CN106045503A - 一种口腔陶瓷牙3d凝胶打印制备方法 - Google Patents

一种口腔陶瓷牙3d凝胶打印制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种口腔陶瓷牙3D凝胶打印制备方法，属于精密陶瓷复合材料快速成型技术领域。本发明首先利用医用数字化扫描技术获得患者口腔牙齿的精确三维虚拟模型，经医用模型分析处理软件的处理后生成3D打印所需的格式文件；其次，配制所需的无毒生物医用陶瓷料浆，通过计算机3D打印软件控制3D打印机将料浆沿特定尺寸的喷头挤出后层层堆积形成口腔陶瓷牙的三维坯体；最后，将坯体干燥后高温烧结成最终产品。该方法可快速高精度地生产口腔陶瓷牙，具有较高的材料利用率而且打印出的陶瓷牙安全、无毒，生物相容性较好，力学性能上也能较好的匹配牙齿。同时，该方法降低了的生产成本，简化生产的工艺流程，可操作性强，易实现私人定制。

Description

一种口腔陶瓷牙3D凝胶打印制备方法
技术领域
本发明涉及一种口腔陶瓷牙的最新制备技术，属于精密陶瓷复合材料快速成型技术领域。具体为将医用数字化扫描技术与无毒料浆的3D凝胶打印制备方法相结合制备口腔陶瓷牙。
背景技术
牙体、牙列缺损和牙列缺失是人类的常见病、多发病，世界卫生组织公布，口腔疾病己被列为继癌症和心脑血管疾病之后的第三大疾病。目前常用的口腔修复医用材料有合金、陶瓷和复合树脂材料，其中陶瓷材料的认可度最高。首先，由于陶瓷材料是热的绝缘体，热膨胀系数与牙体接近，而且硬度较高；其次，口腔陶瓷材料又是口腔材料中化学性能最稳定的材料，均可耐受许多化学物质的作用而不发生变化；最后，口腔陶瓷材料具有较好的生物相容性，着色性能较好，表面光泽度高，具有半透明和透明性，能恢复牙体组织的天然色彩。所以口腔陶瓷材料在牙齿的植入与修复方面应用较为广泛，具有重要的研究意义。
目前比较先进的口腔陶瓷牙的制备方法是由计算机数控机床按照牙齿数字模型对陶瓷块进行切割成型。首先，在印模材料上留下自己牙列的位置和形态，然后灌注精细的石膏翻制牙印模，石膏模型灌注之后经过技师的修理，将需要制作的陶瓷牙分离出来放置于模型扫描仪进行模型扫描获得牙齿的数字型；其次，计算机数控机床按照数字模型对陶瓷块切割成型，成型后需要对陶瓷牙进行表层修饰；最后，经高温烧结形成最终成品。但是这种方法存在许多不足。第一，翻制牙印模的过程存在由人为因素所导致的误差，复制精度有限。第二，生产成本较高。第三，切削时容易产生废料，材料利用率低。
3D凝胶打印技术是一种增材成型技术，它以数字模型文件为基础，通过计算机软件和机械的控制将材料逐层添加来制造三维实体。3D凝胶打印技术具有传统制造业无法企及的优势，该技术可以精确地复制实体，制造复杂物品不增加成本，并且可实现零技能制造、零时间交付以及材料的无限组合。料浆3D凝胶打印制备方法是通过计算机3D打印软件控制3D打印机将料浆沿特定尺寸的喷头挤出，然后层层堆积形成三维实体的过程。料浆3D凝胶打印制备方法可快速精确地打印复杂形状的产品，并根据自身需要配置不同种类的料浆，打印的材料种类较为广泛，材料利用率高。利用琼脂糖凝胶大分子在水溶液中加热时溶解，冷却时形成一定强度的凝胶这一性质，向陶瓷料浆中加入一定量的琼脂糖大分子可实现陶瓷料浆的原位凝固成型。相比于传统的有机基和水基陶瓷料浆，无毒的陶瓷料浆在更大程度上保证了操作过程和最终成品的安全性，具有更加广阔的发展空间，安全无毒符合生物医用材料的标准。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于快速高精度制备陶瓷牙的方法，即将无毒料浆3D凝胶打印制备方法与医用数字化扫描技术结合起来，通过医用数字化扫描技术获得口腔牙齿精确模型，然后经过3D凝胶打印制备方法将扫描模型精确的打印出来，最后经过高温烧结制得到最终产品。该方法具有精度高、成本低、工艺流程简单，材料利用率高、安全性强等优势。
本发明的具体工艺如下：
(1)口腔牙齿模型的获取：采用医用数字化扫描技术获取所需口腔牙齿的三维虚拟模型，然后运用医用模型分析软件对扫描后的模型进行适当的处理生成3D打印所需的三维数字模型文件。
(2)口腔陶瓷材料无毒料浆的配制：向去离子水中加入0.1～3wt％的分散剂，用氨水调节pH为8～12后加入平均粒度为0.1～30μm的生物医用陶瓷粉体，球磨1～24h混合均匀后加入0.01～5wt％的琼脂糖并将料浆加热到60～90℃之间的某一温度，保持此温度并强力搅拌10～60min，最终形成固相含量为30～80vol％，粘度为0.1～1.0Pa.s的无毒陶瓷料浆。
(3)口腔陶瓷牙的3D凝胶打印制备及烧结成型：将处理后的口腔牙齿模型文件导入计算机3D打印软件，然后将配制好的料浆加入到温度恒定的料筒内，合理设置打印机底板温度，由计算机3D打印软件控制3D打印机将料浆沿特定尺寸的喷头挤出并层层堆积凝固形成口腔陶瓷牙三维坯体，对坯体干燥后进行高温烧结形成最终产品。
所述的生物医用陶瓷粉体为氧化铝、氧化锆、氧化钛、羟基磷灰石等生物医用陶瓷粉体以及复合粉体。
所述的分散剂为油酸、聚乙烯吡咯烷酮、羧酸钠、柠檬酸铵、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸铵、六偏磷酸钠、聚乙二醇、聚乙烯亚胺等其中一种。
所述的喷头尺寸为0.1mm～1.5mm。
所述的打印机底板温度为10～50℃。
本发明的有益效果：与传统的口腔陶瓷牙制备工艺相比，本发明将现代先进的医疗扫描技术与无毒料浆的3D凝胶打印制备方法结合在一起生产口腔陶瓷牙，简化了生产的流程，降低了生产的成本，生产出的口腔陶瓷牙相比于传统制备工艺具有较高的复制精度，性能上也较好的满足使用要求。同时无毒料浆3D打印制备方法材料利用率高，可操作性和安全性强，与医用数字扫描技术结合起来易实现私人定制，具有广阔的发展前景。
具体实施方式
实施实例1：3D凝胶打印制备氧化锆陶瓷牙
(1)口腔牙齿模型的获取：通过医用数字化扫描技术对患者口腔进行扫描，获取患者口腔牙齿的精确模型，经医用模型分析软件对患者口腔牙齿模型进行适当处理后生成3D凝胶打印所需的三维数字模型文件。
(2)氧化锆无毒陶瓷料浆的配制：向50g去离子水中加入0.4wt％的分散剂聚丙烯酸铵，用氨水调节pH为9后加入平均粒度为10μm的氧化锆陶瓷粉体，球磨12h混合均匀后加入1wt％的琼脂糖并将料浆加热到85℃，保持温度为85℃强力搅拌30min后形成固相含量为57vol％，粘度为0.53Pa.s的无毒氧化锆陶瓷料浆。
(3)氧化锆陶瓷牙的3D凝胶打印制备及烧结成型：将步骤(1)中生成的患者口腔牙齿模型文件导入计算机3D打印软件中，将步骤(2)配制好的氧化锆无毒陶瓷料浆加入到温度为85℃的料筒中，设置打印机底板温度为30℃帮助坯体凝固，由计算机3D打印软件控制3D打印机将料浆沿直径为0.2mm的喷头挤出，层层堆积最终完成氧化锆陶瓷牙坯体的打印。将打印出的氧化锆陶瓷牙坯体干燥后进行高温烧结，经过冷却即可得到氧化锆陶瓷牙。
实施实例2：3D凝胶打印制备氧化铝陶瓷牙
(1)口腔牙齿模型的获取：通过医用数字化扫描技术对患者口腔进行扫描，获取患者口腔牙齿的精确模型，经医用模型分析软件对患者口腔牙齿模型进行适当处理后生成3D凝胶打印所需的三维数字模型文件。
(2)氧化铝陶瓷料浆的配制：向50g去离子水中加入1wt％的分散剂柠檬酸铵，用氨水调节pH为10后加入平均粒径为20μm的氧化铝陶瓷粉体，球磨6h混合均匀后加入0.7wt％的琼脂糖并将料浆加热到75℃，保持温度为75℃强力搅拌15min后形成固含量为54vol％，粘度为0.52Pa.s的无毒氧化铝陶瓷料浆。
(3)氧化铝陶瓷牙的3D凝胶打印制备及烧结成型:将步骤(1)中生成的患者口腔牙齿模型文件导入计算机3D打印软件中，将步骤(2)配制好的氧化铝陶瓷料浆加入到温度为75℃的料筒中，设置打印机底板温度为35℃，由计算机3D打印软件控制3D打印机将料浆沿直径为0.5mm的喷头挤出成型。将打印出的氧化铝陶瓷牙坯体干燥后进行高温烧结，经冷却即可得到氧化铝陶瓷牙。
实施实例3：3D凝胶打印制备3Y-TZP(3mol％氧化钇稳定的四方多晶氧化锆)陶瓷牙
(1)口腔牙齿模型的获取：通过医用数字化扫描技术对患者口腔进行扫描，获取患者口腔牙齿的精确模型，经医用模型分析软件对患者口腔牙齿模型进行适当处理后生成3D打印所需的三维数字模型文件。
(2)3Y-TZP陶瓷料浆的配制：向50g去离子水中加入0.8wt％的分散剂聚丙烯酸铵，用氨水调节pH为9后加入平均粒径为15μm的3Y-TZP陶瓷粉体，球磨24h后加入2wt％的琼脂糖并将料浆加热到87℃，保持温度为87℃强力搅拌20min后形成固相含量为60vol％，粘度为0.5Pa.s的3Y-TZP陶瓷料浆。
(3)3Y-TZP陶瓷牙的3D凝胶打印制备及烧结成型:将步骤(1)中生成的患者口腔牙齿模型文件导入计算机3D打印软件中，将步骤(2)配制好的3Y-TZP陶瓷料浆加入温度为87℃的料筒中，由计算机3D打印软件控制3D打印机将料浆沿直径为0.3mm的喷头挤出成型。将3D打印出的3Y-TZP陶瓷牙坯体干燥后进行高温烧结，经过冷却即可得到3Y-TZP陶瓷牙。

Claims (5)

1.一种口腔陶瓷牙3D凝胶打印制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)口腔牙齿模型的获取：首先采用医用数字化扫描技术获取所需口腔牙齿的三维虚拟模型，然后运用医用模型分析软件对扫描后的模型进行处理生成3D凝胶打印所需的三维数字模型文件；
(2)无毒料浆的配制：向去离子水中加入0.1～3wt％的分散剂，用氨水调节PH为8～12后加入平均粒度为0.1～30μm的生物医用陶瓷粉体，球磨1～24h混合均匀后加入0.01～5wt％的琼脂糖并将料浆加热到60～90℃之间的某一温度，保持此温度并强力搅拌10～60min，最终形成固相含量为30～80vol％，粘度为0.1～1.0Pa.s的无毒陶瓷料浆；
(3)口腔陶瓷牙的3D凝胶打印制备及烧结成型：将处理后的口腔牙齿模型文件导入计算机3D打印软件，然后将配制好的料浆加入到温度恒定的料筒内，合理设置打印机底板温度，由计算机3D打印软件控制3D打印机将料浆沿特定尺寸的喷头挤出并层层堆积凝固形成口腔陶瓷牙三维坯体，对坯体干燥后进行高温烧结形成最终产品。
2.如权利要求1所述的一种口腔陶瓷牙3D凝胶打印制备方法，其特征在于：所述的分散剂为油酸、聚乙烯吡咯烷酮、羧酸钠、柠檬酸铵、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸铵、六偏磷酸钠、聚乙二醇、聚乙烯亚胺其中的一种或几种组合。
3.如权利要求1所述的一种口腔陶瓷牙3D凝胶打印制备方法，其特征在于：所述的生物医用陶瓷粉体为氧化铝、氧化锆、氧化钛、羟基磷灰石物陶瓷粉体以及复合粉体。
4.如权利要求1所述的一种口腔陶瓷牙3D凝胶打印制备方法，其特征在于：所述的喷头尺寸为0.1mm～1.5mm。
5.如权利要求1所述的一种口腔陶瓷牙3D凝胶打印制备方法，其特征在于：所述的打印机底板温度为10～50℃。
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