用于老年人保健应用的3D瓷牙修复体的激光增材制造

发布时间:2018-5-8 13:45:00

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 口腔修复属于牙医学领域,重点是替代包括牙齿、骨骼和软组织在内的缺失牙齿组织。为患者提供牙齿修复体的目的是修复和保持口腔的健康、功能和美观。香港特别行政区卫生署2011年进行的口腔健康调查显示,3544岁的人口中约有三分之一需要牙齿修复,该人群中有90%以上至少缺失一颗牙齿。对于老年人(6574岁),有一半的人口需要牙齿修复,几乎所有人(98%)都有牙齿脱落,其中超过60%的人接受了牙齿修复体。然而,超过三分之一的修复体[1-3]并不能令人满意,并且需要更换。因此,牙齿修复/更换是香港成年人面临的重要健康问题。

瓷牙修复体由陶瓷材料制成,由于其具有诸多优势,如硬度高、耐高温、良好的耐腐蚀性、化学稳定性以及与真牙更相仿的功能性和外观,因而比金属或聚合物材料更适用于口腔修复(如牙冠、牙面和填充物)。传统的瓷牙修复体通过铸造制作[4-11]。铸造用修复体的石膏模具的制造需要的人力劳动强度大、时间长。利用铸造的方法制造陶瓷存在缺点,包括模具的变形、形状不规则(质量不稳定和尺寸精度差[> 500])以及材料性能差(例如高孔隙率、材料强度低、部件磨损开裂)。目前,科学研究和工业生产主要关注陶瓷的3D打印技术(也称为增材制造)[3, 6, 12-14],因为它可以省去耗时的铸造过程,生产出质量稳定、尺寸精度高[< 500、材料性能好的产品。尽管3D打印陶瓷的制造面临极大的挑战,但它仍有极高的应用价值,并且其3D打印技术在各个领域都非常有前景。3D打印陶瓷有如下两种方法,一种直接法(直接激光增材制造),一种间接法(间接激光增材制造):

直接激光增材制造的技术缺陷

目前,传统的陶瓷3D打印的方法是直接法,或称为直接选择性激光烧结。该方法不需要有机粘结剂,利用激光直接将陶瓷粉末全部熔融来成型陶瓷部件。尽管这种方法生产周期短,可以生产高纯度、高密度的工件,但仍然存在一些缺点。例如,产品表面相对比较粗糙,尺寸精度差。此外,由于激光功率高,温度梯度大,陶瓷塑性差,抗热震性差,产品质量不稳定,材料强度低,因此不能满足陶瓷作为牙科植入物的使用需求[16-31]

一种替代方法:间接激光增材制造

为了克服上述的技术差距,各方正在研究一种新的间接方法。它利用形成预制粉末,以及陶瓷粉末和有机粘结剂形成的悬浮液或者浆料。通过粉末涂覆的方法得到粉末涂层,然后利用激光在粉末上逐层加工,形成特定形状的生坯(例如具有陶瓷和粘结剂材料)。在生坯烧结前,需要去除粘结剂。间接法有不同的成型工艺。目前,应用最广泛的是立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)。这些方法中,SLA因为在设计上具有优越的灵活性和准确性而最具前景。

传统SLA过程的基本步骤在附件1中图1所描述。它主要基于将紫外线固化的光敏聚合树脂曝光,根据3D计算机辅助设计数据,在用聚焦激光束扫描横截面之前,利用刮板分层沉积。通过构建平台的下降形成5-20微米典型层厚。由于浆料不能支撑垂悬物,在生产复杂的部件时需要额外的支撑结构。

最近的研究已经集中钻研陶瓷SLA工艺浆料的发展。研究的重点是流变浆料性能和陶瓷填充材料的范围。对加工浆料进行了Al2O3 [14,32,33]ZrO2 [34]SiO2 [33,35]的固体填充物研究。生物玻璃,β-磷酸三钙和羟基磷灰石用于医疗领域也已有相关研究。烧结部件的弯曲强度,Al2O3屈服强度约400MPaZrO2屈服强度大于1100MPa,与单向压制陶瓷的强度相当。烧结件完全致密化后的相对密度可达99%以上。在烧结之前,生坯的尺寸精度通常约为200[32]。但是,烧结部件的各向异性收缩率在15%和25%之间。因此,部件的固有属性限制了最终的尺寸精度和复杂性,并且相应地可能形成裂纹。最近的一项研究确定了影响SLA制造精度的主要加工参数是扫描间距和层厚。SLA之后,干燥过程和烧结温度对陶瓷部件后处理过程也有重要影响。

间接激光增材制造中的四(4)个技术挑战

欧洲国家最近已认证此种间接方法制造的3D陶瓷部件质量更好。但是,仍然有四个技术挑战。(一)首先,陶瓷粉末与树脂的聚合问题和结合机理尚无相关研究。(二)其次,3D陶瓷部件成型的制造方法尚未开发,所述3D陶瓷部件在激光增材制造过程中、需符合于有机物脱粘以及在热处理炉中烧结的过程中都不会发生开裂和变形。(三)第三,陶瓷产品的收缩率和强度的控制方法尚不明确。(四)第四,后处理前后表面质量和化学成分的变化尚未表征。例如,表面状况会影响瓷牙修复体与植入表面之间的结合强度。此外,光滑的瓷牙修复体上表面可以抵抗细菌斑块积聚。

上述四个挑战的解决方案(如附件1中图1234的流程图所示):

1描绘了用于3D打印陶瓷材料的激光增材制造系统装置原理图。图2是传统技术和新技术的流程图。 3说明新技术的工作流程。图4显示了3D打印陶瓷材料的新配方和聚合反应。

在这个项目中,陶瓷材料的3D打印和制造方法将通过间接激光增材制造实现,使几乎任何3D模型都可以变成3D陶瓷部件。

1)在第一步中,3D打印陶瓷材料将采用不同百分比和不同类型的陶瓷粉末和添加剂(例如氧化锆,氧化铝,硅石,氮化硅和氮化钛)。(解决挑战(一))

2)通过开发的工艺改进SLA技术制备3D陶瓷部件。(解决挑战(二))

3)通过开发清洗、脱粘、烧结和后处理技术来提高3D陶瓷部件的质量。(解决挑战(三))

4)采用(a)扫描电子显微镜,(b)能量色散X射线光谱,(cX射线衍射,(d)接触角等手段表征后处理和未后处理的3D陶瓷部件的性能。(解决挑战(四))。研究3D打印瓷牙修复体的生物相容性和细胞毒性在体外试验的临床相关性。

通过这种改进的间接激光增材制造,新技术为3D陶瓷部件提供了高度灵活的制造方法,这是传统增材制造技术无法实现的。

我们在开发陶瓷材料和3D打印陶瓷部件方面的一些初步实验结果如附件1的图5和图6所示。图5显示了特种陶瓷树脂材料表面孔隙率较大。图6显示了观察到的收缩的陶瓷原型。这种现象的产生是由于未对材料成分进行优化,也没有改进脱脂和烧结过程,因此存在严重的收缩问题。

因此,对3D打印瓷牙修复体的原材料和改良的间接激光增材制造,更进一步地进行系统性和详细的研究是必要的。