Stampanti 3D in odontoiatria: applicazioni e vantaggi

Le Stampanti 3D in odontoiatria hanno una varietà di applicazioni: in protesi, chirurgia maxillo-facciale, implantologia e altri ambiti, ma il loro utilizzo comporta anche alcuni svantaggi. Una breve guida per imparare a conoscere queste promettenti tecnologie.

Come è nata la stampa 3D

L’utilizzo del Computer Aided Design (CAD) e Computer Aided Manifacturing (CAM) in odontoiatria ha compiuto passi da gigante negli ultimi decenni, con lo sviluppo di nuove classi di materiali e la digitalizzazione e l’automazione dei vari processi di lavorazione. Fino a pochi anni fa in odontoiatria il CAM era considerato sinonimo di processo di produzione per sottrazione, processo con il quale un oggetto è creato a partire da un blocchetto per mezzo di fresatura, molatura, foratura, tornitura o levigatura eseguite con specifiche frese.

Da un punto di vista procedurale ed ecologico un processo produttivo di tipo sottrattivo ha in sé alcuni svantaggi: non è in grado di riprodurre geometrie complesse, è condizionato dalla dimensione minima esistente della fresa (dettagli di dimensione inferiore al calibro della fresa non potranno essere riprodotti), può determinare uno spreco di materiale anche pari al 90% (Strub et al., 2006), produce un numero limitato di oggetti per ciclo di lavorazione; le frese utilizzate, quando usurate, possono generare crepe negli oggetti prodotti. Un modo alternativo di utilizzare i file CAD è il processo di produzione per addizione, processo durante il quale l’oggetto è creato sovrapponendo sottili strati di materiale uno sull’altro in sequenza. Questa è la stampa 3D.

Al contrario della produzione per sottrazione, la produzione per addizione può produrre geometrie complesse e non genera spreco di materiale. La stampa del primo oggetto tridimensionale si deve a Charles Hull che nel 1986 brevettò la stereolitografia e, grazie a essa, fu in grado di costruire e sviluppare la stampante tridimensionale stereolitografica (STL).
In virtù del suo straordinario potenziale nella costruzione di elementi dotati di precisione millimetrica, questa invenzione attirò l’attenzione del mondo dell’aeronautica e dell’architettura, seguiti, negli anni Novanta, dalla medicina. Con la protezione legale garantita dal brevetto della stampante 3D STL si ottennero due risultati: la possibilità di mantenere un prezzo elevato e la possibilità di prevenire una rapida diffusione di nuove tecnologie. In effetti alla scadenza dei brevetti si sono visti una riduzione dei prezzi e un rapido sviluppo dei processi additivi grazie alla possibilità di utilizzo commerciale e industriale della tecnologia di stampa 3D.

Come funziona la stampa 3D

Fondamento della stampa 3D è una dettagliata descrizione della superficie contenuta in un file 3D CAD. L’oggetto deve essere autonomo (a tenuta stagna) e normalmente disponibile in formato STL (STereoLitografia, Standard Transformation Language, Surface Tessellation Language, o Standard Triangolation Language), formato contenente la descrizione tramite triangolazione (tassellazione) della superficie di un corpo tridimensionale. Ogni faccetta triangolare è caratterizzata dai suoi tre punti d’angolo e dalla corrispondente normale superficie del triangolo. Le superfici curve sono approssimate da poliedri. Aumentando il numero di poliedri si minimizza l’errore secante e si descrive la superficie dell’oggetto con una più alta risoluzione. I file STL possono essere salvati come file ASCII con codice sorgente leggibile e una parte molto minore di dati con codice macchina binario. Prima della stampa, il software CAM effettua lo slicing, ossia taglia i file STL in strati multipli orizzontali (piano xy). Le diverse sezioni contengono le informazioni di percorso (coordinate xy). Il risultato dello slicing è il cosiddetto codice G, che contiene i comandi di macchina per la stampante. La risoluzione di una stampante è determinata dall’asse z, ossia dallo spessore degli strati che, sovrapposti uno all’altro, generano un oggetto. Questo elemento rappresenta l’accuratezza verticale ed è una delle caratteristiche tecniche essenziali di ogni stampante 3D. Più sottili sono gli spessori degli strati più lisce sono le superfici, ma più lunghi sono i tempi di stampa. Le superfici curve derivanti da produzione per addizione, infatti, hanno la caratteristica di essere scalariformi, caratteristica più evidente quando devono essere stampati piani inclinati solo leggermente. In questo caso questa superficie dell’oggetto stampato rappresenterà solo un’approssimazione della stessa superficie dell’oggetto reale.

La stampa 3D in Odontoiatria

Molte sono le applicazioni della stampa 3D in odontoiatria: la produzione di modelli dentali, di guide chirurgiche per l’implantologia, di cappette, corone e protesi parziali, protesi removibili provvisorie e definitive, corone provvisorie, allineatori per ortodonzia, eccetera. I costi di produzione contenuti e il ridotto spreco di materiale utilizzato sono alcuni dei fattori che rendono interessante la produzione additiva e ne determinano la popolarità in odontoiatria.
Proprio in virtù di questo continuo sviluppo delle tecnologie di stampa 3D si sta oggi assistendo a un graduale spostamento dalle tecniche produttive di tipo sottrattivo alle tecniche produttive di tipo additivo. Conseguenza di questo è l’ingresso sul mercato di un sempre maggior numero di stampanti 3D tra le quali scegliere.

Stereolitografia (STL)

È il più vecchio e il più comunemente usato sistema di stampa 3D in odontoiatria. Prevede la costruzione di oggetti, strato per strato, mediante fotopolimerizzazione con laser UV di una resina liquida fotopolimerizzabile contenuta in una vasca serbatoio. La piastra di accumulo sulla quale prenderà forma l’oggetto viene posta nella vasca serbatoio in modo da essere ricoperta da uno strato di resina liquida di spessore stabilito. A questo punto il laser UV polimerizza lo strato di resina secondo lo schema. Ottenuto lo strato, la piastra scende nel sebatoio fino ad essere ricoperta da un nuovo strato di resina liquida che di nuovo sarà polimerizzata al passaggio del laser UV. Il ciclo si ripete fino al completamento dell’oggetto. Al termine del processo di stampa l’oggetto stampato dovrà essere rifinito sottoponendolo prima a un ulteriore esposizione al laser UV per completarne la polimerizzazione e, quindi, a un lavaggio in vasca ultrasonica con alcool isopropilico per eliminare i residui di resina.

Directed Light Processing (DLP)

In questa tecnica il laser UV della STL è sostituito da un proiettore che, proiettando l’immagine del taglio dell’oggetto sullo strato di resina, determina la polimerizzazione di quest’ultima. Poiché tutti i punti dello strato di resina sono polimerizzati contemporaneamente, il processo di stampa è più veloce. Al termine del processo di stampa l’oggetto stampato dovrà essere rifinito sottoponendolo prima a un ulteriore esposizione al laser UV per completarne la polimerizzazione e al termine di questo a un lavaggio in vasca ultrasonica con alcool isopropilico per eliminare i residui di resina.
Un’ulteriore modifica si è avuta sostituendo il proiettore con un Liquid Crystal Display (LCD). Nelle stampanti 3D LCD la luce arriva sullo strato da polimerizzare direttamente, senza bisogno dell’interposizione di lenti o altri dispositivi. Da qui deriva il fatto che la distorsione dei pixel non è un problema che riguardi le stampanti 3D LCD. La principale differenza tra le stampanti 3D STL e le stampanti 3D LCD è nella velocità di stampa: le LCD sono più veloci delle STL ma non delle DLP che eguagliano. Rispetto a queste ultime però risultano essere più convenienti perché i materiali utilizzati per costruirle sono meno costosi. Questo è il motivo principale per cui si stanno diffondendo maggiormente.

Fused Filament Fabrication (FFF)

Un materiale termoplastico è forzato attraverso un estrusore (un ugello riscaldato) per creare un oggetto. Una volta creato il primo strato la piattaforma si muove quanto serve a creare un nuovo strato e il ciclo si ripete fino al completamento dell’oggetto. I materiali più utilizzati sono l’acido polilattico (PLA) e l’acrilonitrile butadiene stirene (ABS): il primo eccelle per capacità di riprodurre i dettagli, il secondo per resistenza. I vantaggi della FFF sono i costi contenuti e l’ampia varietà di materiali che possono essere utilizzati, ma al momento il suo utilizzo in odontoiatria è assai limitato.

PolyJet PhotoPolymer (PPP)

Funziona come una normale stampante a getto d’inchiostro: migliaia di gocce di fotopolimero vengono gettate sopra la piattaforma e polimerizzate con luce UV a formare, strato dopo strato, l’oggetto da stampare. Questo processo può far lavorare simultaneamente più testine di stampa, caratteristica che rende possibile la creazione di oggetti composti da materiali diversi e con colori diversi. La qualità della superficie degli oggetti è molto alta e non è richiesta alcuna rifinitura della superficie quando gli strati abbiano uno spessore inferiore ai 20 μm., ma è la tecnologia più costosa tra le tecnologie di stampa 3D.

Molte aziende utilizzano la risoluzione della stampante come fattore attraente per vendere il loro prodotto. Va detto però che una stampante con risoluzione più alta non garantisce necessariamente accuratezza. È imperativo comprendere il significato del termine accuratezza, che racchiude in sé: precisione (“variabilità tra misurazioni ripetute”: più sono simili i risultati delle diverse misurazioni più la precisione è alta), esattezza (“concordanza tra il valore medio ottenuto da un’ampia serie di risultati e un valore di riferimento accettato”) e tolleranza (“limiti accettabili di valori misurati che possono variare in relazione allo specifico oggetto sottoposto ad analisi”).

Una stampante può rispettare il range di tolleranza ideale per un progetto, ma non essere necessariamente precisa. Nello stesso modo, un processo di stampa può essere preciso, ma l’oggetto stampato non essere fedele all’originale o al file di riferimento. Le cause di questi errori possono essere molteplici: il tipo di tecnologia della stampante 3D utilizzata non adatta allo scopo, il materiale utilizzato, le caratteristiche geometriche e la topologia dell’oggetto, le dimensioni nominali, lo spessore delle pareti, la post-elaborazione e, ultima ma non ultima, la calibrazione della stampante (Mukherjee et al., 2023). È importante seguire con attenzione le raccomandazioni delle case produttrici della stampante 3D e dei materiali utilizzati sia per quanto riguarda la manutenzione della stampante stessa, delle sue componenti e del serbatoio di resina, sia per quanto riguarda la cadenza con la quale deve essere sostituita la cartuccia della resina. Accuratezza e resistenza dell’oggetto stampato possono essere significativamente condizionate dal rispetto o dal mancato rispetto delle istruzioni di post elaborazione consigliate per ogni materiale.

La Tabella 1 riporta una panoramica delle tecnologie di stampa 3D e delle loro caratteristiche più importanti.

Fonte: Kessler A, Hickel R, Reymus M, 2020

Applicazioni cliniche

La stampa 3D non solo ha una varietà di applicazioni cliniche in protesi, in chirurgia maxillo-facciale, implantologia e in altri campi ma ha anche un grande potenziale con peculiari vantaggi.
Se paragonati con i modelli in gesso, i modelli di lavoro ottenuti dalla stampa 3D presentano molti vantaggi, tra i quali un peso minore, una minore probabilità di danneggiarsi rispetto ad altri materiali, una maggiore robustezza, una maggiore resistenza all’usura e la condivisione dei dati digitali. Jeong et al. nel 2018 rilevarono che i modelli ottenuti con stampa 3D avevano accuratezza e riproducibilità maggiori se paragonati ai modelli tradizionali in gesso, e maggiore accuratezza se messi a confronto con i modelli ottenuti da fresatura. Le tecnologie SLA e DLP hanno ancora il limite di non poter gestire in un unico processo produttivo diversi materiali. In più, la realizzazione di superfici inclinate perfettamente lisce non è ancora possibile: l’oggetto è caratterizzato infatti da una superficie scalariforme a causa della capacità della stampante 3D di produrre solo strati diritti. Oltre a ciò, la tecnica di produzione a strati sembra impedire che l’oggetto stampato con stampanti SLA/DLP possa raggiungere le proprietà meccaniche tipiche della versione monolitica. Nonostante questo, le tecnologie SLA e DLP restano, ad oggi, le più avanzate tecnologie di stampa 3D per l’odontoiatria. L’accuratezza dei modelli di lavoro varia in base al tipo di stampante 3D utilizzata: Hazevold et al. (2014) dimostrarono che i risultati migliori si ottenevano dalla stampa 3D DLP. Altro parametro da considerare è la superficie del modello, molto importante sia in protesi sia in odontoiatria estetica e in ortodonzia. Jindal et al. (2020) dimostrarono che la SLA produceva modelli con superfici granulari ma comunque omogenee. Avere modelli con buona tolleranza, replicabilità, alta fedeltà e specificità per il paziente può essere di grande aiuto nella didattica, nella pianificazione chirurgica e nella comunicazione sia con il team sia con il paziente. In questo ambito la tecnologia migliore di stampa 3D risulta essere la PPP, seguita, nell’ordine, da DLP, LCD, laser-SLA e FFF (Tsolakis et al., 2022). Il fatto che la stampa 3D abbia un grande potenziale in ambito protesico è fuori da ogni discussione.

Il clinico ha la possibilità di preparare gli elementi dentari, scannerizzali e stampare i manufatti protesici nel corso della stessa seduta, con risparmio di tempo e denaro.

La stampa 3D SLA o DLP consente di produrre corone e ponti. La quantità di materiale utilizzato per la stampa sarà inferiore rispetto alla fresatura e lo spreco sarà quasi assente. Un altro vantaggio è che possono essere stampati più elementi contemporaneamente mantenendo un’ottima capacità di riprodurre il dettaglio (Abduo et al., 2014). Un buon adattamento è essenziale per garantire stabilità meccanica, robustezza e salute dei tessuti molli circostanti, e i provvisori ottenuti con stampa 3D hanno dimostrato di avere un eccellente adattamento sia marginale sia della superficie interna, adattamento che è superiore a quello di provvisori prodotti da sistemi CAD/CAM o da fresatura (Lee et al., 2017 – Mai et al., 2017). Diverso è il caso della protesi totale. La stampa 3D ha certamente il vantaggio della rapidità di produzione delle protesi con un minor numero di passaggi, cosa che potrebbe ridurre la possibilità di errore, ma le proprietà meccaniche dei materiali utilizzati per la costruzione delle basi per protesi risultano essere inferiori quando paragonate a quelle della maggior parte dei materiali per fresatura o delle resine acriliche polimerizzate termicamente. L’utilizzo della stampa 3D nella progettazione e nella realizzazione della protesi totale è ancora oggetto di studio (Yoon et al., 2018).

Altro esempio sono gli splint. Se è vero che la stampa 3D di uno splint consente di ridurre sia i tempi di produzione (se ne possono produrre contemporaneamente più di uno) sia lo spreco di materiale rispetto alla produzione per fresatura, è anche vero che la produzione a strati tipica della stampa 3D porta all’anisotropia, con conseguenti disomogeneità delle proprietà meccaniche nei tre piani dello spazio e riduzione della resistenza all’usura e alla flessione. Per questo motivo gli splint prodotti con stampa 3D possono essere utilizzati solo per brevi periodi (Lutz et al., 2019).

Conclusioni

Il processo di stampa tridimensionale si fonda sul principio secondo il quale un oggetto tridimensionale può essere trasformato in una semplice sovrapposizione di strati bidimensionali. Ne consegue da un lato una riduzione della complessità del disegno di un oggetto e della complessità della sua produzione, dall’altro la generazione di una serie di difetti che possono minare le performance dell’oggetto stampato.
La stampa 3D trova comunque applicazione in numerosi campi dell’odontoiatria ed è certo che in futuro diventerà protagonista anche laddove oggi non riesce ancora a competere con le altre tecniche produttive.

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