论文部分内容阅读
自然老化、外部损伤和发育畸形等因素会导致牙齿缺失,全国超过240万人次/年进行口腔种植手术。种植体作为人类的第三副牙齿,以不同材料组成的分段式结构为主,患者需要多次手术,历时一年之久,期间承受多次创伤。即刻种植不需牙槽窝恢复愈合,可直接制备种植窝,有效减少手术次数,降低患者痛苦。但适于即刻种植且兼具梯度功能一体化的种植体难以制备,严重阻碍了即刻种植技术的进步。本文以梯度功能一体化口腔种植体为研究对象,揭示氧化锆（ZrO2）和氧化石墨烯（GO）粒子间的协同作用机理,提出适于光固化制造的陶瓷膏料制备方法;通过SLA-3D打印和脱脂烧结工艺,明确打印参数和烧结参数对陶瓷零件成形成性的作用规律;构建ZrO2-ZrO2/GO梯度成分和三周期极小曲面表面（TPMS）梯度结构模型,创成结构非均匀性和性能各异的ZrO2基陶瓷。本文具有重要的理论意义与实用价值,主要内容如下:根据一体化口腔种植体的机械和生物性能要求,采用水浴、球磨和热压烧结方式研制了不同GO含量的ZrO2/GO复合陶瓷材料,分析了复合陶瓷材料的物化特性,ZrO2与GO粒子间形成Zr-O-C键,验证了材料制备的有效性。研究了 GO浓度对复合陶瓷机械性能和摩擦磨损特性的影响规律,弯曲强度和断裂韧性都随着GO浓度的提高先上升后下降,主要强化增韧机理为裂纹偏转、裂纹桥接和GO拔出。摩擦系数和磨损量也均随着GO浓度的提高先下降后上升,主要减摩抗磨机理为GO自修复磨损表面、富集形成GO润滑膜、GO高效散热和GO增韧。通过分析复合陶瓷的生物性能,GO能够改善复合陶瓷的润湿性能,无细胞毒性,且促进了细胞的增殖黏附和成骨分化,优选出0.15 wt.%GO含量为最佳配比。基于SLA-3D打印陶瓷膏料的评价指标,分别以ZrO2和0.15 wt.%GO含量的ZrO2/GO复合陶瓷粉体为原料,研究了聚合物和陶瓷粉体组元对陶瓷膏料稳定性和流变性的影响规律。以KH560为表面改性剂,优选预聚物Di-TMPTA和稀释剂NPG2PODA的比值为60 vol.%与40 vol.%,制备了均匀分散的高固相含量陶瓷膏料。构建了陶瓷膏料的固化深度和宽度预测模型,ZrO2陶瓷膏料的透射深度和临界曝光量分别为1 7.06μm和4.68 mJ/cm2;ZrO2/GO陶瓷膏料的透射深度和临界曝光量分别为11.80 μm和22.80 mJ/cm2。研究了制造工艺参数（激光功率、扫描速度）对陶瓷坯体成形性能的影响规律,优化了 SLA-3D打印参数。ZrO2陶瓷坯体的最佳打印参数为154 mW激光功率和6000 mm/s扫描速度,ZrO2/GO最佳打印参数为208 mW激光功率和2000 mm/s扫描速度。通过热重/示差扫描量热,分析了坯体中聚合物组元热分解温度范围,并设计了相应的脱脂烧结工艺,研究了烧结温度、保温时间和烧结速率对陶瓷零件成形成性的作用规律。ZrO2和ZrO2/GO陶瓷零件的平均线性收缩率分别为29.00%和23.67%,陶瓷零件XOY表面的平均Ra值分别为0.75μm和2.25 μm,满足口腔种植体的0.5～2.0 μm表面粗糙度要求。随着烧结温度、保温时间和烧结速率的增加,陶瓷零件的机械性能先增大后减小,优选出最佳烧结参数。ZrO2陶瓷零件的最佳烧结参数为:1500℃烧结温度、60 min保温时间和4℃/min烧结速率,其平均相对密度、HV和断裂韧性分别为96.18%、13.30 GPa和6.35 MPa·m1/2。ZrO2/GO陶瓷零件的最佳烧结参数为:1300℃烧结温度和60 min保温时间,其平均相对密度、HV和断裂韧性,分别为97.24%、15.16 GPa和7.34 MPa·m1/2。基于一体化口腔种植体的梯度功能要求,分别构建了 ZrO2基梯度成分和TPMS梯度结构模型。根据最优的打印参数和脱脂烧结参数,制备了 ZrO2-ZrO2/GO梯度成分陶瓷,分析了GO成分对梯度界面处成形成性的影响规律。结果表明,梯度成分陶瓷界面处结合良好,轮廓基准差为49.48 μm,平均Ra值为5.37μm。界面处的硬度为13.78～14.86 GPa,弹性模量为254.91～301.46 GPa,具有明显的尺寸效应。以Schwarz-P（P型）、Gyroid（G 型）、Diamond（D 型）和 I-Wrapped（IWP 型）为例,提出了以 Log-sigmoid 函数为权重系数的一种连续函数,设计了 40～60%孔隙率、400～600μm孔径的同结构变孔隙率、变结构同孔隙率、变结构且变孔隙率三种梯度结构模型。通过分析TPMS梯度结构的失效机理,优化了孔隙率、孔径和结构类型。基于优化后的TPMS梯度结构,制备并研究了 G型和IWP型梯度结构ZrO2陶瓷零件的成形成性,其平均Ra值分别为3.3μm和3.5 μm。G型和IWP型的平均硬度分别为11.04 GPa和11.26 GPa,平均弹性模量分别为226.53 GPa和231.72 GPa。因此,构建的ZrO2-ZrO2/GO梯度成分和TPMS梯度结构ZrO2陶瓷零件,能够准确映射天然牙齿不同部位性能各异的功能需求,有效减弱了“应力屏蔽”效应。