Universität Perugia validiert neue zahnmedizinische 3D-Druckmaterialien mit Artec Micro II

Ein Student der Universität Perugia scannt ein Implantat mit Micro II in 3D. Bild mit freundlicher Genehmigung der Universität Perugia

Die Dentalbranche erlebt derzeit einen Aufschwung im 3D-Druck – denn diese Technologie ermöglicht es immer mehr Zahnärzten in Kliniken auf der ganzen Welt, schnell individuelle Implantate herzustellen.

Bei der individuellen Gestaltung von Implantaten wie Zahnkronen, Brücken, Schablonen und Alignern ist der 3D-Druck schneller, präziser und (auf lange Sicht) kostengünstiger als die Anfertigung von Abdrücken nach althergebrachten Methoden. Allerdings gibt es auch Nachteile, insbesondere hinsichtlich der Materialverträglichkeit.

Ein Vorbehalt besteht darin, dass 3D- Druckmaterialien nicht nur für bestimmte Technologien geeignet sein, sondern auch auf Haltbarkeit, Ästhetik, Schrumpfung und Sicherheit für den Menschen getestet werden müssen. Diese Probleme schränken bisher die Vielfalt an verfügbarem Material noch ein und machen ältere, bewährte Methoden für erfahrene Zahnärzte weiterhin attraktiv.

Um den Dentalspezialisten neue Harze zur Verfügung zu stellen, ist umfangreiche Forschung erforderlich. Oftmals konzentriert sich dies auf die Analyse der geometrischen Genauigkeit, aber auch Druckgröße und -geschwindigkeit können hier erhebliche Herausforderungen darstellen. Wie lassen sich also winzige 3D-gedruckte Implantate schnell und wiederholt digitalisieren und testen?

Um dieses Problem anzugehen, wurde in Italien eine landesweite Forschungskooperation ins Leben gerufen, an der die Zahnmedizinische Fakultät der Universität Turin, das Polytechnikum Turin, die Universität Catania und die Universität Perugia beteiligt sind. Auf der Suche nach neuen Wegen zur Automatisierung der Messtechnik wurde am Smart Manufacturing Laboratory der Universität Perugia erst kürzlich ein Artec Micro II ausprobiert. Wie sich herausstellte, bot das neue Projekt eine perfekte Gelegenheit, eigene Ideen an realen Produkten eines Zahnimplantatherstellers zu testen. Am Ende könnte also sowohl einer stärkeren Verbreitung des 3D-Drucks als auch einer verbesserten Patientenbehandlung gedient sein.

Digitalisierung von Zahnimplantaten zur Inspektion

Das Smart Manufacturing Laboratory der Universität Perugia wurde vor einigen Jahren gegründet. Der Leiter des Labors, Professor Nicola Senin, der kürzlich auch die Abteilung für Messtechnik eröffnet hat, benennt als eines der Hauptziele des Labors, „Messsysteme intelligent zu machen“ – durch stärkere Roboterautomatisierung, KI-Integration und interne Softwareentwicklung. Die Investition in Micro II habe es dem Labor ermöglicht, seine Aktivitäten im Bereich der optischen Messungen weiter auszubauen.

3D-Scan eines Zahns, aufgenommen mit Artec Micro II. Bild mit freundlicher Genehmigung der Universität Perugia

Das Team bezog seinen 3D-Scanner von 3DZ, einem Vertragshändler renommierter 3D-Druck-Anbieter und langjährigen Partner von Artec 3D. Mit 15 Niederlassungen in ganz Europa fungiert 3DZ als zuverlässiger Berater und unterstützt Unternehmen bei der Auswahl der 3D-Technologien, die ihren spezifischen Voraussetzungen am besten entsprechen. Nach sorgfältiger Analyse der Anforderungen der Universität Perugia empfahl 3DZ den Scanner Artec Micro II – vor allem aufgrund seiner herausragenden Präzision und Nutzerfreundlichkeit.

Zunächst nutzten die Labormitarbeiter die Technologie, um komplexe 3D-gedruckte Formen für Implantate zu messen. Mit Micro II konnten sie die Genauigkeit überprüfen und feststellen, ob die Drucke verformt, verdreht oder verbogen waren. Dies sind wichtige Punkte bei der Herstellung von Implantaten, da Defekte zu Rissen führen und Risse wiederum Brüche verursachen. Im Laufe ihrer Forschung und Entwicklung suchten sie nach praktischen Anwendungsfällen, woraus schließlich das Projekt 3D printing and digital twinning ceramic restorations for dentistry [3D-Druck und Erstellung digitaler Zwilling von Keramikrestaurationen für die Zahnmedizin] entstand.

Die Initiative „3DCer4Dent“ wird vom italienischen Ministerium für Universitäten und Forschung gefördert und von der Universität Perugia geleitet, insbesondere von der außerordentlichen Professorin Elisabetta Zanetti (Industrielle Biotechnik) und der wissenschaftlichen Mitarbeiterin Giulia Pascoletti (Designmethoden). Im Smart Manufacturing Laboratory der Universität haben Forscher begonnen, Kronen, die von einem Hersteller von Zahnimplantaten für reale Anwendungsfälle entworfen wurden, in 3D zu scannen. Micro II hat sich für diese Aufgabe als ideal geeignet erwiesen.

Ein an einer Klammer befestigter Zahn, bereit für den 3D-Scan mit Micro II. Bild mit freundlicher Genehmigung der Universität Perugia

Jeder Scan dauert nur wenige Minuten, wobei die automatisierte Plattform des Geräts einen Großteil der Arbeit übernimmt. Bisher wurden für weitere Untersuchungen zusätzlich Röntgenaufnahmen und optische Tomographie eingesetzt. In diesem Anwendungsfall konnte Micro II jedoch unter Beweis stellen, dass er allein genügend Daten für endgültige Ergebnisse erfassen kann, wobei deutliche Unterschiede zwischen zwei verschiedenen Dentalkeramiken identifiziert wurden. Langfristig könnte weitere Forschung und Entwicklung zu einer verbesserten Patientenversorgung führen, erklärt Zanetti.

„Zahnärzte arbeiten mit Kunststoffen, die stark schrumpfen. Der optimale Skalierungsfaktor ist nicht so eindeutig – genau hier versuchen wir mit Micro II Abhilfe zu schaffen“, sagt sie. „Der kritischste Bereich ist die Schnittstelle zwischen Krone und Zahnrest. Dort gibt es keinen [Zahn-]Zement, und wenn das Implantat nicht kongruent ist, können sich Bakterien einnisten, und das Implantat wird versagen.“

Analyse neuer 3D-Druckmaterialien

Beeindruckend ist, dass der Großteil des Arbeitsablaufs der Forscher in Artec Studio stattfindet. Die 3D-Scan- und Datenverarbeitungssoftware verfügt über alle erforderlichen Werkzeuge, um Punktwolken in hochdetaillierte Polygonnetze umzuwandeln, die dann analysiert und für die Fertigung in gängige Dateiformate exportiert werden können.

Im konkreten Fall konnte das Team eine Seite eines Implantats scannen, sie um 180 Grad drehen, die andere Hälfte scannen und die resultierenden Daten mithilfe einer Punkt-zu-Punkt-Ausrichtung schnell fusionieren. Dank der detaillierten Einstellungen konnten die Spezialisten sogar die Fusionsparameter für eine maximale Auflösung optimieren – dies ist für eine detaillierte Oberflächenanalyse unerlässlich – und sie ebenfalls in Artec Studio durchführen.

Laut Pascoletti „hat sich ein Material als besser erwiesen als das andere, da bei 90 Perzentilwerten geringere Abweichungen festgestellt wurden.“ Im Vergleich zum Beginn der Forschung, als das Team noch mit herkömmlichen zahnmedizinischen und anderen 3D-Scannern arbeitete, zeige Micro II „erhebliche Unterschiede in der Genauigkeit“, fügt sie hinzu – tatsächlich sei dies der Grund, warum sie überhaupt mit experimentellen Tests beginnen konnten.

Eine STL-Datei überlagert ein rekonstruiertes Polygonnetz in Artec Studio. Bild mit freundlicher Genehmigung der Universität Perugia

Für tiefergehende statistische Analysen nutzt das Team der Universität Perugia auch Software wie Cloud Compare und MATLAB. Diese Plattformen ermöglichen es Nutzern, die Unterschiede zwischen gekrümmten Oberflächen einfach zu berechnen und die Zahlen bei der Untersuchung komplexer Datensätze zu verarbeiten. Das Ergebnis: Ein Material hat das andere in den Schatten gestellt. Der Ansatz hat sich also bewährt.

Potenzial in der Zahnmedizin, Medizin und darüber hinaus

Nach dem ersten Erfolg plant das Team nun, mindestens zwei weitere Zirkonium-Materialien zu testen. Die Bemühungen beschränken sich jedoch nicht nur auf den Dentalbereich. Das Team sieht auch Potenzial für 3D-Scan-basierte Analysen bei der individuellen Anpassung medizinischer Implantate und beim 3D-Druck von Satellitenkomponenten.

Neben dem Aufbau weiterer öffentlich-privater Partnerschaften wollen die Forscher ihre Arbeit an messtechnischen Algorithmen fortsetzen. Dazu gehört die automatische Blickpunktgenerierung, ein Workflow, bei dem die Mindestanzahl an Scans von jeder Position aus berechnet wird. Die resultierenden Modelle werden dann direkt in die Fertigung geschickt. Wohin die nächsten Schritte auch gehen mögen – Micro II soll dabei im Mittelpunkt stehen. Senin sagt, das Gerät habe sowohl in der Design-Iteration als auch in der Inspektion eine vielversprechende Zukunft.

„Viele metallische, keramische und polymere Materialien sollten mit Micro II messbar sein“, so Senin. „Wir beginnen beispielsweise auch mit der Messung kleiner Komponenten aus hochentwickelten Materialien für Satelliten. Bisher haben wir diesen Prozess noch nicht optimiert, und wir sprechen hier auch nicht von einem Raumschiff. Aber Micro II ermöglicht es uns als Forschungseinrichtung, Geometrieänderungen bei unterschiedlichen Temperaturen auf Prototypebene zu verfolgen.“

In den Händen der Forscher der Universität Perugia hilft Micro II, das Potenzial des 3D-Drucks in der Medizin, Zahnmedizin und darüber hinaus zu erschließen. Und wer weiß, wo eine auf 5 Mikrometer genaue Prüfung noch nützlich sein könnte? Die Forschung dieses Teams ist es also wert, im Auge behalten zu werden.

Das oben erwähnte Forschungsprojekt „3D printing and digital twinning ceramic restorations for dentistry“ (3DCer4Dent) wird mit Mitteln des italienischen Ministeriums für Universität und Forschung (als PRIN-Initiative) und mit Unterstützung von Next Generation EU (J53D23012190) durchgeführt.

Wenn Sie noch mehr über das Projekt erfahren möchten, können Sie auch Professor Elisabetta Zanetti direkt unter elisabetta.zanetti@unipg.it anschreiben.