ペルージャ大学が新たに3Dプリンティングされた歯科用素材の認証にArtec Micro IIを利用

インプラントをMicro IIで3Dスキャンする、ペルージャ大学の学生。画像はペルージャ大学のご厚意で掲載

歯科業界では3Dプリンティングの利用が急増しており、世界中の診療所においては、この技術によって個別製作のインプラントを素早く製作できるようになった歯科医の数も増えている。

歯のかぶせもの、ブリッジ、ガイド、アライナー（マウスピース）のような個別製作のインプラントに関して言えば、従来の印象製作よりも3Dプリンティングの方がより速く、より正確な上、長期的に見れば安価である。その反面、特に素材の適合性などに短所もある。

3Dプリンティングの素材は、特定のテクノロジーにおける利用に適するものでなければならない上、耐久性、外観、収縮、及び安全性に対する検査も行われている必要がある。現段階では、以上の問題により多様性が制限され、経験豊富な歯科医にとっては従来の充分に試行された方法の方が魅力的に映る、という状態になっている。

このような歯科医の手に新たな樹脂が行き渡るようにするには、膨大な量の研究が必要になる。研究はジオメトリ形状の正確性の分析が中心となることが多いが、印刷される物の規模や速度も重要な課題となる。では、迅速に3D印刷された極めて小さなインプラントを繰り返しデジタル化して検査を行うには、どうすれば良いのだろうか。

この問題に対処するため、Dental School at the University of Turin（トリノ大学付属歯科大学）、Turin Polytechnic（トリノ工科大学）、University of Catania（カターニア大学）、及びペルージャ大学（University of Perugia）の参加する全国的な共同研究の取り組みが、イタリアで立ち上げられた。ペルージャ大学は付属のSmart Manufacturing Laboratory（スマートマニュファクチャリング研究所）で全自動化計測の新たな手段を探す中で、卓上型3DスキャナのArtec Micro IIを入手した。結果として、このプロジェクトは3Dプリンティングの更に幅広い採用の促進、及び患者の使用体験を向上させる支援を可能とする形で、歯科インプラント製造企業により製作された、実際の製品を用いて独自の考えを試す、またと無い機会に繋がった。

検査のための歯科インプラントのデジタル化

ペルージャ大学のスマートマニュファクチャリング研究所は、数年前に開設された。研究所の所長である、准教授ニコラ・セニン（Nicola Senin）は最近、同所の計測部門を正式に開始させたが、研究所の主な目的の一つは、より優秀なロボティック・オートメーション、AIの統合、並びに所内でのソフトウェア開発を通した『計測システムの自動制御化』であり、Micro IIへの投資により、光学的測定へと活動を更に拡大していくことである、と述べる。

Artec Micro IIでキャプチャされた、歯の3Dスキャンデータ。画像はペルージャ大学のご厚意で掲載

担当班は、最も権威のある3Dプリンティングブランド企業の認定販売代理店であり、Artec 3D社の長年のパートナーでもある3DZ社から3Dスキャナを調達した。ヨーロッパ圏内に十五の事務所を構える3DZ社は信頼のおけるコンサルタントであり、企業が自社特有のニーズに最も合った3Dテクノロジーを見出すための支援を行っている。3DZ社はペルージャ大学の必要とするものを慎重に分析した上で、主にその類い稀な精度と使いやすさの点から、Artec Micro IIを大学に勧めた。

当初、担当班のメンバーは、Micro IIを使用してインプラント製作のための複雑な3D印刷されたジオメトリを計測したが、このテクノロジー機器によって正確度を検査し、印刷されたものに変形やねじり、曲がりが無いかを確認することができるようになった。以上の問題は、欠陥は亀裂に繋がり、亀裂は破損を生じるため、インプラント製作の際に極めて重要となる。研究開発の進展につれ、担当班は更に実用的な用途を模索し始め、結果的に歯科事業向けのセラミック製修復用製品の3Dプリンティング、及びデジタル複製の作成へと繋がった。

イタリアのMinistry of University & Research（大学・研究省）の支援の下、この取り組み『3DCer4Dent』はペルージャ大学、特に准教授のエリザベッタ・ザネッティ（Elisabetta Zanetti、産業生体工学［industrial bioengineering］）、及び特別研究員のジュリア・パスコレッティ（Giulia Pascoletti、設計法［design methods］）の指導の下で進められている。同大学のスマートマニュファクチャリング研究所では、研究者たちが歯科インプラント製造企業により実際の用途のために設計された歯のかぶせものの3Dスキャンに取り掛かり、Micro IIはこの業務にぴったりであることを自ら証明した。

Micro IIでの3Dスキャンへの準備ができた、クランプに固定された歯。画像はペルージャ大学のご厚意で掲載

Micro IIの全自動プラットフォームが最も手間のかかる作業のほとんどをこなす形で、スキャンそれぞれは数分で完了する。以前の事例では、同研究所はX線や光トモグラフィーを詳細な検査に採用していた。しかし、今回においては二種類の異なる歯科用セラミックの間で明らかな違いが確認され、Micro IIのみで最終的な成果を挙げるために十分なデータをキャプチャできることが証明された。ザネッティは、更なる研究開発が長期的に患者の治療の質の向上に繋がる、と説明する。

「歯科医は、かなりの収縮を起こすレジンを利用している。採用すべき最適な倍率はそれほど明らかにされていないため、我々がMicro IIで支援したいのはこの点である」と、ザネッティは語る。「本当の意味で、極めて重要となる箇所は、かぶせものと残っている歯の間の接合部分である。［歯科用の］セメントも無く、インプラントが適合しなければ細菌の発生する恐れがあり、利用できなくなってしまう」

新たな3Dプリンティング素材の分析

驚くべきことに、当研究者のワークフローの大部分はArtec Studio上で実施可能なのである。この3Dスキャニング・データ処理ソフトウェアは、分析、及び製造のための普及しているファイルの種類によるエクスポートに即座に使用できる、高度に詳細なメッシュを点群から生成するための必要なツールをすべて網羅している。

今回の事例で担当班が気付いたのは、インプラントは片側をまずスキャンし、百八十度回転させることでもう一方の側のスキャンを行うことができる上、取得したデータをポイント毎の位置合わせ機能を用いて素早くメッシュ化ができる、という点だ。設定を更に細かく利用することで、メッシュ化の設定値を調整し、解像度を最大限に上げることも可能となった。このことは詳細なサーフェスの分析には欠かせないが、こちらもArtec Studio上での実行が可能である。

パスコレッティによると、「ある素材が、もう一方のものよりも適していることが分かったが、それは、より小さな偏差が九十パーセンタイル点において発見されたからである」ということだ。パスコレッティが更に付け加えるのは、担当班が従来の歯科用、もしくはその他の3Dスキャナを利用していた研究当初と比較すると、Micro IIは「正確さにおける重要な違いを示すことができる」のだが、実際、研究所が実験的な検査へ移行できたのは、このことが理由である、という点である。

Artec Studio上で再構築されたメッシュに重ねられたSTLファイル。画像はペルージャ大学のご厚意で掲載

更なる詳細な統計的分析には、ペルージャ大学はCloud CompareやMATLABのようなソフトウェアをも利用している。このようなプラットフォームによれば、複雑なデータセットの調査の際に、簡単に曲面を持つサーフェス間の差異を計算し、数値を高速処理できる。しかし、最終的に、ある素材がもう一方のものより優れている、という結果が出たのだ。担当班の手法は、実証されたのである。

歯科、医学、その他の分野での可能性

初期における成功に続き、担当班はジルコニウム製素材の検査を最低でも更に二件、予定している。しかし、その活動範囲は歯科に制限されてはおらず、医学でのインプラントの個別製作、及び人工衛星の構成部品の3Dプリンティングにおいて、3Dスキャンデータを基にした分析に可能性を見出している。

他の官民協力体制を確立していくと同時に、同所の研究者たちは計測の質を向上させるアルゴリズムについての研究を続けるつもりである。ここに含まれるのは、各位置からのスキャンデータの必要最低限の数が計算され、完成されたモデルが製造業者にそのまま転送される、というワークフローである、自動ビューポイント作成（auto-viewpoint generation）である。どの方向へ進むとしても、Micro IIは担当班の計画の中心となり、セニンは、この機器には設計イテレーションと検査双方において明るい未来がある、と語る。

「金属製、セラミック製、そしてポリマー素材の多くは、Micro IIで計測可能なはずだ」と、セニンは締めくくる。「例えば、我々は人工衛星向けに高度に設計された素材から製作された、小さな構成部品の計測を始めようとしている。今のところ、この工程は最適化されていないし、宇宙船を扱おうとしているわけではない。しかし、Micro IIにより、試作品の段階にある研究施設としての我々は、異なる温度下でジオメトリの変化を追跡することはできるようになった」

ペルージャ大学の研究者の管理の下で、Micro IIは医学、歯科に留まらず、その他の分野でも3Dプリンティングの可能性を解き放つ手助けの役割を果たしている。五ミクロンの正確性を持つ検査が役立っている場所など、他にあるのだろうか。明らかに、当担当班の研究は注目に値する。

前述の研究プロジェクトである『歯科向けのセラミック製修復用製品の3Dプリンティング、及びデジタル複製の作成（3DCer4Dent）』はイタリアの大学・研究省からの資金供給により（PRIN計画として）、次世代のEU（Next Generation EU）の支援（J53D23012190）の下で実行されている。

詳細情報はelisabetta.zanetti@unipg.itまで、Elisabetta Zanetti教授へ直接、ご連絡いただきたい。