3D打印假牙的力學(xué)性能與真實(shí)牙齒相當(dāng)！

導(dǎo)讀：人類(lèi)的牙齒由復(fù)雜組織構(gòu)成，具有極高的機(jī)械強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，人們需要“復(fù)制牙齒”，例如在牙科培訓(xùn)應(yīng)用中，人們?cè)噲D復(fù)制真實(shí)牙齒的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，但其機(jī)械性能卻不能與真實(shí)的牙齒保持一致。那么如何復(fù)現(xiàn)真實(shí)牙齒的機(jī)械性能呢？這一直是研究人員研究的重點(diǎn)。

2022年5月，南極熊獲悉，來(lái)自倫敦瑪麗女王大學(xué)的研究者們制造了生物仿生型牙齒，其形態(tài)來(lái)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(fù)合材料進(jìn)行3D打印，打印出的牙齒具有與真實(shí)牙齒相當(dāng)?shù)牧�學(xué)性能。研究者們已經(jīng)研究?jī)?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(diǎn)和需要解決的問(wèn)題
仿生牙的開(kāi)發(fā)需要了解在既定的制造過(guò)程中材料之間復(fù)雜的相互作用，以提供與人類(lèi)牙齒相當(dāng)?shù)倪m當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能。牙科材料范圍很廣，但聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）樹(shù)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(duì)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(guò)度咀嚼而失效，使PMMA假牙難以修復(fù)。研究表明，在PMMA中添加填充物來(lái)生產(chǎn)復(fù)合材料，可以提高假牙的沖擊強(qiáng)度，但準(zhǔn)備工作很困難，因?yàn)樘畛湮飼?huì)增加PMMA的粘度，從而降低其流動(dòng)到所需形狀的能力。因此，用相對(duì)較硬和較軟的材料生產(chǎn)復(fù)合材料，在模仿人類(lèi)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(jìn)假牙的研究，但創(chuàng)造具有機(jī)械性能的仿生類(lèi)型牙，在牙科教育應(yīng)用中提供真實(shí)的觸覺(jué)反應(yīng)，如切牙時(shí)的 "感覺(jué)"，卻少之又少。

研究過(guò)程
本研究的目的是用模仿天然牙齒的形態(tài)和機(jī)械反應(yīng)的材料來(lái)3D打印假牙。研究人員使用了X射線顯微層析技術(shù)（XMT）對(duì)天然牙齒進(jìn)行高分辨率成像，以準(zhǔn)確繪制樣品的幾何形狀。選擇XMT作為成像技術(shù)，是因?yàn)樗�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(duì)比度的圖像，突出了牙齒之間的結(jié)構(gòu)差異。高對(duì)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(lèi)型牙（Frasaco）無(wú)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(lèi)型牙都是通過(guò)使用不同的材料來(lái)區(qū)分釉質(zhì)和牙本質(zhì)，導(dǎo)致的XMT圖像有不同的對(duì)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(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一個(gè)測(cè)力系統(tǒng)，以便能夠?qū)η懈畹难例X進(jìn)行機(jī)械評(píng)估，作為評(píng)估3D打印的仿生型牙齒與其他牙齒的性能指標(biāo)。研究人員使用的復(fù)合材料在基于甲基丙烯酸酯的光聚合物樹(shù)脂中加入了一系列的玻璃、羥基磷灰石和瓷的增強(qiáng)物，與六顆商業(yè)化的人工牙進(jìn)行了比較。使用測(cè)量應(yīng)用切削力的觸覺(jué)方法評(píng)估了拔出的人類(lèi)牙齒和3D打印的類(lèi)型牙的機(jī)械性能。


△實(shí)驗(yàn)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(píng)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(lái)打印的材料成分與人類(lèi)牙齒中的材料不同，但3D打印的牙齒在力學(xué)上可以與人類(lèi)牙齒相當(dāng)。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(lèi)和仿生牙時(shí)的觸覺(jué)反應(yīng)，證明了材料機(jī)械性能的比率是決定切割力作用下的牙齒機(jī)械性能方面的關(guān)鍵因素。

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