CN108926399A - 金属3d打印制备功能梯度牙种植体方法 - Google Patents

金属3d打印制备功能梯度牙种植体方法 Download PDF

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Abstract

一种金属3D打印制备功能梯度牙种植体方法，基于牙种植体三维模型，由内而外依次以激光熔融沉积技术(LMP)打印出功能梯度材质的牙根和单一材质的基台部分；本发明通过一体成型牙根和基台，解决因机械结合不牢导致的微动磨损和松动而导致的微泄露；可有有效的缓解传统Ti6Al4V合金牙根高模量所引起的应力屏蔽现象和有毒元素Al、V的释放，同时牙根和基台的一体化可以有效保证牙根‑基台结合的机械稳定性和生物力学稳定性。

Description

金属3D打印制备功能梯度牙种植体方法
技术领域
本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术，具体是一种金属3D打印制备功能梯度牙种植体方法。
背景技术
牙种植体以特定方式从里到外固定在颌骨上，根据其服役情况，其植入颌骨内的部分与颌骨外的部分所要求的性能是不同的。内部应具有良好的成骨性、无毒性和与自然骨相匹配的弹性模量，外部应具有足够的力学强度承受咬合力。目前，临床上种植体和基台都是都过机械连接方式结合在一起，当种植体上部结构在咬合力的长期作用下产生微动，使得种植体与基台之间产生微间隙，进而导致微渗漏而增加软组织炎症的风险。
临床上广泛使用的牙种植体材料为CP-Ti和Ti6Al4V合金，但在长期使用过程中，伴随牙根的腐蚀磨损现象，Ti6Al4V合金中的Al和V元素的持续释放可能会引起炎症和神经系统疾病。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种金属3D打印制备功能梯度牙种植体方法，通过一体成型牙根和基台，解决因机械结合不牢导致的微动磨损和松动而导致的微泄露。本发明可有有效的缓解传统Ti6Al4V合金牙根高模量所引起的应力屏蔽现象和有毒元素Al、V的释放，同时牙根和基台的一体化可以有效保证牙根-基台结合的机械稳定性和生物力学稳定性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种金属3D打印的功能梯度牙种植体的制造方法，基于牙种植体三维模型，由内而外依次以激光熔融沉积技术(LMP)打印出功能梯度材质的牙根和基台部分。
所述的牙种植体三维模型，通过三维CT扫描口腔中缺失牙的部分，从而获取所述牙种植体本体的基础三维外形数据，并增加基台的三维外形数据，重构出完整的牙种植体三维模型。
所述的打印，在惰性气体的环境下打印；优选为在充有惰性气体且氧含量50ppm以下的环境箱内采用双料筒的同轴送粉方式进行打印。
所述的功能梯度材质，通过调节送粉速度控制，依次采用预合金化的Ti6Al4V粉末、Ti6Al4V粉末和β钛合金的混合粉末以及β钛合金粉末打印出牙根的内部、过渡区域和外部。
所述的Ti6Al4V和β钛合金粉末预先经烘烤以提高粉末流动性，优选为真空箱中烘烤1小时。
所述的基台部分，采用但不限于预合金化的Ti6Al4V合金粉末。
本发明涉及上述方法制备得到的金属3D打印的功能梯度牙种植体，包括：由内而外一体成型的基台结构和功能梯度结构的牙根，其中：牙根直接固定在颌骨上，牙冠固定在基台上。
所述的功能梯度结构包括：Ti6Al4V合金的内部以及β钛合金的外部。
技术效果
与现有技术相比，本发明牙根采用Ti6Al4V合金和低模量高耐蚀无毒β钛合金构成的功能梯度结构，既保持了其满足使用条件下的高强度要求同时解决了Ti6Al4V高模量导致的应力屏蔽效应和长期服役下Al、V等有毒元素的释放问题；采用金属3D打印技术实现牙根与基台的一体化和个性化制造，克服了传统牙种植体牙根-基台之间由于接触不牢和微动磨损所导致的松动和微渗漏问题。
附图说明
图1为本发明一体化功能梯度牙种植体示意图；
图中：1基台、2牙根内部、3牙根过渡区域、4牙根外部；
图2为金属3D打印工作示意图；
图中：5激光、6工件、7基板、8第一粉末喷嘴、9第二粉末喷嘴；
图3为Ti6Al4V-TNTZO梯度材料界面形貌。
具体实施方式
本实施例中，首先利用医学成像技术获得牙种植体本体的基础三维外形数据，并增加基台的三维外形数据，重构出完整的牙种植体三维模型。
本实施例采用的Ti6Al4V和β钛合金粉末的平均粒径为100μm，其中钛合金分别为Ti6Al4V和具有应用前景的β钛合金-“橡胶金属”TNTZO即Ti-39Nb-3Ta-2Zr-0.35Owt.％合金粉末。在制造之前，粉末放入真空加热箱中烘烤1h左右，去除粉末中含有的水分以提高粉末的流动性。
如图2所示，本实施例具体步骤如下：根据设定的打印程序，选用的激光功率为900W，光斑直径1mm，能量大小呈高斯分布；激光的扫描速度为10mm/s，熔道搭接率为40％。在TC4基板上进行双金属粉末打印；当牙根外部4时采用单一的TNTZO合金，即TNTZO合金料筒送粉速度100％，打印牙根内部2时Ti6Al4V料筒中粉末流速为100％。牙根过渡区域3为Ti6Al4V与TNTZO合金的混合过渡区域，由内到外逐渐降低Ti6Al4V送粉速度，具体为：以20％速度减小Ti6Al4V送粉速度(rpm)的同时提高TNTZO的送粉速度(rpm)，直至在牙根外部4全部为低模量TNTZO钛合金。基台部分1采用高强的Ti6Al4V合金。
将所获得的牙种植体进行除油、表面矿化等后处理。
如图1所示，为本实施例制备得到的牙种植体，其牙根和基台整体采用金属3D打印方法制造，从而实现功能梯度结构，所得产品界面形貌如图3所示。
所用材料均为钛合金。根据服役需求，图1中牙根内部2采用高强韧性钛合金，外部4采用与自然骨模量相匹配的钛合金；基台采用高强韧性钛合金。
图1中牙根内部2、基台1采用Ti6Al4V合金，保证其所需的高强性和耐磨性，牙根外部4采用无毒性低模量β钛合金，以减缓应力屏蔽效应和抑制有毒元素的释放。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种金属3D打印的功能梯度牙种植体的制造方法，其特征在于，基于牙种植体三维模型，由内而外依次以激光熔融沉积技术(LMP)打印出功能梯度材质的牙根和基台部分；
所述的功能梯度材质，通过调节送粉速度控制，依次采用预合金化的Ti6Al4V粉末、Ti6Al4V粉末和β钛合金的混合粉末以及β钛合金粉末打印出牙根的内部、过渡区域和外部。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的牙种植体三维模型，通过三维CT扫描口腔中缺失牙的部分，从而获取所述牙种植体本体的基础三维外形数据，并增加基台的三维外形数据，重构出完整的牙种植体三维模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的打印，在惰性气体的环境下打印。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的打印，为在充有惰性气体且氧含量50ppm以下的环境箱内采用双料筒的同轴送粉方式进行打印。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的Ti6Al4V和β钛合金粉末预先经烘烤以提高粉末流动性。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征是，所述的Ti6Al4V和β钛合金粉末预先经烘烤1小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的基台部分，采用预合金化的Ti6Al4V合金粉末。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的调节送粉速度控制是指：选用的激光功率为900W，光斑直径1mm，能量大小呈高斯分布；激光的扫描速度为10mm/s，熔道搭接率为40％；在TC4基板上进行双金属粉末打印；当牙根外部时采用单一的TNTZO合金，即TNTZO合金料筒送粉速度100％，打印牙根内部时Ti6Al4V料筒中粉末流速为100％；牙根过渡区域为Ti6Al4V与TNTZO合金的混合过渡区域，由内到外逐渐降低Ti6Al4V送粉速度，具体为：以20％速度减小Ti6Al4V送粉速度(rpm)的同时提高TNTZO的送粉速度(rpm)，直至在牙根外部4全部为低模量TNTZO钛合金。基台部分1采用高强的Ti6Al4V合金。
9.一种通过上述任一权利要求所述方法制备得到的金属3D打印的功能梯度牙种植体，其特征在于，包括：由内而外一体成型的基台结构和功能梯度结构的牙根，其中：牙根直接固定在颌骨上，牙冠固定在基台上。
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