CN104999078A - 基于3d打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 - Google Patents
基于3d打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法。此基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法，针对患者不同的口腔条件，通过3D打印激光立体成型技术打印出最适合病人的个性化义齿支架，通过运用有限元技术，保证了义齿支架的舒适度和使用寿命，减少了医师的操作难度，降低制造成本，缩短制造周期。采用阳极氧化和/或者电化学沉积的方法对义齿支架进行表面处理，使得义齿支架表面具有更优秀的骨结合特性和生物学活性，有利于成骨细胞生长和矿化表面，提高了患者的满意度。本发明适用于医疗器械领域。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法。
背景技术
目前，牙列缺损是口腔临床上的常见病，可摘局部义齿是修复牙列缺损的主要方法之一，适应症广泛，价格也相对便宜。可摘局部义齿分为齿冠以及义齿支架。由于每个人颌骨的形状差异，牙列缺损的病情不同，义齿支架的形状都有很大的不同，因此义齿支架一直都是个性化的设计。形状比较复杂，受力也比较复杂，对于医师的经验要求，技术要求都比较高。由于是个性化设计，每个义齿支架都不同，义齿支架的受力合理性，可靠性，使用寿命等都无法测算。现有技术中的，义齿支架一般采用机加工而成，形态单一，尺寸设计难以满足每个患者的个性化需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种与人体贴合度高，可靠性好，对医生的技术要求低的基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法，包括以下步骤：
a）、通过正向建模或者逆向建模构建义齿支架三维模型；
b）、运用有限元技术对义齿支架三维模型进行应力分析及疲劳分析；
c）、通过3D打印激光立体成型技术打印义齿支架；
d）、采用阳极氧化和/或者电化学沉积的方法，对义齿支架进行表面处理；
e）、采用扫描电镜和/或者电子探针和/或者X射线光电子能谱和/或者激光共聚焦显微镜和/或者测角仪对义齿支架进行生物学评价；
f）、通过电位阳极极化和电化学阻抗谱测试对义齿支架表面的局部腐蚀电化学行为进行对比分析。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤d）中通过阳极氧化的方法，在义齿支架表面构建TiO2-NT膜层。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述阳极氧化中使用的电解液包含有NaF和H3PO4 。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤d）中通过电化学沉积的方法在义齿支架表面构建纳米HA膜层。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述电化学沉积的电解液包括CaCl2和NH4H2PO4和NaCl和Tris。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述电化学沉积的方法在超声条件下进行。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤f）中使用的腐蚀介质为pH值为7的人工唾液或者pH值为7的人工唾液中含体积百分数为2%NaF的中性含氟溶液或者pH值为3的人工唾液中含体积百分数为2%NaF的酸性含氟溶液。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤f）中电位阳极极化和电化学阻抗谱测试采用三电极体系，所述三电极体系的参比电极选用型饱和氯化钾微电极及选用铂丝为辅助电极。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤b）中所述有限元分析还包括对没有添加义齿支架的口腔进行预紧力分析和对添加了义齿支架后的口腔进行咀嚼能力和保护能力分析。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤c）中3D打印的材料为钛粉。
本发明的有益效果：此基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法，针对患者不同的口腔条件，通过3D打印激光立体成型技术打印出最适合病人的个性化义齿支架，通过运用有限元技术，保证了义齿支架的舒适度和使用寿命，减少了医师的操作难度，降低制造成本，缩短制造周期。采用阳极氧化和/或者电化学沉积的方法对义齿支架进行表面处理，使得义齿支架表面具有更优秀的骨结合特性和生物学活性，有利于成骨细胞生长和矿化表面，提高了患者的满意度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例制造方法流程图；
图2是本发明实施例运用有限元技术分析的流程图；
图3是本发明实施例阳极氧化纳米管表面的基本结构图；
图4是本发明实施例超声辅助下的电化学沉积表面的SEM图；
图5是本发明实施例优良亲水性能图；
图6是本发明实施例蛋白吸附后的XPS曲线图；
图7是本发明实施例体外矿化试验后表面生成的羟基磷灰石；
图8是本发明实施例前成骨细胞的附着图。
具体实施方式
参照图1～图8，本发明为一种基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法，包括以下步骤：
a）、通过正向建模或者逆向建模构建义齿支架三维模型；
b）、运用有限元技术对义齿支架三维模型进行应力分析及疲劳分析；
c）、通过3D打印激光立体成型技术打印义齿支架；
d）、采用阳极氧化和/或者电化学沉积的方法，对义齿支架进行表面处理；
e）、采用扫描电镜和/或者电子探针和/或者X射线光电子能谱和/或者激光共聚焦显微镜和/或者测角仪对义齿支架进行生物学评价；
f）、通过电位阳极极化和电化学阻抗谱测试对义齿支架表面的局部腐蚀电化学行为进行对比分析。
此基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法，针对患者不同的口腔条件，通过3D打印激光立体成型技术打印出最适合病人的个性化义齿支架，通过运用有限元技术，保证了义齿支架的舒适度和使用寿命；减少了医师的操作难度，降低制造成本，缩短制造周期。采用阳极氧化和/或者电化学沉积的方法对义齿支架进行表面处理，使得义齿支架表面具有更优秀的骨结合特性和生物学活性，有利于成骨细胞生长和矿化表面，提高了患者的满意度。
作为本发明优选的实施方式，所述步骤d）中通过阳极氧化的方法，在义齿支架表面构建TiO2-NT膜层。
作为本发明优选的实施方式，所述阳极氧化中使用的电解液包含有NaF和H3PO4 。
作为本发明优选的实施方式，所述步骤d）中通过电化学沉积的方法在义齿支架表面构建纳米HA膜层。
作为本发明优选的实施方式，所述电化学沉积的电解液包括CaCl2和NH4H2PO4和NaCl和Tris。
作为本发明优选的实施方式，所述电化学沉积的方法在超声条件下进行。
作为本发明优选的实施方式，所述步骤f）中使用的腐蚀介质为pH值为7的人工唾液或者pH值为7的人工唾液中含体积百分数为2%NaF的中性含氟溶液或者pH值为3的人工唾液中含体积百分数为2%NaF的酸性含氟溶液。
作为本发明优选的实施方式，所述步骤f）中电位阳极极化和电化学阻抗谱测试采用三电极体系，所述三电极体系的参比电极选用型饱和氯化钾微电极及选用铂丝为辅助电极。
作为本发明优选的实施方式，所述步骤b）中所述有限元分析还包括对没有添加义齿支架的口腔进行预紧力分析和对添加了义齿支架后的口腔进行咀嚼能力和保护能力分析。
作为本发明优选的实施方式，所述步骤c）中3D打印的材料为钛粉。
本发明的优选实施列：本发明构建纯钛义齿支架的三维模型，有两种方法，分为逆向建模和正向建模：
一是逆向建模，通过逆向反求工程获得患者的缺齿及口腔的数据。具体方法为：运用CT扫描获得患者的颌骨、缺齿、牙齿间隙等口腔数据，运用Imageware逆向工程软件，消除噪点，进行特征提取，建立表面平顺的口腔三维模型，以实现模型与患者口腔完美匹配。
二是正向建模，采用专业建模软件对义齿支架进行建模。具体方法为：采用Unigraphics NX三维建模软件，进行计算机辅助设计，精密构建纯钛义齿支架的三维模型。
对于两种三维模型构建方法，模型的特征信息，可以相互借鉴和更新。
义齿支架三维模型构建后，运用有限元技术，对义齿支架进行有限元分析。分析类型包括应力分析、疲劳分析。分析目的是实现减小模型大倾角的曲面，实现预计的使用寿命，实现口腔咀嚼时受力的均匀，以达到保护口腔、保护剩余牙齿，提高咀嚼能力的目的。其中，应力分析，分为两个部分，一是没有添加义齿支架，进行佩戴，分析其预紧力及舒适度等；二是添加了义齿支架后，对其咀嚼能力以及口腔的保护能力进行检验。疲劳分析，则是分析在无限多次交变载荷作用下的最大破坏应力。
有限元分析的流程是：首先，初步确定，包括分析类型、单元类型、模型类型；然后，前处理，包括导入几何模型、定义材料属性、划分网格；接着，求解，包括施加约束和载荷、有限元求解；最后，后处理，包括评估结果、输出报告。如果分析结果满足要求，则进行下一步；不满足，则返回，对纯钛义齿支架的三维建模进行优化，之后重新进行有限元分析。
有限元分析之后，通过3D打印设备，对所建立的义齿支架三维模型进行3D打印。具体是：先把要打印的模型以stl格式保存并导入3D打印及的控制电脑，然后通过配套的3D打印软件，添加薄壁支撑，将添加了支撑的模型导入3D打印设备，由分层软件进行分层，并生成相应的3D打印代码。
3D打印设备设有基板，30mm厚。先在其上均匀铺一层钛粉，厚度为20μm～75μm。使用高精度扫描振镜，基于前文生成3D打印代码，采用100W光纤激光器，对设定的路径进行扫描，使钛粉融化，形成平整的融化层。完成一层钛粉的扫描后，基板下降，高度为3D打印软件分层高度，并重新铺一层钛粉，然后再次用高精度扫描振镜按3D打印代码对该层设定路径进行扫描，融化钛粉。层层堆叠，直至整个模型成型。高精度扫描振镜的扫描过程中，激光光束直径为70μm～130μm，扫描速度为最高20m/s，最小扫描线宽为140μm～160μm；3D打印成型速度为15ccm/h。3D打印激光立体成型过程中需要通入流量为0.5L/min的氩气/氮气，进行气体保护，以防止钛粉在高温中发生氧化，3D打印中没有熔融的钛粉，可以在筛粉后再次使用。3D打印完之后，将零件切割下来，并去除薄壁支撑。
利用3D打印自然粗化表面，合理利用表面成型的设计，然后对纯钛义齿支架进行材料表面进行预处理，预处理的方式为喷砂和/或者酸蚀处理。研究表明，人类成骨细胞对粗糙的结构和形态比对粗糙度的增加更敏感。因此，利用3D打印自然粗化表面，合理利用表面成型的设计，以及喷砂酸蚀处理，构建优化的纯钛义齿支架微米级表面结构。有良好的生物相容性。
构建表面微米-纳米多尺度复合表面微结构，采用阳极氧化和超声辅助下的电沉积复合处理方法，开发出全新的微米-纳米多尺度复合表面微结构，使之具有更优秀的骨结合特性和生物学活性。采用阳极氧化方法制备TiO2-NT，同时基于提高中空TiO2-NT层耐蚀性能和成骨细胞生物相容性的考虑，在纯钛义齿支架表面获得TiO2-NT膜层后，还将在超声条件下均匀定向电沉积纳米HA膜层，旨在纯钛义齿支架表面构建稳定均匀的、具有良好生物相容性的微米-纳米多级结构表面，并对该表面特性进行系统分析。
首先在经酸洗后的纯钛义齿支架试件表面制备TiO2纳米管，随后在上述表面构筑钙磷盐膜层。以预处理的纯钛试件为阳极，铂片为阴极，在室温20～40V电压下进行电化学阳极氧化，电解液为含有NaF和H3PO4混合溶液，氧化时间10～45min，之后用大量纯水冲洗样品以去除残留电解液。阳极氧化后的试件立即进行下一步的钙磷盐膜层的电沉积。以表面构筑了TiO2-NT层的纯钛试件作工作阴极，铂电极为阳极，尝试多种电解液组成如CaCl2+NH4H2PO4+NaCl+Tris，在合适温度及超声条件下进行均匀电化学沉积, 在义齿支架表面构建羟基磷灰石等具有生物相容性的膜层。
表面处理完成之后，再进行若干生物力学评价和生物学实验，就可以用于临床。首先，对义齿支架的表面形貌、元素组成、化学成分和表面湿润性实验，经不同方法处理后的试件用扫描电镜(Quanata 200 SEM)观察分析不同处理方法获得的表面形貌；根据标准GB/T 4698-1996，采用电子探针(Shimadzu EPMA-1600)分析试件表面化学元素组成(如喷砂过程中砂粒子会嵌入样品表面造成污染，因而喷砂后及酸洗后种植体表面的化学成分必须进行测试)；采用X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)分析试件表面化学组成；利用激光共聚焦显微镜(Laser scanning confocal microscope，CMF)测定试件表面粗糙度；采用测角仪测量试件表面的接触角，介质分别为蒸馏水、氯化钠、供体血浆等。
然后，对义齿支架表面局部腐蚀电化学行为实验，本实验的目的在于对不同方法处理试件的局部腐蚀电化学行为进行对比分析。利用CHI660D型电化学工作站对经不同方法处理的试件，进行动电位阳极极化和电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)测试。腐蚀介质选用人工唾液(pH=7)，中性含氟溶液(体积百分数为2%NaF人工唾液pH=7)，酸性含氟溶液(体积百分数为2%NaF人工唾液 pH=3)。采用三电极体系，参比电极选用型饱和氯化钾微电极，铂丝为辅助电极。
针对纯钛金属表面纳米级改性的要求，在对纯钛金属进行阳极氧化处理的工艺基础上，采用超声波辅助下的电化学沉积法，将纯钛金属材料表面的天然氧化层改性成具有良好生物学活性、有利于成骨细胞生长和矿化的表面。研究从材料的形貌表征、蛋白吸附能力、体外矿化能力和成骨细胞的体外黏附、生长和分化等方面，探索该纳米改性表面的生物学活性。我们发现通过阳极氧化形成的TiO2纳米管阵列具有上端开口、下端封闭的非常规则的圆柱三维管状结构排列；经过超声辅助电化学沉积可以将大量细长颗粒状的纳米颗粒沉积在纳米管的内壁、外壁和管口处，保留了原有纳米管的基本结构。通过超声辅助的电化学沉积能将Ca和P元素以纳米颗粒的形态引入TiO2纳米管内，提高材料表面的亲水性能，增强血清蛋白的吸附和体外矿化能力，最终调节和促进小鼠前成骨细胞MC-3T3在材料表面的黏附、增殖和分化。
综上所述，本发明所述的基于3D打印技术的纯钛义齿支架及制造方法，采用先进的计算机辅助设计CAD，结合医学影像技术CT和高精密3D打印激光立体成型技术，能将口腔检查、义齿支架的结构设计、有限元分析、3D打印制造和表面处理等有机结合起来，针对每位患者不同的口腔条件设计出最适合病人的个性化纯钛义齿支架并进行最简单和精确的手术植入，准确预测义齿支架的形态和功能的长期稳定性。本技术实现义齿支架直接增材成形，减少了医师的操作难度，以及对经验的依靠，降低制造成本，缩短制造周期。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法，其特征在于,包括以下步骤：
a）、通过正向建模或者逆向建模构建义齿支架三维模型；
b）、运用有限元技术对义齿支架三维模型进行应力分析及疲劳分析；
c）、通过3D打印激光立体成型技术打印义齿支架；
d）、采用阳极氧化和/或者电化学沉积的方法，对义齿支架进行表面处理；
e）、采用扫描电镜和/或者电子探针和/或者X射线光电子能谱和/或者激光共聚焦显微镜和/或者测角仪对义齿支架进行生物学评价；
f）、通过电位阳极极化和电化学阻抗谱测试对义齿支架表面的局部腐蚀电化学行为进行对比分析。
2.根据权利要求1所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述步骤d）中通过阳极氧化的方法，在义齿支架表面构建TiO2-NT膜层。
3.根据权利要求2所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述阳极氧化中使用的电解液包含有NaF和H3PO4 。
4.根据权利要求1所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述步骤d）中通过电化学沉积的方法在义齿支架表面构建纳米HA膜层。
5.根据权利要求4所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述电化学沉积的电解液包括CaCl2和NH4H2PO4和NaCl和Tris。
6.根据权利要求5所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述电化学沉积的方法在超声条件下进行。
7.根据权利要求1所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述步骤f）中使用的腐蚀介质为pH值为7的人工唾液或者pH值为7的人工唾液中含体积百分数为2%NaF的中性含氟溶液或者pH值为3的人工唾液中含体积百分数为2%NaF的酸性含氟溶液。
8.根据权利要求1所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述步骤f）中电位阳极极化和电化学阻抗谱测试采用三电极体系，所述三电极体系的参比电极选用型饱和氯化钾微电极及选用铂丝为辅助电极。
9.根据权利要求1所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述步骤b）中所述有限元分析还包括对没有添加义齿支架的口腔进行预紧力分析和对添加了义齿支架后的口腔进行咀嚼能力和保护能力分析。
10.根据权利要求1所述基于3D打印激光立体成型技术制造义齿支架的方法 ，其特征在于：所述步骤c）中3D打印的材料为钛粉。
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