzięki wykorzystaniu skanera wewnątrzustnego, który generuje precyzyjny model trójwymiarowy zgryzu pacjenta. Na jego podstawie technik może wykonać model roboczy. Pliki trafiają bezpośrednio do drukarek 3D w laboratorium, które przygotowują pracę z zachowaniem wysokiej precyzji. Praca z takim modelem zapewnia wyższy komfort działania tak lekarzowi, jak i technikowi, a jednocześnie umożliwia jeszcze dokładniejsze dostosowanie i dopasowanie materiałów do indywidualnych potrzeb pacjenta.

2. Protetyka
W Polsce zastosowanie metody druku 3D do produkcji prac protetycznych jest rzadko spotykaną praktyką, jednak już za kilka lat sytuacja może się istotnie zmienić. Dla przykładu w Indiach, jednym z największych rynków stomatologicznych świata, drukowanie prac protetycznych staje się procesem powszechnym i popularnym. Przykładem prac, które lekarze oraz technicy próbują wytwarzać w całości za pomocą druku 3D, są akrylowe protezy całkowite dla pacjentów, którzy cierpią na bezzębie. Niewątpliwie jest to rozwiązanie szybkie i tanie. Minusem tak przygotowanych prac są wyraźnie gorsze właściwości fizykochemiczne czy niższa precyzja oraz gorsza estetyka w porównaniu z pracami frezowanymi. Frezowanie umożliwia ponadto przygotowanie prac z o wiele większej gamy materiałów, w tym kompozytowych, których drukarki 3D nie są w stanie wykorzystać.

Na całym świecie prowadzone są również próby wydrukowania koron tymczasowych pełno anatomicznych. Jak dotąd jedyną zaletą tego procesu jest szybkość powstawania pracy, jednak ze względu na kruchość materiału, z którego zostały wyprodukowane, bardzo często ulegają szybkiemu zniszczeniu. Na tym etapie, o ile nie nastąpi przełom w technologii materiału, rozwiązanie to pozostanie niesatysfakcjonujące tak dla lekarzy, techników, jak i samych pacjentów. Warto przy tym zauważyć, że mimo zapowiedzi producentów, na razie nie istnieje możliwość druku koron z materiałów takich jak tlenek cyrkonu, ceramika, materiały hybrydowe czy kompozyt. W przypadku koron tymczasowych nieporównywalnie wyższą jakość oferują prace frezowane, których żywotność może wynosić nawet 2 lata – w zależności od wyboru materiału, np. PMA czy kompozytu.

3. Implantologia
Kluczowe dla implantów elementy, np. belki czy łączniki implantologiczne – gdzie jest potrzebne idealne odwzorowanie indeksu łącznika indywidualnego – albo połączenia belki, która wchodzi w implant w kości, w najbliższej przyszłości nadal nie będą mogły być drukowane. W zabiegach, gdzie liczy się każda setna milimetra odchylenia takich prac mogłyby być zbyt istotne.

Pewne nadzieje daje metoda SLS (skrót od angielskiego selective laser sintering, czyli selektywnego spieku laserowego), która polega na spiekaniu laserowym wybranych części nakładanego warstwami metalowego proszku, pozwalając na druk 3D w metalu. Niestety obiekty wykonywane przy pomocy tej techniki cechują się dużą porowatością. W przypadku prac protetycznych stwarza to ryzyko gromadzenia się w porach np. resztek jedzenia, które mogą doprowadzić do rozwoju procesów gnilnych w jamie ustnej pacjenta. Trzeba także wskazać, że nawet przy zastosowaniu metody SLS dokładność tego rodzaju prac pozostaje niższa od tych wyfrezowanych.

Ciekawą próbą rozwiązania tych problemów jest połączenie dwóch metod: druku SLS oraz frezowania, w jednym procesie. Maszyny służące do tego typu produkcji najpierw wytwarzają elementy z wykorzystaniem spieku laserowego, następnie przy użyciu robotycznego ramienia przenoszone są one do frezarki, która dopracowuje kluczowe elementy. Ze względu na złożoność wyzwań tej techniki najwięcej prób jej wdrożenia miało miejsce w przemyśle, jednak odbyły się już pierwsze podejścia do wykorzystania jej w stomatologii.

4. Ortodoncja
W ortodoncji najczęściej o druku 3D mówi się w kontekście produkcji przezroczystych nakładek prostujących, czyli alignerów. Proces ten polega na zaprojektowaniu trójwymiarowych modeli szczęki za pomocą oprogramowania CAD, które następnie są produkowane z użyciem drukarki. Na ich podstawie, przy użyciu termoformowanego plastiku i wyspecjalizowanej maszyny, tworzy się nakładki. Płytki nie są więc drukowane w 3D, jednak ich produkcja nie jest możliwa bez udziału tej technologii.

Obecnie trwają zaawansowane prace mające na celu wytworzenie polimeru, który nadawałby się do produkcji alignerów z wykorzystaniem druku przestrzennego. Ten materiał musi jednak spełniać nie tylko wszystkie niezbędne warunki związane z bezpieczeństwem, ale też posiadać odpowiednie parametry techniczne, aby efektywnie przesuwać zęby. Ponadto czołowi producenci drukarek 3D już zaprezentowali pierwsze prototypy sprzętów realizujących wydruki w zaledwie 50 sekund.

Innym przykładem prac wytwarzanych przy wsparciu druku 3D są szyny okluzyjne. Szyny są typem przezroczystej nakładki, która pomaga m.in. w stabilizacji żuchwy. Rozwiązanie to wspiera pacjentów zmagających się z bruksizmem lub będących w trakcie leczenia ortodontycznego. Najczęściej stosowane są one na noc, kiedy ciężej zapanować nad zgrzytaniem zębami czy nadmiernym zaciskaniem szczęki.

Ważnym zastosowaniem druku 3D na przecięciu implantologii i ortodoncji jest również wykorzystanie tej metody do produkcji szablonów implantologicznych. W łączonej metodzie leczenia ortodontycznego, gdzie nakładki prostujące są wspierane konstrukcjami na mini implantach wkręcanych w podniebienie. Szablony pozwalają na znaczne ułatwienie i przyspieszenie pracy lekarza: celem stosowania szablonów jest wskazanie lekarzowi dokładnych punktów implantacji. Podobne szablony są również wykorzystywane przy samodzielnym leczeniu implantologicznym.

Bezpieczeństwo 3D
Druk 3D to przydatne narzędzie w cyfrowym gabinecie czy laboratorium. Trzeba jednak pamiętać, że efekt drukowania i zadowolenie pacjenta bezpośrednio zależą od konkretnych rozwiązań materiałowych. Dlatego polimery wykorzystywane do produkcji prac powinny posiadać odpowiednią certyfikację i być dostosowane do wykorzystania w medycynie. Ponadto należy ostrożnie podchodzić do internetowych kursów z druku 3D w pracy gabinetów. Niestety każdy może zostać wykładowcą online, nawet jeśli nie ma odpowiedniego doświadczenia, co sprzyja m.in. rozwojowi złych technik pracy.