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方法文章

三维打印磁性连接数字化导板在上颌骨精确节段截骨术中的临床应用

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DOI:

10.3791/73391

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2026年9月1日

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本文内容

摘要

本方案描述了磁性连接、患者特异性截骨导板的数字化设计、三维(3D)打印及其在术中的应用,用于三段式Le Fort I截骨术中精确转移虚拟手术计划并改善骨段对位。

摘要

本研究介绍了一种新型磁性连接数字化截骨导板的设计及其在上颌骨节段截骨术中的临床应用,旨在提高手术的精确性与效率。节段性Le Fort I型截骨术是矫正复杂横向及垂直向牙颌面畸形的关键技术,然而传统的手工石膏模型外科方法易产生显著误差。为解决这些问题,本方案结合CT扫描与专用建模软件进行虚拟手术规划(VSP),从而构建一种患者特异性的、3D打印的两部分导板系统。主导板用于引导水平方向的Le Fort I型截骨线及双侧前磨牙拔除线。当下颌骨完成下折后,通过四个嵌入式钕铁硼磁体(直径3 mm,厚度1.5 mm)将次级节段导板与主导板连接。该磁性连接方式提供稳定、快速且无干扰的固定,可精确引导腭侧及中线截骨线的定位。本方案展示了模块化磁性导板系统在上颌前突及牙弓宽度不调患者中实现虚拟截骨计划向术中转移的临床应用。术后色图分析显示,在可见截骨边缘区域的局部表面偏差约为0.5–0.9 mm,验证了截骨区域转移的初步准确性。该模块化磁性设计实现了分阶段截骨引导,可能减少重复调整、不必要的骨质去除及软组织操作,符合血管保护原则,尽管未直接评估节段灌注情况。钕铁硼磁体具有良好的生物相容性,灭菌后仍能保持稳定,且因可重复使用而具备成本效益。尽管当前三维(3D)打印树脂材料可能存在一定脆性,磁性连接数字化截骨导板在连接虚拟规划与外科执行方面仍具有重要临床价值。该方法确保了骨质切除与定位的高度准确性,代表了复杂正颌外科手术的一项有前景的技术进步。

引言

分段式上颌Le Fort I截骨术是一种成熟的外科手术方法,用于矫正骨骼发育成熟患者的横向上颌骨差异。在三段式Le Fort I截骨术中,首先通过Le Fort I截骨术松解上颌骨,然后经由牙间和腭侧截骨将其分为三个骨段。这使得外科医生能够根据预定的咬合关系和横向矫正方案,重新定位前部和后部上颌骨段。根据上颌骨段的预期移动方式,该技术可用于横向扩弓、矫正不对称的横向畸形,或缩小过宽的上颌牙弓宽度1,2。与整体式Le Fort I截骨术相比,分段式Le Fort I截骨术需要额外的牙间和腭侧截骨线,这些附加截骨增加了虚拟手术规划和术中操作的复杂性2,3。

虚拟手术规划和计算机辅助设计/计算机辅助制造技术在正颌外科中日益广泛应用,用于将术前计划准确转移至手术区域4,5。患者特异性截骨导板有助于将计划的截骨线转移至手术部位,并减少徒手标记的需求5,6。然而,在三段式Le Fort I截骨术中,初始的Le Fort I截骨、牙间截骨以及腭部截骨通常在不同的手术阶段进行3。上颌骨下折后,手术入路、视野以及导板稳定的条件均与下折前不同。这可能导致在整个截骨过程中难以使用传统的单件式导板。因此,一种可在下折前后依次使用、同时保持各导板组件之间稳定关系的模块化导板,可能更适用于该手术操作。

本文介绍了一种磁性连接的、患者特异性的三段式Le Fort I截骨导板系统。本方案的典型应用针对上颌牙弓过宽的患者,旨在缩小牙弓宽度。第一个导板组件用于引导Le Fort I截骨以及通过双侧上颌第一前磨牙拔除部位的牙间截骨。上颌骨下折后,第二个导板组件通过磁性与第一个组件连接,并用于引导腭侧截骨及预定的腭部骨组织去除。该方法的目标是提供一套可重复的操作流程,涵盖术前虚拟规划、数字化导板设计、三维(3D)打印、磁体组装以及导板系统在手术中的分步应用。

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方案

本研究经昆明医科大学机构审查委员会批准(批准号:KYKQ2024MEC0087),所有患者均签署了书面知情同意书。

1. 指南设计前的准备工作

  1. 将患者的术前计算机断层扫描(CT)数据保存为医学数字成像和通信(DICOM)格式。
    注意:应尽可能使用薄层CT数据,以提供足够的图像层数用于精确的三维重建。图像质量差、层厚过大或层数不足可能会降低重建上颌模型的准确性,并影响后续的虚拟截骨和导板设计。在本代表性病例中,术前CT图像的层厚为0.3 mm。
  2. 将DICOM数据导入三维重建软件(如Mimics Research 21.0),选择合适的分割阈值,并重建颅面骨结构。
    注意:分割阈值应保留重要的解剖结构,包括上颌骨、牙根、鼻底和腭骨,同时避免因阈值过低导致骨表面失真。在本代表性病例中,阈值范围设定为226–31743 HU。在导出前应仔细检查重建模型,并清除任何明显的伪影。
  3. 在三维重建软件中进行模型预处理,包括分割、平滑处理以及去除不必要的结构。
    注意:若CT图像质量足够高,应尽可能避免对重建的上颌模型进行平滑处理。过度平滑可能改变表面形态,影响骨支持式导板的就位。
  4. 将上下颌牙科石膏模型的扫描数据导入虚拟手术规划软件(如ProPlan CMF 3.0)。
    注意:在本代表性病例中,牙科模型使用精度小于10 µm的牙科模型扫描仪进行扫描。
  5. 将上颌和下颌骨模型与相应的上下颌牙科扫描模型进行配准,以获得复合的骨-牙模型。
    1. 应尽可能使用稳定的牙齿表面进行配准。配准后需检查咬合面、牙弓形态及牙根位置,以确认骨骼与牙科数据已正确匹配。
  6. 结合临床检查结果、咬合分析及三维头影测量分析,评估上下颌骨畸形情况。
    注意:此步骤的目的不仅在于诊断畸形,还在于判断患者是否适合接受三段式Le Fort I截骨术及牙弓宽度缩窄术。

三段式 Le Fort I 截骨术的虚拟手术规划

  1. 为三段式Le Fort I截骨术创建虚拟手术计划。
    注意:本方案中的代表性病例涉及因上颌牙弓过宽而进行的牙弓宽度缩减。可根据患者的分段模式和计划去除的骨量,对相同的设计逻辑进行相应调整。
  2. 在确定上颌骨段最终位置之前,先确定术后咬合关系。
    注意:在正式进行虚拟截骨设计前,需先在牙科模型上进行模型手术。模拟截骨操作,重新拼接上颌各骨段,并检查是否能够实现稳定的术后咬合。利用此步骤粗略估算需去除的骨量及截骨位置。在设计最终截骨线前,应先确定最终的咬合关系。
  3. 根据传统的Le Fort I截骨方法设计Le Fort I截骨线。同时,根据计划的正颌外科手术方案,在下颌骨上进行虚拟双侧矢状劈开升支截骨术(BSSRO)。
    注意:尽管本方案重点在于上颌截骨导板的设计,但在计划进行双颌手术时,仍需进行虚拟下颌截骨。这可使下颌远端骨段根据最终咬合关系进行移动。
  4. 完成虚拟Le Fort I截骨后,在上颌骨上创建临时分离线,将其分为三个骨段。
    注意:在本方案中,计划将双侧第一前磨牙区域纳入分段及去骨范围。第一前磨牙及其周围牙槽骨将随上颌骨段一同被虚拟分离,而非作为独立的拔牙步骤单独去除。
  5. 将临时分离线的宽度设置为约0.01 mm。
    注意:这些临时线仅用于将虚拟上颌骨划分为三个骨段,不代表最终截骨的宽度或最终去骨量。
  6. 扫描来自模型手术的三段式上颌牙科模型、下颌牙科模型以及咬合记录。
    注意:这些扫描数据代表了由模型手术确定的稳定术后咬合状态,应作为虚拟咬合配准的参考依据。
  7. 将扫描获得的模型手术数据导入虚拟手术规划软件中。
  8. 通过咬合配准,将虚拟分割后的上颌模型和虚拟截骨后的下颌模型与扫描所得的模型手术咬合数据进行配准。
    注意:此步骤将模型手术中确定的最终咬合关系转移至虚拟手术计划中。配准完成后,牙齿的位置将决定三个上颌骨段及下颌远端骨段的最终位置。
  9. 去除重新定位后的上颌各骨段之间重叠的骨质。保留匹配后的上颌骨段,作为计划中术后三个上颌骨段的位置和大小。
    注意:重叠区域指示了为实现虚拟手术计划中骨段拼接所必须去除的骨质。应结合邻近牙根、鼻底及腭侧骨质等结构仔细检查该区域。计划的截骨和去骨范围应避开邻近牙根,并需仔细评估其与重要解剖结构(包括鼻底、梨状孔、眶下区及腭侧骨质)的关系。
  10. 将三个上颌骨段在虚拟Le Fort I截骨后移回其原始位置。利用骨段之间的间隙作为计划去骨区域,执行布尔减法运算,以获得截骨及去骨区域的STL数据(图1)。
    注意:该STL文件将作为设计截骨槽及导板系统磁性连接区域的基础。在后续导板设计过程中,导板基底和截骨槽应仅限于必要的骨暴露区域,不得无必要地向牙根、鼻底、眶下区或腭侧软组织方向延伸。

3. 磁性连接截骨导板系统的设计

注意:首个向导组件的设计工作流程如图2所示。

  1. 从虚拟手术规划软件中导出所需的模型,包括带有配准上颌牙列的颅骨和上颌骨模型、虚拟Le Fort I型截骨后的上颌骨模型、Le Fort I型截骨线以及计划去除的上颌骨区域。
    ​注意:所有模型必须在同一坐标系下导出。导出后不得移动、旋转或重新对齐模型,以免影响导板设计的准确性。
  2. 将所有导出的模型导入3D设计软件(如3-matic Research 13.0)中。
  3. 对带有配准上颌牙列的颅骨和上颌骨模型进行裁剪,仅保留导板设计所需的眶下区和上颌区域(图2A)。
    注意:裁剪模型可降低软件的计算负荷。保留足够用于导板就位的上颌骨表面,但去除不必要的颅骨结构。
  4. 对裁剪后的上颌骨模型应用包裹(Wrap)功能(图2B)。
    注意:包裹操作可在导板与骨面之间形成微小间隙,有助于术中导板更顺畅地就位。在本代表性案例中,包裹产生的间隙保持在1 mm以下。应根据导板贴合度、打印精度及临床需求调整该间隙大小。
  5. 使用标记(Mark)功能选择第一个导板组件的基底区域(图2B)。
    注意:选择的区域应略大于预期最终导板边缘,并包含有助于导板固位的稳定骨性区域。梨状孔周围的凹陷及其他不规则骨面可增强骨支持导板的稳定性。选择较大区域还可为后续导板边缘修整提供余地。
  6. 对选定区域进行包裹,生成初始导板表面(图2C)。
    注意:该包裹表面将在下一步用于消除倒凹。
  7. 根据导板计划插入方向去除倒凹(图2D)。
  8. 将无倒凹的表面进行反转并加厚,形成第一个导板组件的实体基底。
  9. 修整第一个导板组件的边缘(图2E)。
  10. 利用计划去除的上颌骨区域修整第一个导板组件的双侧连接区域(图3)。
    注意:每个连接区域的宽度应与对应第一前磨牙区域的计划骨去除宽度一致。不得仅为了减小导板尺寸而缩小该区域,也不得过度延伸,以免需要不必要的软组织剥离。
  11. 将修整后的第一个导板组件导入虚拟手术规划软件中。
  12. 根据导板设计调整Le Fort I型截骨线的范围和宽度,创建用于Le Fort I型截骨的截骨槽,并在第一个导板组件上添加用于术中钛钉固定的固定孔(图2F)。
    注意:截骨槽应足够宽以容纳锯片进入,但又不能过宽而丧失引导作用。本方案中槽宽为1 mm。固定孔应置于稳定的骨区,且不得干扰截骨槽、牙根或计划使用的固定板。
  13. 以虚拟Le Fort I型截骨后的上颌骨作为参考模型,设计第二个导板组件。
  14. 采用上述相同方法生成第二个导板组件的基底,包括裁剪、包裹、标记、去除倒凹、反转和加厚(图4A–E)。
  15. 根据计划的腭侧截骨和骨去除区域修整第二个导板组件的边缘。
    注意:第二个导板组件的宽度应与计划骨去除区域相对应。该宽度由虚拟手术方案确定,未经重新核对方案前不得更改。
  16. 标记第一个导板组件的内侧连接区域。从标记区域生成表面,复制至新部件中,并将该复制表面加厚,形成第二个导板组件的连接实体(图4F 和 图5)。
    注意:第二个导板组件的连接实体应与第一个导板组件的连接区域匹配。两个区域均应对应于双侧第一前磨牙区域的计划骨去除宽度。
  17. 将修整后的第二个导板基底与连接实体合并,形成最终的第二个导板组件。

4. 钕磁铁连接结构的设计

  1. 确定第一个和第二个导板组件上对应的连接表面。
  2. 根据钕磁铁的尺寸,在每个导板组件上设计两个磁铁槽。
    注意:在本方案中,每个槽用于容纳直径为 3 mm、厚度为 1.5 mm 的钕磁铁。槽的尺寸应与实际磁铁尺寸相匹配。两个导板组件上的配对槽应精确对齐。若槽过浅,磁铁可能突出并干扰导板连接;若槽过深或未对齐,可能影响磁吸力或导板的贴合。
  3. 使用布尔减运算或类似的切割功能,在两个导板组件上生成最终的磁铁槽(图 6)。

5. 3D打印与磁体组装

  1. 以 STL 格式导出最终的导板设计。
  2. 使用生物相容性外科导板树脂 3D 打印第一和第二导板组件。
    注意:在本方案中,导板组件采用生物相容性外科导板树脂打印,分辨率为 5760 × 3600 像素。打印材料和参数应根据打印机制造商的说明以及机构对术中手术导板制作的要求进行选择。
  3. 根据制造商说明拆除支撑结构并完成后处理。使用制造商推荐的清洗剂清洁导板组件,干燥后在固化装置中对每个表面进行后固化处理。后固化完成后,打磨导板表面残留的支撑痕迹。
    注意:在代表性案例中,每个表面的后固化时间为 2 分钟。后固化时间可能因所用树脂材料、打印机和固化装置的不同而有所变化。后处理完成后,应仔细检查截骨槽、导板基底和磁体凹槽区域。这些区域内的残留树脂或支撑材料可能影响导板就位或磁性连接。打磨应仅限于残留支撑痕迹和非功能表面;截骨槽、导板基底和磁体凹槽不得修改。
  4. 将四个直径为 3 mm、厚度为 1.5 mm 的钕铁硼磁体嵌入预留的凹槽中。
  5. 将磁体牢固粘接在凹槽内。
    注意:粘接前需再次确认所有磁体的极性。在本方案中,使用牙科树脂水门汀将磁体粘接至导板凹槽中。树脂水门汀的使用和聚合应遵循制造商说明。粘接完成后,测试两个导板组件是否能顺畅连接并保持稳定。在灭菌后、术前使用前,还应检查已粘接磁体的保留情况和粘接稳定性。
  6. 在 3D 打印的上颌模型上测试完成的导板系统(图 7)。
  7. 确认第一导板组件与上颌骨表面贴合良好,无明显晃动或干扰。
  8. 将第二导板组件连接至第一导板组件,并确认磁性连接稳定。
    注意:若导板无法顺利就位,应检查导板基底、软组织间隙、磁体嵌入深度及连接面。可在灭菌前修剪轻微的非功能边缘,但涉及骨切除的截骨槽和连接区域不得修改,除非重新核对虚拟手术计划。
  9. 根据批准的临床灭菌规程在手术前对导板系统进行灭菌。
    注意:在本方案中,组装完成的导板系统在术前采用低温过氧化氢等离子体灭菌。灭菌方法应根据树脂材料、磁体特性、粘合剂兼容性以及机构对术中使用的相关要求进行选择。灭菌后,应检查完整的导板-磁体组件,确认导板完整性、磁体保留情况及磁性连接的稳定性。若磁体在实验室测试或临床准备中重复使用,必须遵循机构的灭菌和感染控制规定。磁体涂层破损、腐蚀或磁力减弱者不得重复使用。

6. 导引系统在术中的应用

  1. 根据既定手术方案在全身麻醉下进行正颌手术。
    注:在代表性病例中,手术方案包括上颌三段式Le Fort I型截骨术、双侧矢状劈开升支截骨术以及双阶颏成形术。
  2. 根据手术计划拔除双侧上颌第一前磨牙。
  3. 暴露上颌截骨区域。
  4. 将第一导板组件放置于暴露的上颌骨表面(图8A)。
  5. 通过预设的固定孔,使用钛钉将第一导板组件固定于骨面。
  6. 沿第一导板组件的截骨槽完成Le Fort I型截骨术(图8B)。
  7. 完成Le Fort I型截骨后,进行上颌骨下折。
  8. 上颌骨下折后,放置第二导板组件,并通过磁力与第一导板组件连接(图8C)。
    1. 在进行节段性截骨前,确认第二导板组件已完全就位,且磁性连接稳定。
    2. 由于第一导板组件已通过钛钉固定于上颌骨,第二组件的稳定性依赖于预设的磁性界面及其与暴露的腭侧骨面的接触。
    3. 截骨前应检查导板与骨面之间是否存在软组织、血凝块或骨碎片。若无法实现稳定就位,切勿强行安装第二组件。
  9. 在第二导板组件引导下完成牙间及腭侧截骨(图8D)。
  10. 完成引导截骨后,移除导板系统,并根据手术计划继续完成其余正颌手术步骤。

7. 术后准确性评估

  1. 使用与术前重建相同的3D重建软件,从术后CT数据中重建术后颌面模型,并将重建后的模型以STL格式导出。采用与术前模型重建相同的分割阈值。
    注:在代表性案例中,术后CT模型的重建使用了与术前模型相同的阈值范围(226–31743 HU),以确保术前规划与术后准确性评估之间的一致性。
  2. 将术后模型和术前虚拟手术设计导入3D数据分析软件(如Geomagic Wrap 2021)中。
  3. 利用稳定的、未受手术影响的颅面区域作为参考区域,将术后模型配准至术前虚拟手术设计。
    注:不应使用手术涉及的上颌骨段作为配准参考。参考区域应选自未受手术影响的稳定区域,例如鼻根点(N)、眶下缘/眶点(Or)以及外耳道上缘/耳点(Po)附近区域。
  4. 完成配准后,选择感兴趣区域,并对术后模型与术前虚拟手术设计之间进行表面偏差分析。
  5. 生成彩色偏差图以可视化计划表面与术后实际表面之间的偏差。记录软件提供的最大距离、平均距离、标准差及均方根(RMS)估计值。
    注:应分别报告平均距离和均方根估计值,因为平均距离可能受到正负偏差相互抵消的影响。若软件支持,应分别记录最大正偏差和最大负偏差。本方案中,感兴趣区域主要聚焦于截骨区域及可见的截骨边缘,而非整个上颌骨段的最终位置。
  6. 为评估观察者内重复性,由同一名经过培训的观察者在间隔一段时间后重复进行配准、感兴趣区域选择及偏差分析。采用双因素混合效应模型计算组内相关系数(ICC),以评估绝对一致性。

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结果

通过该工作流程,完成了针对三段式Le Fort I型截骨术的患者特异性虚拟手术计划及磁性连接截骨导板系统。整合术前CT数据与牙科模型扫描,构建出综合的骨骼-牙科模型。在代表性病例中,针对上颌牙弓过宽的患者进行了牙弓宽度缩小的虚拟手术规划。将双侧第一前磨牙拔除部位作为牙间截骨区域,并根据最终咬合关系及计划的骨段位置,设计腭侧截骨线及楔形骨切除区域。在截骨线最终确定后,使用3-matic Research 13.0软件设计导板系统。第一个导板组件用于引导Le Fort I型截骨及牙间截骨,第二个导板组件用于上颌骨下折后引导腭侧截骨。导板中预留直径约3 mm、深度1.5 mm的孔槽,用于嵌入钕磁铁。经三维打印后,将四枚钕磁铁嵌入并粘接固定于导板组件中。完成后的导板显示出稳定的磁性连接,可稳固地就位于打印的上颌模型上,无明显晃动或干扰。

通过CT数据重建术后颌面模型,并使用三维数据分析软件(如Geomagic Wrap 2021)将其与术前虚拟手术设计进行叠加,从而评估术后准确性。在采用本方案治疗的五名患者中,采用色图分析评估截骨区域周围及可见截骨边缘的局部表面偏差。在代表性病例中,可见截...

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讨论

三段式Le Fort I型截骨术比单段式Le Fort I型截骨术更为复杂。在此手术中,上颌骨不仅需要被游离,还需被分割成独立的骨段。分割后,每个上颌骨段都必须重新定位,以实现稳定的术后咬合关系及预定的横向矫正效果。7,8因此,该手术的准确性取决于两个主要步骤:术前对最终骨段位置的精确规划,以及术中对计划截骨线和骨切除区域的精确转移。4,9磁力连接导板系统在此方案中被设计用于连接虚拟手术规划与术中序列化导板应用,以支持上述两个步骤。第一步关键操作是基于稳定的术后咬合关系建立虚拟手术计划。在本方案中,通过模型手术及牙科模型上𬌗操作,可对三段式Le Fort I型截骨术后的术后咬合关系进行直接的视觉与手动验证。10确认咬合关系后,可在软件中确定每个骨段的最终位置。此时应根据各骨段的最终位置来规划牙槽骨及腭侧骨质的去除量,而不仅仅依赖视觉估计。在设计导板之前,应...

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披露

作者声明无任何利益冲突。

致谢

本研究获得了昆明医科大学颅颌面复杂畸形诊疗团队(2024XKTDTS08)、云南省临床医学中心研究项目(2024YNLCYXZX0227,2024YNLCYXZX0229)、云南省口腔疾病临床研究中心(202505AJ310001)以及云南省高层次人才培养支持计划(YNWR-MY-2020-086)的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3-matic Research 13.0Materialise版本 13.0用于导板组件的数字化设计,包括裁剪、包裹、标记、去除倒凹、翻转、加厚、修剪及布尔运算。
Autoscan-DS-EX pro SHINING 3Dhttps://www.shining3ddental.com/solution/ds-ex-pro-lab-sacnner/3D扫描仪;用于扫描上下牙模及咬合记录
Calibra 通用型双固化自粘接 登士柏西诺德https://www.dentsplysirona.com/zh-cn/discover/discover-by-brand/calibra-cements/calibra-universal.html树脂水泥;用于将钕磁铁粘接至3D打印手术导板中。
CT扫描仪西门子医疗,德国埃尔朗根https://www.siemens-healthineers.com/computed-tomography64排/128层;用于颅面/上颌模型的三维重建。
Edge MAX/Edge E2 RAYSHAPEhttps://www.rayshape3d.com/3d-printers/edge-e2/3D 打印机;用于打印第一和第二导向部件。
Geomagic Wrap 20213D Systems版本 2021用于术后模型叠加及彩色图偏差分析。
Mimics Research 21.0MaterialiseVersion 21.0用于分割、三维重建以及去除不必要的结构。
钕磁铁购自金一新磁业https://jingxin-magnet.com/ 3 mm 直径 × 1.5 mm  厚度;嵌入预留的磁体凹槽中,以连接第一和第二导向部件。
ProPlan CMFMaterialise版本 3.0.1用于虚拟正颌外科手术规划,包括Le Fort I型截骨术、BSSRO规划、分割及咬合记录。
树脂RAYSHAPESGV2/Model 1 lvory用于制作术中磁性连接截骨导板组件。
ShapeCure RAYSHAPE https://www.rayshape3d.com/post-processing/uv-curing-machine-shapecure/固化仪

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