Przygotowanie protezy szkieletowej modelowanej z wosku i drukowanej 3D do odlewania – system wlewowy

Title: Preparation of a wax-modelled and 3D printed skeletal denture for casting – a sprue system
Streszczenie: W artykule omówiono proces drukowania protezy szkieletowej techniką SLA oraz wykonanie systemów wlewowych dla protezy szkieletowej wymodelowanej tradycyjnie z wosku i wydrukowanej z żywicy światłoutwardzalnej. Artykuł jest trzecią częścią projektu obejmującego teorię konstrukcji protez szkieletowych, porównanie wykonawstwa tradycyjnego i z zastosowaniem systemu CAD/CAM oraz przygotowania protez szkieletowych do odlania metodą odśrodkową.
Słowa kluczowe: proteza szkieletowa, druk 3D, system wlewowy, żywica światłoutwardzalna, obróbka przyrostowa
Summary: The article discusses the process of printing a skeletal denture using the SLA technique as well as the fabrication of a sprue systems a skeletal denture modelled conventionally and 3D-printed from a photocurable resin. The article is the third part of project including the theory of skeletal denture construction, comparison of traditional and computerassisted fabrication of skeletal denture and preparation of skeletal denture to centrifugal casting.
Keywords: skeletal denture, 3D printing, sprue system, photocurable resin, additive manufacturing

Tradycyjne wykonawstwo protez szkieletowych jest wieloetapowym procesem, który wymaga od technika staranności i precyzji. Błędy na poszczególnych etapach wykonawstwa uzupełnienia mogą mieć wpływ na jakość ostatecznego wyrobu. Dynamiczny rozwój nowoczesnych technologii i badania w zakresie materiałów umożliwiły wykonawstwo protez szkieletowych w technologii komputerowo wspomaganego projektowania i komputerowo wspomaganej produkcji (z ang. Computer-Assisted Design/Computer-Assisted Manufacturing, akr. CAD/CAM), co zaowocowało skróceniem czasu wykonawstwa oraz poprawą dokładności i jakości uzupełnień w porównaniu do konwencjonalnych metod. We wspomaganym komputerowo procesie wykonawstwa protez szkieletowych znalazły zastosowanie techniki obróbki ubytkowej (frezowanie) oraz obróbki przyrostowej (druk 3D). Metody addycyjne, czyli takie, w których materiał jest warstwowo dodawany do obiektu, tworząc pożądany kształt, pozwalają na wytworzenie gotowego szkieletu (technologia laserowego spiekania metali SLM) z docelowego materiału lub prefabrykatu z materiału spalającego się bezresztkowo, który należy odlać metodą tradycyjną.

Studenci Koła Naukowego przy Zakładzie Technik Dentystycznych i Zaburzeń Czynnościowych Narządu Żucia Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego uczestniczyli w projekcie, w którym wykonali systemy wlewowe dla protezy szkieletowej wymodelowanej tradycyjnie i wykonanej w technologii druku 3D. Niniejszy artykuł stanowi trzecią część artykułów opisujących teorię konstrukcji protez szkieletowych i porównania wykonawstwa protez szkieletowych techniką tradycyjną i z wykorzystaniem technologii CAD/CAM.

Przeczytaj wszystkie artykuły z kategorii PROTETYKA

Projektowanie

W niniejszym projekcie wykorzystano protezę szkieletową zaprojektowaną i wymodelowaną tradycyjnie zgodnie z zasadami konstrukcji protez szkieletowych na potrzeby I części artykułu oraz projekt cyfrowy wykonany w programie 3Shape na potrzeby II części artykułu. Dla modeli z żywicy światłoutwardzanej zaleca się projektowanie dodatkowych belek o średnicy 2-2,5 mm łączących podniebienne bądź językowe powierzchnie protezy w celu podparcia konstrukcji i lepszego dopasowania pracy po odlaniu. W projekcie dodano poprzeczną belkę jako strukturę wspierającą, mającą na celu zminimalizowanie odkształceń drukowanego obiektu (1). Model 3D protezy szkieletowej wyeksportowano w formacie STL (ang. Standard Triangulation Language), obsługiwanym przez większość obrabiarek sterowanych numerycznie (ang. Computerized Numerical Control, akr. CNC), w tym również drukarki 3D.

Wydruk

Proteza szkieletowa została wydrukowana w technologii SLA (stereolitografia), która opiera się na utwardzaniu żywicy za pomocą wiązki lasera. Płynny materiał substratowy, jakim jest żywica, zostaje poddany fotopolimeryzacji w wyniku punktowego napromieniowania światłem, najczęściej w spektrum o zakresie ultrafioletu. Efektem tego procesu jest powstanie utwardzonej, schodkowej struktury (2, 3).

Wydruk został wykonany na drukarce Phrozen 8K Sonic Mega przy użyciu żywicy na bazie metakrylanu – SilaPrintCast. Zgodnie z opisem producenta urządzenie pozwala na wydrukowanie dużych i szczegółowych modeli, bez konieczności dzielenia na mniejsze segmenty. Wyświetlacz charakteryzuje się stabilnością termiczną oraz monochromatycznością, co pozwala na dłuższe korzystanie z urządzenia (4). Parametry drukarki zostały przedstawione w tab. 1 (4).

Proces drukowania rozpoczyna się, gdy kadź drukarki wypełniona jest żywicą, a platforma, na której zostanie wydrukowana rama protezy, znajduje się pod jej taflą. Stolik zanurzony jest na głębokość jednej warstwy materiału. Wiązka światła UV skupiana przez soczewkę rejestruje kształt przekroju/profilu cyfrowego projektu uzupełnienia na powierzchni żywicy. Materiał po kontakcie z wiązką lasera twardnieje. Platforma z pierwszą utwardzoną warstwą materiału obniża się tak, by wydrukowane piętro polimeru zostało w całości zanurzone. Proces schodkowego drukowania jest powtarzany aż do momentu wyprodukowania całego projektu. Praca wykonana techniką stereolitografii charakteryzuje się wysoką dokładnością. Dzięki temu czas potrzebny na późniejszą obróbkę mechaniczną wydruku jest znacznie zredukowany. Przy zbyt intensywnym naświetleniu modele mogą popękać, dlatego trzeba wziąć pod uwagę moc używanej lampy (5).

Wydrukowany model na powierzchni może posiadać resztki nieutwardzonej żywicy. W celu pozbycia się pozostałości należy umieścić go w myjce ultradźwiękowej, w której znajduje się roztwór z alkoholu izopropylowego bądź innego środka czyszczącego. Na rynku dostępne są bezzapachowe alternatywy IPA takie jak PhotocentricResinCleaner 30. Cieszą się one coraz większą popularnością ze względu na dużą skuteczność oraz przyjazność dla środowiska (6). Przed przystąpieniem do konstrukcji systemu wlewowego wydruk należy dokładnie opracować, aby nie miał ostrych krawędzi. Szczególną uwagę należy zwrócić na miejsca po usuniętych strukturach supportujących.

Konstrukcja systemu wlewowego

Zaprojektowano dwa systemy wlewowe – dla woskowej protezy szkieletowej wymodelowanej tradycyjnie i dla protezy wydrukowanej w 3D. Oba systemy wykonano zgodnie z ogólnie przyjętymi zasadami. Uzupełnienie woskowe umieszczane jest w pierścieniu na modelu z masy osłaniającej, a uzupełnienie z żywicy bez modelu – ze względu na różnice we właściwościach fizycznych obu materiałów. Właściwości te umieszczono w tab. 2. Zaprojektowane systemy wlewowe przedstawiono na fot. 1-5.

Na jakość odlewu oprócz kształtu kanałów wpływają ich liczba, pojemność, długość oraz miejsce ich przymocowania. W literaturze zalecane jest stosowanie od 2 do 3 kanałów głównych (11). Długość kanałów powinna być możliwie najmniejsza (12). Średnica kanałów zależy od ich funkcji – kanały główne mają średnicę od 3,5 do 5 mm, a kanały uzupełniające od 2 do 3 mm (11, 13). Najczęściej projekt systemu wlewowego musi być dostosowany do rodzaju wykonywanego uzupełnienia co do liczby kanałów, która zależy od typu i zasięgu uzupełnienia – w przypadku protez szkieletowych w dolnej protezie umieszczane są 2 kanały, a w górnej – od 2 do nawet 4. W obawie przed niedopłynięciem metalu można dodatkowo zastosować tzw. kanały uzupełniające. Trzeba jednak pamiętać, że zwiększenie liczby kanałów nie jest równoznaczne z poprawą dokładności odlewu i nie warunkuje ono pewności odlania uzupełnienia. Ponadto wiąże się to również z wydłużonym czasem odcinania kanałów po odlaniu pracy (12). Kanały po przyklejeniu do wymodelowanej pracy protetycznej łączy się ze sobą w miejscu zbiegu ich wolnych zakończeń. Na nich umieszcza się stożek odlewniczy (11).

Prefabrykowane kanały wykonane są z wosku odlewowego. Najważniejszą cechą odróżniającą ten rodzaj wosku od pozostałych jest spalanie bezresztkowe (14). W jego składzie wyróżniamy m.in. wosk karnauba, wosk pszczeli, stearynę, parafi nę oraz wosk japoński. Wosk ten musi mieć zachowane odpowiednie parametry, aby mógł spełniać swoją funkcję – na rynku dostępne są bagnetowe pałeczki oraz okrągłe lub kwadratowe płytki, których grubość jest ściśle określona – zaczynając od 0,2 do 1 mm, zwiększając co 0,05 mm (15). Można wyróżnić dwa rodzaje wosku odlewowego – bardziej miękki, zwany letnim, oraz twardszy, zwany zimowym. Różnią się one temperaturą uplastycznienia (14).

Forma odlewnicza

Następnym krokiem jest zatopienie modelu z przygotowanym systemem wlewowym w masie osłaniającej. W przypadku zastosowania wydrukowanego prefabrykatu uzupełnienia zaleca się zrobienie tego do godziny od wydrukowania. Aby wykonać ten etap, model należy umieścić w pierścieniu. Istotne jest, aby model w żadnym miejscu nie miał kontaktu ze ścianami pierścienia. W zależności od rodzaju materiału, z jakiego jest wykonany model przyszłego uzupełnienia, należy wybrać odpowiednią masę osłaniającą. Skład masy jest również zależny od jego temperatury lub przedziału topnienia. Podczas wykonawstwa protezy ze stopów chromowokobaltowych lub chromoniklowych stosuje się masy osłaniające spajane fosforanami z dedykowanym płynem. Są one przystosowane do odlewania stopów wysokotopliwych, jakimi są wyżej wymienione materiały. Ich przedział topnienia wynosi 1240-1420°C. Ilość użytej masy ogniotrwałej powinna być taka, aby jej poziom sięgał do rantu lejka odlewowego lub nieco poniżej (16).

Do uzupełnień drukowanych z żywic zalecane jest użycie wzmocnionej masy fosforanowej. Jest to rodzaj masy, która w składzie posiada krzemionkę koloidalną. W trakcie jej mieszania należy zwrócić szczególną uwagę na czas trwania procesu. Podczas wypalania pierścienia istnieje możliwość jego pęknięcia. Główną przyczyną powstania tego problemu jest ciśnienie, powstające podczas wypalania żywicy, z której sporządzony jest model. Aby uniknąć niepowodzenia, należy pamiętać, żeby ilość żywicy wykorzystanej na projekt przyszłej protezy szkieletowej nie była zbyt duża. Im mniejsza ilość żywicy, tym mniejsze ciśnienie powstające w pierścieniu, a tym samym ryzyko pęknięcia jest zminimalizowane. Ponadto zastosowanie wzmocnionej masy osłaniającej również redukuje niepowodzenia wynikające ze wzrostu ciśnienia (17).

Formy odlewnicze wypełnia się stopem w odlewni odśrodkowej w ten sam sposób, niezależnie od techniki wykonania modelu przyszłego uzupełnienia.

Podziękowania dla laboratorium „Laboral” Sebastian Wawrzyniuk za wykonanie wydruku 3D protezy szkieletowej.

Sprawdź wszystkie produkty stomatologiczne dostępne w naszym sklepie internetowym

Piśmiennictwo

1. Akinori T. et al.: Influence of reinforcement bar on accuracy of removable partial denture framework fabricated by casting with a 3D-printed pattern and selective laser sintering. „Journal of Prosthodontic Research”, 2021, 65, 2, 213-218. doi:10.2186/jpr.JPOR_2020_10.
2. Alifui-Segbaya F., Williams R., George R.: Additive manufacturing: a novel method for fabricating cobalt-chromium removable partial denture frameworks. „The European Journal of Prosthodontics and Restorative Dentistry”, 2017, 25, 73-78.
3. Javaid M., Haleem A.: Current status and applications of additive manufacturing in dentistry: A literature-based review. „Journal of Oral Biology and Craniofacial Research”, 2019, 9, 3, 179-185.
4. https://www.3djake.pl/phrozen/sonic-mega-8k?gclid=Cj0KCQjw3IqSBhCoARIsAMBkTb0ISMcup9mJCEO_Le1edNCqR8ylrKzgTdDzYWSaUaMc2VcFeWPA6gcaAlFgEALw_wcB
5. Hima N.S., Anand K.S., Sreekumar A.V.: 3D Printing in Prosthodontics. „Int J Recent Sci Res.” 2020, 11(05), 38721-38724. doi: http://dx.doi.org/10.24327/ijrsr.2020.1105.5364
6.  http://data.dt-shop.com/fileadmin/media/sdb/00698_sdb_enu.pdf
7. Craig R.G.: Materiały stomatologiczne. Wyd. Elsevier Urban & Partner, Wrocław 2006.
8. Craig R.G. et al.: Strength properties of waxes at various temperatures and their practical application. „Journal of Dental Research”, 1967, 46, 1, 300-305. doi:10.1177/00220345670460013101.
9. Kotsiomiti E., McCabe J.: Experimental wax mixtures for dental use. „Journal of Oral Rehabilitation”, 1997, 24, 517-521. https://doi.org/10.1111/j.1365-2842.1997.tb00367.x
10. Denon dental: Scheu-dental, żywice 3D, żywice światłoutwardzalne do zastosowania w stomatologii. https://dental.pl/wp-content/uploads/2022/03/zywice_scheudental_2022.pdf
11. Budkiewicz A.: Protezy szkieletowe. PZWL, 2004.
12. Ciaputa T., Ciaputa A.: Podstawy wykonawstwa prac protetycznych, ELAMED, Katowice 2009.
13. Bredent – modelowanie w wosku. http://bredent.pl/files/kanaly-odlewowe.pdf.
14. Majewski S., Pryliński M.: Materiały i technologie współczesnej protetyki stomatologicznej. Lublin 2013.
15. Kordasz P., Wolanek Z.: Materiałoznawstwo protetyczno-stomatologiczne: podręcznik dla średnich szkół medycznych. PZWL, Warszawa.
16. Mondal D., Haghpanah Z., Huxman C.J., Tanter S., Sun D., Gorbet M., Willett T.L.: mSLA-based 3D printing of acrylated epoxidized soybean oil – nano-hydroxyapatite composites for bone repair. „Materials Science and Engineering: C”, 2021, 130, 112456, https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112456.
17. Rejab L., Hasan I., Al-Hamdani S.: Evaluation the castability of titanium casting alloy. „Al-Rafidain Dental Journal”, 2020, 13, 3, 396-402. doi: 10.33899/rden.2020.165360

Galeria

zobacz więcej