3d 打印 TC4 牙種植體機(jī)械學(xué)性能的評(píng)價(jià)

王 驊，王 鷂，戚 文，張 彪，王 翔

(1.蕪湖市口腔醫(yī)院移植科,安徽 蕪湖 241000；2.吉林大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院， 吉林 長春 130012；3.安徽鴻昇3d 打印研究院公司技術(shù)部 ，安徽 蕪湖 241000)

口腔種植義齒被稱為人類第三副牙齒。自“骨結(jié)合”概念提出之后，臨床上對(duì)于牙列缺失、牙列缺失的患者們有了全新的解決方案[1]。醫(yī)用植入物的制作材料主要有金屬、合金、陶瓷、高分子材料和碳等。其中，鈦和鈦合金由于其良好的材料性能、生物相容性以及骨結(jié)合效果，被用于制作醫(yī)用植入物已有超過50年的歷史[2]。現(xiàn)階段，主流的口腔種植體材料主要是商業(yè)純鈦(cp-Ti)和Ti-6Al-4V 合金(TC4)[3-5]。制造廠商通常使用壓模、鑄造、切削等傳統(tǒng)工藝，來進(jìn)行種植體的批量生產(chǎn)。近年來，隨著人民生活水平的提高，定制型醫(yī)療服務(wù)逐漸成為醫(yī)學(xué)的重要發(fā)展趨勢(shì)。由于各個(gè)患者自身骨條件不同，標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的種植體常常不能滿足臨床需求，造成美學(xué)效果不佳、種植體松動(dòng)、術(shù)后感染甚至種植體失敗等并發(fā)癥，增加患者的身體與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。在這種情況下，“個(gè)性化種植體”的概念應(yīng)運(yùn)而生[6]。個(gè)性化種植體具有以下優(yōu)點(diǎn)：解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)與缺失牙更接近，能夠有效增加種植體初期穩(wěn)定性，提高種植成功率; 能夠取得更好的美學(xué)效果，尤其缺牙發(fā)生在美學(xué)區(qū);與創(chuàng)口處的牙齦更貼合，減少手術(shù)創(chuàng)傷，減輕患者痛苦，減少愈合過程中炎癥和骨喪失發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn);與傳統(tǒng)模具制作相比，節(jié)約時(shí)間和成本;可根據(jù)具體需要定制具有不同表面形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)、材料成分的植體[7]，提高了單顆植體的生物相容性。然而，使用傳統(tǒng)加工工藝生產(chǎn)個(gè)性化種植體，不僅造價(jià)高昂、效率低下，還受到機(jī)器設(shè)備的制約。因此，落后的加工工藝一直是個(gè)性化醫(yī)療發(fā)展道路上的巨大阻礙。

3d打印目前已被公認(rèn)為是最適合個(gè)性化醫(yī)療植入物的制造技術(shù)。對(duì)金屬3d 打印技術(shù)來說，使用的原材料——金屬合金粉末至關(guān)重要。制作粉末的工藝主要有：還原法、電解法、霧化法[8]。其中，還原法、電解法更適合單元素金屬粉末的制作，而霧化法多用于合金金屬粉末制備。目前，主流3d打印技術(shù)包括選區(qū)激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，SLS)技術(shù)、選區(qū)激光熔化(SelectiveLaser Melting，SLM)技術(shù)及電子束熔融(ElectronBeamMelting，EBM)等[9]。其中，最經(jīng)典的SLS技術(shù)由C.Deckard提出，該技術(shù)可將80～300μm厚度的金屬薄層燒結(jié)在一起，直至完成整個(gè)種植體。通過在金屬粉末中混入別的聚合物，再結(jié)合脫脂、浸漬等其他加工程序，還可在植體上形成多孔結(jié)構(gòu)、粗糙表面等特殊結(jié)構(gòu)。本研究使用的3d打印制作牙種植體，是利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件建立植體模型，通過3d 打印設(shè)備，將TC4粉末，按照3dCad模型層圖形，分層熔融，逐層疊加，形成個(gè)性化種植體，從而為患者提供定制型、個(gè)性化的修復(fù)，最大程度恢復(fù)缺牙的形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)和力學(xué)功能。

1 方法和材料

1.1 使用的材料與設(shè)備

Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金粉(3dsystems公司，主要成分：90%Ti，6%Al，4%V，粉末粒徑15～45μm)；ProXDMPFlex 350 3d直接金屬打印機(jī)；Temco 熱處理爐；JSM-6390LV電子顯微鏡；CMT5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(640)。

1.2 三維數(shù)字化建模

運(yùn)用 UG 軟件計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)個(gè)性化牙種植體(4.5mm×10mm)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件(15mm×200mm)， 建立個(gè)性化牙種植體和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)字化模型 (見圖 1a)。

1.3 三維數(shù)據(jù)處理

三維模型導(dǎo)出為 STL格式，導(dǎo)入設(shè)備控制軟件，執(zhí)行生成標(biāo)準(zhǔn)打印格式的文件，數(shù)據(jù)虛擬切層設(shè)置層厚度為 0.08mm。

1.4 3d打印制作

3d打印參數(shù)設(shè)置：激光功率 400W，掃描速度 100mm/s，鋪層厚度 30μm， 安裝成型基板。

設(shè)備打印：分別在Prox3503d打印機(jī)上制造個(gè)性化牙種植體和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件，成型完成后取出制作件；熱處理爐熱處理(750℃/20min)，去除金屬件內(nèi)部應(yīng)力，防止工件變形開裂；真空退火，自然冷卻；金相噴砂拋光，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)。完成3d打印牙種植體(見圖1b)、3d打印牙種植體材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件(見圖1c) 的制造。

(a)牙種植體數(shù)字化模型 (b)3d打印牙種植體 (c)3d打印TC4試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件圖1

1.5 電鏡掃描觀察

種植體制備完成后，使用掃描電鏡觀察植體截面形態(tài)，加速電壓10kV,觀察倍數(shù)為2 000倍。

1.6 拉伸實(shí)驗(yàn)

將3個(gè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，連續(xù)施力，直至試樣斷裂或屈服變形，根據(jù)X、Y記錄儀測(cè)出應(yīng)力按下列公式計(jì)算，抗拉強(qiáng)度(Rm)=Fm/S0，屈服強(qiáng)度(ReL)=F/S0，延伸率(A)=[(Lo-Lu)/Lo]×100。式中：Fm為最大拉伸應(yīng)力，kN；S0為原始橫截面積，MPa；F為屈服力，kN；Lo為原始標(biāo)距；Lu為斷后標(biāo)距。

2 結(jié)果與討論

UG軟件設(shè)計(jì)3d模型(見圖1a)，制得的3d打印種植體(見圖1b)及實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件(見圖1c)。研究中使用霧化法制作TC4金屬粉末，用于下一步的打印加工。使用的SLM技術(shù)， 是在SLS的基礎(chǔ)上，提高熔化粉末的能量強(qiáng)度，能夠顯著提高加工產(chǎn)品的精度及機(jī)械強(qiáng)度[10]。研究制得的個(gè)性化植體具有致密的微觀組織和良好的綜合性能。 電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，3d打印種植體截面組織結(jié)構(gòu)緊密，表面形態(tài)規(guī)則，無分層現(xiàn)象， 韌窩較小且相對(duì)整齊，符合韌性斷裂特征(見圖2a)。而常規(guī)鑄造牙種植體截面， 組織結(jié)構(gòu)粗糙，表面形態(tài)規(guī)則不規(guī)整，有分層現(xiàn)象，韌窩大小不均，形態(tài)各異(見圖2b)。

(a)3d打印種植體截面電鏡圖像圖 (b)常規(guī)鑄造種植體截面電鏡圖像圖2

3d制造TC4牙種植體的工藝屬于高新技術(shù)，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)(激光功率、掃描速度、鋪層厚度)進(jìn)行探索試驗(yàn)表明：激光功率400W，試件組織結(jié)構(gòu)最為致密，TC4粉末顆粒燒結(jié)更加完全，有效提高了試件的硬度；掃描速度100mm/s， TC4粉末顆粒燒結(jié)最為充分，掃描速度的提高試件球化現(xiàn)象也將增高，燒結(jié)能量有所下降引起粉末燒結(jié)不全缺陷增加；鋪層厚度30μm，試件硬度最強(qiáng)，當(dāng)鋪層厚度增加時(shí)導(dǎo)致粉末燒結(jié)不完全。

制造TC4試件時(shí)，運(yùn)用退火處理的方式，使金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)更細(xì)密，釋放了之前工序產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而獲得了良好的機(jī)械性能。

制得的TC4試件鈦合金材料抗拉強(qiáng)度1 104.38±4.04MPa、 屈服強(qiáng)度964.07±21.84MPa、 延伸率11.27%±0.01%(見表1)，達(dá)到國家GB-T 13810-2007標(biāo)準(zhǔn)中牙種植體的機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)，滿足臨床應(yīng)用要求。

表1 3d打印制作牙種植體材料的力學(xué)性能

另一方面，利用數(shù)字化建模，可以制造幾何形態(tài)復(fù)雜、孔隙結(jié)構(gòu)梯度變化的個(gè)性化植體。這種擁有個(gè)性化設(shè)計(jì)的植體，能夠更好的貼合牙槽窩骨壁及軟組織， 剛度更接近種植體-骨界面，有效減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)，防止新生骨的再吸收[11]， 符合醫(yī)療精細(xì)化、個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)。

3d打印TC4牙種植體的臨床應(yīng)用是運(yùn)用“CBCT數(shù)字化X線三維影像、CADCAM三維數(shù)字化建模、3d打印椅旁制造TC4個(gè)性化牙種植體、即刻種植手術(shù)修復(fù)缺失牙”的新興集成技術(shù)，是口腔種植的發(fā)展方向。通過3d打印技術(shù)鑄造出的鈦合金種植體其細(xì)胞毒性水平滿足口腔種植材料的臨床應(yīng)用要求[12]。3d打印制造的牙種植體，表面結(jié)構(gòu)更有利于骨結(jié)合。機(jī)械學(xué)性能高于國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

3d打印技術(shù)制造的種植體材料，其機(jī)械性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，滿足臨床應(yīng)用的機(jī)械需求。除此以外，該技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比，還具有加工周期短、耗費(fèi)成本低、材料利用率高、可自由成形等優(yōu)點(diǎn)，是制作個(gè)性化種植體的良好方法。