CN107233628B - 用人工骨材料熔融沉积成型3d打印个性化人工牙的方法 - Google Patents

用人工骨材料熔融沉积成型3d打印个性化人工牙的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，包括聚醚醚酮悬浮液的配制、羟基磷灰石晶须悬浮液的配制、人工骨材料的复合制备、人工牙的三维造型设计、熔融沉积成型3D打印人工牙和人工牙种植导板、人工牙植入部分的表面处理等六个步骤。本发明采用聚醚醚酮与羟基磷灰石晶须复合成人工骨材料作为人工牙的原料，并采用熔融沉积成型3D打印的方式打印成人工牙，再经表面处理工艺使人工牙植入部分表面的羟基磷灰石晶须端头露出，进而对细胞的粘附、增殖和分化有重要促进作用。本方法可以快速制备个性化人工牙来进行种植，费用最低而且安全。通过本方法制备出来的人工牙生物相容性和骨结合强度比常规人工牙更好。

Description

用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法
技术领域
本发明涉及一种人工牙的制备方法，具体是一种用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，属于牙科医用材料制备技术领域。
背景技术
成人在患牙周炎或龋齿晚期时，牙齿会出现松动，不能继续使用，严重影响进食，需要进行拔牙处理，拔牙后要及时在相应的位置替换成人工牙，目的是让有功能的人工牙来替代自然牙对牙槽骨传递力的刺激，防止牙槽骨废用性萎缩。目前种植人工牙有即刻种植、常规种植和延时种植三种种植方式。即刻种植是指患者在拔牙的同时立即植入种植体的方法，由于采取在患者新鲜的拔牙创口立即植入种植体，不需像常规种植那样等待拔牙3～6月拔牙创伤修复后才种植，所以即刻种植能缩短疗程，降低费用，防止牙槽骨吸收。但是，即刻种植时种植体在拔牙窝需要与骨组织形成很好的贴附才能获得较高的种植成功率，现在使用的预成种植体几乎都是6～8°锥的圆柱形单根牙种植体，而牙拨除后的拨牙窝几乎都是扁圆椎形，多根牙的拔牙窝还呈现出口大并带有扁锥型尖小山峰状，现有的预成种植体无法满足要求，这就需要根据拨牙窝具体大小和形状来制备种植体。
对于上磨牙来说，如果按常规种植的方式，常规拔牙后三个月后才修复上磨牙，拔牙窝很快塌陷，颊侧牙槽骨很快萎缩，颊侧牙槽骨骨量不足，高度不够，会导致上颌磨牙种植困难。虽然现在可以通过植骨填高上颌窦底，但手术麻烦且患者花费太多，所以临床上需要用和拔牙窝一样形态且与原有牙一样大小的个性化人工牙来进行种植。由于上颌牙牙槽骨比较疏松，为了稳定和抗压，生理上上颌磨牙都是多根牙，用人工牙替代时，种植体的牙根还需要设有锯齿状防退出齿。这种类型的个性化人工牙以常规方式很难加工成型，唯有用3D打印的方式才能实现快速成型。
3D打印技术是一种正在迅速发展的快速成型技术。随着电子信息技术的发展及口腔数字化诊疗技术的应用，3D打印技术已逐步应用在口腔临床各领域。在牙科种植领域，3D打印可根据计算机设计模型或CT扫描数据制造出任意形状植入体，因此可用于快速成型个性化人工牙。熔融沉积成型（FDM）是3D打印技术的一种，其工艺是通过将热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的打印头喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积，每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。采用熔融沉积成型3D打印个性化人工牙，过程简便、快捷，原材料利用率高，但也存着材料选用问题和喷嘴的矛盾，喷嘴越小越精密，但喷嘴小而材料粘度大时又会出现挤不出现象。
晶须是一种以单晶形式生长成的针状微晶体，其强度接近于完整晶体的理论值。对于同一物质，晶须的力学强度要比多晶大1000倍，而且晶须能像纤维一样依靠桥接、裂纹偏转和拨出效应吸收能量。由于晶须的强度远高于其他短纤维，因此其主要用作复合材料的增强体，用于制造高强度复合材料。经羟基磷灰石晶须增强后的生物陶瓷，不论是普通生物陶瓷还是多孔生物陶瓷，其强度都能增加40%，而且晶须复合体在普通X光下可以显影，便于临床观察。晶须的制备方法有高温高压合成法和水热合成法等，对于羟基磷灰石晶须来说，高温高压合成，设备复杂价格昂贵，制备成本高，且高温高压会使羟基磷灰石失去生物活性羟基，因此更适于采用水热合成法来制备生物活性晶须，水热合成法设备简单造价低廉，产量大，而且采用水热合成法制备的羟基磷灰石晶须能保持生物活性，可充分发挥磷酸钙盐、单晶体和纤维的综合优势。2013年昆明理工大学陈庆华教授发明一种水热均相沉淀法，能够制备出长度达800甚至1500μm长的晶须，长径比为100～500，甚至达700。其制备方法简单，产量高，长径比更好，而且价格低廉。利用漂浮法可以筛选分成100～400μm的短晶须和500～800μm的长晶须以及800～1500μm的特长晶须。
聚醚醚酮（PEEK）是一种具有高强度、高断裂韧性的塑料，其耐疲劳性可与合金媲美。医用级PEEK具有很好的生物相容性、无细胞毒性、无诱变性、无致癌性，不引起过敏，还具有极强的耐腐蚀、耐水解和耐化学性，而且其具有良好的机械性能，是目前研究得较为广泛的人工骨材料之一。PEEK只有浓硫酸能溶解硫化，硫化聚醚醚酮（SPEEK）的生物惰没有改变，没有毒性。其它溶剂如丙酮只能对PEEK进行表面溶胀，待丙酮浑发以后又恢复原样。PEEK和羟基磷灰石晶须复合成人工骨材料，晶须经PEEK胶合成晶须立体结构的网络，其力学性能不亚于皮质骨，而且韧性更好。
因此，我们选择以PEEK和羟基磷灰石晶须复合成人工骨材料作为熔融沉积成型3D打印人工牙的原材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，用于解决临床上需要用和拔牙窝一样形态且与原有牙一样大小的个性化人工牙来进行种植的需求。
本发明的具体技术方案如下：
一种用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，包括以下步骤：
（1）、聚醚醚酮悬浮液的配制
取医用级聚醚醚酮粉剂与甘油和乙醇混合，甘油作为分散剂，乙醇作为溶剂，按10g聚醚醚酮配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的聚醚醚酮混悬液，再经高速打磨机研磨成聚醚醚酮悬浮液备用。
（2）、羟基磷灰石晶须悬浮液的配制
取直径为0.1～1μm，长度为100～200μm的亚纳米羟基磷灰石短晶须与甘油和乙醇混合，甘油作为分散剂，乙醇作为溶剂，按10g羟基磷灰石晶须配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的羟基磷灰石晶须混悬液，再经高速打磨机研磨成羟基磷灰石晶须悬浮液备用。
（3）人工骨材料的复合制备
取上述步骤得到的聚醚醚酮悬浮液和羟基磷灰石晶须悬浮液按60：40的体积配比用搅拌机混合均匀，再用抽滤机抽滤掉混合液中的甘油和乙醇，并放入干燥机中以60℃干燥，得到的干燥混合料在0.5～5Mpa的压力下加热至340～350℃，然后经注塑机注塑形成长度为6～12mm直径为φ6mm的圆柱状人工骨材料棒材，将棒材装入小钢筒中备用。
（4）、人工牙的三维造型设计
根据CBCT断层扫描拔牙窝形态和原有牙大小情况的数据用计算机设计人工牙和人工牙种植导板的三维造型，人工牙采用一段式种植体，种植体植入部分设有锯齿形螺纹，螺纹表面开有多条纵向凹槽，纵向凹槽将各圈螺纹分割成数个沟齿。
（5）、熔融沉积成型3D打印人工牙和人工牙种植导板
将步骤（3）得到的装有人工骨材料棒材的小钢筒装进熔融沉积成型3D打印机加热腔中，将步骤（4）中设计好的人工牙和人工牙种植导板的三维造型数据导入3D打印机的控制软件中并转化为相应的分层数据，对小钢筒进行加温,加压将3D打印机小钢筒中的人工骨材料从加热的打印头喷嘴挤出，按照人工牙和人工牙种植导板每一层的分层数据进行熔体沉积，层厚设为100～200μm，层层迭加沉积后即可实现人工牙的快速成型。
（6）、人工牙植入部分的表面处理
对步骤（5）得到的人工牙的植入部分进行表面处理有两种方法：
方法A：用小喷头热空气喷枪以400～500℃的温度对步骤（5）得到的人工牙的植入部分进行瞬间喷射，使表层的PEEK熔化，让羟基磷灰石晶须的晶须端头显露出来；在进行种植前还需在人工牙的植入部分表面露出的晶须端头上喷附一层生长因子。
方法B：将步骤（5）得到的人工牙的植入部分放入浓硫酸中10～60秒，用浓硫酸溶掉一层厚度为10～30μm 的PEEK表皮，里层的PEEK被硫化形成SPEEK，再将人工牙取出用水冲洗干净，干燥后人工牙的植入部分表面有羟基磷灰石晶须的晶须端头显露出来；在进行种植前还需在人工牙的植入部分表面露出的晶须端头上喷附一层生长因子。
本发明采用聚醚醚酮与羟基磷灰石晶须复合成人工骨材料作为人工牙的原料，将原料制成热塑性棒材作为3D打印的熔料，然后采用熔融沉积成型3D打印的方式将熔料打印成人工牙，再经表面处理工艺使人工牙植入部分表面的羟基磷灰石晶须端头露出，裸露的晶须端头丛对细胞的粘附、增殖和分化有重要促进作用。本方法可以快速制备和拔牙窝一样形态且与原有牙一样大小的个性化人工牙来进行种植，而且使用材料都是一般性材料，在3D打印中本方法最为简单，不需使用造价昂贵的激光器，费用最低而且安全。通过本方法制备出来的人工牙生物相容性和骨结合强度比常规人工牙更好，可用于即可种植，避免因拔牙后牙槽窝陷骨量不足需另建立人工牙就位点等问题。
附图说明
图1为本发明制备的单根人工牙造型示意图。
图2为本发明制备的多根人工牙造型示意图。
图中:1-人工牙冠，2-人工牙种植体，2.1-纵向凹槽。
具体实施方式
本发明的用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，包括以下步骤：
（1）、聚醚醚酮悬浮液的配制
取医用级聚醚醚酮粉剂与甘油和乙醇混合，甘油作为分散剂，乙醇作为溶剂，按10g聚醚醚酮配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的聚醚醚酮混悬液，再经高速打磨机研磨成聚醚醚酮悬浮液备用。
在本步骤中，如需使X线显影性更好，混合时还可加入1～5%重量比的硫酸钡粉。
（2）、羟基磷灰石晶须悬浮液的配制
取直径为0.1～1μm，长度为100～200μm的亚纳米羟基磷灰石短晶须与甘油和乙醇混合，甘油作为分散剂，乙醇作为溶剂，按10g羟基磷灰石晶须配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的羟基磷灰石晶须混悬液，再经高速打磨机研磨成羟基磷灰石晶须悬浮液备用。
在本步骤中采用的直径为0.1～1μm的短晶须既有羟磷灰石的生物活性，同时具有晶须特有的力学性能，而且不受之后步骤融熔温度的影响。
（3）人工骨材料的复合制备
取上述步骤得到的聚醚醚酮悬浮液和羟基磷灰石晶须悬浮液按60：40的体积配比用搅拌机混合均匀，再用抽滤机抽滤掉混合液中的甘油和乙醇，并放入干燥机中以60℃干燥，得到的干燥混合料在0.5～5Mpa的压力下加热至340～350℃，然后经注塑机注塑形成长度为6～12mm直径为φ6mm的圆柱状人工骨材料棒材，将棒材装入小钢筒中备用。
（4）、人工牙的三维造型设计
根据CBCT断层扫描拔牙窝形态和原有牙大小情况的数据用计算机设计人工牙和人工牙种植导板的三维造型，人工牙采用一段式种植体，种植体植入部分设有锯齿形螺纹，螺纹表面开有多条纵向凹槽，纵向凹槽将各圈螺纹分割成数个沟齿。
在本步骤中，熔融沉积的产品精度欠佳，所以加工的人工牙种植体不能有中心连接，必须设计成一段式种植体。单根人工牙和多根人工牙的三维造型设计分别如图1和图2所示，所述锯齿形螺纹呈30～60°的斜角，螺距为1.6～2mm，螺纹高度为0.3～0.5mm。锯齿形螺纹和纵向凹槽的作用是有利于种植体植入拔牙窝，并增大退出阻力以增强螺纹防松效果。
另外在本步骤中，在CBCT断层扫描拔牙窝形态前须将拨牙窝清刮干净，需要加深扩大要先加深扩大，然后再进行CBCT断层扫描，以确保扫描数据的精确性。
（5）、熔融沉积成型3D打印人工牙和人工牙种植导板
将步骤（3）得到的装有人工骨材料棒材的小钢筒装进熔融沉积成型3D打印机加热腔中，将步骤（4）中设计好的人工牙和人工牙种植导板的三维造型数据导入3D打印机的控制软件中并转化为相应的分层数据，对小钢筒进行加温,加压将3D打印机小钢筒中的人工骨材料从加热的打印头喷嘴挤出，按照人工牙和人工牙种植导板每一层的分层数据进行熔体沉积，层厚设为100～200μm，层层迭加沉积后即可实现人工牙的快速成型。
在本步骤中，为了防止喷嘴冷凝和工件撬动变形，打印时3D打印机工作箱中的温度维持在100～160℃。喷嘴越小越精密，但喷嘴小而材料粘度大时又会出现挤不出现象。为了平衡精度和材料粘度的关系，打印头喷嘴采用直径为500μm的小喷嘴。打印出来的人工牙由于其内的羟基磷灰石晶须和PEEK复合交织成晶须网，因此力学性能和韧性都很好。
在本步骤中，装有人工骨材料棒材的小钢筒装进熔融沉积成型3D打印机加热腔时采用类似子弹装入弹夹的方式进行，打印时压料管快速伸入小钢筒中，将其内的加温熔融的人工骨材料通过打印头喷嘴挤出，一个小钢筒内的原料用完后自动脱出并切换至下一个小钢筒，非常方便。
（6）、人工牙植入部分的表面处理
对步骤（5）得到的人工牙的植入部分进行表面处理有两种方法：
方法A：用小喷头热空气喷枪以400～500℃的温度对步骤（5）得到的人工牙的植入部分进行瞬间喷射，使表层的PEEK熔化，让羟基磷灰石晶须的晶须端头显露出来；在进行种植前还需在人工牙的植入部分表面露出的晶须端头上喷附一层生长因子。
方法B：将步骤（5）得到的人工牙的植入部分放入浓硫酸中10～60秒，用浓硫酸溶掉一层厚度为10～30μm 的PEEK表皮，里层的PEEK被硫化形成SPEEK，再将人工牙取出用水冲洗干净，干燥后人工牙的植入部分表面有羟基磷灰石晶须的晶须端头显露出来；在进行种植前还需在人工牙的植入部分表面露出的晶须端头上喷附一层生长因子。
本步骤中，人工牙植入部分表面的羟基磷灰石晶须端头露出可以确保羟基磷灰石的生物活性，众多露出来的晶须端头可以成为种子细胞提供良好的生活场所，晶须端头丛对细胞的粘附、增殖和分化有重要促进作用。
本步骤中，植入前在人工牙的植入部分表面露出的晶须端头上喷附一层生长因子可以在短期内获得更高的生物活性，所述生长因子可以采用骨形态发生蛋白BMP2。

Claims (6)

1.一种用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、聚醚醚酮悬浮液的配制
取医用级聚醚醚酮粉剂与甘油和乙醇混合，甘油作为分散剂，乙醇作为溶剂，按10g聚醚醚酮配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的聚醚醚酮混悬液，再经高速打磨机研磨成聚醚醚酮悬浮液备用；
（2）、羟基磷灰石晶须悬浮液的配制
取直径为0.1～1μm，长度为100～200μm的亚纳米羟基磷灰石短晶须与甘油和乙醇混合，甘油作为分散剂，乙醇作为溶剂，按10g羟基磷灰石晶须配45ml甘油和45ml乙醇的配比混合成10%的羟基磷灰石晶须混悬液，再经高速打磨机研磨成羟基磷灰石晶须悬浮液备用；
（3）人工骨材料的复合制备
取上述步骤得到的聚醚醚酮悬浮液和羟基磷灰石晶须悬浮液按60：40的体积配比用搅拌机混合均匀，再用抽滤机抽滤掉混合液中的甘油和乙醇，并放入干燥机中以60℃干燥，得到的干燥混合料在0.5～5Mpa的压力下加热至340～350℃，然后经注塑机注塑形成长度为6～12mm直径为φ6mm的圆柱状人工骨材料棒材，将棒材装入小钢筒中备用；
（4）、人工牙的三维造型设计
根据CBCT断层扫描拔牙窝形态和原有牙大小情况的数据用计算机设计人工牙和人工牙种植导板的三维造型，人工牙采用一段式种植体，种植体植入部分设有锯齿形螺纹，螺纹表面开有多条纵向凹槽，纵向凹槽将各圈螺纹分割成数个沟齿；
（5）、熔融沉积成型3D打印人工牙和人工牙种植导板
将步骤（3）得到的装有人工骨材料棒材的小钢筒装进熔融沉积成型3D打印机加热腔中，将步骤（4）中设计好的人工牙和人工牙种植导板的三维造型数据导入3D打印机的控制软件中并转化为相应的分层数据，对小钢筒进行加温,加压将3D打印机小钢筒中的人工骨材料从加热的打印头喷嘴挤出，按照人工牙和人工牙种植导板每一层的分层数据进行熔体沉积，层厚设为100～200μm，层层迭加沉积后即可实现人工牙的快速成型；
（6）、人工牙植入部分的表面处理
用小喷头热空气喷枪以400～500℃的温度对步骤（5）得到的人工牙的植入部分进行瞬间喷射，使表层的PEEK熔化，让羟基磷灰石晶须的晶须端头显露出来；在进行种植前还需在人工牙的植入部分表面露出的晶须端头上喷附一层生长因子。
2.根据权利要求1所述的用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，其特征是：所述步骤（6）人工牙植入部分的表面处理方法采用以下方法替代：
将步骤（5）得到的人工牙的植入部分放入浓硫酸中10～60秒，用浓硫酸溶掉一层厚度为10～30μm 的PEEK表皮，里层的PEEK被硫化形成SPEEK，再将人工牙取出用水冲洗干净，干燥后人工牙的植入部分表面有羟基磷灰石晶须的晶须端头显露出来；在进行种植前还需在人工牙的植入部分表面露出的晶须端头上喷附一层生长因子。
3.根据权利要求1所述的用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，其特征是：在所述步骤（1）中，混合时还加入1～5%重量比的硫酸钡粉。
4.根据权利要求1所述的用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，其特征是：在所述步骤（4）中，所述锯齿形螺纹呈30～60°的斜角，螺距为1.6～2mm，螺纹高度为0.3～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，其特征是：在所述步骤（5）中，打印时3D打印机工作箱中的温度维持在100～160℃，打印头喷嘴采用直径为500μm的小喷嘴。
6.根据权利要求1或2所述的用人工骨材料熔融沉积成型3D打印个性化人工牙的方法，其特征是：在所述步骤（6）中，所述生长因子采用骨形态发生蛋白BMP2。
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