为了患者“好牙口”，他们用人工智能、3D打印与仿生材料“重塑”牙齿
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在北京大学口腔医学院口腔医学数字化研究中心副主任、主任医师、教授孙玉春的记忆深处，有长达5年的时间，他的办公室总被打印机铿铿锵锵的声音填满。从打印机里“吐”出来的，是造型各异的义齿模型，也就是俗称的假牙。
“近30年，数字化技术在全球口腔修复领域的应用越来越深入和广泛， 但我国在该领域的基础研究与产品开发一度严重缺乏国际竞争力，而欧美技术用于复杂修复时，仿生设计效率、制造精度和材料的力学美学仿生度不足，临床操作烦琐。”自2001年，孙玉春和国内院校、企业从研发最具挑战的全口义齿入手，再到可摘局部义齿、固定义齿，不断试错，目的只有一个，让失去牙齿的患者拥有一口为自己量身定制的假牙。
时间是最好的见证。如今，团队原创研发的复杂口腔修复体人工智能设计软件、3D打印工艺设备和仿生氧化锆材料，已经可以让“数字化义齿”的修复，变得高效、舒适而美观。
经由这套解决方案研发出的8种产品，均可完全替代进口并出口海外，仿生氧化锆材料产品已经推广到全球120多个国家，全球每年可生产近千万颗假牙。
在2021年中关村论坛上揭晓的2020年度北京市科学技术奖中，孙玉春所在的北京大学口腔医院及南京航空航天大学、南京前知智能科技有限公司、山东山大华天软件有限公司、爱迪特（秦皇岛）科技股份有限公司、北京巴登技术有限公司等机构，凭借“复杂口腔修复体的人工智能设计与精准仿生制造”共同摘得北京市技术发明一等奖。
团队研发的复杂口腔修复体人工智能仿生设计软件，受访者供图
在国外CAD软件与国内手工设计之间寻找灵感
根据《第四次全国口腔健康流行病学调查报告》（2018），我国35岁以上成人平均失牙4.7颗，各年龄组缺损缺失牙齿达数十亿颗。
口腔修复体，俗称的假牙，成为目前人类重拾咀嚼功能的唯一帮手。
“判断假牙疗效的关键，是假牙的设计制造精度与仿生匹配度。”孙玉春介绍，进入21世纪，人工智能在口腔医学领域的价值被看见。但假牙的人工智能设计，长期依赖于欧美国家基于解析几何算法的CAD软件，这种软件聚焦于每一颗牙齿单独设计，应用难度大且效率低。
将近10年的时间，孙玉春常常一手拿着国内假牙技工大师做的假牙模型，一手利用国外软件排列每一颗假牙的位置，“但始终没有手工排得好。”
差异来自不同的技术路线，“用欧美软件设计时，要用鼠标对每颗牙齿的空间位置、姿态和三维形状进行逐个交互式调整，每颗牙齿就需要考虑上下左右前后6个自由度，全口28颗牙齿需反复调整168个自由度。传统技师多年积累的手工排牙经验和操作技巧，想用鼠标和键盘逐一调整，难度极大，效果难以媲美传统手工。”
快要放弃时，孙玉春灵光一现，“何不把中国技师做好的假牙看成一个整体，再根据每个患者的个体情况，整体调整义齿的三维外形参数？中国的病人多、可以参照的经验多，如果把以往技师做好的假牙的数据扫描进电脑，再根据患者的个性化需求变形，就像盖房子，把一块一块垒砖的过程，变成整栋房子迁移的过程，而这个房子又可以根据环境自适应变形，是不是就可以突破国外软件设计效果和效率的瓶颈？”
团队研发的口腔医疗制品智能３D打印工艺装备，受访者供图
用1000多副手工假牙模型摸索了5年建成数据库
化零为整的思路，让孙玉春团队把目光瞄准北大口腔医学院最初积累的1000多副假牙的模型，他们把这些模型扫描进电脑，数据建模。但理想照进现实并不轻松，一个重要的瓶颈在于，如何从海量数据中挑选出有用的，继而找出或者生成最适合当下患者的独一份？
“一次经过人脸识别仪时，我发现屏幕上就会立即显示我的信息，我突然想到，是不是可以将患者的牙颌样貌用特征骨架进行唯一性定量描述，与数据库里的数据匹配，找到最匹配的？”孙玉春后来发现，这个接近于数据挖掘的想法，终于让他们迈出实质性一步。
利用这1000多副模型，经过5年的摸索，团队最终提出基于面部中线、口角线、唇高低线、牙颌弓曲线（宽度、深度、曲度）、等10余个关键变量的指标体系，他们根据这些指标采集患者的信息，几秒钟就能在参数化数据库中找到最适合当前患者的标准假牙模板。如今，他们研发了中国首创、设计效率国际领先的全口义齿、可摘局部义齿人工智能设计软件。
之后，他们的研发按下快进键。现在，他们的数据库里已经有全国近20万副假牙模型。“现在国内有约570家假牙加工厂在用，每天可以设计1700多副假牙模型。”孙玉春介绍，利用这两套软件，假牙的设计效率可以提升2倍。
团队研发的仿生叠层氧化锆可切削材料，受访者供图
5年打印300公斤废料终建立原创齿形结构打印参数库，打印精度达国外3倍
把设计图变成真真切切的假牙，远隔千山万水。
孙玉春发现，早期欧美进口的金属3D打印装备为单激光扫描，排版设计过程过于烦琐、智能分析判断能力不足、支撑数量过多，需要大量的手工调整和打磨后处理操作，导致制造精度效率低、材料浪费大。
“打印工艺是3D打印的灵魂，有那么5年时间，我在办公室一字排开5台打印机，每天不停地打印各种临床需要的制品，光打印材料就用了约300公斤，最后我们摸索出最适合齿形结构的专用3D打印工艺参数集，例如打印的角度、打印速度，层间重叠率、材料填充率、打印温度等。”孙玉春说。
那些从打印机里落下的一个个假牙，最终成全了团队的锲而不舍。孙玉春介绍，团队原创了3D打印自动化排版切片工艺软件，率先研制出3套口腔专用的单/双激光金属3D打印装备和物联网运维平台3D云，通过分类和模式识别算法优化姿态调整和支撑添加，对精度要求更高的关键局部结构做自动的特殊工艺设定，突破了金属3D打印悬垂面精度限制，实现设备总体打印精度持平、但关键局部打印精度优于国际同类设备水平的突破。
“当时用国外典型的打印机打印出的牙冠精度只有100-150微米，但我们可以达到30-50微米。”让孙玉春自豪地是，2017年，他们研发的打印机已经可以全面替代欧美进口金属3D打印机，2018年同类产品中国销量第一，2019年开始出口韩国、日本等发达国家，2019年在韩国市场占有率达到40%，年应用数约1000万颗牙齿修复体。
使用“复杂口腔修复体的人工智能设计与精准仿生制造”技术，戴上假牙的患者（右），左为孙玉春，受访者供图
将6种氧化锆材料叠层，用特殊结构让假牙逼真
从牙尖到牙根，颜色、透明度、硬度是渐变的，如何寻找适合的材料用于人工智能设计和精细的制造工艺，成为实现假牙的逼真的咀嚼快感的最后一公里。
“氧化锆陶瓷临床需求量很大，欧美日长期掌握着口腔氧化锆材料制备的尖端技术，但他们早期生产的氧化锆材料只有一种颜色、一种透明度、一种硬度，力学、美学均与天然牙齿硬组织'失配’，这是全球牙科陶瓷材料领域的研究热点和难点。”在孙玉春看来，中国的患者比国外多得多，要兼顾假牙的舒适性与美观效果，不能大量以手工操作，还需要在材料领域另辟蹊径。
“能不能将不同材料叠层，让假牙从上到下呈现同颜色、不同透明度，不同力学性能？”想清楚这一点，科研团队找到6种氧化锆材料进行叠层处理，而每一层都暗藏玄机。
研发团队部分成员（左四为孙玉春），受访者供图
“不同的氧化锆材料里，氧化钇含量不同，这会造成假牙烧结后的晶相不同，膨胀收缩比、力学性能等指标存在差异。我们将6种不同的氧化钇成分的氧化锆，按照一定结构压在一起，在每层间建立了一种双向梯度渗透的仿生界面，这个界面模仿的是天然牙齿的绞釉层，这就使假牙在制造和烧结过程中，不会发生层间断裂和制造精度的下降。”孙玉春说，借由这套技术，在一定程度上解决了假牙咬合面的硬度、弹性模量远高于天然牙釉质的难题，提升了口腔氧化锆修复体与余留天然牙齿在功能、美学上的仿生匹配度。
在孙玉春的PPT里，有一个小视频：一位烟台大爷用他和团队原创的技术安装了假牙，半天后就啃上了烟台苹果。每次打开这个欢乐的视频，孙玉春都会嘴角上扬。
“我们希望研发出的国产创新研发产品，一要比国外做得好，二是要价格适中，要能让老百姓尽可能少地减少就诊次数，缩短就诊时间，减少病痛，让老百姓有获得感。”
来源：科技日报