Инженеры Техасского университета в Далласе разработали способ значительно ускорить один из самых длительных этапов изготовления 3D-печатных стоматологических конструкций из диоксида циркония. Удаление полимерного связующего, которое при традиционном подходе занимает от 20 до 100 часов, удалось провести менее чем за 30 минут. В перспективе технология может приблизить изготовление постоянных коронок и других реставраций в течение одного посещения стоматолога, однако перед клиническим применением потребуются дополнительные испытания и регуляторное одобрение.
Почему циркониевые коронки сложно быстро печатать
Диоксид циркония широко применяется в стоматологии благодаря высокой прочности и долговечности. Из него изготавливают постоянные коронки, мостовидные протезы, виниры и другие ортопедические конструкции.
Исследование провели специалисты Техасского университета в Далласе (University of Texas at Dallas). Результаты опубликованы в журнале Ceramics International.
Некоторые стоматологические клиники уже могут изготавливать циркониевые коронки в тот же день, однако для этого обычно используют фрезерование: реставрацию вытачивают из цельного блока материала. Такой метод ограничивает геометрию изделия и может создавать дефекты при механической обработке или последующем спекании.
Трехмерная печать позволяет послойно формировать конструкции сложной формы и точнее адаптировать их к конкретному пациенту. Однако для постоянных реставраций из диоксида циркония главным препятствием остается длительная обработка после печати.
Связующее необходимо удалить перед спеканием
В исследовании использовали объемную фотополимеризацию — разновидность 3D-печати, при которой свет отверждает жидкую композицию, содержащую керамические частицы и полимерные компоненты.
После печати получается заготовка, в которой частицы диоксида циркония удерживаются полимерным связующим. Перед окончательным уплотнением керамики органическую составляющую необходимо удалить. Этот процесс называют дебиндингом.
При нагревании полимер разлагается с образованием газов. Если нагревать изделие слишком быстро, газы могут не успевать выходить из его объема. В результате внутри материала повышается давление, что способно привести к появлению трещин, расслоению или разрушению детали.
Поэтому традиционный термический дебиндинг 3D-печатной керамики может продолжаться от 20 до 100 часов.
После удаления связующего следует спекание — высокотемпературная обработка, при которой керамические частицы уплотняются и образуют прочный твердый материал.
«Дебиндинг был узким местом этого процесса», — объяснил профессор машиностроения Маджид Минари (Majid Minary), автор исследования для корреспонденции. По его словам, многочасовая обработка практически несовместима с концепцией изготовления постоянной реставрации непосредственно в стоматологическом кабинете за одно посещение.
Вакуум и пористый графит ускорили обработку
Команда разработала метод сверхбыстрого термического удаления связующего. Он сочетает вакуум с быстрым нагревом при помощи пористого графитового войлока.
Пористая структура графита улучшает передачу тепла и одновременно способствует выходу газообразных продуктов разложения полимера. Вакуум помогает удалять их из зоны обработки.
Такой подход позволил полностью удалить связующее менее чем за 30 минут. По данным авторов, продолжительность процесса сократилась примерно в 40–200 раз по сравнению с традиционным термическим дебиндингом.
Исследователи также сообщили о значительном снижении энергозатрат. Обработанные новым способом образцы по изученным характеристикам были сопоставимы с циркониевыми изделиями, прошедшими стандартную длительную обработку.
Первым автором исследования стал Махди Мосадег (Mahdi Mosadegh). В работе также участвовали Моэйн Хакзад (Moein Khakzad), Захра Сепаси (Zahra Sepasi), Кальян Нандигама (Kalyan Nandigama), Голден Кумар (Golden Kumar) и Маджид Минари-Джоландан (Majid Minary-Jolandan).
Исследование пока не доказывает клиническую эффективность коронок
Работа посвящена прежде всего технологии обработки 3D-печатной керамики. Это не клиническое исследование пациентов и не долговременное испытание готовых стоматологических коронок во рту.
Поэтому сокращение дебиндинга до нескольких десятков минут еще не означает, что такие реставрации уже можно широко применять в стоматологической практике.
Перед коммерческим внедрением необходимо подтвердить, что готовые изделия сохраняют необходимую прочность, точность, устойчивость к длительной жевательной нагрузке и другие характеристики, критически важные для постоянных реставраций. Потребуется также соответствующее регуляторное одобрение.
Разработку готовят к коммерциализации
Команда Маджида Минари сотрудничает с Pan-AM Dental Laboratory и другими партнерами для дальнейшего развития технологии. Проект получил финансирование Национального научного фонда США (National Science Foundation).
Если технология успешно пройдет следующие этапы проверки, стоматолог потенциально сможет получать цифровую модель зуба, печатать индивидуальную циркониевую реставрацию, проводить ускоренную термическую обработку и устанавливать постоянную конструкцию пациенту в течение нескольких часов.
Главное достижение исследования заключается в устранении одного из наиболее серьезных технологических ограничений керамической 3D-печати: этап, прежде занимавший десятки часов, удалось сократить менее чем до получаса. При этом вопрос о том, насколько такой процесс будет надежен, экономически оправдан и безопасен при массовом стоматологическом применении, остается открытым.
Технологии 3D-печати керамических материалов изучаются и в других областях медицины: ранее на МКБ-11 сообщалось об использовании 3D-печатных керамических каркасов в исследованиях костной ткани.
Литература
Mosadegh M., Khakzad M., Sepasi Z., Nandigama K., Kumar G., Minary-Jolandan M. Single-step thermal debinding for ceramics vat photopolymerization in less than 30 minutes // Ceramics International. — 2025. — Vol. 51, Issue 21, Part B. — P. 34846–34857. — DOI: 10.1016/j.ceramint.2025.05.206.