人工智能3D打印造好“牙”

20年前，我国数字化牙修复领域的相关产品基本依赖进口。目前，国内关键技术产品不仅填补了国内空白，而且达到国际领先水平，也实现了中国自主高端牙科医疗技术装备在全球牙科市场的“零”突破。

孙玉春北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心副主任、主任医师。

近日，在2021年中关村论坛上公布的2020年北京市科学技术奖中，北京大学口腔医院联合南京航空航天大学等机构，凭借“复杂假牙的人工智能设计与精密仿生制造”获得北京市技术发明一等奖。

“30年来，数字化技术在全球口腔修复领域的应用越来越深入和广泛。但我国在该领域的基础研究和产品开发一度缺乏国际竞争力，义齿三维设计软件、专用打印机、氧化锆材料等产品基本依赖进口，设计算法、印刷工艺、材料制备工艺等核心技术不足。”北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心副主任、主任医师孙玉春教授告诉科技日报记者，为了改变这种状况，从2001年开始，他所在的联合国高校和企业就开始从最具挑战性的全口义齿到可摘局部义齿和固定义齿进行研发和试错。

如今，团队原本研发的复杂假牙人工智能设计软件、专用3D打印设备、仿生氧化锆材料，可以让“数字义齿”的修复高效、舒适、美观。

数字化义齿修复技术已成为研究热点。

据《第四次全国口腔健康流行病学调查报告》 (2018)统计，我国35岁以上成年人平均掉牙数为4.7颗，每个年龄段都有数十亿颗牙齿受损或缺失。牙齿修复和假牙是人们恢复咀嚼功能的有效帮手。

"在20世纪70年代和80年代，一位法国教授首次将数字技术应用于牙科。"孙宇春介绍，近30年来，数字化技术在全球牙齿修复领域的应用越来越深入。以计算机辅助设计和计算机辅助制造技术为代表的数字化牙齿修复技术在固定修复、种植修复和可摘局部义齿修复等方面逐渐成熟，修复诊疗的效率和准确性也不断提高。

近年来，数字化技术在全口义齿修复中的应用成为研究热点，全球涌现出十余种数字化全口义齿修复系统。但孙宇春透露，建模、记录颌位、全口义齿设计的技术难度仍然较高，导致义齿设计的效率和智能化程度较低。

“判断假牙疗效的关键是假牙的设计制造精度和仿生匹配度。”孙宇春说，21世纪，人们已经看到了人工智能在口腔医学中的价值。人工智能最初用于口腔诊断，现在已广泛应用于三维扫描、计算机辅助设计、计算机辅助制造和仿生材料设计等领域。它可以提高义齿的设计效率和仿生程度，使义齿更好地匹配患者，降低传统手工设计、制作和微调的人工成本。

数据库中建立了1000多个手动模型。

然而，在欧美国家，义齿的三维设计长期依赖于基于解析几何算法的CAD软件。该软件专注于每个牙齿的独立设计，在应用中难度大，效率低。

近10年来，孙宇春经常用国外的软件来安排每个义齿的位置，但他发现国内的义齿技师从来没有一个好的安排。

差异来自不同的技术路线。“用欧美软件设计时，每颗牙齿的空间位置、姿势和三维形状都要用鼠标一颗一颗交互调整。每颗牙齿都需要考虑

就在他要放弃的时候，孙宇春恍然大悟。“为什么不把中国技术人员制作的假牙作为一个整体，然后根据每个患者的个体情况，整体调整假牙的三维形状参数？就像盖房子，把以前的砖变成一整栋房子来移动，房子可以根据环境自适应变形。这可能会突破国外软件设计效果和效率的瓶颈”。

孙宇春团队将北京大学口腔医学院最初积累的1000多个义齿模型扫描到计算机中进行数据建模。利用1000多个模型，团队最终提出了基于面部中线、口角线、唇高线、牙弓曲线(宽度、深度、曲率)等10多个关键变量的权重指标体系。根据这些指标，收集患者的信息，几秒钟就能在数据库中找到最合适的标准义齿模板。

现在，他们的数据库中有近20万个义齿模型。“目前国内在用义齿加工厂约有570家，每天可设计义齿模型1700多个。”孙宇春说。

探索最适合牙齿结构的3D打印参数集。

虽然设计假牙的效率有所提高，但将设计图转化为真假牙仍有许多困难。

早期从欧美进口的金属3D打印设备是单激光扫描。排版设计过程过于繁琐，智能分析判断能力不足，需要大量人工调整和打磨后处理操作，造成制造精度低，材料浪费大。

“打印过程是3D打印的灵魂。5年来，我在办公室里排了5台打印机，每天打印各种临床需要的产品，用了300公斤左右的光学打印材料，终于找出了最适合齿形结构的特殊3D打印工艺参数集，比如打印角度、打印速度、层间重叠率、材料填充率、打印温度等。”孙宇春表示，团队独创3D打印自动排版切片工艺软件，率先研发了3套口腔用单/双激光金属3D打印设备和物联网3D云运维平台。

“当时用国外典型的打印机打印出的义齿关键局部的精度只有100—150微米，但用我们的打印机可以达到30—50微米。”孙玉春说。

叠层处理材料让义齿更逼真

从牙尖到牙根，颜色、透明度、硬度是渐变的，如何制备出仿生的材料用于人工智能设计和精细的制造工艺？

氧化锆是制造义齿的主要材料。“欧美日长期掌握着口腔氧化锆材料制备的尖端技术，但他们早期生产的氧化锆材料只有单一的颜色、透明度、硬度，力学、美学均与天然牙齿硬组织‘失配’，这也是全球牙科陶瓷材料领域的研究热点和难点。”孙玉春指出，为了让义齿从上到下呈现不同的颜色、透明度、力学性能，科研团队对氧化锆材料叠层处理，每一层都暗藏玄机。

“我们将含有不同比例氧化钇的6种氧化锆，按照一定结构压在一起，在每层建立一种双向梯度渗透的仿生界面，这个界面模仿天然牙齿的绞釉层，使义齿在制造和烧结时，不会发生层间断裂和制造精度下降。”孙玉春说，这套技术在一定程度上解决了义齿咬合面的硬度、弹性模量远高于天然牙釉质的难题，提升了口腔氧化锆修复体与余留天然牙齿在功能、美学上的仿生匹配度。

如今，经由这套解决方案研发出的8种产品，均可完全替代进口并已出口海外，仿生氧化锆材料产品已经推广到全球120多个国家，每年可生产近千万颗义齿。

“20年前，我国在口腔数字化修复领域的相关产品基本依赖进口。现在，国产关键技术产品不仅填补了国内空白，部分达国际领先水平，而且还实现了中国自主高端口腔医疗技术装备在全球牙科市场‘零’的突破。”孙玉春说。