CN110478071A - 一种义齿及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于义齿技术领域，具体涉及一种义齿及其制备方法和应用。所述义齿具有双层结构，其包括内层和外层结构，所述外层结构包覆在内层结构表面，内层结构的材质为硅磷酸钙和改性剂，外层结构的材质为聚醚醚酮、生物陶瓷材料粉体和改性剂；所述改性剂为环氧树脂。本发明双层结构的义齿既克服了整个义齿均使用聚醚醚酮/氧化锆制备的方法存在成本较高、力学性能不足及表面较软的问题，又克服了单独采用硅磷酸钙制作义齿存在的力学性能较低等问题。同时，本发明通过以环氧树脂作为改性剂，有效提升硅磷酸钙和生物陶瓷的热吸收性能，使本发明的义齿组分满足了选择性激光烧结技术对材料的打印要求，实现了本发明义齿在常规3D打印温度下的制备。
Description
技术领域
本发明属于义齿技术领域，具体涉及一种义齿及其制备方法和应用。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
聚醚醚酮（PEEK）是在主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高聚物，属于特种高分子材料，具有无毒、质轻、耐腐蚀、耐高温等物理化学性能，具有优良的生物相容性，是与人体骨骼最接近的材料，在过去十年间，聚醚醚酮材料代替金属人体骨骼、牙齿制造领域得到了广泛的应用。例如，专利文献201810994658.7公开了一种聚醚醚酮/氧化锆复合材料义齿的制造方法，制造义齿的复合材料是由聚醚醚酮和氧化锆混合而成，其中氧化锆的质量占比为1％~10％；该制造方法通过3D打印方法得到义齿，其制造的义齿既解决了聚醚醚酮义齿由于材质较软而最终抛光难度大的问题，同时又解决了氧化锆义齿由于硬度过高而对对侧自然牙齿过量磨损的问题。
氧化铝陶瓷材料陶瓷在与机体组织的结合方面属生物惰性材料，这种陶瓷还具有较高的机械强度、硬度、耐磨性和化学惰性。由于氧化铝表面的亲水性，构成了薄薄(<5nm)的水合层，该层吸收水并形成有助于生物良好相容的保护膜。氧化铝的某些性质不同于氧化锆，因而用其制成骨修复装置要比用氧化锆好得多。例如，氧化铝的硬度要比氧化锆大2~3倍，而且氧化铝比氧化锆轻25%。此外，氧化铝陶瓷一个显著特点是使用寿命长，在长期存留于机体中的条件下，这种陶瓷能保持物理和生物化学性能，从而构成了无反应植入和长期使用的良好先决条件，也使它在作为口腔和骨移植物方面具有特殊的应用前景。例如，专利文献201811580472.3公开了一种高温合金粉末3D打印局部义齿，包括基底材料层和饰面材料层，基底材料层包括：氧化锆30~50重量份；氧化铝12~15重量份；氮化钛6~9重量份；着色剂1~5重量份。
硅磷酸钙是一种生物陶瓷，与天然骨组织中的无机成分相同，因其良好的生物相容性和骨传导性等成为理想的骨替代材料之一，又被称之为骨水泥，其既具有磷酸钙材料的生物活性，又有一定可塑性和机械强度，对肌肉组织无刺激，是很好的生物医疗材料。然而，本发明人认为：单独采用这种材料制备义齿时仍然存在机械强度不足等问题。
发明内容
针对前述的现有技术，本发明发现，整个义齿均使用聚醚醚酮/氧化锆制备的方法存在成本较高、力学性能不足及表面较软的问题，而单独用硅磷酸钙陶瓷制作义齿也存在力学性能较低以及美观度方面的问题。为此，本发明提供一种义齿及其制备方法和应用。本发明的义齿具有内层及外层结构，这种结构的义齿兼具良好的力学性能和适合的硬度。
本发明第一目的，是提供一种义齿。
本发明第二目的，是提供一种义齿的制备方法。
本发明第三目的，是提供所述义齿及其制备方法的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开一种义齿，按质量百分比计，其包括下列组分：硅磷酸钙、聚醚醚酮、生物陶瓷材料粉体和改性剂，所述改性剂为环氧树脂。
其次，本发明公开一种具有双层结构的义齿，其由内层结构和外层结构构成，所述外层结构包覆在内层结构表面，且所述内层结构的材质为硅磷酸钙和改性剂；所述外层结构的材质为聚醚醚酮、生物陶瓷材料粉体和改性剂；所述改性剂为环氧树脂。
作为进一步的技术方案，所述内层结构中，改性剂的质量百分比为：30%～40%。
作为进一步的技术方案，所述外层结构中，改性剂的质量百分比为：30%～40%。
作为进一步的技术方案，所述外层结构中，生物陶瓷材料粉体的质量百分比为5～15%。
作为进一步的技术方案，所述内层结构和外层结构的比例，技术人员可根据需要进行灵活调整，本发明不做具体限定。
作为进一步的技术方案，所述内层材料为硅磷酸钙粉体。硅磷酸钙具有良好的生物相容性和骨传导性，与天然骨组织中的无机成分相同，是一种理想的骨替代材料，其既具有磷酸钙材料的生物活性，又有一定可塑性和机械强度，对肌肉组织无刺激，是很好的生物医疗材料。
作为进一步的技术方案，所述生物陶瓷材料包括氧化锆、氧化铝、密羟基磷灰石、生物活性玻璃等。优选为氧化铝，相比于氧化锆等其他几种材料，氧化铝具有更低的成本，同时也具备制备义齿需要的强度、硬度、耐磨性、化学惰性以及生物相容性等。
作为进一步的技术方案，所述环氧树脂优选为环氧树脂EP06和EP12。本发明人在采用3D打印技术制备上述组分的义齿过程中发现：打印效果很差，烧结过程中粉末没有完全熔化，且之间没有受到压力，因此孔隙无法消除，最终得到的制件性能与传统制件相比仍有较大差距，存在残余应力大、致密度低、强度低等缺陷，甚至出现“球化现象”。为此，本发明进一步研究、分析后发现：这主要是由于和生物陶瓷（如氧化锆、氧化铝、硅磷酸钙）属于等高熔点材料热吸收性不好导致的，若是直接成型，则需要提供非常高的打印温度，但这对激光器要求十分苛刻，而且也会导致义齿的制备成本显著提升，工业实用性被显著削弱。为此，发明人又探索了解决上述问题的技术方案，发现：以环氧树脂作为改性剂后能够显著提升这些生物陶瓷的热吸收性能，这是因为环氧树脂作为改性剂在烧结时能够促进物质的转移，能够成功烧结组织和性能都均匀的制件；同时，含有环氧树脂的粉末玻璃化转化温度较低，有利于材料的选择性激光烧结成型，能够满足选择性激光烧结技术对材料的要求。另外，环氧树脂还作为生物陶瓷粉体的粘结剂为义齿的打印提供了必须之条件。通过上述方法，本发明有效实现了上述组分的义齿在常规3D打印温度条件下的制备，有效降低了对打印设备的技术要求。
球化现象是金属粉末经激光或电子束熔化后，不能均匀地铺展于前一层，而是产生大量相互隔离的球状金属的一种现象，该缺陷主要危害是：（1）导致金属件组织内部存在孔隙，大大降低成形件的力学性能并增加了表面粗糙度；（2）凝固后的金属球又会使下一层的铺粉不均匀，且铺粉辊又会与前一层所产生的金属球相互摩擦，不但会破坏成形件的表面质量，而且当他们之间摩擦非常大时，铺粉辊将无法动弹，致使成形过程终止。
需要说明的是，进一步研究后发现，选择性激光烧结技术要求改性剂熔点低、液相条件下粘度低、能够较好地润湿基体材料。
再次，本发明公开一种双层义齿的制备方法，包括如下步骤：首先获取需要打印的义齿的尺寸信息，然后采用选择性激光烧结工艺打印义齿的内层结构，最后采用选择性激光烧结工艺打印义齿的外层结构，义齿制作完成后，进行调整和抛光，即得。
作为进一步的技术方案，所述双层义齿的制备方法中，内层结构和外层结构的材料粒径为30～50μm。
作为进一步的技术方案，所述双层义齿的制备方法中，内层结构的打印参数分别为：温度370℃～430℃，激光功率40～50W，扫描速度1500～2000mm/s，分层厚度0.05～0.1mm。
作为进一步的技术方案，所述双层义齿的制备方法中，外层结构的打印参数为：温度370℃～430℃，激光功率为40～50W，扫描速度为1500～2000mm/s，分层厚度为0.05～0.1mm。
作为进一步的技术方案，所述获取需要打印的义齿的尺寸信息的方法为：使用激光扫描装置等对义齿对侧牙齿CT数据进行形貌扫描，从而获取义齿表面形貌的三维数据信息，并将其导入到计算机三维软件ProE中不断完善义齿表面的三维数据信息，将模型分为内外两层。随后将生成的三维模型输出为STL文件导入到3D打印机切片软件Slic3r中进行切片层厚度，打印温度等参数的设置，必要时添加支撑。最后，将切片文件导入3D打印机中，即得。
或者，所述获取需要打印的义齿的尺寸信息的方法可参考现有技术中的方法进行，例如，专利文献201810994658.7公开的方法，本发明的在先申请（公开号CN109394367A）中公开的方法等，技术人员可根据需要选择。
最后，本发明公开所述义齿，双层义齿及其制备方法在医学领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
（1）本发明设计的双层结构的义齿既克服了整个义齿均使用聚醚醚酮/氧化锆制备的方法存在成本较高、力学性能不足及表面较软的问题，又克服了单独采用硅磷酸钙制作义齿存在的力学性能较低以及美观度方面的问题，按照本发明设计的结构制备的义齿兼具良好的力学性能和患者自然牙齿相匹配的硬度，使患者佩戴更舒适，且造型美观。
（2）本发明通过以环氧树脂作为改性剂，有效提升生物陶瓷的热吸收性能，使本发明的义齿组分满足了选择性激光烧结技术对材料的打印要求，实现了本发明的义齿在常规3D打印温度条件下的制备。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的双层义齿的结构示意图，其中，标记1代表内层结构，2代表外层结构，3代表外层结构中的生物陶瓷材料。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如前文所述，整个义齿均使用聚醚醚酮/氧化锆制备的方法存在成本较高、力学性能不足及表面较软等问题。因此，本发明提出了一种具有双层结构的义齿及其制备方法；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
参考图1，一种双层义齿，其由内层结构1和外层结构2构成，所述外层结构2包覆在内层结构1表面，且所述内层结构1的材质为硅磷酸钙和改性剂；所述外层结构2的材质为聚醚醚酮、生物陶瓷材料粉体和改性剂；所述改性剂为环氧树脂。
实施例2
一种双层义齿的制备方法，包括如下步骤：
1）获取义齿尺寸信息：使用激光扫描装置等对义齿对侧牙齿CT数据进行形貌扫描，从而获取义齿表面形貌的三维数据信息，并将其导入到计算机三维软件ProE中不断完善义齿表面的三维数据信息，将模型分为内外两层。随后将生成的三维模型输出为STL文件导入到3D打印机切片软件Slic3r中进行切片层厚度、扫描速度、打印温度等参数的设置，设置支撑材料；最后，将切片文件导入3D打印机中；
2）制备内外层义齿材料：将硅磷酸钙粉末与环氧树脂EP06按比例混合，改性剂质量比为32%，得内层结构材料，备用；将氧化铝质量占比为5%的聚醚醚酮/氧化铝复合材料加工至粒径为50μm的粉末复合材料，并与环氧树脂EP06混合， 改性剂质量比为40%，得外层结构材料，备用；
3）采用选择性激光烧结工艺打印义齿的内层结构：充入氩气作为保护气体，并升温至370℃，打印出内层义齿，其工艺参数为：激光功率40W，扫描速度1800mm/s，分层厚度0.1mm；
4）采用选择性激光烧结工艺打印义齿的外层结构，在打印温度为370℃的条件下，打印出复合材料的外部义齿，其工艺参数为激光功率为40W，扫描速度为1800mm/s，分层厚度为0.1mm；
5）撤去支撑材料，义齿制作完成后，对得到的组合义齿进行调整和抛光处理，得到的义齿表面光洁度Ra≤0.05μm，咬合面硬度为274HV。
实施例3
一种双层义齿的制备方法，包括如下步骤：
1）获取义齿尺寸信息：同实施例2；
2）制备内外层义齿材料：将硅磷酸钙粉末与环氧树脂EP12按比例混合，改性剂质量比为30%，得内层结构材料，备用；将氧化铝质量占比为8%的聚醚醚酮/氧化铝复合材料加工至粒径为40μm的粉末复合材料，并与环氧树脂EP12混合，改性剂质量比为32%，得外层结构材料，备用；
3）采用选择性激光烧结工艺打印义齿的内层结构：充入氩气作为保护气体，并升温至390℃，打印出内层义齿，其工艺参数为：激光功率45W，扫描速度1500mm/s，分层厚度0.1mm；
4）采用选择性激光烧结工艺打印义齿的外层结构，在打印温度为390℃的条件下，打印出复合材料的外部义齿，其工艺参数为激光功率为45W，扫描速度为1500mm/s，分层厚度为0.1mm；
5）撤去支撑材料，义齿制作完成后，对得到的组合义齿进行调整和抛光处理，得到的义齿表面光洁度Ra≤0.05μm，咬合面硬度为328HV。
实施例4
一种双层义齿的制备方法，包括如下步骤：
1）获取义齿尺寸信息：同实施例2；
2）制备内外层义齿材料：将硅磷酸钙粉末与环氧树脂EP06按比例混合，改性剂质量比为40%，得内层结构材料，备用；将氧化铝质量占比为11%的聚醚醚酮/氧化铝复合材料加工至粒径为40μm的粉末复合材料，并与环氧树脂EP06混合，改性剂质量比为36%，得外层结构材料，备用；
3）采用选择性激光烧结工艺打印义齿的内层结构：充入氩气作为保护气体，并升温至410℃，打印出内层义齿，其工艺参数为：激光功率50W，扫描速度1800mm/s，分层厚度0.05mm；
4）采用选择性激光烧结工艺打印义齿的外层结构，在打印温度为410℃的条件下，打印出复合材料的外部义齿，其工艺参数为激光功率为50W，扫描速度为1800mm/s，分层厚度为0.1mm；
5）撤去支撑材料，义齿制作完成后，对得到的组合义齿进行调整和抛光处理，得到的义齿表面光洁度Ra≤0.05μm，咬合面硬度为383HV。
实施例5
一种双层义齿的制备方法，包括如下步骤：
1）获取义齿尺寸信息：同实施例2；
2）制备内外层义齿材料：将硅磷酸钙粉末与环氧树脂EP12按比例混合，改性剂质量比为36%，得内层结构材料，备用；将氧化铝质量占比为15%的聚醚醚酮/氧化铝复合材料加工至粒径为30μm的粉末复合材料，并与环氧树脂EP12混合，改性剂质量比为30%，得外层结构材料，备用；
3）采用选择性激光烧结工艺打印义齿的内层结构：充入氩气作为保护气体，并升温至430℃，打印出内层义齿，其工艺参数为：激光功率50W，扫描速度2000mm/s，分层厚度0.05mm；
4）采用选择性激光烧结工艺打印义齿的外层结构，在打印温度为430℃的条件下，打印出复合材料的外部义齿，其工艺参数为激光功率为50W，扫描速度为2000mm/s，分层厚度为0.05mm；
5）撤去支撑材料，义齿制作完成后，对得到的组合义齿进行调整和抛光处理，得到的义齿表面光洁度Ra≤0.05μm，咬合面硬度为437HV。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种义齿，其特征在于，按质量百分比计，包括下列组分：硅磷酸钙、聚醚醚酮、生物陶瓷材料粉体和改性剂，所述改性剂为环氧树脂。
2.如权利要求1所述的义齿，其特征在于，所述改性剂的含量为30%~40%，质量分数；优选地，所述生物陶瓷材料包括氧化锆、氧化铝、密羟基磷灰石、生物活性玻璃中的任意一种，更优选为氧化铝。
3.一种具有双层结构的义齿，其特征在于，由内层结构和外层结构构成，所述外层结构包覆在内层结构表面，所述内层结构的材质为硅磷酸钙和改性剂；所述外层结构的材质为聚醚醚酮、生物陶瓷材料粉体和改性剂；所述改性剂为环氧树脂。
4.如权利要求3所述的具有双层结构的义齿，其特征在于，所述内层结构中，改性剂的质量百分比为：30%～40%。
5.如权利要求3所述的具有双层结构的义齿，其特征在于，所述外层结构中，改性剂的质量百分比为：30%～40%。
6.如权利要求3所述的具有双层结构的义齿，其特征在于，所述外层结构中，生物陶瓷材料粉体的质量百分比为5～15%。
7.如权利要求3-6任一项所述的具有双层结构的义齿，其特征在于，所述硅磷酸钙为硅磷酸钙；
优选地，所述生物陶瓷材料包括氧化锆、氧化铝、密羟基磷灰石，生物活性玻璃中的任意一种，更优选为氧化铝；
优选地，所述环氧树脂为环氧树脂EP06和EP12。
8.如权利要求3-6任一项所述的具有双层结构的义齿的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先获取需要打印的义齿的尺寸信息，然后采用选择性激光烧结工艺打印义齿的内层结构，最后采用选择性激光烧结工艺打印义齿的外层结构，义齿制作完成后，进行调整和抛光，即得。
9.如权利要求8所述的具有双层结构的义齿的制备方法，其特征在于，所述双层义齿的制备方法中，内层结构和外层结构的材料粒径为30～50μm；
优选地，所述双层义齿的制备方法中，内层结构的打印参数分别为：温度370℃～430℃，激光功率40～50W，扫描速度1500～2000mm/s，分层厚度0.05～0.1mm；
优选地，所述制备方法中，外层结构的打印参数为：温度370℃～430℃，激光功率为40～50W，扫描速度为1500～2000mm/s，分层厚度为0.05～0.1mm；
优选地，所述获取需要打印的义齿的尺寸信息的方法为：使用激光扫描装置对义齿对侧牙齿CT数据进行形貌扫描，从而获取义齿表面形貌的三维数据信息，并将其导入到计算机三维软件ProE中不断完善义齿表面的三维数据信息，将模型分为内外两层；随后将生成的三维模型输出为STL文件导入到3D打印机切片软件Slic3r中进行切片层厚度，设置打印参数，必要时添加支撑；最后，将切片文件导入3D打印机中，即得。
10.如权利要求1或2所述的义齿和/或如权利要求3-7任一项所述的具有双层结构的义齿和/或如权利要求8或9所述的制备方法在医学领域中的应用。
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