Инновационный подход
С момента появления 4D-печати в 2014 году мало исследований было посвящено применению такой революционной техники в стоматологии и медицине. 4D-печать - это технология, с помощью которой производители могут производить материалы с самосгибанием. Поскольку большинство органов тела находятся в непрерывном движении, в том числе структуры в полости рта, использование таких материалов в качестве функциональных объектов в медицине и стоматологии может быть очень ценным. Этот метод может позволить клиницистам изменить сферу стоматологии и предоставить больше вариантов лечения.
3D-печать
За последнее десятилетие 3D-печать позволила клиницистам улучшить свои диагностические и хирургические процедуры, поскольку она позволила улучшить визуализацию, реалистичное обучение и хирургическое планирование. В стоматологии эта технология произвела революцию в практике, поскольку она может обеспечить максимальную точность при небольшой клинической настройке и коротком времени операции. Использование 3D-печати в стоматологии имеет важное значение в современных областях реставрации и протезирования, ортодонтии, имплантологии, а также в челюстно-лицевой хирургии. В частности, 3D-модели играют основную роль в операциях по реконструкции лица (например, при переломах скуловой кости) и при височно-нижнечелюстных заболеваниях, требующих хирургического вмешательства. 3D-печать облегчила лучшую визуализацию глубоких структур и, таким образом, снизила возможные осложнения во время операции, такие как увеличение времени операции с последующей инфекцией и кровопотерей. Кроме того, 3D-печать помогла в производстве съемных протезов, макетов протезов и пробных протезов, которые играют важную роль в повседневной эстетической и восстановительной клинической работе.
4D-печать (Cамоскладывающиеся конструкции)
Скайлар Тиббитс и его коллеги разработали самоскладывающиеся конструкции, которые со временем меняют форму при определенных условиях окружающей среды. Они превратили стабильные материалы для 3D-печати в активно движущиеся объекты с помощью нового подхода 4D-печати. Напечатанные модели преобразуются в заданную форму и функционируют после изготовления. Самосгибающиеся материалы - это результат недавно представленной технологии 4D-печати. 4D-печать основана на добавлении четвертого измерения к стандартной 3D-печати, то есть движения во времени. Целью 4D-печати является создание функциональных объектов, а не статических.
Метод сканирования
В области медицины термин «4D» был связан с методом сканирования, который используется для мониторинга динамических характеристик различных органов, и показал большие преимущества для точного позиционирования динамических тканей во время лучевой терапии; Это также позволило врачам-ортопедам разработать печатные модели запястных и пястных костей для отслеживания движений большого пальца, чтобы помочь в процедурах артропластики. Основываясь на концепции движения во времени, 4D сканирование может позволить моделировать сложные анатомические структуры, улучшая предоперационное планирование.
Сампроизвольная трансформация микроструктуры
4D-печать - это процесс самосвертывания в течение долгого времени при изменении температуры и влажности. Эта концепция основана на понимании того, как микроструктуры моделей, напечатанных на 3D-принтере, могут самопроизвольно трансформироваться при изменении температуры и влажности. 4D-печать основана на 3D-печати из нескольких материалов с последующим выборочным фотоотверждением, чтобы придать объектам, напечатанным 4D-печатью, подвижность. Механизм трансформации можно оценить, оценив деформационные свойства каждого компонента в печатной модели и поместив их в управляемый образец.
Основные этапы
4D-печать состоит из двух основных этапов: обработки и программирования. Модель сначала обрабатывается до первоначальной формы; затем он временно преобразуется в другую форму и, наконец, программируется на преобразование в другую форму при воздействии определенных стимулов (например, температура человеческого тела 37 ° C или влажность тела) по образцу самосгибания. Смешивание микроструктур в контролируемых мерах может быть сложной задачей, и способ, которым материалы подвергаются запрограммированным движениям, не сообщается.
Динамические и адаптируемые материалы
В стоматологии 4D-печать окажет хорошее влияние на различные специальности, поскольку эта технология может производить динамические и адаптируемые материалы, которые будут функционировать в среде полости рта в постоянно меняющихся условиях температуры и влажности. Нежелательные изменения размеров, термическая нестабильность, полимеризационная усадка и микроподтекание - это текущие проблемы в стоматологии, которые можно преодолеть с помощью развивающейся технологии 4D-печати.
Будущее применение 4D-печати в стоматологии
4D печать может использоваться для производства стоматологических реставрационных материалов. Биомеханические свойства реставрационных стоматологических материалов уже давно вызывают интерес: важными аспектами зубных пломб являются прочность, стабильность цвета, адгезия, долговечность и разрушение. Окружающая среда полости рта, с точки зрения ее динамического характера, а также функциональных и уравновешивающих сил, представляет собой проблему при замене отсутствующей структуры зуба. Обычным фактором разрушения реставрационных материалов являются изменения размеров на краях, которые приводят к нестабильности или полной потере пломб. Результатом 4D-печати могут быть реставрационные материалы с непрерывной регулировкой самосгибания, то есть материалы, которые могут перемещаться к периферии, избегая микроподтеканий или выступов на краях. Эта техника по-прежнему будет опираться на прогрессивные технологии CAD / CAM, и в долгосрочной перспективе пациенту нужно будет реже посещать своего стоматолога для последующего наблюдения.
Регулировка траектории движения
4D-печатные материалы могут двигаться только в определенных направлениях, запрограммированных до их производства. Регулировка траектории движения материалов с четырехмерной печатью в реставрационной стоматологии может исключить использование стоматологических адгезивов (систем травления и бондинга), поскольку материалы могут больше полагаться на механические средства удержания, чем на химические добавки. Другими словами, напечатанные на 4D напечатанные материалы можно запрограммировать так, чтобы они двигались вниз к подходящей поверхности полости для обеспечения максимальной адаптации. Кроме того, пломбы с 4D-печатью можно использовать для недоступных участков в полости рта, где манипулирование и долговечность текущих реставрационных материалов затруднены.
Съемное протезирование
4D печать может быть использована в съемном протезировании. Технология позволяет производить материалы с аналогичными свойствами натуральных твердых и мягких тканей. Кроме того, материалы с 4D-печатью могут адаптироваться к типам и направлениям сил в полости рта. Протезные материалы с 4D-печатью могут иметь надежные характеристики фиксации и удержания, а также оптимальные динамические свойства в соответствии с их самосгибающейся природой. Основа протеза может быть изготовлена из определенных структур, которые соответствуют критериям эластичности и термической стойкости, аналогичным периодонтальным связкам или покрывающей их слизистой оболочке. Кроме того, для пациентов с индивидуальными требованиями могут быть предоставлены различные варианты дизайна. Например, пациентам с участками резорбции остаточного гребня можно управлять, установив дополнительные материалы, которые компенсируют потерю костной массы.
Модификации дентальных имплантов
В имплантологии структуры с 4D-печатью могут быть использованы как сплавленные с доступными в настоящее время дентальными имплантатами путем модификации их апикальной части, чтобы она действовала как мягкое основание под имплантатами. Это может помочь избежать повреждения жизненно важных структур вокруг места имплантации, таких как верхнечелюстная пазуха или нижний альвеолярный нерв. Таким образом, эта техника может помочь преодолеть сложные операции, такие как увеличение пазухи, если она выполняется для случаев имплантации. Кроме того, стволовые клетки можно переносить на имплантатах с 4D-печатью или каркасах в форме зубов, чтобы вырасти в естественные зубы.
Компенсация артикуляции и окклюзии
Объекты с 4D-печатью можно использовать при операциях на ВНЧС и челюстно-лицевой хирургии. Материалы с 4D-печатью могут заменять хрящ, при этом совершая непрерывные движения, компенсирующие артикуляцию и окклюзию.
Ортодонтические аппараты
Использование 4D-печати в стоматологии также может распространяться на ортодонтию. В настоящее время современное использование как съемных аппаратов, так и фиксированных брекетов основывается на данных, импортированных из трехмерного ортодонтического программного обеспечения. Возможность изготовления самонагружающихся проволок или самосворачивающихся съемных устройств может заставить ортодонтические аппараты постоянно перемещаться в течение долгого времени, что приводит к позиционированию и выравниванию зубов в желаемом положении и изгибе.
Производственный метод
4D-печать - интересная тема для исследований, которая может иметь положительное практическое влияние на применение в медицине и стоматологии. Для производства функциональных приборов без вредных последствий необходимо всестороннее понимание схемы складывания. Этот производственный метод основан на 3D-печати нескольких материалов с улучшенными свойствами цифровой памяти формы, которые могут изменяться со временем в различных тепловых / физических условиях. В 4D-печати важны последовательность и траектория движений, которые определяют самосгибающийся узор.
Проектирование устройств и этап конструирования
На этапе конструирования следует учитывать движение окружных структур вокруг протезного устройства, напечатанного на 4D-печати. Например, при проектировании сердечного клапана следует учитывать сократительные движения сердечных мышц вместе с движением сердечных и легочных сосудов в дополнение к потенциальным аспектам высокого / низкого кровяного давления. Другими словами, проектирование устройств с 4D-печатью должно осуществляться на кинематической и динамической основе.
Время формирования
Другой важный аспект - время формования в термических / физических условиях. В связи с этим следует внимательно следить за пациентами, которые недавно представили приборы с 4D-печатью, поскольку время складывания может варьироваться от минут до дней, а эффективность процедур лечения будет зависеть от времени преобразования материала в его окончательную форму. и в окончательном положении, оставаясь функциональным. Время самосгибания не может быть бесконечным, то есть материал не должен постоянно подвергаться динамическим изменениям с течением времени. Должно существовать так называемое свойство самоблокировки, которое позволяет управлять последовательностью сворачивания.
Свойства идеальных структур
Другими важными свойствами идеальных структур для 4D-печати являются биосовместимость, модуль упругости и коэффициент теплового расширения, которые должны имитировать характеристики структур тела, чтобы препятствовать нежелательным реакциям организма, таким как отек, воспаление или ишемические реакции. Кроме того, материалы для 4D-печати должны обладать хорошими прочностными свойствами, чтобы предотвратить их перелом со временем, что может потребовать повторной хирургической операции.
Функциональные конфигурации
4D-печать помогает создавать материалы, изменяющие форму во времени или пространстве, с возможностью контролировать их микроскопические изменения для использования в биомедицинской инженерии. 4D-печатные структуры должны обладать интеллектуальными структурами и высоким разрешением, чтобы их можно было термомеханически запрограммировать для преобразования в функциональные конфигурации. Поведение, связанное с изменением формы, является результатом различий в соотношении изменений размеров (коэффициент теплового расширения, модуль упругости) внутренних ингредиентов. Изменение поведения материалов в микромасштабе может позволить использовать их в исследованиях стволовых клеток и тканевой инженерии для производства каркасов.
Перспектива внедрения и применения
Необходима более совместная исследовательская работа, направленная на внедрение 4D-печати в стоматологии; необходимо обсудить дальнейший перспективный анализ потенциальных применений этого метода.
Вывод
4D-печать может оказать значительное влияние на все аспекты стоматологии. Автор призывает исследователей, ученых и технических специалистов начать открывать эту интересную область. Он может развиваться аналогично CAD / CAM и 3D-печати и изменять сферу стоматологии.
