3D打印假牙的力學性能與真實牙齒相當！

導讀：人類的牙齒由復雜組織構(gòu)成，具有極高的機械強度。在實際生產(chǎn)生活中，人們需要“復制牙齒”，例如在牙科培訓應用中，人們試圖復制真實牙齒的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，但其機械性能卻不能與真實的牙齒保持一致。那么如何復現(xiàn)真實牙齒的機械性能呢？這一直是研究人員研究的重點。

2022年5月，南極熊獲悉，來自倫敦瑪麗女王大學的研究者們制造了生物仿生型牙齒，其形態(tài)來自于提取的牙齒的X射線顯微層析掃描，他們使用了一種新型復合材料進行3D打印，打印出的牙齒具有與真實牙齒相當?shù)牧�學性能。研究者們已經(jīng)研究內(nèi)容發(fā)表在了《Scientific Reports》上，題目為《Composite 3D printing of biomimetic human teeth》，下面跟隨南極熊一起看看他們的具體內(nèi)容吧！


研發(fā)難點和需要解決的問題
仿生牙的開發(fā)需要了解在既定的制造過程中材料之間復雜的相互作用，以提供與人類牙齒相當?shù)倪m當?shù)臋C械性能。牙科材料范圍很廣，但聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）樹脂由于其高可用性、低成本、生物相容性和可接受的美感，仍然是牙科的主要候選材料。 PMMA材料的性能相對較高，可在一系列制造工藝中加工，具有生物相容性，因此，經(jīng)常用于義齒生產(chǎn)。

然而，PMMA很容易因疲勞或過度咀嚼而失效，使PMMA假牙難以修復。研究表明，在PMMA中添加填充物來生產(chǎn)復合材料，可以提高假牙的沖擊強度，但準備工作很困難，因為填充物會增加PMMA的粘度，從而降低其流動到所需形狀的能力。因此，用相對較硬和較軟的材料生產(chǎn)復合材料，在模仿人類牙齒的硬釉質(zhì)和較軟的牙本質(zhì)區(qū)域內(nèi)的羥基磷灰石的不同材料組成方面是有利的。盡管有大量關(guān)于改進假牙的研究，但創(chuàng)造具有機械性能的仿生類型牙，在牙科教育應用中提供真實的觸覺反應，如切牙時的 "感覺"，卻少之又少。

研究過程
本研究的目的是用模仿天然牙齒的形態(tài)和機械反應的材料來3D打印假牙。研究人員使用了X射線顯微層析技術(shù)（XMT）對天然牙齒進行高分辨率成像，以準確繪制樣品的幾何形狀。選擇XMT作為成像技術(shù)，是因為它的非破壞性和在結(jié)構(gòu)間輕松分割數(shù)據(jù)的能力，成像數(shù)據(jù)可以被處理并轉(zhuǎn)換為適合3D打印的格式。XMT可以全面描述牙齒的形態(tài)，并產(chǎn)生了高對比度的圖像，突出了牙齒之間的結(jié)構(gòu)差異。高對比度掃描清楚地顯示了高礦化的牙釉質(zhì)和低礦化的牙本質(zhì)之間的區(qū)別（在圖像中顯示為明亮的區(qū)域）。一顆商業(yè)類型牙（Frasaco）無高亮區(qū)域，表明釉質(zhì)和牙本質(zhì)都使用了一種材料，或者兩種材料具有相同的X射線不透明度。其余的類型牙都是通過使用不同的材料來區(qū)分釉質(zhì)和牙本質(zhì)，導致的XMT圖像有不同的對比。圖f顯示了3D打印材料的重建的XMT圖像。所有的圖像都顯示了幾何形狀和尺寸的統(tǒng)一性，由于額外的填充物顆粒，灰色程度不同。重建的XMT圖像顯示了填充物顆粒（25wt.%）在3D打印結(jié)構(gòu)中的分布。



△XMT圖像

本研究進一步開發(fā)了一個測力系統(tǒng)，以便能夠?qū)η懈畹难例X進行機械評估，作為評估3D打印的仿生型牙齒與其他牙齒的性能指標。研究人員使用的復合材料在基于甲基丙烯酸酯的光聚合物樹脂中加入了一系列的玻璃、羥基磷灰石和瓷的增強物，與六顆商業(yè)化的人工牙進行了比較。使用測量應用切削力的觸覺方法評估了拔出的人類牙齒和3D打印的類型牙的機械性能。


△實驗裝置



△切割拔牙和正畸牙齒所需的平均力

文章中介紹了本研究中評估的材料范圍以及用于創(chuàng)建3D打印牙齒的不同重量百分比的加固材料。根據(jù)結(jié)果可知，在所有樣品中，隨著加固物重量百分比的增加，切割力也在減少。在40種不同的組合物中，有三種組合物與切割提取的琺瑯質(zhì)（0.31N）所需的力密切匹配（±0.02N），特別是25%的HAp（0.31N±0.06）、20%的CHAp（0.32N±0.06）和25%的CHAp（0.31N±0.03）。

結(jié)果表明，盡管所用來打印的材料成分與人類牙齒中的材料不同，但3D打印的牙齒在力學上可以與人類牙齒相當。材料的彈性模量和硬度的多參數(shù)變量被證明可以描述人類和仿生牙時的觸覺反應，證明了材料機械性能的比率是決定切割力作用下的牙齒機械性能方面的關(guān)鍵因素。

更多內(nèi)容請查看原文：https://doi.org/10.1038/s41598-022-11658-y