CN101803958A - 齿科修复用一体化纤维桩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了齿科修复用一体化纤维桩及其制备方法。一种齿科修复用一体化纤维桩特征在于：桩核一体，由桩核尾部和头核部两部分组成；桩核尾部的锥型结构与牙科钻头的锥型结构保持一致，头核部为伞帽结构；伞帽结构的下边缘与缺损牙体的残留部位完全吻合，伞帽结构的外形部分与冠部位完全吻合，头核部直接套烤瓷冠。其成型加工方法步骤：(1)缺损牙体CT数据采撷；(2)计算机重建牙体和桩核冠三维模型；(3)一体化桩核的CAD模型建立；(4)一体化纤维桩核CAD模型的信息转入CAM数控中心；(5)用数控机加工中心切削加工出一体化纤维桩核。本发明纤维桩自身强度提高，减少应用中桩核脱粘；而且避免应力集中而造成牙桩折断，导致修复失败。

Description

齿科修复用一体化纤维桩及其制备方法

技术领域

本发明是一种齿科修复用的一体化纤维桩核的加工方法，特别涉及拉挤固化成型或者光固化预浸料的现场光固化成型方法制备纤维增强树脂基复合材料杆体以及一体化桩核的数字化建模和机械加工方法。

背景技术

随着现代根管治疗技术的不断发展及牙科材料的不断改善，大量牙体严重缺损的患牙得到保存，桩核修复技术是保留患牙并恢复其功能的重要手段。桩核是用于改善患牙抗力形和固位形的修复体，由桩和核两部分组成，通过桩粘固在根管内获得固位，通过核恢复缺损牙体的形态，为患牙进一步人造冠修复或用作基牙进行义齿修复创造条件。

牙体缺损的核桩修复技术已有上百年历史。所用核桩为传统的金属核桩，传统观点认为应该选择弹性模量较高的桩核材料，如金属桩核，这样在去除少量牙体组织，直径较小的情况下就能达到强度要求。但是，由于金属桩的弹性模量远高于牙体组织的弹性模量，例如牙冠的弹性模量为18-20GPa，牙根部的弹性模量为9-10GPa，而不锈钢核桩的弹性模量为180-200GPa，钛合金核桩的弹性模量接近100GPa，陶瓷核桩的弹性模量约200GPa，因此金属核桩或陶瓷核桩和牙体组织的弹性模量的不匹配常常造成二者粘结界面应力集中，导致牙齿易于折裂，造成牙齿拔除，这种情况尤其易于发生在牙根部。其次，传统的金属桩可引起组织和牙根变色，而且金属桩存在腐蚀、过敏、毒性、影响美观及核磁共振诊断等缺点。

直到上世纪90年代欧美学者将非金属的纤维增强树脂基复合材料桩(简称纤维桩)引入口腔修复领域，这项难题才得以解决。纤维桩凭借其独特的特性迅速在欧美国家普遍使用，桩(核)冠技术才得到进一步发展，并在口腔修复中越来越广泛。纤维桩的特点为：①与牙本质相近的弹性模量。②适中的弯曲强度和拉伸强度。③颜色与牙齿相接近，符合人体美学特征。④无金属腐蚀性，不影响核磁共振等。⑤有良好的生物相容性和可重复修复性。

自上世纪90年代欧洲开展碳纤维预成型桩(Composipost)以来，纤维桩的各项性能研究逐渐深入，玻璃纤维桩、石英纤维桩等弹性模量更接近牙本质的纤维桩相继得到开发，国际专利如US6827576的纤维增强复合材料桩；US6371763的口腔系统的柔性桩；US5964592的非金属牙桩及制备方法；US5816816的纤维增强牙桩及其制备方法，还有WO2004009646的利用微波固化的纤维增强复合材料等国外相关专利。而国内的相关专利CN1771889的牙齿修复用复合材料桩核及其成型方法。

对于牙冠组织缺失比较多的患牙，采用纤维桩进行修复，需要使用树脂堆塑在纤维桩的头部，制作出核的形态，以初步恢复牙冠的外形。但在临床实际应用中，现有商品化的纤维桩是带有一定锥度的直型桩，需首先采用金属钻在残存的牙根上钻孔，使纤维桩粘固在根管内获得固位后，再进一步采用光固化树脂堆形成为桩核。由于纤维桩的基质多为高度交联的环氧树脂，而核树脂则以光固化的双酚A双甲基丙烯酸缩水甘油酯(Bis-GMA)为主要基质，二者的化学组成不同，使纤维桩很难与核树脂之间形成牢固的化学结合[Journal of Endodontics 2006；32：44-47]。此外，核树脂的聚合收缩也会对粘接界面产生应力[Dent Mater 2008；24：392-398]。核树脂与纤维桩之间的结合界面对修复体的强度有显著影响，两者之间缺乏结合力及界面应力集中往往会导致现有的预成型直型纤维桩加光固化树脂堆核这种修复方式的失败。临床应用中，修复失败的主要表现有：(1)桩核脱粘导致修复失败；(2)桩与核之间结合差距较大，传递应力时产生应力集中而造成牙桩折断；(3)高强度纤维桩与树脂核之间的力学性能差异大，增加了核因外力影响受到破坏的可能性。当然，现有预成型直型纤维桩在临床操作应用中，还存在操作步骤多、个性化操作的难度较大等不足。

一体化桩核可以根据每一颗患牙的个体化需要进行设计，更好地适应牙根形态，且可以省略在牙桩头部堆塑树脂核的操作，因桩核一体化结构而使桩和核的粘接强度有效提高。Koutayas等[All-ceramic posts and cores：the stateof the art.Quintessence Int 1999；30：383-392.]报道了使用Copy-milling法制作的氧化锆桩核。Streacker等[The milled ceramic post and core：A functional andesthetic alternative.J Prosthet dent 2007；98：486-487]报道了应用Cerec inLab加工系统制作的氧化锆桩核的临床病例。氧化锆桩核还可以通过自凝树脂制备桩核蜡型，经激光扫描获得桩核的三维数据后，直接机械加工成型。

基于国际上先进的“基于三维数字化的工程技术”，根据牙齿解剖结构的特点，采用CT扫描技术与医学专业图像处理软件，可实现一体化桩核的CAD建模，然后通过CAM切削成型。目前，可用于口腔修复用计算机辅助设计和辅助制造(CAD/CAM)系统的可切削材料，主要有陶瓷、复合树脂和金属等。国外的可切削树脂主要有MZ100、3M ESPE和DC-Tell等。其中，DC-Tell可切削树脂中为含有不同方向的短纤维的聚氨酯树脂。国内李石保等进行了聚甲基丙烯酸甲酯-氧化锆复合材料经CAD/CAM制作牙科修复体的研究[中华口腔医学杂志2005，40(1)：23-26]将氧化锆纳米粉体成形得到部分烧结体后，将聚甲基丙烯酸甲酯渗透入部分烧结体的开孔中原位聚合，制备出聚甲基丙烯酸甲酯-氧化锆复合材料，利用Cerec II型CAD/CAM系统加工出前磨牙牙冠。

但是，关于以纤维增强树脂基复合材料为坯体的一体化桩核的研究、加工与应用未见报道。

本发明的关键技术在于以下三方面：可切割纤维增强树脂基复合材料坯体的制备、一体化纤维桩核数字模型的CAD建立及一体化纤维桩核的CAM加工。

根据口腔颌骨和牙齿解剖结构特点，通过牙体三维立体数据的CT断层扫描测量和采集、医学专业图像处理软件的数据转化、并结合高级有限元分析软件，建立牙体与桩核冠的三维分析模型，使所建立的桩核数字模型具有良好的几何相似性、力学相似性、载荷相似性，适应口腔组织结构复杂的要求，模拟和预知桩核修复的效果，优化设计一体化纤维桩核的尺寸、形状、材料特性，然后采用CAM对纤维增强树脂基复合材料坯材切削成型，构建符合中国人特点的新型、仿生一体化纤维桩核器件。

发明内容

本发明针对现有纤维桩不能很好满足临床对牙体缺损修复的要求，提出了一种齿科修复用的一体化纤维桩核的设计和加工方法。主要是以提高纤维桩核整体的力学强度，减少应力集中，降低综合成本以及方便临床操作为主要目的。为实现上述目的，设计一种齿科修复用纤维增强树脂基复合材料，并结合CAD/CAE/CAM技术制造一体化纤维桩核的成型方法。

一种齿科修复用一体化纤维桩，其特征在于：桩核一体，由桩核尾部和头核部两部分组成；桩核尾部的锥型结构与牙科钻头的锥型结构保持一致，头核部为伞帽结构；伞帽结构的下边缘与缺损牙体的残留部位完全吻合，伞帽结构的外形部分与冠部位完全吻合，头核部直接套烤瓷冠。

所述一体化纤维桩为圆形或方形截面的坯体成型加工而成，坯体为用拉挤成型或者光固化预浸料的现场光固化成型方法制备的纤维复合材料；所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维中的一种或者两种以上的混杂纤维；拉挤成型的树脂基体为环氧树脂，光固化预浸料的树脂基体为双酚A双甲基丙烯酸缩水甘油酯；

其中坯体截面中心部分为沿坯体长度方向的单向纤维增强区域，坯体截面外围环状部分为采用表面毡或者无纺毡形成的多向纤维增强区域；坯体截面中心和外围环状两部分纤维的体积分数在45％-65％之间，坯体截面中心部分的直径与外围部分的直径比为0.5-1.0。

坯体的弹性模量在10-35GPa，挠曲强度在600-1150MPa之间。

所述的一种齿科修复用一体化纤维桩的成型加工方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)缺损牙体CT数据采撷；(2)计算机重建牙体和桩核冠三维模型；(3)一体化桩核的CAD模型建立；(4)一体化纤维桩核CAD模型的信息转入CAM数控中心；(5)用数控机加工中心切削加工出一体化纤维桩核。

所述缺损牙体CT数据采撷，是通过螺旋CT机进行全牙体断层平扫，断面与牙长轴垂直，层间距≤0.5mm。

所述牙体和桩核冠三维模型的重建，是通过医学专业图像处理软件将CT图像数字信息转换为三维重建影像数据，并采用噪声滤除、平滑、对齐、归并和插值补点几何特征匹配与识别方法进行数据处理，来获取准确的桩核冠与牙体几何特征。其中，桩核的几何建模采用ANSYS workbench软件，将桩核的几何尺寸数据进行参数化；并针对已经建好的桩核冠与牙体三维模型，运用ANSYS workbench软件中布尔运算功能中的相减功能，减去所建立的参数化的桩核模型，获得牙根的模型体；最后采用软件的实体自动装配功能，形成了最终的CAD模型。

所述的有限元应力分析，是在模拟牙齿在正常咬合情况下，采用有限元软件中的自动六面体功能对所获得的牙体、桩核冠、牙根的CAD模型进行网格划分，保证划分网格后的模型表面光滑，改变关键尺寸参数和材料属性，通过有限元软件进行求解后，考查牙体和桩核冠各部分的应力状态和变形情况。

所述的一体化桩核的三维数字模型建立，是根据有限元分析所获得的牙体和桩核冠各部分的应力和变形数据，确定和优化一体化纤维桩核的几何特征和材料特性，并形成优化的、最终的一体化纤维桩核的CAD模型。

所述的一体化纤维桩核的成型，是通过将一体化桩核CAD模型的数字信息转入CAM数控中心，对纤维增强树脂基复合材料坯体进行高精度、快速加工成型，得到最终的一体化纤维桩核修复体。

本发明的效果

本发明所设计的齿科修复用纤维增强树脂基复合材料，并结合CAD/CAE/CAM技术制造的一体化纤维桩核，不仅在结构上优于现有的纤维桩产品，纤维桩自身强度得到显著提高，减少临床应用中由于桩核脱粘导致的修复失败；而且实现了桩、核、牙体应力分布的优化，避免临床应用中因应力集中而造成牙桩折断，导致修复失败。

本发明所述的一体化纤维桩核采用CAM一次加工成型，该加工方法简单、误差小、一致性极高，可以大批量生产。更重要的是，在临床应用时可以根据实际需要，加工得到适当尺寸的一体化纤维桩核，便于应用，充分体现个性化治疗的特点。

本发明根据齿科修复应用中的实际要求，经过精确计算设计的一体化纤维桩核具有独特的外型结构，其头核部伞帽型和桩部锥型的结构可满足临床使用时的粘结力要求。所述桩部锥型结构与牙科钻头的锥型结构一致，可确保桩核在根管中的定位。伞帽结构的下沿的各端部与缺损牙体的残留部位完全吻合，伞帽结构的外形部分与冠部位完全吻合，可直接套烤瓷冠。头核部的伞帽设计同样有增加粘接面积和提高粘接力的作用，同时可确保牙冠在桩核周向方向上的受力均匀，防止牙冠因核与牙冠粘接不牢、受不良外力时而发生脱落的现象。

与普通预成桩相比，本发明的一体化纤维桩核以高强度的纤维增强树脂基复合材料代替了传统的以复合树脂塑制的核，不仅大大提高了桩核的力学性能，减少了核因外力影响而受到破坏的可能，而且在临床应用操作中，牙冠可以直接粘结在一体化纤维桩核的头核伞帽部位，简化了操作步骤。

本发明的一体化纤维桩核，采用拉挤成型、光固化预浸料的现场光固化成型制备的纤维增强树脂基复合材料杆体为坯材，可以通过合理地调配节树脂基体、纤维的种类和比例，以及调整成型工艺参数，在坯体的弹性模量和牙体组织相匹配的同时，使得到的纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能。采用纤维的表面毡、无纺毡对杆状坯体的外圆部分进行多向纤维增强后，可实现一体化纤维桩核头核部伞帽下沿(见一体化纤维桩核图片中红圈部位)的各向异性，避免其在CAM加工成型中产生缺口或破裂等。因此，即使对纤维增强树脂复合材料坯体的机械加工会对纤维在复合材料中的排布产生一定的影响，但复合材料自身优异的力学性能和本发明所提出的复合结构设计，足以保证本发明所述的一体化纤维桩核能完全满足齿科修复材料对力学性能的要求，达到满意的临床修复效果。

附图说明：

图1一体化纤维桩核的结构；图中的圈表示头核部位伞帽结构的下边缘。

图2一体化桩核系统的建模与仿真分析流程

图3牙冠、牙根和一体化桩核组装的CAD模型

1-牙冠；2-一体化桩核；3-牙根

具体实施方式

实施例1：

纤维增强树脂基复合材料坯体的拉挤成型制备：

基体树脂的基本配方为：美国陶氏Der331环氧树脂：100份，固化剂：甲基四氢苯酐(80份)，促进剂：DMP-30(1份)，脱模剂：1.5份，增强纤维为HS4连续长纤维，纤维拉伸强度为4600MPa，弹性模量为86.4GPa，密度为2.53g/cm3，断裂伸长量为5.3％，南京玻璃纤维研究与设计院生产；无纺玻璃纤维表面毡30-80g/m²，宜兴市复兴玻璃纤维有限公司生产。

在直径为10mm的圆形模具中采用拉挤成型工艺制备坯体，其拉挤工艺采用三段加热方式，第一段的温度：140℃，第二段温度：165℃，第三段温度：185℃。拉挤出的样条在200℃烘箱中后固化2小时，得到实施例的纤维增强复合材料坯体。

制备的复合材料坯体在Instron-1121型万能材料实验机上进行测试，压头直径为2.5mm，跨距20mm，加载速度1.0mm/min。按公式(1)和(2)计算弯曲强度δ_f(MPa)和弯曲模量E_f(GPa)：

δ_f＝8F_maxl/πd³            (1)

E_f＝S4l³/(3πd⁴)            (2)

其中，F_max为弯曲载荷；l为测试跨距；d为样品直径；S＝F/D，S代表样品的刚度，其中D表示载荷为F时对应的形变。

拉挤成型的纤维增强树脂基复合材料坯体的纤维体积分数为62％，轴心和外圆的直径比为1，弯曲弹性模量在35GPa，弯曲强度：1100MPa。

一体化桩核的三维数字模型建立：

采用螺旋CT机对缺损牙体进行断层平扫，断面与牙长轴垂直，层间距0.5mm，然后通过医学专业图像处理软件将CT图像数字信息转换为三维重建影像数据，并采用噪声滤除、平滑、对齐、归并和插值补点几何特征匹配与识别方法进行数据处理，即获得CT数据。将CT数据经过计算机CAD软件三维重建成像处理后，采用ANSYS workbench软件，将桩核的几何尺寸数据进行参数化；根据有限元分析所获得的牙体和桩核冠各部分的应力和变形数据，确定和优化一体化纤维桩核的几何特征，并形成优化的、最终的一体化纤维桩核的CAD模型。

一体化纤维桩核的制备：

将一体化桩核CAD模型的数字信息转入CAM数控中心，采用小型数控车床对纤维增强树脂基复合材料坯体进行机械加工。加工后的一体化纤维桩核的弹性模量在30GPa，挠曲强度在1050MPa。

实施例2：

纤维增强树脂基复合材料坯体的现场光固化成型制备：

基本配方体系为：光固化树脂单体双酚A甲基丙烯酸缩水甘油酯(Bis-GMA)，稀释剂三缩乙二醇双甲基丙烯酸酯(TEGDMA)，催化剂樟脑酮(CQ)和助引发剂N，N-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)，均购自Aldrich公司。高强玻璃纤维，HS4，纤维拉伸强度为4600MPa，弹性模量为86.4GPa，密度为2.53g/cm³，断裂伸长量为5.3％，南京玻璃纤维研究院生产。无纺玻璃纤维表面毡30-80g/m²，宜兴市复兴玻璃纤维有限公司生产。

光固化预浸料的现场光固化成型坯体：分别称取49.5gBis-GMA与TEGDMA放于250ml的三口烧瓶中，高速搅拌6h混合均匀，然后在树脂体系中加入CQ与DMAEMA各0.5g，再搅拌1h得到光固化树脂体系。把光固化树脂放于30cm长的浸胶槽中，将连续的玻璃纤维以0.5m/min的速度通过浸胶槽，再经过一个直径为1.5mm的玻璃喇叭口刮除多余的树脂，收集得到光固化树脂预浸料。为了防止树脂的提前固化，以上所有操作都是在装有淡黄色保护光源(PHILIPS TL-D YELLOW，荷兰)下进行。

将上述光固化树脂预浸料裁剪成3cm长，平铺于一个10mm×10mm×30mm的中空的底部放有薄玻璃片的聚四氟乙烯的长方型模具中，模具中已事先铺有无纺毡。然后用光固化树脂填满模具，上面盖一薄玻璃，去除多余的树脂与气泡。按照ISO10477标准，用齿科光固化灯(Densply QHL75，美国)，上下各照射30秒后，取出样品37℃放置24h。

所得复合材料坯体的弯曲强度和模量按实施例(1)进行测试和计算。其复合材料的纤维体积分数为58％，心部和外围的边长比为1，弯曲强度达到750MPa；而弯曲模量达到12GPa。

一体化桩核的三维数字模型建立：

同实施例1。

一体化纤维桩核的制备：

将一体化桩核CAD模型的数字信息转入CAM数控中心，采用小型数控车床对纤维增强树脂基复合材料坯体进行机械加工。加工后的一体化纤维桩核的弹性模量在12GPa，挠曲强度在750MPa。

Claims (6)

1.一种齿科修复用一体化纤维桩，其特征在于：桩核一体，由桩核尾部和头核部两部分组成；桩核尾部的锥型结构与牙科钻头的锥型结构保持一致，头核部为伞帽结构；伞帽结构的下边缘与缺损牙体的残留部位完全吻合，伞帽结构的外形部分与冠部位完全吻合，头核部直接套烤瓷冠。

2.根据权利要求1所述的一种齿科修复用一体化纤维桩，其特征在于：所述一体化纤维桩为圆形或方形截面的坯体成型加工而成，坯体为用拉挤成型或者光固化预浸料的现场光固化成型方法制备的纤维复合材料；所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维中的一种或者两种以上的混杂纤维；拉挤成型的树脂基体为环氧树脂，光固化预浸料的树脂基体为双酚A双甲基丙烯酸缩水甘油酯；

其中坯体截面中心部分为沿坯体长度方向的单向纤维增强区域，坯体截面外围环状部分为采用表面毡或者无纺毡形成的多向纤维增强区域；坯体截面中心和外围环状两部分纤维的体积分数在45％-65％之间，坯体截面中心部分的直径与外围部分的直径比为0.5-1.0。

3.根据权利要求1所述的一种齿科修复用一体化纤维桩，其特征在于：坯体的弹性模量在10-35GPa，挠曲强度在600-1150MPa之间。

4.根据权利要求1所述的一种齿科修复用一体化纤维桩的成型加工方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)缺损牙体CT数据采撷；(2)计算机重建牙体和桩核冠三维模型；(3)一体化桩核的CAD模型建立；(4)一体化纤维桩核CAD模型的信息转入CAM数控中心；(5)用数控机加工中心切削加工出一体化纤维桩核。

5.根据权利要求4所述的齿科修复用一体化纤维桩的成型加工方法，其特征在于：所述缺损牙体CT数据采撷，是通过螺旋CT机进行全牙体断层平扫，断面与牙长轴垂直，层间距≤0.5mm。

6.根据权利要求4所述的齿科修复用一体化纤维桩的成型加工方法，其特征在于：所述牙体和桩核冠三维模型的重建，是通过医学专业图像处理软件将CT图像数字信息转换为三维重建影像数据，并采用噪声滤除、平滑、对齐、归并和插值补点几何特征匹配与识别方法进行数据处理，来获取准确的桩核冠与牙体几何特征。

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