CN112932707A - 一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法 - Google Patents

一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其步骤为：步骤A：构建模型：在患者牙体预备完成后，口内扫描获取数字化印模数据，并按照相关解剖尺寸、对颌牙及咬合关系构建具有牙体预备体、4‑8层分层全冠修复体的三维模型；步骤B：将分层的全冠修复体及牙体预备体模型进一步导入有限元分析软件，设置好相应参数，并优化建立4‑8层全冠模型的弹性模量分布；步骤C：根据优化得出的4‑8层全冠模型的弹性模量分布数据，利用3D打印制备具有个性化优化的弹性模量分布的牙科全冠修复体。该方法能有效提高全冠修复体的服役寿命，减少崩瓷折裂等临床并发症，且其弹性模量分布在制作上，较全层渐变的功能梯度材料的弹性模量分布简单。

Description

一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法
技术领域
本发明涉及牙科全冠修复体制作技术领域，具体为一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法。
背景技术
随着牙科陶瓷材料的发展，全瓷修复体的美观、生物相容性及服役寿命等均显著提高，然而，临床上全瓷修复体的崩瓷及断裂失效率仍较高，达13.9％-16.6％，如何减少瓷修复体的崩瓷及断裂等失效行为，提高其整体结构可靠性及服役寿命仍是口腔医学临床及科研工作者面临的重大而急迫的问题，值得注意的是，同为脆性材料，人牙釉质却较少发生崩折，这可能与人牙釉质的弹性模量呈梯度分布有着重要联系，使用纳米压痕技术对牙釉质力学性能的非均一性分布进行了深入研究。结果显示虽然压头的直径、形状等实验条件导致测定结果略有差异，但弹性模量的变化趋势均表现为从釉质表层向釉牙本质界方向逐渐降低。随着牙釉质由外向内深度的增大，其弹性模量呈梯度减小，测定的釉质弹性模量值为47-120GPa，使用纳米压痕仪与显微CT对牙体硬组织的弹性模量进行研究，结果同样显示其弹性模量呈梯度分布，此特性使牙体组织在受到咬合力时应力分布更为均匀，且最大主应力减小50％，被认为是人牙釉质具备良好力学性能的重要原因。
然而，目前临床使用的牙科修复体材质都为均一性的陶瓷材料，即其整体的弹性模量一致，且饰瓷、核瓷与牙本质间的弹性模量存在较大的差异，这就导致了其在口内服役过程中，饰瓷-核瓷界面处及核瓷牙本质界面处由于形变的差异从而导致应力集中。同时，有研究结果显示，如果应力集中区域存在一定尺寸的缺陷，将成为导致修复体断裂或崩瓷失效的直接原因，而且，若单纯改变饰瓷与核瓷弹性模量的排列，还尚不足以避免陶瓷内部应力集中的问题，导致难以整体对力学性能与应力分布情况进行调节，降低了牙科修复体整体实用性，因此，亟需加以改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，该方法旨在解决现有技术下临床使用的牙科修复体材质整体的弹性模量一致，且饰瓷、核瓷与牙本质间的弹性模量存在较大的差异，从而导致饰瓷-核瓷界面处及核瓷牙本质界面处由于形变的差异从而导致应力集中，进而导致修复体断裂或崩瓷失效，降低了牙科修复体的使用寿命，影响了牙科修复体整体实用性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其步骤如下：
步骤A：扫描模型：在患者牙体预备完成后，用3Shape三维口内扫描仪获取患者牙体预备体的三维模型数据，并在3Shape CAD Design 2020软件上根据相关解剖参数、对颌牙形态及咬合关系设计修复体形态，将设计好的全冠及牙体预备体三维模型导入到三维CAD系统软件Solidworks Premium 2013SP 4.0(Waltham，MA，USA)中，根据实际情况(全冠修复体咬合面的厚度等)将全冠修复体等距切割分层，一般设置咬合面厚度0.25mm为一层，分割4-8层，颈部厚度相应缩窄，同时按照标准解剖尺寸构建食物模块三维模型；
步骤B：将分层后的全冠修复体及牙体预备体模型进一步导入有限元分析软件Ansys/CAE 17.0(Canonsburg，PA，USA)以进行应力分析，运用遗传算法(GeneticAlgorithm，GA)设置好相应参数优化建立好的4-8层全冠模型的弹性模量分布，设定优化目标是使其8层全冠修复体在食物模块下平行牙长轴静态加载600N的情况下所受最大拉应力值达到最小；
步骤C：根据优化得出的多层全冠模型的弹性模量分布数据，选择相近弹性模量的3D打印材料浆料，并将多层全冠三维模型导回到3Shape CAD Design2020或3DSLCON软件上，同时连接3DCR-200陶瓷3D打印机(准备相应的氧化锆、氧化铝或磷酸三钙陶瓷浆料)分层打印设计好的多层全冠修复体，至此，具有个性化优化的弹性模量分布的牙科全冠修复体已制备完成。
优选的，所述步骤A中全冠模型部分根据牙体预备的牙合面高度及设计的全冠模型牙合面厚度，利用等距切割的方式允以分层(每层厚度不少于0.25mm)，牙体预备体牙合面预留1.5-2mm，并分4-8层。
根据权利要求1所述的一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：所述步骤B中的弹性模量步骤为：
步骤一：获得各种材料的弹性模量数值的标准数据，或用纳米压痕测试测得，方便整体进行计算和对比；
步骤二：三维模型经有限元分析加遗传算法优化后可得到优化的弹性模量分布，无具体公式而使用软件模拟及遗传算法计算得出；
步骤三：制作实体材料时，若计算得出的弹性模量结果数值和临床上现有的材料相近，则直接用临床现有的材料分层打印；若不相近，则采用树脂渗透陶瓷制作，具体是根据弹性模量设计陶瓷支架孔隙分布，并在3D打印陶瓷支架后通过真空树脂渗透。
优选的，所述步骤B中内部各层优化的弹性模量下限为牙本质弹性模量(18.6GPa)，上限及最外层弹性模量为所选材料的弹性模量值(如选氧化锆材料，则为200GPa；选二硅酸锂，则为95GPa)。
优选的，所述步骤C中陶瓷D打印机内部包括有打印机本体，且打印机本体外侧固定连接有齿轮箱，所述齿轮箱上端固定连接有电动机，且电动机输出端穿过齿轮箱上端延伸至齿轮箱内部，所述电动机输出端固定连接有主动齿轮，且主动齿轮外侧啮合连接有从动齿轮，所述从动齿轮上端固定连接有连接轴，且连接轴与打印机本体转动连接，所述连接轴上端固定连接有放置台，所述打印机本体外侧固定连接有安装框体，且安装框体上端固定连接有驱动电机，所述驱动电机输出端穿过安装框体上端延伸至安装框体内部，且驱动电机输出端固定连接有丝杆本体，所述丝杆本体外侧活动连接有丝杆滑块，且丝杆滑块外侧固定连接有扫描装置，所述扫描装置后端电性连接有蜂鸣器。
优选的，所述主动齿轮与从动齿轮的规格一致，且主动齿轮与从动齿轮的水平中心线重叠。
优选的，所述从动齿轮与连接轴的圆心线重叠，且连接轴与放置台圆心线重叠，并且放置台外侧与打印机本体内侧不贴合。
优选的，所述丝杆本体与丝杆滑块相适配，且丝杆滑块与扫描装置水平中心线重叠。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，利用真空辅助树脂渗透技术与热固化技术，制备出具有良好的树脂和陶瓷双相互穿联网络结构，通过在局部添加“弹性模量过渡层”，受天然牙釉质全层弹性模量梯度分布的启发，这种具有弹性模量梯度变化规律的材料，称为功能梯度材料，因此实现口腔修复功能梯度材料的前提是要有用于指导全冠修复材料设计与制备的弹性模量分布规律，通过对患者口内的牙体预备体扫描后，构建并分析具有不同弹性模量分布的牙科全冠修复体数学模型，并通过有限元分析比较各模型的应力分布特点，同时结合遗传算法筛选出使全冠修复体应力分布最优的弹性模量分布模型，所得数据，为全冠修复体材料的制作提供实验依据和理论指导，优化的数据能够简化制作流程并减少全冠修复体的不良应力分布，最后，再通过Stereolithography(SLA)立体成型激光光固化技术，制作具有优化后的弹性模量分布的最终修复体，保证整体良好的成型效果，并方便整体对力学性能与应力分布情况进行观测和调节，增加了整体实用性，经优化过后的8层全冠的最大拉应力降至16.247MPa，分别比模拟天然牙釉质弹性模量分布的8层全冠和临床常用全瓷冠的最大拉伸应力降低8.31％和23.40-52.83％，有效提高全冠修复体的服役寿命，减少崩瓷折裂等临床并发症，且其弹性模量分布在制作上较全层渐变的功能梯度材料的弹性模量分布简单，更易实现，并通过使用驱动电机带动丝杆本体进行转动，且丝杆本体转动的过程中带动丝杆滑块和扫描装置进行移动，方便对打印出的成品进行检测，并对损坏的成品进行报警，从而方便整体进行良好的打印成型，保证整体的制作效果。
附图说明
图1为本发明工作流程示意图；
图2为本发明打印机本体立体结构示意图；
图3为本发明齿轮箱内部结构示意图。
图中：1、打印机本体；2、齿轮箱；3、电动机；4、主动齿轮；5、从动齿轮；6、连接轴；7、放置台；8、安装框体；9、驱动电机；10、丝杆本体；11、丝杆滑块；12、扫描装置；13、蜂鸣器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其步骤如下：
步骤A：扫描模型：在患者牙体预备完成后，用3Shape三维口内扫描仪获取患者牙体预备体的三维模型数据，并在3Shape CAD Design 2020软件上根据相关解剖参数、对颌牙形态及咬合关系设计修复体形态，将设计好的全冠及牙体预备体三维模型导入到三维CAD系统软件Solidworks Premium 2013SP 4.0(Waltham，MA，USA)中，根据实际情况(全冠修复体咬合面的厚度等)将全冠修复体等距切割分层，一般设置咬合面厚度0.25mm为一层，分割4-8层，颈部厚度相应缩窄，同时按照标准解剖尺寸构建食物模块三维模型；
步骤B：将分层后的全冠修复体及牙体预备体模型进一步导入有限元分析软件Ansys/CAE 17.0(Canonsburg，PA，USA)以进行应力分析，运用遗传算法(GeneticAlgorithm，GA)设置好相应参数优化建立好的4-8层全冠模型的弹性模量分布，设定优化目标是使其8层全冠修复体在食物模块下平行牙长轴静态加载6000N的情况下所受最大拉应力值达到最小；
步骤C：根据优化得出的多层全冠模型的弹性模量分布数据，选择相近弹性模量的3D打印材料浆料，并将多层全冠三维模型导回到3Shape CAD Design2020或3DSLCON软件上，同时连接3DCR-200陶瓷3D打印机(准备相应的氧化锆、氧化铝或磷酸三钙陶瓷浆料)分层打印设计好的多层全冠修复体，至此，具有个性化优化的弹性模量分布的牙科全冠修复体已制备完成。
进一步的，步骤A中全冠模型部分根据牙体预备的牙合面高度及设计的全冠模型牙合面厚度，利用等距切割的方式允以分层(每层厚度不少于0.25mm)，牙体预备体牙合面预留1.5-2mm，并分4-8层，保证整体制造后的效果，从而增加了整体实用性。
进一步的，步骤B中的弹性模量步骤为：
步骤一：获得各种材料的弹性模量数值的标准数据，或用纳米压痕测试测得，方便整体进行计算和对比；
步骤二：三维模型经有限元分析加遗传算法优化后可得到优化的弹性模量分布，无具体公式而使用软件模拟及遗传算法计算得出；
步骤三：制作实体材料时，若计算得出的弹性模量结果数值和临床上现有的材料相近，则直接用临床现有的材料分层打印；若不相近，则采用树脂渗透陶瓷制作，具体是根据弹性模量设计陶瓷支架孔隙分布，并在3D打印陶瓷支架后通过真空树脂渗透。
进一步的，步骤B中内部各层优化的弹性模量下限为牙本质弹性模量(18.6GPa)，上限及最外层弹性模量为所选材料的弹性模量值(如选氧化锆材料，则为200GPa；选二硅酸锂，则为95GPa)，保证整体选择后的良好使用效果，保证整体的实用性。
进一步的，步骤C中陶瓷3D打印机内部包括有打印机本体1，且打印机本体1外侧固定连接有齿轮箱2，齿轮箱2上端固定连接有电动机3，且电动机3输出端穿过齿轮箱2上端延伸至齿轮箱2内部，电动机3输出端固定连接有主动齿轮4，且主动齿轮4外侧啮合连接有从动齿轮5，从动齿轮5上端固定连接有连接轴6，且连接轴6与打印机本体1转动连接，连接轴6上端固定连接有放置台7，打印机本体1外侧固定连接有安装框体8，且安装框体8上端固定连接有驱动电机9，驱动电机9输出端穿过安装框体8上端延伸至安装框体8内部，且驱动电机9输出端固定连接有丝杆本体10，丝杆本体10外侧活动连接有丝杆滑块11，且丝杆滑块11外侧固定连接有扫描装置12，扫描装置12后端电性连接有蜂鸣器13。
进一步的，主动齿轮4与从动齿轮5的规格一致，且主动齿轮4与从动齿轮5的水平中心线重叠，保证整体同时进行转动，方便打印物进行旋转检测，增加了整体的检测效果。
进一步的，从动齿轮5与连接轴6的圆心线重叠，且连接轴6与放置台7圆心线重叠，并且放置台7外侧与打印机本体1内侧不贴合，保证从动齿轮5转动的过程中带动连接轴6和放置台7进行充分的转动。
进一步的，丝杆本体10与丝杆滑块11相适配，且丝杆滑块11与扫描装置12水平中心线重叠，丝杆本体10转动的过程中带动丝杆滑块11进行移动，保证整体良好的移动调节效果。
本发明首先在患者牙体预备完成后，用3Shape三维口内扫描仪获取患者牙体预备体的三维模型数据，并在3Shape CAD Design 2020软件上根据相关解剖参数、对颌牙形态及咬合关系设计修复体形态，将设计好的全冠及牙体预备体三维模型导入到三维CAD系统软件Solidworks Premium 2013SP 4.0(Waltham，MA，USA)中，根据实际情况(全冠修复体咬合面的厚度等)将全冠修复体等距切割分层，一般设置咬合面厚度0.25mm为一层，分割4-8层，颈部厚度相应缩窄，同时按照标准解剖尺寸构建食物模块三维模型，且全冠模型部分根据牙体预备的牙合面高度及设计的全冠模型牙合面厚度，利用等距切割的方式允以分层(每层厚度不少于0.25mm)，牙体预备体牙合面预留1.5-2mm，并分4-8层，同时将分层后的全冠修复体及牙体预备体模型进一步导入有限元分析软件Ansys/CAE 17.0(Canonsburg，PA，USA)以进行应力分析，运用遗传算法(Genetic Algorithm，GA)设置好相应参数优化建立好的4-8层全冠模型的弹性模量分布，设定优化目标是使其8层全冠修复体在食物模块下平行牙长轴静态加载600N的情况下所受最大拉应力值达到最小，且内部各层优化的弹性模量下限为牙本质弹性模量(18.6GPa)，上限及最外层弹性模量为所选材料的弹性模量值(如选氧化锆材料，则为200GPa；选二硅酸锂，则为95GPa)，且根据优化得出的多层全冠模型的弹性模量分布数据，选择相近弹性模量的3D打印材料浆料，并将多层全冠三维模型导回到3Shape CAD Design 2020或3DSLCON软件上，同时连接3DCR-200陶瓷3D打印机(准备相应的氧化锆、氧化铝或磷酸三钙陶瓷浆料)分层打印设计好的多层全冠修复体，至此，具有个性化优化的弹性模量分布的牙科全冠修复体已制备完成，并通过打印机本体1打印出的模型，同时电动机3带动主动齿轮4进行旋转，且主动齿轮4转动的过程中带动从动齿轮5进行转动，保证整体带动模型进行旋转，同时驱动电机9带动丝杆本体10进行转动，且丝杆本体10转动时带动丝杆滑块11进行移动，保证整体方便对模型进行扫描检测，并通过蜂鸣器13进行报警，从而方便整体制造出最佳的模型，增加了整体实用性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：其步骤如下：
步骤A：扫描模型：在患者牙体预备完成后，用3Shape三维口内扫描仪获取患者牙体预备体的三维模型数据，并在3Shape CAD Design 2020软件上根据相关解剖参数、对颌牙形态及咬合关系设计修复体形态，将设计好的全冠及牙体预备体三维模型导入到三维CAD系统软件Solidworks Premium 2013SP 4.0中，根据实际情况将全冠修复体等距切割分层，设置咬合面厚度0.25mm为一层，分割4-8层，颈部厚度相应缩窄，同时按照标准解剖尺寸构建食物模块三维模型；
步骤B：将分层后的全冠修复体及牙体预备体模型进一步导入有限元分析软件Ansys/CAE 17.0以进行应力分析，运用遗传算法设置好相应参数优化建立好的4-8层全冠模型的弹性模量分布，设定优化目标是使其4-8层全冠修复体在食物模块下平行牙长轴静态加载600N的情况下所受最大拉应力值达到最小；
步骤C：根据优化得出的多层全冠模型的弹性模量分布数据，选择相近弹性模量的3D打印材料浆料，并将多层全冠三维模型导回到3Shape CAD Design2020或3DSLCON软件上，同时连接3DCR-200陶瓷3D打印机，并准备相应的氧化锆、氧化铝或磷酸三钙陶瓷浆料，分层打印设计好的多层全冠修复体，至此，具有个性化优化的弹性模量分布的牙科全冠修复体已制备完成。
2.根据权利要求1所述的一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：所述步骤A中全冠模型部分根据牙体预备的牙合面高度及设计的全冠模型牙合面厚度，利用等距切割的方式允以分层，且每层厚度不少于0.25mm，牙体预备体牙合面预留1.5-2mm，并分4-8层。
3.根据权利要求1所述的一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：所述步骤B中的弹性模量步骤为：
步骤一：获得各种材料的弹性模量数值的标准数据，或用纳米压痕测试测得，方便整体进行计算和对比；
步骤二：三维模型经有限元分析加遗传算法优化后可得到优化的弹性模量分布，无具体公式而使用软件模拟及遗传算法计算得出；
步骤三：制作实体材料时，若计算得出的弹性模量结果数值和临床上现有的材料相近，则直接用临床现有的材料分层打印；若不相近，则采用树脂渗透陶瓷制作，具体是根据弹性模量设计陶瓷支架孔隙分布，并在3D打印陶瓷支架后通过真空树脂渗透。
4.根据权利要求1所述的一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：所述步骤B中内部各层优化的弹性模量下限为牙本质弹性模量，大小为18.6GPa，上限及最外层弹性模量为所选材料的弹性模量值。
5.根据权利要求1所述的一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：所述步骤C中陶瓷D打印机内部包括有打印机本体，且打印机本体外侧固定连接有齿轮箱，所述齿轮箱上端固定连接有电动机，且电动机输出端穿过齿轮箱上端延伸至齿轮箱内部，所述电动机输出端固定连接有主动齿轮，且主动齿轮外侧啮合连接有从动齿轮，所述从动齿轮上端固定连接有连接轴，且连接轴与打印机本体转动连接，所述连接轴上端固定连接有放置台，所述打印机本体外侧固定连接有安装框体，且安装框体上端固定连接有驱动电机，所述驱动电机输出端穿过安装框体上端延伸至安装框体内部，且驱动电机输出端固定连接有丝杆本体，所述丝杆本体外侧活动连接有丝杆滑块，且丝杆滑块外侧固定连接有扫描装置，所述扫描装置后端电性连接有蜂鸣器。
6.根据权利要求5所述的一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：所述主动齿轮与从动齿轮的规格一致，且主动齿轮与从动齿轮的水平中心线重叠。
7.根据权利要求5所述的一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：所述从动齿轮与连接轴的圆心线重叠，且连接轴与放置台圆心线重叠，并且放置台外侧与打印机本体内侧不贴合。
8.根据权利要求5所述的一种优化材料弹性模量分布的牙科全冠修复体的制作方法，其特征在于：所述丝杆本体与丝杆滑块相适配，且丝杆滑块与扫描装置水平中心线重叠。
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