用人工骨材料熔融沉積成型3D列印個性化人工牙的方法與流程
2023-05-02 19:14:16 2
本發明涉及一種人工牙的製備方法，具體是一種用人工骨材料熔融沉積成型3d列印個性化人工牙的方法，屬於牙科醫用材料製備技術領域。
背景技術：
成人在患牙周炎或齲齒晚期時，牙齒會出現鬆動，不能繼續使用，嚴重影響進食，需要進行拔牙處理，拔牙後要及時在相應的位置替換成人工牙，目的是讓有功能的人工牙來替代自然牙對牙槽骨傳遞力的刺激，防止牙槽骨廢用性萎縮。目前種植人工牙有即刻種植、常規種植和延時種植三種種植方式。即刻種植是指患者在拔牙的同時立即植入種植體的方法，由於採取在患者新鮮的拔牙創口立即植入種植體，不需像常規種植那樣等待拔牙3～6月拔牙創傷修復後才種植，所以即刻種植能縮短療程，降低費用，防止牙槽骨吸收。但是，即刻種植時種植體在拔牙窩需要與骨組織形成很好的貼附才能獲得較高的種植成功率，現在使用的預成種植體幾乎都是6～8°錐的圓柱形單根牙種植體，而牙撥除後的撥牙窩幾乎都是扁圓椎形，多根牙的拔牙窩還呈現出口大並帶有扁錐型尖小山峰狀，現有的預成種植體無法滿足要求，這就需要根據撥牙窩具體大小和形狀來製備種植體。
對於上磨牙來說，如果按常規種植的方式，常規拔牙後三個月後才修復上磨牙，拔牙窩很快塌陷，頰側牙槽骨很快萎縮，頰側牙槽骨骨量不足，高度不夠，會導致上頜磨牙種植困難。雖然現在可以通過植骨填高上頜竇底，但手術麻煩且患者花費太多，所以臨床上需要用和拔牙窩一樣形態且與原有牙一樣大小的個性化人工牙來進行種植。由於上頜牙牙槽骨比較疏鬆，為了穩定和抗壓，生理上上頜磨牙都是多根牙，用人工牙替代時，種植體的牙根還需要設有鋸齒狀防退出齒。這種類型的個性化人工牙以常規方式很難加工成型，唯有用3d列印的方式才能實現快速成型。
3d列印技術是一種正在迅速發展的快速成型技術。隨著電子信息技術的發展及口腔數位化診療技術的應用，3d列印技術已逐步應用在口腔臨床各領域。在牙科種植領域，3d列印可根據計算機設計模型或ct掃描數據製造出任意形狀植入體，因此可用於快速成型個性化人工牙。熔融沉積成型（fdm）是3d列印技術的一種，其工藝是通過將熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的列印頭噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積，每完成一層，工作檯下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反覆最終實現零件的沉積成型。採用熔融沉積成型3d列印個性化人工牙，過程簡便、快捷，原材料利用率高，但也存著材料選用問題和噴嘴的矛盾，噴嘴越小越精密，但噴嘴小而材料粘度大時又會出現擠不出現象。
晶須是一種以單晶形式生長成的針狀微晶體，其強度接近於完整晶體的理論值。對於同一物質，晶須的力學強度要比多晶大1000倍，而且晶須能像纖維一樣依靠橋接、裂紋偏轉和撥出效應吸收能量。由於晶須的強度遠高於其他短纖維，因此其主要用作複合材料的增強體，用於製造高強度複合材料。經羥基磷灰石晶須增強後的生物陶瓷，不論是普通生物陶瓷還是多孔生物陶瓷，其強度都能增加40%，而且晶須複合體在普通x光下可以顯影，便於臨床觀察。晶須的製備方法有高溫高壓合成法和水熱合成法等，對於羥基磷灰石晶須來說，高溫高壓合成，設備複雜價格昂貴，製備成本高，且高溫高壓會使羥基磷灰石失去生物活性羥基，因此更適於採用水熱合成法來製備生物活性晶須，水熱合成法設備簡單造價低廉，產量大，而且採用水熱合成法製備的羥基磷灰石晶須能保持生物活性，可充分發揮磷酸鈣鹽、單晶體和纖維的綜合優勢。2013年昆明理工大學陳慶華教授發明一種水熱均相沉澱法，能夠製備出長度達800甚至1500μm長的晶須，長徑比為100～500，甚至達700。其製備方法簡單，產量高，長徑比更好，而且價格低廉。利用漂浮法可以篩選分成100～400μm的短晶須和500～800μm的長晶須以及800～1500μm的特長晶須。
聚醚醚酮（peek）是一種具有高強度、高斷裂韌性的塑料，其耐疲勞性可與合金媲美。醫用級peek具有很好的生物相容性、無細胞毒性、無誘變性、無致癌性，不引起過敏，還具有極強的耐腐蝕、耐水解和耐化學性，而且其具有良好的機械性能，是目前研究得較為廣泛的人工骨材料之一。peek只有濃硫酸能溶解硫化，硫化聚醚醚酮（speek）的生物惰沒有改變，沒有毒性。其它溶劑如丙酮只能對peek進行表面溶脹，待丙酮渾發以後又恢復原樣。peek和羥基磷灰石晶須複合成人工骨材料，晶須經peek膠合成晶須立體結構的網絡，其力學性能不亞於皮質骨，而且韌性更好。
因此，我們選擇以peek和羥基磷灰石晶須複合成人工骨材料作為熔融沉積成型3d列印人工牙的原材料。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種用人工骨材料熔融沉積成型3d列印個性化人工牙的方法，用於解決臨床上需要用和拔牙窩一樣形態且與原有牙一樣大小的個性化人工牙來進行種植的需求。
本發明的具體技術方案如下：
一種用人工骨材料熔融沉積成型3d列印個性化人工牙的方法，包括以下步驟：
（1）、聚醚醚酮懸浮液的配製
取醫用級聚醚醚酮粉劑與甘油和乙醇混合，甘油作為分散劑，乙醇作為溶劑，按10g聚醚醚酮配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的聚醚醚酮混懸液，再經高速打磨機研磨成聚醚醚酮懸浮液備用。
（2）、羥基磷灰石晶須懸浮液的配製
取直徑為0.1～1μm，長度為100～200μm的亞納米羥基磷灰石短晶須與甘油和乙醇混合，甘油作為分散劑，乙醇作為溶劑，按10g羥基磷灰石晶須配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的羥基磷灰石晶須混懸液，再經高速打磨機研磨成羥基磷灰石晶須懸浮液備用。
（3）人工骨材料的複合製備
取上述步驟得到的聚醚醚酮懸浮液和羥基磷灰石晶須懸浮液按60：40的體積配比用攪拌機混合均勻，再用抽濾機抽濾掉混合液中的甘油和乙醇，並放入乾燥機中以60℃乾燥，得到的乾燥混合料在0.5～5mpa的壓力下加熱至340～350℃，然後經注塑機注塑形成長度為6～12mm直徑為φ6mm的圓柱狀人工骨材料棒材，將棒材裝入小鋼筒中備用。
（4）、人工牙的三維造型設計
根據cbct斷層掃描拔牙窩形態和原有牙大小情況的數據用計算機設計人工牙和人工牙種植導板的三維造型，人工牙採用一段式種植體，種植體植入部分設有鋸齒形螺紋，螺紋表面開有多條縱向凹槽，縱向凹槽將各圈螺紋分割成數個溝齒。
（5）、熔融沉積成型3d列印人工牙和人工牙種植導板
將步驟（3）得到的裝有人工骨材料棒材的小鋼筒裝進熔融沉積成型3d印表機加熱腔中，將步驟（4）中設計好的人工牙和人工牙種植導板的三維造型數據導入3d印表機的控制軟體中並轉化為相應的分層數據，對小鋼筒進行加溫,加壓將3d印表機小鋼筒中的人工骨材料從加熱的列印頭噴嘴擠出，按照人工牙和人工牙種植導板每一層的分層數據進行熔體沉積，層厚設為100～200μm，層層迭加沉積後即可實現人工牙的快速成型。
（6）、人工牙植入部分的表面處理
對步驟（5）得到的人工牙的植入部分進行表面處理有兩種方法：
方法a：用小噴頭熱空氣噴槍以400～500℃的溫度對步驟（5）得到的人工牙的植入部分進行瞬間噴射，使表層的peek熔化，讓羥基磷灰石晶須的纖維頭顯露出來；在進行種植前還需在人工牙的植入部分表面露出的纖維頭上噴附一層生長因子。
方法b：將步驟（5）得到的人工牙的植入部分放入濃硫酸中10～60秒，用濃硫酸溶掉一層厚度為10～30μm的peek表皮，裡層的peek被硫化形成speek，再將人工牙取出用水衝洗乾淨，乾燥後人工牙的植入部分表面有羥基磷灰石晶須的纖維頭顯露出來；在進行種植前還需在人工牙的植入部分表面露出的纖維頭上噴附一層生長因子。
本發明採用聚醚醚酮與羥基磷灰石晶須複合成人工骨材料作為人工牙的原料，將原料製成熱塑性棒材作為3d列印的熔料，然後採用熔融沉積成型3d列印的方式將熔料列印成人工牙，再經表面處理工藝使人工牙植入部分表面的羥基磷灰石晶須纖維頭露出，裸露的纖維叢對細胞的粘附、增殖和分化有重要促進作用。本方法可以快速製備和拔牙窩一樣形態且與原有牙一樣大小的個性化人工牙來進行種植，而且使用材料都是一般性材料，在3d列印中本方法最為簡單，不需使用造價昂貴的雷射器，費用最低而且安全。通過本方法製備出來的人工牙生物相容性和骨結合強度比常規人工牙更好，可用於即可種植，避免因拔牙後牙槽窩陷骨量不足需另建立人工牙就位點等問題。
附圖說明
圖1為本發明製備的單根人工牙造型示意圖。
圖2為本發明製備的多根人工牙造型示意圖。
圖中:1-人工牙冠，2-人工牙種植體，2.1-縱向凹槽。
具體實施方式
本發明的用人工骨材料熔融沉積成型3d列印個性化人工牙的方法，包括以下步驟：
（1）、聚醚醚酮懸浮液的配製
取醫用級聚醚醚酮粉劑與甘油和乙醇混合，甘油作為分散劑，乙醇作為溶劑，按10g聚醚醚酮配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的聚醚醚酮混懸液，再經高速打磨機研磨成聚醚醚酮懸浮液備用。
在本步驟中，如需使x線顯影性更好，混合時還可加入1～5%重量比的硫酸鋇粉。
（2）、羥基磷灰石晶須懸浮液的配製
取直徑為0.1～1μm，長度為100～200μm的亞納米羥基磷灰石短晶須與甘油和乙醇混合，甘油作為分散劑，乙醇作為溶劑，按10g羥基磷灰石晶須配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的羥基磷灰石晶須混懸液，再經高速打磨機研磨成羥基磷灰石晶須懸浮液備用。
在本步驟中採用的直徑為0.1～1μm的短晶須既有羥磷灰石的生物活性，同時具有晶須特有的力學性能，而且不受之後步驟融熔溫度的影響。
（3）人工骨材料的複合製備
取上述步驟得到的聚醚醚酮懸浮液和羥基磷灰石晶須懸浮液按60：40的體積配比用攪拌機混合均勻，再用抽濾機抽濾掉混合液中的甘油和乙醇，並放入乾燥機中以60℃乾燥，得到的乾燥混合料在0.5～5mpa的壓力下加熱至340～350℃，然後經注塑機注塑形成長度為6～12mm直徑為φ6mm的圓柱狀人工骨材料棒材，將棒材裝入小鋼筒中備用。
（4）、人工牙的三維造型設計
根據cbct斷層掃描拔牙窩形態和原有牙大小情況的數據用計算機設計人工牙和人工牙種植導板的三維造型，人工牙採用一段式種植體，種植體植入部分設有鋸齒形螺紋，螺紋表面開有多條縱向凹槽，縱向凹槽將各圈螺紋分割成數個溝齒。
在本步驟中，熔融沉積的產品精度欠佳，所以加工的人工牙種植體不能有中心連接，必須設計成一段式種植體。單根人工牙和多根人工牙的三維造型設計分別如圖1和圖2所示，所述鋸齒形螺紋呈30～60°的斜角，螺距為1.6～2mm，螺紋高度為0.3～0.5mm。鋸齒形螺紋和縱向凹槽的作用是有利於種植體植入拔牙窩，並增大退出阻力以增強螺紋防松效果。
另外在本步驟中，在cbct斷層掃描拔牙窩形態前須將撥牙窩清刮乾淨，需要加深擴大要先加深擴大，然後再進行cbct斷層掃描，以確保掃描數據的精確性。
（5）、熔融沉積成型3d列印人工牙和人工牙種植導板
將步驟（3）得到的裝有人工骨材料棒材的小鋼筒裝進熔融沉積成型3d印表機加熱腔中，將步驟（4）中設計好的人工牙和人工牙種植導板的三維造型數據導入3d印表機的控制軟體中並轉化為相應的分層數據，對小鋼筒進行加溫,加壓將3d印表機小鋼筒中的人工骨材料從加熱的列印頭噴嘴擠出，按照人工牙和人工牙種植導板每一層的分層數據進行熔體沉積，層厚設為100～200μm，層層迭加沉積後即可實現人工牙的快速成型。
在本步驟中，為了防止噴嘴冷凝和工件撬動變形，列印時3d印表機工作箱中的溫度維持在100～160℃。噴嘴越小越精密，但噴嘴小而材料粘度大時又會出現擠不出現象。為了平衡精度和材料粘度的關係，列印頭噴嘴採用直徑為500μm的小噴嘴。列印出來的人工牙由於其內的羥基磷灰石晶須和peek複合交織成晶須網，因此力學性能和韌性都很好。
在本步驟中，裝有人工骨材料棒材的小鋼筒裝進熔融沉積成型3d印表機加熱腔時採用類似子彈裝入彈夾的方式進行，列印時壓料管快速伸入小鋼筒中，將其內的加溫熔融的人工骨材料通過列印頭噴嘴擠出，一個小鋼筒內的原料用完後自動脫出並切換至下一個小鋼筒，非常方便。
（6）、人工牙植入部分的表面處理
對步驟（5）得到的人工牙的植入部分進行表面處理有兩種方法：
方法a：用小噴頭熱空氣噴槍以400～500℃的溫度對步驟（5）得到的人工牙的植入部分進行瞬間噴射，使表層的peek熔化，讓羥基磷灰石晶須的纖維頭顯露出來；在進行種植前還需在人工牙的植入部分表面露出的纖維頭上噴附一層生長因子。
方法b：將步驟（5）得到的人工牙的植入部分放入濃硫酸中10～60秒，用濃硫酸溶掉一層厚度為10～30μm的peek表皮，裡層的peek被硫化形成speek，再將人工牙取出用水衝洗乾淨，乾燥後人工牙的植入部分表面有羥基磷灰石晶須的纖維頭顯露出來；在進行種植前還需在人工牙的植入部分表面露出的纖維頭上噴附一層生長因子。
本步驟中，人工牙植入部分表面的羥基磷灰石晶須纖維頭露出可以確保羥基磷灰石的生物活性，眾多露出來的纖維頭可以成為種子細胞提供良好的生活場所，纖維叢對細胞的粘附、增殖和分化有重要促進作用。
本步驟中，植入前在人工牙的植入部分表面露出的纖維頭上噴附一層生長因子可以在短期內獲得更高的生物活性，所述生長因子可以採用骨形態發生蛋白bmp2和硫酸軟骨素等。