CN114617656A - 一种复合材料仿生义齿及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料仿生义齿及其制造方法，属于口腔修复材料技术领域。该义齿包括陶瓷骨架，所述陶瓷骨架为三周期的极小曲面多孔结构，所述极小曲面多孔结构的连通孔内部填充树脂，所述连通孔从陶瓷骨架外侧到内部的方向上直径逐渐增大。本发明提供的基于三周期极小曲面结构的陶瓷骨架+填充树脂构成的复合材料仿生梯度义齿，可以实现对天然牙复合材料构成与“外硬内韧”三维梯度的仿生，可提高义齿外层的硬度、内层的韧性以及整体强度，降低崩瓷断裂、过度磨损发生率，改善义齿使役性能，延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于口腔修复材料技术领域，具体是涉及一种复合材料仿生义齿及其制造方法。
背景技术
人体原生天然牙经过长期进化具有复合材料组成及功能梯度结构。一方面，天然牙由较硬的无机矿物质与较软的有机物相互复合，使牙釉质具有抗磨损、抗断裂能力。另一方面，从牙釉质表面到牙本质，无机矿物质含量逐渐降低，而有机物含量逐渐升高，使其呈现“外硬内韧”三维功能梯度变化特性，外层硬度高便于咀嚼，内层韧性高得以分散天然牙在行使咀嚼功能时所受负荷，避免造成应力集中，提高使役性能。
目前研发的陶瓷-树脂复合材料义齿多利用造孔剂法、发泡法等与烧结法结合制备多孔陶瓷骨架，通过真空浸渗液态树脂并固化成形，仿生了天然牙无机-有机复合的材料特性，但并没有从外向内的力学性能梯度变化。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种复合材料仿生梯度义齿及其制造方法。本发明提供的基于三周期极小曲面结构的陶瓷骨架+填充树脂构成的复合材料仿生梯度义齿，可以实现对天然牙复合材料构成与“外硬内韧”三维梯度的仿生，可提高义齿外层的硬度、内层的韧性以及整体强度，降低崩瓷断裂、过度磨损发生率，改善义齿使役性能，延长使用寿命。
本发明实施例提供了一种复合材料仿生梯度义齿，该义齿包括陶瓷骨架，所述陶瓷骨架为三周期的极小曲面多孔结构，所述极小曲面多孔结构内的连通孔内部填充在树脂，所述连通孔从陶瓷骨架外侧到内部的方向上直径逐渐增大。
进一步地，极小曲面单元结构内的连通孔直径不同。
进一步地，所述陶瓷骨架材料为氧化铝、微晶玻璃、氧化锆、羟基磷灰石等陶瓷材料中的一种或多种混合物。
进一步地，所述热树脂为固性或热塑性树脂材料。
本发明实施例还提供了一种制造上述任一项所述的一种复合材料仿生梯度义齿的制造方法，该方法包括如下过程：
根据患者需要补入的牙齿确定陶瓷骨架尺寸参数；根据获得的尺寸参数采用3D打印方式成型基于三周期极小曲面多孔结构的陶瓷骨架结构；确保陶瓷骨架结构内的连通孔直径从外表面到内部的方向上直径逐渐增大；
采用真空浸渗方法将液态树脂浸渗到陶瓷骨架；并在预设的温度下进行固化确保树脂将将陶瓷骨架上的连通孔填充，从而形成复合材料的仿生梯度义齿。
进一步地，预先在患者口腔内缺牙部位进行扫描，获取需要补入的牙齿数据，根据需要补入的牙齿数据确定义齿三维结构模型。
进一步地，配制氧化铝粉末浆料，采用光固化3D打印方式成型氧化铝陶瓷骨架，然后对打印坯体进行脱脂烧结、孔隙清洗。
进一步地，利用三维软件设计三周期极小曲面多孔结构的陶瓷骨架结构。
进一步地，若采用热塑性树脂，在高温下熔化热塑性树脂并进行真空浸渗，然后降温使其固化。
进一步地，若采用热固性树脂，在常温下进行真空浸渗，并通过高温加热使热固性树脂固化。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的仿生梯度义齿采用三周期极小曲面的多孔结构，该结构具有较高的比强度、比刚度，还具有高连通性及几何参数易控易于参数化设计等优点。本发明中的义齿由极小曲面结构的陶瓷和填充树脂复合而成，极小曲面多孔结构上的孔从外表面到内部的方向上直径逐渐增大，使得义齿由外向内陶瓷含量逐渐降低，树脂含量逐渐提高，其中陶瓷具有高硬度、高弹性模量、低断裂韧性，树脂具有低硬度、低弹性模量、高断裂韧性。复合材料的力学性能由各材料成分体积比直接相关，因此义齿外层陶瓷含量多于树脂，使义齿外层具有高硬度，便于咀嚼食物。从外向内陶瓷含量逐渐降低而树脂含量逐渐提高，使得义齿内部的断裂韧性逐渐提高，硬度逐渐降低，可缓冲咀嚼时的冲击力。这样，通过对义齿“外硬内韧”三维梯度特性的仿生，可提高义齿外层的硬度、内层的韧性以及整体强度，从而降低崩瓷断裂、过度磨损发生率，改善义齿使役性能，延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的陶瓷-树脂仿生梯度义齿结构示意图；
图2为本发明实施例提供的陶瓷-树脂复合材料仿生梯度义齿的制备方法示意图。
图中：1、陶瓷骨架，2、树脂，3、连通孔。
具体实施方式
名词解释：极小曲面是指平均曲率为零的曲面，举例来说，满足某些约束条件的面积最小的曲面。其中极小曲面根据向周边空间周期延伸的维度可以分为单周期、双周期和三周期曲面。三周期极小曲面的多孔结构是一种具有理想表面性能特征的隐式曲面，通过设置不同的曲面函数参数可以直接控制结构的孔隙率和比表面积等关键性能，适用于建模多孔支架机构。
义齿就是人们常说的“假牙”。就像把“假腿”、“假肢”称为“义肢”一样，“义齿”的意思就是指为人类尽“义务”的牙齿。
参见图1-图2所示，本发明实施例提供了一种陶瓷-树脂仿生梯度义齿结构，该结构主要包括陶瓷骨架1，该陶瓷骨架1采用三周期极小曲面的多孔结构，内部设有许多相互连通的连通孔3。同时这些三周期极小曲面结构中的连通孔全部填充树脂2，使得该陶瓷骨架成为一个实心结构。
陶瓷骨架1上的连通孔3从骨架的外侧到内侧的方向上直径逐渐增大，形成一个梯度结构。
本实施例提供的仿生梯度义齿采用三周期极小曲面的多孔结构具有较高的比强度、比刚度，极小曲面多孔结构上的孔从外表面到内部的方向上直径逐渐增大，这样从外向内断裂韧性较强的树脂含量逐渐提高，通过“外硬内韧”三维梯度的仿生，可提高义齿外层的硬度、内层的韧性以及整体强度，降低崩瓷断裂、过度磨损发生率，改善义齿使役性能，延长使用寿命。
具体地，本实施例中的陶瓷骨架1材料可以是氧化铝、微晶玻璃、氧化锆、羟基磷灰石等陶瓷材料中的一种或多种混合物。
在本实施例中填充在陶瓷骨架内的树脂2可以选择热固性材料或者热塑性树脂材料，但是不管选用哪种材料，都是在液态下通过真空浸透的方式填充陶瓷骨架的多孔结构，这样可以保证树脂与陶瓷骨架之间连接的紧固性。
在本实施例中，其中三周期极小曲面的多孔结构中内部的连通孔3的直径不同。
进一步地，本实施例中的三周期极小曲面单元结构包括IWP Primary、FisherKoch CY、Diamond、Gyroid等。
本发明实施例还提供了一种陶瓷-树脂仿生梯度义齿结构的制造方法，该制造方法包括如下过程：
(a)、确定义齿三维尺寸：首先采用三维扫描软件对患者口腔内缺牙的部位进行扫描，确定基牙的三维数据；根据基牙的三维数据确定之前植入义齿的外形轮廓、孔隙率等等参数；
(b)、制造义齿三维模型：采用义齿设计系统设计义齿三维模型，采用三维软件在义齿三维模型中设计梯度分布的极小曲面连通孔隙，也就是极小曲面结构的连通孔在由外向内方向的直径会越来越大。
其中，在该步骤中采用的极小曲面类型为IWP-Primary；所述IWP Primary也可以更换成Fisher Koch CY、Diamond、Gyroid等，三周期极小曲面的模型可以采用专用的软件去制作，比如常见的MATLAB。
(c)、3D打印义齿模型：将制好的三周期细小曲面结构传输到3D打印机内，制备氧化铝粉末浆料，采用3D打印的方式形成氧化铝陶瓷骨架，然后对打印出来的坯体进行孔隙清洗、脱脂烧结。
其中可选的3D打印方式包括光固化、粘结剂喷射、粉末烧结等，其中优选光固化3D打印，光固化3D打印是精度最高的陶瓷增材制造技术之一，这样可以用于成形多孔陶瓷骨架结构。
在本实施中的氧化铝粉末也可以更换成微晶玻璃、氧化锆、羟基磷灰石等陶瓷材料中的一种来制作骨架结构，或者是采用上述多种混合物混合而成的粉末进行打印。
(d)、义齿模型填充树脂；采用真空浸渍的方法在280Mpa压力下将UDMA液态树脂浸渗到多孔陶瓷骨架中，并在100℃下进行固化，完成复合材料仿生梯度义齿的制备。
如果树脂采用的是热固性树脂材料，可在液态下通过真空浸渍的方式将陶瓷骨架中的连通孔填满，然后通过加热的方式对树脂材料进行固化。
如果树脂采用的是热塑性树脂材料，可在液态下通过真空浸渍的方式将陶瓷骨架中的连通孔填满，然后通过冷却的方式对树脂材料进行固化。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种复合材料仿生义齿，其特征在于，包括陶瓷骨架，所述陶瓷骨架为三周期的极小曲面多孔结构，所述极小曲面多孔结构内的连通孔内部填充在树脂，所述连通孔从陶瓷骨架外侧到内部的方向上直径逐渐增大。
2.如权利要求1所述的一种复合材料仿生义齿，其特征在于，极小曲面单元结构内的连通孔直径不同。
3.如权利要求1所述的一种复合材料仿生义齿，其特征在于，所述陶瓷骨架材料为氧化铝、微晶玻璃、氧化锆、羟基磷灰石等陶瓷材料中的一种或多种混合物。
4.如权利要求1所述的一种复合材料仿生义齿，其特征在于，所述热树脂为固性或热塑性树脂材料。
5.一种制造权利要求1-4任一项所述的一种复合材料仿生义齿的制造方法，其特征在于，该方法包括如下过程：
根据患者需要补入的牙齿确定陶瓷骨架尺寸参数；根据获得的尺寸参数采用3D打印方式成型基于三周期极小曲面多孔结构的陶瓷骨架结构；确保陶瓷骨架结构内的连通孔直径从外表面到内部的方向上直径逐渐增大；
采用真空浸渗方法将液态树脂浸渗到陶瓷骨架；并在预设的温度下进行固化确保树脂将陶瓷骨架内的连通孔填充，从而形成复合材料的仿生义齿。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，预先在患者口腔内缺牙部位进行扫描，获取需要补入的牙齿数据，根据需要补入的牙齿数据确定义齿三维结构模型。
7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，配制陶瓷粉末浆料，采用光固化3D打印方式成型陶瓷骨架，然后对打印坯体进行孔隙清洗、脱脂烧结。
8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，利用三维软件设计三周期极小曲面多孔结构的陶瓷骨架结构。
9.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，若采用热塑性树脂，在高温下熔化热塑性树脂并进行真空浸渗，然后降温使其固化。
10.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，若采用热固性树脂，在常温下进行真空浸渗，并通过高温加热使热固性树脂固化。
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