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Dental Tech - #MAKE! Le stampanti 3D Storia, tecnologia, fattori rilevanti ed applicazioni in odontoiatria

Ritratto di francescomangano1_61980
Top Contributor DDU
24 Marzo 2020

Dental Tech - #MAKE! Le stampanti 3D Storia, tecnologia, fattori rilevanti ed applicazioni in odontoiatria

La stampa 3D è ormai entrata prepotentemente nel mondo odontoiatrico. Le due principali metodiche di stampa 3D impiegate ad oggi da dentisti ed odontotecnici sono la stereolitografia (da “stereolitography”, SLA) ed il digital light processing (DLP). Queste tecniche produttive sono state ideate alla fine degli anni ’80, rispettivamente da Charles “Chuck” Hull nel 1986 (SLA) e da Larry Hornbeck nel 1987 (DLP). Nella stereolitografia, un raggio laser nello spettro dell’ultravioletto cura (e cioè, solidifica) delle resine fotoattive. Nel digital light processing, invece, è un proiettore di luce a curare le resine. I due metodi pertanto differiscono per la fonte luminosa utilizzata: laser (SLA) contro luce strutturata (DLP). È subito intuitivo come il secondo metodo possa essere più veloce, dal momento che il proiettore ha dimensioni maggiori rispetto allo spot del laser, e pertanto può “curare” (solidificare) più resina in un minor tempo. La velocità è importante, soprattutto per chi deve produrre molto, come un grande laboratorio. Ma qual è la tecnica più accurata? Non è facile rispondere a questa domanda. Oggi vi è una grande confusione, generata da un uso improprio della terminologia e dalla fortissima spinta commerciale, che porta le aziende a contendersi un mercato sempre più interessato alla stampa 3D, come quello del dentale. Effettivamente, la stampa 3D rappresenta una rivoluzione in ambito produttivo, che nel nostro settore è probabilmente soltanto all’inizio. Grazie alla stampa 3D possiamo infatti generare velocemente prototipi, abbattendo i costi produttivi; possiamo altresì fabbricare oggetti estremamente complessi, come geometrie generative o curve frattali, difficili da riprodurre attraverso tecniche convenzionali. Inoltre, possiamo fare oggetti cavi al loro interno, e quindi più leggeri, “salvando” una grande quantità di materiale. Questo permette di risparmiare durante la produzione, ed è senz’altro buona cosa. Potenzialmente, la stampa 3D potrebbe addirittura modificare la produzione di massa: molti oggetti non saranno più prodotti in gran numero per poi finire, come a volte accade, invenduti. Saranno prodotti esclusivamente su ordinazione: ciò permette a chi produce di risparmiare. Secondo alcuni, infine, un vantaggio determinato dalle tecniche di produzione additiva sarebbe dato dalla “ecosostenibilità” dei processi, con beneficio per l’ambiente. In effetti, produrre oggetti più leggeri è ecosostenibile. E’ vero infatti che, ad esempio nel settore aereospaziale, un velivolo fatto di componenti più leggere pesa meno e permette di consumare meno carburante quando vola. Ciò determina un beneficio per l’ambiente. Allo stesso modo, produrre solo quello che serve localmente, evitando di spostare grandi quantità di merci da una parte all’altra del mondo, permette di inquinare meno. Tuttavia, è bene ricordare che anche nel nostro ambito, le resine di scarto non solidificate andrebbero raccolte e smaltite come rifiuti speciali, e non semplicemente buttate nel lavandino. Occorre in questo senso informare tutti coloro che acquistano una stampante 3D, perché tanto maggiore sarà la diffusione di questi macchinari, tanto più grande sarà questo problema. Certo non tutte le stampanti oggi presentano una vaschetta aperta, e molte (soprattutto quelle pensate per i dentisti e per il chairside) lavorano con delle cartucce chiuse, simili a quelle delle stampanti da ufficio, e che possono essere smaltite più facilmente. Ma lasciamo da parte queste considerazioni e torniamo alle più note tecniche di stampa in odontoiatria: SLA e DLP. Nell’SLA, come abbiamo detto, un raggio laser è proiettato sulla vaschetta contenente la resina da curare: esso è guidato alle coordinate richieste grazie a specchi e lenti. Il meccanismo è semplice: lo spot del laser cura la resina solo dove serve, lasciando liquida quella che non va solidificata, in accordo al progetto di stampa. Nella DLP, invece, un proiettore di luce emette una fonte luminosa verso la vaschetta della resina; in questo caso, la luce è diretta sulla resina tramite un dispositivo denominato “digital micromirror device” (DMD). Che cosa è il DMD? Il DMD è un complesso sistema di micro-specchi in alluminio, ciascuno dei quali può dirigere un “pixel” di luce polimerizzante sulla resina, per curarla. In pratica, il DMD è un sistema fine che permette di dirigere la luce sulla resina in alcuni punti, laddove serve curare, e di allontanarla invece da quei punti che non vanno curati. Infatti, il movimento di questi piccolissimi specchi (10- 12° massimo) determina la loro abilità di “aprire” (“on”) o “chiudere” (“off”) al passaggio della luce, secondo un codice di controllo binario. Pertanto, se lo specchio è in posizione “on”, il pixel di luce sarà proiettato sulla vasca di resina e la curerà; viceversa, se è “off”, la luce sarà deviata altrove, in genere su una superficie assorbente. Come abbiamo già accennato, la tecnica DLP, come la variante LCD (dove un monitor proietta un’intera immagine direttamente sulla vasca di resina) è potenzialmente più veloce della SLA, perché riesce a “sparare” abbastanza luce da realizzare uno strato in una volta sola; il laser invece deve muoversi parecchio per poter completare uno strato. Tuttavia, velocità non significa accuratezza. E dell’accuratezza delle stampanti 3D attualmente in commercio si sa ben poco, perché non esistono – o quasi – studi che comparino effettivamente l’accuratezza dei modelli, ad esempio, prodotti dalle diverse stampanti ad uso odontoiatrico. In effetti, parlare di “accuratezza” di una stampante può essere un errore: il termine “accurato” dovrebbe semmai riferirsi agli oggetti (modelli dentati, corone, ponti, dime chirurgiche) prodotti dalla stessa. Infatti le stampanti hanno in uso diverse resine, proprietarie e non, che vengono curate attraverso differenti protocolli. Ed è intuitivo come l’accuratezza dei nostri oggetti possa essere determinata anche dalle resine impiegate per la stampa, con possibili differenze tra i materiali. In generale, la stampante 3D dovrebbe essere vista come un’orchestra, poiché non è mai un singolo elemento a determinare l’accuratezza dell’oggetto che andiamo a stampare: ci sono infatti una moltitudine di fattori importanti da considerare. Tra questi, ricordiamo la fisica della luce e la sua propagazione, la chimica della resina utilizzata e la sua polimerizzazione, l’elettronica dei pannelli (DLP ed LCD) e del laser (SLA), le lenti e gli specchi, la meccanica di avanzamento e/o rotazione del sistema, e naturalmente il software, vero e proprio cuore della stampante ed “armonizzatore” dei processi. Ecco spiegato come mai la determinazione dell’accuratezza dei processi di stampa non sia affatto facile. Curiosamente, l’argomento che viene utilizzato più spesso dai venditori per convincere il dentista (o l’odontotecnico) a comprare è quello della risoluzione, erroneamente confusa con l’accuratezza. Le aziende dichiarano infatti due dati: quello della risoluzione sull’asse XY e quello della risoluzione sull’asse Z, come elementi chiave nella definizione della qualità di una stampante. In realtà, il concetto di risoluzione sull’asse Z potrebbe essere semplificato come minimo avanzamento possibile in Z; purtroppo, la coincidenza di questo minimo avanzamento con lo spessore minimo del layer è ideale, e tutto da dimostrare (bisogna considerare infatti la variabile materiale). D’altra parte, il concetto di risoluzione sull’asse XY è valido solamente per le stampanti LCD. Per le stampanti SLA e DLP, infatti, bisognerebbe parlare di minima dimensione della fonte di luce. La minima dimensione della fonte di luce è nelle stampanti SLA il laser spot; nel caso delle stampanti DLP, invece, è dato dalle dimensioni dei micro-mirrors. Idealmente, la minima dimensione della fonte di luce dovrebbe corrispondere alla dimensione minima stampabile; purtroppo però è un esercizio di stile, perché poi subentra la variabile materiale. Pertanto, possiamo dire con forza che la risoluzione dichiarata dalla stampante non garantisce l’accuratezza degli oggetti che andiamo a stampare: tante infatti sono le variabili che entrano in gioco, dalle componenti della macchina ai materiali utilizzati, fino al post-curing. Infatti, in molti casi, è indispensabile polimerizzare gli oggetti che abbiamo stampato (x esempio i modelli dentati, ma anche i restauri protesici) ciò soprattutto per stabilizzare l’insieme e ridurre le deformazioni che possono verificarsi nel tempo. Chi ha familiarità con la stampanti 3D sa, per esempio, che le dime chirurgiche devono essere utilizzate clinicamente non oltre le 3 settimane dalla stampa, altrimenti vi è il rischio concreto di un cattivo adattamento delle stesse. Allo stesso modo, i modelli dentati devono essere correttamente polimerizzati in un forno dedicato, generalmente certificato dalla stessa casa produttrice della stampante. Ciò per evitare distorsioni nel tempo. Nessuna resina si comporta come il gesso, e le resine costano: è pertanto consigliabile utilizzarle al meglio, ed evitare di stampare più volte gli stessi modelli. Ma quali sono, ad oggi, le applicazioni della stampa 3D in odontoiatria? Personalmente, utilizzo con soddisfazione la stampa 3D in chirurgia, protesi ed ortodonzia. Stampare non è affatto difficile: una volta che si è compreso come posizionare i modelli (files STL che vengono esportati direttamente dai vari software di CAD) sulla plate all’interno del software di CAM, e come supportarli adeguatamente (per evitare il distacco degli stessi durante il processo di stampa) il gioco è fatto. E’ addirittura divertente. Recentemente, poi, le aziende hanno ulteriormente semplificato i processi di stampa, rendendoli accessibili a tutti. La mia scelta è ricaduta, ad oggi, su una stampante SLA professionale, in quanto la mia esigenza è quella di stampare oggetti estremamente accurati ed i miei volumi produttivi sono contenuti rispetto a quelli di un grande laboratorio odontotecnico. Non mi interessa essere veloce, ma mi concentro esclusivamente sulla qualità di stampa, che pretendo essere elevata. In chirurgia, stampo le mascherine chirurgiche (Fig. 1A, B, C) che impiego per il posizionamento di impianti dentari, in tutti i casi, anche per gli impianti singoli. L’accuratezza delle dime chirurgiche stampate in 3D è elevata e permette oggi di inserire gli impianti in pieno accordo al progetto chirurgico, e cioè nella posizione, inclinazione e profondità desiderate. Il tutto in sicurezza, e con un approccio minimamente invasivo, perché flapless. Ulteriori campi di applicazione della stampa 3D in chirurgia sono quelli della stampa del titanio (per la fabbricazione di impianti custom-made, siano essi endossei o iuxta-ossei, o di meshes personalizzate per la guided bone regeneration) e dei ceramici (per la realizzazione di scaffolds custom-made per la rigenerazione ossea, a base di idrossiapatite e beta tricalcio fosfato). Tali applicazioni, tuttavia, richiedono macchinari industriali dal costo non facilmente accessibile a studi dentistici e laboratori odontotecnici. E naturalmente, diverse tecniche produttive. Recentemente, sono comparse macchine in grado di stampare restauri in zirconia. Benchè non vi sia ancora sufficiente letteratura sull’argomento, si tratta di una innovazione tecnologica affascinante che potrà modificare i processi produttivi dei grandi laboratori odontotecnici. In protesi, ad oggi, la stampa 3D permette di produrre non solo modelli (Fig. 2) ma anche restauri provvisori (Fig. 3) a breve e lunga durata; sia i modelli che i restauri provvisori devono essere polimerizzati in forno dedicato, per essere pronti all’uso. Già oggi, inoltre, cominciano a comparire i primi lavori scientifici sulle protesi totali stampate in 3D. Tutto è pronto a livello di CAD, ma non tutte le stampanti ancora dispongono delle resine adeguate. Personalmente, trovo utile stampare delle repliche delle barre per le overdentures supportate da impianti: quando si lavora con impronta ottica da scanner intraorale, è bene infatti verificare il passive fitting della sovrastruttura (Fig. 4), prima che essa venga fresata definitivamente in metallo o in PEEK. Infine, in ortodonzia è possibile stampare bites, placche, guide per il posizionamento dei brackets e anche allineatori. Le possibilità sono tante, e andranno a crescere insieme con lo sviluppo di nuovi materiali. Non è difficile prevedere come ben presto ogni studio dentistico ed ogni laboratorio odontotecnico saranno dotati di una o più stampanti 3D.

Fig. 1. (A, B) Dima chirurgica open-frame, sleeveless (TwingGuide®, 2Ingis, Brussels, Belgio) stampata con tecnica SLA da stampante professionale (XFAB 3500PD®, DWS Systems, Thiene, Vicenza) usando un materiale dedicato (DS3000®, DWS Systems, Thiene, Vicenza). Queste dime chirurgiche sono estremamente accurate e stabili (C), sia sui modelli stampati con resina Precisa RD097® (DWS Systems, Thiene, Vicenza) sia in bocca, e per la loro particolare struttura priva di boccola, permettono di lavorare con frese di lunghezza standard (il chirurgo non ha la necessità di acquistare dei kit chirurgici dedicati alla guidata, con frese lunghe). Infatti è il manipolo chirurgico (e non la fresa) a venire guidato durante la chirurgia, grazie ad un particolare adattatore. Le guide (slots) per l’adattatore sono laterali alla cresta ossea, e non al di sopra di essa: ciò permette di lavorare nei settori posteriori di pazienti dentati, normalmente inaccessibili con i sistemi convenzionali. Inoltre, il chirurgo vede l’area dell’intervento, e può preservare la mucosa cheratinizzata sollevando un piccolo lembo; l’irrigazione è garantita efficacemente e l’impianto può essere inserito evitando qualsiasi contatto con le componenti della dima.

Fig. 2. I modelli stampati con macchina professionale SLA sono estremamente accurati, riproducono la superficie dei denti in dettaglio, e sono pertanto ideali anche per le applicazioni protesiche.

Fig. 3. La resina Temporis® (DWS Systems, Thiene, Vicenza) viene utilizzata per la stampa di corone e ponti provvisori. I provvisori devono essere polimerizzati e caratterizzati.

Fig. 4. Per verificare l’adattamento di una sovrastruttura protesica nel paziente completamente edentulo, è possibile utilizzare la resina DS3000® (DWS Systems, Thiene, Vicenza), normalmente impiegata per le guide chirurgiche. Quando si lavora con impronta ottica da scanner intraorale, è bene infatti verificare il passive fitting della sovrastruttura, prima che essa venga fresata definitivamente in metallo o in PEEK [Questa immagine è presa dall’articolo “Combining Intraoral and Face Scans for the Design and Fabrication of Computer-Assisted Design/Computer- Assisted Manufacturing (CAD/CAM) Polyether-Ether-Ketone (PEEK) Implant-Supported Bars for Maxillary Overdentures” di Mangano F, Mangano C, Margiani B, Admakin O, pubblicato sulla rivista Scanning 2019 Aug 22; 2019: 4274715].

 

Pubblicato su Infodent Novembre 2019 - Rubrica Dental Tech pag 33