【摘 要】
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数字化技术的应用推动了口腔医学向个性化、精确化和微创化等方向发展,但传统CAD/CAM技术在制备具有多曲面复杂结构的个性化ZrO2种植体时存在机械加工难度大、易诱发t-ZrO2向m-ZrO2的相转变导致性能变差以及材料浪费等问题。增材制造技术在制备具有复杂、个性化结构的零件方面具有独特优势。本文以ZrO2和ZrO2-Al2O3为主要原料,采用激光选区烧结(Selective Laser Sinte
【基金项目】
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国家重点研发计划项目课题:“可降解生物材料增材制造装备、工艺与植入物个性化设计软件”(2018YFB1105503); 国家重点研发计划项目子课题:“智能化矫形器的内衬数字化设计制造系统”(2018YFC2001502-1);
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数字化技术的应用推动了口腔医学向个性化、精确化和微创化等方向发展,但传统CAD/CAM技术在制备具有多曲面复杂结构的个性化ZrO2种植体时存在机械加工难度大、易诱发t-ZrO2向m-ZrO2的相转变导致性能变差以及材料浪费等问题。增材制造技术在制备具有复杂、个性化结构的零件方面具有独特优势。本文以ZrO2和ZrO2-Al2O3为主要原料,采用激光选区烧结(Selective Laser Sintering,SLS)和立体光固化(Stereo Lithography,SL)两种增材制造技术制备牙科种植体并对其性能进行研究,为制备具有多曲面复杂结构的个性化牙科种植体探索新的途径。结论如下:(1)采用SLS技术制备出ZrO2生物陶瓷。最佳SLS成形参数下制备的ZrO2素坯经冷等静压处理后,致密度得到显著提高,且高度方向上的线收缩率大于水平方向。经高温烧结后,ZrO2陶瓷的主要相组成为t-ZrO2与c-ZrO2,随着烧结温度的提高,m-ZrO2的衍射峰逐渐增强,晶粒平均尺寸逐渐增大,晶粒排布越来越紧密。ZrO2陶瓷的相对密度与抗弯强度在1500℃时具有最大值,分别为86.65%和279.50 MPa。(2)采用SL技术制备出ZrO2生物陶瓷,该陶瓷较SLS技术制备的ZrO2陶瓷具有更高的相对密度。采用双官能团单体HDDA作为光敏树脂单体,当分散剂含量为5 wt%,固相含量为42 vol%时,可得到适用于SL成形工艺的ZrO2浆料。SL制备的ZrO2素坯经高温烧结后,得到ZrO2陶瓷的相组成为t-ZrO2与c-ZrO2。当烧结温度从1450℃升高至1600℃时,ZrO2晶粒逐渐长大,维氏硬度和断裂韧性在1500°C达到最大值14.87 GPa和6.73 MPa·m1/2,此时的线收缩率与相对密度分别为23.42%和97.32%。体外细胞实验结果表明,SL技术制备的ZrO2生物陶瓷表面适合大鼠骨髓间充质干细胞(r BMSCs)的增殖、粘附与迁移,具有较好的生物相容性。(3)采用SL技术制备出ZrO2-Al2O3生物陶瓷,进一步提高了所制备牙科种植体的力学性能。选择Al2O3加入量为20 wt%,当分散剂含量为4 wt%,固相含量为45 vol%时,可得到适用于SL成形工艺的ZrO2-Al2O3浆料。ZrO2-Al2O3素坯经1450-1600℃高温烧结后,得到ZrO2-Al2O3陶瓷的相组成为t-ZrO2、c-ZrO2与Al2O3。相对密度、维氏硬度和断裂韧性均在1600°C达到最大值,分别为99.09%、16.66 GPa和6.88 MPa·m1/2。体外细胞实验证实r BMSCs在ZrO2-Al2O3陶瓷表面可以均匀粘附,且具有良好的增殖和迁移能力。本文采用增材制造技术,成功制备出性能良好的ZrO2和ZrO2-Al2O3生物陶瓷,为制备具有多曲面复杂结构的个性化牙科种植体提供了新的途径,有利于推进增材制造技术在口腔医学领域中的应用。
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