CN105055037B - 个性化基台及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种个性化基台及其制造方法。所述制造方法包括如下步骤：利用CT扫描进行逆向建模，然后以Unigraphics NX对模型进行参数化设计，精确修补基台模型，再利用有限元分析方法对基台模型进行模拟分析，根据所得有限元应力分析结果进行模型的优化设计，使其满足基台材料的属性；将满足基台材料的属性的基台模型进行三维切片分层处理，并生成相应的路径文件；依据所述路径文件，采用选择性激光熔化设备，合理控制其参数，成型即得所述个性化基台。该制造方法，有效保证了基台受力方向与大小的准确性和成型的精确性，制造所得个性化基台可较现有技术更为精确的契合患者的颌骨特征，提高使用舒适度，延长基台的使用寿命。

Description

个性化基台及其制造方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，特别是涉及一种个性化基台及其制造方法。

背景技术

牙科种植体，又称人工牙根，包括基台、种植体和中央螺钉三部分，是通过外科手术的方式将其植入缺牙部位的牙槽骨内，待其与牙槽骨结合后，在其上部(即基台)安装修复假牙的装置。1965年德国人Branemark利用纯金属钛首先在兔子口中做了第一例钛钉种植体，后来又对狗类进行了10年的功能性试验，取得了良好效果。与传统的固定桥和活动义齿修复相比，牙科种植体具有美观、舒适和可靠等优点，成为造福牙列缺损患者的“第三副牙”，受到广泛关注。

然而由于人与人之间的颌骨都是不同的，无论是牙齿的角度或是颌骨厚度，牙齿的牙根的深度等。这些数据将密切影响基台的寿命，以及患者口腔的健康。牙齿的角度是有两个自由度的方向，其准确角度可以使得种植体的受力均匀，螺钉不会轻易疲劳断裂掉，更是牙齿美观整齐的必要条件。而牙根的深度，颌骨厚度等，则决定了基台的选择。目前市面上的基台基本都是有固定型号的直基台，无法完美契合所有患者的患牙，如牙种植体的受力方向，牙根深度，颌骨厚度等。

现有技术公开利用3D扫描、CAD建模以及3D打印等技术根据扫描得到的患者患牙的牙位、形状等，然后根据该结果建模设计个性化基台，再通过3D技术打印得到更具个性化的基台。然而仅依据3D扫描结果设计基台模型并经CAD建模，无法很好的保证基台受力方向与大小的准确性，且制作精度也难以控制，因此还是存在契合度较低的缺陷，影响患者咀嚼效果和使用的舒适性。

发明内容

基于此，有必要提供一种个性化基台的制造方法。

一种个性化基台的制造方法，包括如下步骤：

(1)逆向建模：对患者口腔进行CT扫描，获得患者颌骨模型(具体可以包括牙根深度，牙齿倾角，咬合接触的受力倾角等信息)，在计算机上对所述颌骨模型进行种植体的模拟植入，并依据所述种植体进行基台的三维建模，得基台模型；

(2)正向建模：以Unigraphics NX为平台，将步骤(1)所述基台模型进行参数化设计，精确修补所述基台模型；

(3)利用有限元分析方法对步骤(2)所述精确修补后的基台模型进行模拟分析，得到有限元应力分析结果；

(4)分析所述有限元应力分析结果是否满足基台材料的属性：如满足则进行下一步骤，如不满足则依据所述有限元应力分析结果中的奇点值对所述基台模型进行优化设计，重复步骤(3)至基台模型的有限元应力分析结果满足基台材料的属性；

(5)将满足基台材料的属性的基台模型进行三维切片分层处理，并生成相应的路径文件；

(6)依据步骤(5)所述路径文件，采用选择性激光熔化设备进行成型，即得所述个性化基台。

在其中一个实施例中，所述基台材料为钛粉，步骤(6)所述成型的工艺如下：

a.于基板上铺设钛粉，粉层厚度为80-100μm；

b.于0.5-1.5MPa，20-30m³/h的氩气环境中，进行激光扫描成型，参数为：扫描速度不大于10m/s；激光光束直径为60-120μm；重复定位精度为±0.003mm；成型速度为10-20ccm/h；

c.基板下降，下降高度为所述粉层厚度，重复步骤a-b，至成型完毕。

在其中一个实施例中，所述粉层厚度为89-91μm；所述激光光束直径为100-120μm，成型速度为14-16ccm/h。

在其中一个实施例中，所述钛粉的粒径为45-95um。

在其中一个实施例中，步骤(3)所述模拟分析为静力学分析。

在其中一个实施例中，还包括如下表面处理步骤：

(i)以所述个性化基台为阳极，室温条件下进行电化学阳极氧化：电压为20-49V，电解液为NaF和H₃PO₄混合水溶液，其中NaF的质量浓度为0.01-0.1mol/L，H₃PO₄的质量浓度为0.05-0.2mol/L，氧化时间为10-45min，即在所述个性化基台表面形成TiO₂纳米管层；

(ii)以所述表面形成TiO₂纳米管层的个性化基台为阴极，超声条件下进行阴极电化学沉积，电压为20-50V，电解液为含CaCl₂、NH₄H₂PO₄、NaCl和三羟甲基氨基甲烷的水溶液，其中CaCl₂的质量浓度为0.01-0.05mol/L，NH₄H₂PO₄的质量浓度为0.05-0.2mol/L，NaCl的质量浓度为0.05-0.2mol/L，三羟甲基氨基甲烷的质量浓度为0.01-0.1mol/L，沉积时间为20-60min，即完成表面处理。

本发明还提供所述的个性化基台的制造方法制造得到的个性化基台。

本发明的原理及优点如下：

本发明所述个性化基台的制造方法，综合采用CT扫描，Unigraphics NX平台，有限元分析以及选择性激光熔化技术，全面优化基台模型的构建和制造，保证基台模型受力方向与大小的准确性和成型的精确性，其过程及原理如下：

(1)首先利用CT扫描进行逆向建模：对患者的口腔进行CT扫描，获得颌骨的精确模型，包括牙根深度，牙齿倾角，咬合接触的受力倾角等信息，医生根据颌骨模型，在计算机上对颌骨模型进行种植体的模拟植入，获取种植体的倾角等信息，根据所得的信息进行基台建模，所得基台模型可以较好的吻合患者的颌骨特征。

(2)然后以Unigraphics NX为平台，运用其参数化建模功能，将基台模型各个具有特征性的几何形状与尺寸大小用变量参数的方式来表示，采用交互图形设计方法，实现基台模型的参数化设计过程，使基台的各特征结构实现智能化和个性化功能设计，由此可对基台结构的角度、方向、尺寸等细微特征进行准确微调，提高基台模型对颌骨特征的契合度。

(3)再对获得的基台模型进行有限元的模拟分析(优选为静力学分析)，获得基台模型各部分的应力结果，分析应力结果是否符合用于制作基台的材料的力学属性(如屈服强度，断裂强度等)，如符合则进行下一步骤，如不符合，则可依据该结果对模型进行调整，重复分析至符合。在所述调整过程中，可选择针对应力分析的奇点位置进行调整，可提高调整的效率和准确性。此外，根据需要，还可在该过程中以应力最小为目标对基台模型进行优化设计。

(4)最后利用选择性激光熔化设备对基台模型进行成型，合理控制成型的工艺参数，尤其是铺设的粉层厚度、激光光速直径和成型速度等参数，可使成型后的产品尺寸精度好，表面粗糙度较为理想，且成型效率高，由此精确，高效的实现基台的成型，完成个性化基台的制造，同时，在该过程中还可以对制作基台的材料进行回收利用，降低基台的制造成本。

上述制作基台的材料优选为具有较好生物相容性的钛粉(粒径优选为45-95um)，但鉴于人类成骨细胞对粗糙表面的结构和形态较高的敏感性，为了提高患者使用的舒适度，以及基台的抗腐蚀性，还可以对制备得到的基台进行进一步的表面处理：

先以所述个性化基台为阳极进行电化学阳极氧化，在其表面形成以特定结构和形态特征排列的TiO₂纳米管层；再对基台在超声条件下进行阴极电化学沉积，获得特定结构和形态的纳米钙磷盐膜层，提高个性化基台耐蚀性能的同时，使基台表面结构具有更好的生物相容性，降低患者的异物感，提高使用舒适度，预防牙周软组织的感染。

在该过程中，电解液的选择对各膜层结构和形态特征的构建具有较为关键的影响，本发明通过实验筛选，以一定质量浓度的NaF+H₃PO₄水溶液进行阳极氧化构建TiO₂纳米管层，CaCl₂+NH₄H₂PO₄+NaCl+Tris水溶液进行阴极电沉积构建钙磷盐膜层，可使制备得到的基台表面结构具有更好的生物相容性，骨结合特性和生物学活性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述个性化基台的制造方法，综合采用CT扫描，Unigraphics NX平台，有限元分析以及选择性激光熔化技术，全面优化基台模型的构建和制造，保证构建基台模型受力方向与大小的准确性和成型的精确性，制造所得个性化基台可较现有技术更为精确的契合患者的颌骨特征，提高使用舒适度，延长基台的使用寿命。

此外，该制造方法还能将口腔检查、手术、个性化基台的设计和分析、自动加工成型等有机结合起来，可以精确的适合患者牙根情况，使设计、制造、手术有机的结合起来，完成特殊的牙齿修复，同时，制造效率高、周期短，可大大缩短新产品开发时间。

本发明还进一步对所述个性化基台进行表面处理，通过选择合适的电解质，在其上构建具有结构和形态特征的TiO₂纳米管层与钙磷盐膜层，使制造的基台具有更好的生物相容性，降低患者的异物感，提高使用舒适度，预防牙周软组织的感染。

附图说明

图1为本发明所述个性化基台的制造方法流程图；

图2为本发明所述逆向建模所得基台模型示意图；

图3为本发明所述基台模型的参数化结构划分示意图；

图4为利用有限元分析方法对基台模型进行分析所构建的模型图；

图5为有限元分析的载荷施加示意图；

图6为实施例1所述基台模型各部分的有限元分析的应力结果；

图7为实施例1所述个性化基台表面经阳极氧化后的SEM图；

图8为实施例1所述个性化基台表面经阴极电沉积后的SEM图；

图9为实施例1所述个性化基台表面处理后的亲水性能测试结果图；

图10为实施例1所述个性化基台表面处理后的血清蛋白的吸附测试结果图；

图11为实施例1所述个性化基台表面处理后的体外矿化能力测试结果图；

图12为实施例1所述个性化基台表面处理后的生物学活性测试结果图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的个性化基台及其制造方法作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例一种个性化基台的制造方法，包括如下步骤(流程图见图1)：

(1)逆向建模：对患者口腔进行CT扫描，获得患者颌骨模型，包括牙根深度，牙齿倾角，咬合接触的受力倾角，医生根据颌骨模型，在计算机上对所述颌骨模型进行种植体的模拟植入，获取植入体的倾角，并依据所述种植体进行基台的三维建模，得基台模型，如图2所示；

(2)正向建模：以Unigraphics NX为平台，运用其参数化建模功能，将步骤(1)所述基台模型各个特征的几何形状与尺寸大小用变量参数的方式来表示，采用交互图形设计方法，实现基台的参数化设计过程，使基台的各特征结构实现智能化和个性化功能设计，由此可对基台结构的角度、方向、尺寸等细微特征进行精确修补：

具体地，根据基台模型几何形状，从下到上，由内六角、圆锥一、圆柱一、圆锥二、圆柱二、圆锥三、下内孔和上内孔等八部分组成，如图3所示，其各组成部分以及关联部分的参数化设计结果如表1所示。

表1

由此，通过改变基台参数，可以对基台结构的角度、方向、尺寸等细微特征进行准确微 调；（3）利用有限元分析方法对步骤（2）所述精确修补后的基台模型进行静力学分析（具体 模型图见图4），具体流程如下：1、前处理，包括定义材料属性（见表2，种植体、基台和螺钉采 用纯钛材料，牙冠采用烤瓷牙材料）、划分网格（六面体网格）；表2

名称	弹性模量(GPa)	泊松比
			纯钛(Ti)	110	0.35
烤瓷牙	70	0.19
			皮质骨	14	0.3
松质骨	3	0.3

2、求解，包括施加约束（牙槽骨下断面进行固定约束，牙槽骨两侧平面无摩擦约束，即 法向约束）、定义接触关系（采用非线性接触方式，基台、种植体和螺钉之间采用有摩擦 （Frictional）接触，摩擦系数分别为0.5；种植体与皮质骨和松质骨之间采用有摩擦 （Frictional）接触，摩擦系数为0.4，其余接触面均采用固结（Bonded）方式），具体如表3所 示；表3

	基台	螺钉	种植体	皮质骨	松质骨
						牙冠	固结	/	/	/	/
基台	/	有摩擦	有摩擦	/	/
						螺钉	/	/	有摩擦	/	/
种植体	/	/	/	有摩擦	有摩擦
						皮质骨	/	/	/	/	固结

施加载荷（下颌磨牙施加垂向0°和斜向15°的100N咬合力，螺钉加载预紧力200N或预紧扭矩0.2N.m），如图5所示；3、后处理，包括评估结果、输出报告，获得基台模型各部分的应力结果。

分析基台模型最大等效应力的结果，在1.5倍安全系数下，是否满足钛粉的属性(屈服强度485MPa，断裂强度580MPa)，如满足则进行下一步骤，如不满足则依据应力结果中的奇点值对所述基台模型进行修补与更新，重复有限元分析至基台模型的应力结果满足钛粉的属性，并以应力小为目标进行优化设计，结果如图6所示，基台等效应力分布均匀、合理，有效减少颌骨的负担，增加患者的咀嚼能力。

(4)将基台模型以STL格式保存，通过Unigraphics NX平台，添加薄壁支撑，并导入选择性激光熔化设备的控制电脑，然后采用配套的分层软件，进行三维模型分层，并生成相应的路径文件；

(5)依据所述路径文件，采用选择性激光熔化设备进行成型，所述钛粉的粒径为45μm～95μm，所述成型的工艺如下：

a.于基板上铺设钛粉，粉层厚度为90μm，并使用刮板将钛粉层分布均匀；

b.于0.8MPa，25m³/h的氩气环境中，使用高精度扫描振镜，基于三维模型分层生成的路径文件，进行激光扫描成型(100W高能掺镱光纤激光器)，利用聚焦激光能量将金属钛粉熔化，形成平整的熔化层，扫描参数为：

扫描速度为8m/s；激光光束直径为110μm；重复定位精度为±0.003mm；成型速度为15ccm/h；

c.一层扫描完毕后，基板随之下降，下降高度为所述粉层厚度，重新铺一层钛粉，并使用刮板将钛粉层分布均匀。然后再次采用高精度扫描振镜，基于该层的路径代码，按照上述方法进行扫描，层层循环，直至所有三维模型的切片层全部扫描完毕，

在所述成型过程中，未扫描的钛粉，经由配套的粉末筛选系统，超过99％的钛粉材料可以循环使用，极大降低了耗粉量，为用户带来了实惠；

(6)成型完之后，将零件切割下来，并剔除薄壁支撑，得到纯钛基台；

(7)表面处理：

(i)以所述纯钛基台为阳极，室温条件下进行电化学阳极氧化：电压为30V，电解液为NaF和H₃PO₄混合水溶液，其中NaF的质量浓度为0.05mol/L，H₃PO₄的质量浓度为0.1mol/L，氧化时间为30min，即在所述个性化基台表面形成TiO₂纳米管层；

(ii)以所述表面形成TiO₂纳米管层的纯钛基台为阴极，超声条件下进行阴极电化学沉积，电压为45V，电解液为含CaCl₂、NH₄H₂PO₄、NaCl和三羟甲基氨基甲烷(Tris)的水溶液，其中CaCl₂的质量浓度为0.02mol/L，NH₄H₂PO₄的质量浓度为0.1mol/L，NaCl的质量浓度为0.1mol/L，三羟甲基氨基甲烷的质量浓度为0.05mol/L，沉积时间为40min，即完成表面处理，得所述个性化基台。

本实施例所述个性化基台可精确的契合患者的颌骨特征，提高使用舒适度，延长基台的使用寿命。同时具有优良的生物相容性，提高患者使用的舒适度，预防牙周软组织的感染。

实施例2

本实施例一种个性化基台的制造方法，步骤同实施例1，区别在于：

步骤(5)所述成型的工艺如下：

a.于基板上铺设钛粉，粉层厚度为80μm，并使用刮板将钛粉层分布均匀；

b.于0.5MPa，20m³/h的氩气环境中，使用高精度扫描振镜，基于三维模型分层生成的路径文件，进行激光扫描成型(100W高能掺镱光纤激光器)，利用聚焦激光能量将金属钛粉熔化，形成平整的熔化层，扫描参数为：

扫描速度为10m/s；激光光束直径为60μm；重复定位精度为±0.003mm；成型速度为10ccm/h。

步骤(7)所述表面处理的方法为：

(i)以所述个性化基台为阳极，室温条件下进行电化学阳极氧化：电压为20V，电解液为NaF和H₃PO₄混合水溶液，其中NaF的质量浓度为0.01mol/L，H₃PO₄的质量浓度为0.05mol/L，氧化时间为10min，即在所述个性化基台表面形成TiO₂纳米管层；

(ii)以所述表面形成TiO₂纳米管层的个性化基台为阴极，超声条件下进行阴极电化学沉积，电压为20V，电解液为含CaCl₂、NH₄H₂PO₄、NaCl和三羟甲基氨基甲烷的水溶液，其中CaCl₂的质量浓度为0.01mol/L，NH₄H₂PO₄的质量浓度为0.05mol/L，NaCl的质量浓度为0.05mol/L，三羟甲基氨基甲烷的质量浓度为0.01mol/L，沉积时间为20min，即完成表面处理。

实施例3

本实施例一种个性化基台的制造方法，步骤同实施例1，区别在于：

步骤(5)所述成型的工艺如下：

a.于基板上铺设钛粉，粉层厚度为100μm，并使用刮板将钛粉层分布均匀；

b.于1.5MPa，30m³/h的氩气环境中，使用高精度扫描振镜，基于三维模型分层生成的路径文件，进行激光扫描成型(100W高能掺镱光纤激光器)，利用聚焦激光能量将金属钛粉熔化，形成平整的熔化层，扫描参数为：

扫描速度为5m/s；激光光束直径为120μm；重复定位精度为±0.003mm；成型速度为20ccm/h。

步骤(7)所述表面处理的方法为：

(i)以所述个性化基台为阳极，室温条件下进行电化学阳极氧化：电压为49V，电解液为NaF和H₃PO₄混合水溶液，其中NaF的质量浓度为0.1mol/L，H₃PO₄的质量浓度为0.2mol/L，氧化时间为45min，即在所述个性化基台表面形成TiO₂纳米管层；

(ii)以所述表面形成TiO₂纳米管层的个性化基台为阴极，超声条件下进行阴极电化学沉积，电压为50V，电解液为含CaCl₂、NH₄H₂PO₄、NaCl和三羟甲基氨基甲烷的水溶液，其中CaCl₂的质量浓度为0.05mol/L，NH₄H₂PO₄的质量浓度为0.2mol/L，NaCl的质量浓度为0.2mol/L，三羟甲基氨基甲烷的质量浓度为0.1mol/L，沉积时间为60min，即完成表面处理。

对实施例1所述个性化基台进行生物相容性研究。

(1)生物相容性-表面形貌、元素组成、化学成分和表面湿润性实验

用扫描电镜(Quanata 200 SEM)观察分析所述个性化基台表面形貌；采用X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)分析表面化学组成；采用测角仪测量表面的接触角，介质为蒸馏水。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。

由图7-12知，本发明所述表面处理中，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(图7)；经过超声辅助电化学沉积可以将大量细长颗粒状的钙磷盐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(图8)，同时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，使材料表面具有良好的亲水性能(图9)，血清蛋白的吸附(图10)和体外矿化能力(图11)较强，成骨细胞MC-3T3在纯钛材料表面的黏附、增殖和分化(图12)能力强。

由此可见，本发明在采用特定组成的电解液对个性化基台进行阳极氧化处理的工艺基础上，再采用超声波辅助下的电化学沉积法，将个性化基台的纯钛金属材料表面的天然氧化层改性成了具有良好生物学活性、有利于成骨细胞生长和矿化的表面。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种个性化基台的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)逆向建模：对患者口腔进行CT扫描，获得患者颌骨模型，在计算机上对所述颌骨模型进行种植体的模拟植入，并依据所述种植体进行基台的三维建模，得基台模型；

(2)正向建模：以Unigraphics NX为平台，采用交互图形设计方法，将步骤(1)所述基台模型进行参数化设计，精确修补所述基台模型；

(3)利用有限元分析方法对步骤(2)所述精确修补后的基台模型进行模拟分析，得到有限元应力分析结果；

(4)分析所述有限元应力分析结果是否满足基台材料的属性：如满足则进行下一步骤，如不满足则依据所述有限元应力分析结果中的奇点值对所述基台模型进行优化设计，重复步骤(3)至基台模型的有限元应力分析结果满足基台材料的属性；

(5)将满足基台材料的属性的基台模型进行三维切片分层处理，并生成相应的路径文件；

(6)依据步骤(5)所述路径文件，采用选择性激光熔化设备进行成型，即得所述个性化基台。

2.根据权利要求1所述的个性化基台的制造方法，其特征在于，所述基台材料为钛粉，步骤(6)所述成型的工艺如下：

a.于基板上铺设钛粉，粉层厚度为80-100μm；

b.于0.5-1.5MPa，20-30m³/h的氩气环境中，进行激光扫描成型，参数为：扫描速度不大于10m/s；激光光束直径为60-120μm；重复定位精度为±0.003mm；成型速度为10-20ccm/h；

c.基板下降，下降高度为所述粉层厚度，重复步骤a-b，至成型完毕。

3.根据权利要求2所述的个性化基台的制造方法，其特征在于，所述粉层厚度为89-91μm；所述激光光束直径为100-120μm，成型速度为14-16ccm/h。

4.根据权利要求2所述的个性化基台的制造方法，其特征在于，所述钛粉的粒径为45-95um。

5.根据权利要求1所述的个性化基台的制造方法，其特征在于，步骤(3)所述模拟分析为静力学分析。

6.根据权利要求1-5任一项所述的个性化基台的制造方法，其特征在于，还包括如下表面处理步骤：

(i)以所述个性化基台为阳极，室温条件下进行电化学阳极氧化：电压为20-49V，电解液为NaF和H₃PO₄混合水溶液，其中NaF的质量浓度为0.01-0.1mol/L，H₃PO₄的质量浓度为0.05-0.2mol/L，氧化时间为10-45min，即在所述个性化基台表面形成TiO₂纳米管层；

(ii)以所述表面形成TiO₂纳米管层的个性化基台为阴极，超声条件下进行阴极电化学沉积，电压为20-50V，电解液为含CaCl₂、NH₄H₂PO₄、NaCl和三羟甲基氨基甲烷的水溶液，其中CaCl₂的质量浓度为0.01-0.05mol/L，NH₄H₂PO₄的质量浓度为0.05-0.2mol/L，NaCl的质量浓度为0.05-0.2mol/L，三羟甲基氨基甲烷的质量浓度为0.01-0.1mol/L，沉积时间为20-60min，即完成表面处理。

7.权利要求1-6任一项所述的个性化基台的制造方法制造得到的个性化基台。