基于3D打印的可生物降解材料人造牙应用

时间:2020-06-16 09:28       来源: 孜然学术
  1、牙齿的作用
 
  人类牙齿最基本的作用是机械地切割和磨碎食物,以分解食物,促进进一步的吞咽和消化。牙齿的第二个作用是实现颌面区美观。对于无牙颌患者来说,牙齿缺失不仅影响咀嚼,降低生活质量,还会导致颌面区域塌陷,使人看起来特别衰老,影响外观。
 
  2、牙齿的结构
 
  牙齿由冠部(牙龈线上方的部分)和一些根部(牙龈线下方的部分)组合而成。牙冠的外层是牙釉质,牙根的外层是牙骨质。这两部分都有一个连续的牙本质内层,围绕牙髓腔(见图1)。骨骼和大部分牙齿都是由相同的基本材料构成的。仅仅是牙齿坚硬而又薄的外层(牙釉质)是完全不同的。组成骨头的材料也被统称为“骨头”,牙齿(除了牙釉质)被统称为“牙本质“。
 



基于3D打印的可生物降解材料人造牙应用
图 1牙齿结构示意图
 
  3、牙齿根部材料选择
 
  一旦治疗方法确定,牙齿结构明确,下一步就是考虑种植牙材料的选择。由于牙齿是由两部分组成的,所以需要分开考虑。用作根部的材料应符合一定的要求。它们的设计应能使营养物质扩散到移植细胞中,并引导细胞的组织、附着和迁移。
 
  细胞成分、细胞外基质和支架以及生长和分化因子是骨组织工程的必要条件。细胞的附着、增殖和分化都需要支架作为基质。此外,生长和分化因子必须诱导细胞增殖。在过去,金属、陶瓷和聚合物由于细胞存活率低和血管化缓慢而不能广泛应用。为了实现这些材料的细胞组织、附着和迁移,适当的力学特性和降解行为也是必不可少的。因此,在项目中有必要选用可生物降解的材料作为基础部分,不可生物降解的材料作为顶部。
 
  3.1 PHA的特征和属性:
 
基于3D打印的可生物降解材料人造牙应用
图 2聚羟基烷酸(PHA)的一般结构
 
  聚羟基烷酸酯是一种可用于组织工程的可生物降解聚合物。聚羟基烷酯集团拥有各种类型的材料,包括硬脆材料和软弹性体材料。近年来,人们不断探索和研究聚羟基烷酸酯的特性,以发展其在生物医学领域的应用,如缝合、心血管补片、创面敷料、引导组织修复/再生装置、组织工程支架等。
 
  3.2 PHB 的特征和属性
 
  P(3HB)是PHA基团中最简单、最普遍的一种,也是PHA聚合物中最早应用于生物医学领域的一种。由于良好的经济适用性,机械、化学和降解性。随着聚羟基烷酸的发展,研究人员开始研究设计与无机相结合的复合材料的可能性,以进一步提高机械性能,降解率,并赋予生物活性。为了满足牙齿的需求(图3透明部分),PHB是修复和填充牙槽骨缺损部分的理想材料。PHB之所以能成为牙齿的基础,主要是因为PHB是一种可生物降解和生物相容性的材料。
 
基于3D打印的可生物降解材料人造牙应用
图 3 meshmixer 模拟人造牙
 
  4、牙齿冠部材料选择
 
  ABS是一种工程塑料,丁二烯部分均匀分布在丙烯腈-苯乙烯基体上。ABS聚合物具有高韧性(即使在低温条件下)、足够的刚性、良好的热稳定性、抗化学侵蚀和环境应力开裂能力。此外,PHB还具有廉价、耐用、热膨胀系数低等显著性能。成型方便,使ABS零件尺寸稳定,表面质量优良。总之,ABS具有生物相容性和不可降解性,可以作为人工牙种植体的一部分。除了牙槽骨部分,植入物部分材料应不可生物降解,ABS因其强度、柔韧性、可加工性和较高的耐温性而优先,但在3D打印时会产生有害烟雾,干燥后烟雾会消失。
 
  5、3D 打印组织工程应用
 
  3D打印是一项先进的技术,其定义是通过快速的方法逐层添加材料,使其成为目标物。实际上,它已经成为一种可以应用于制造业、建筑维修、汽车制造、医疗应用等不同领域的快速制造工艺。在医学卫生领域,三维应用可以概括为4个不同层次的。
 
  首先,3D打印模型可以在二维基础上更立体地显示需要手术的体位,从而降低手术风险。其次,3D打印被认为是外科医生的一种工具。例如,3D打印可以辅助构建个性化的牙齿模型(图4为牙齿根部3D打印模型),医生可以根据个体模型更专业地制定计划。第三种是3D打印植入物,实际上是用来制造坏死骨组织的替代支架。最后,在组织再生方面,3D打印还能够创造更接近人类自身器官的替代品,减少排斥反应。
 
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图4. 3D打印牙齿根部实物图[2]
 
  (文:张子旋)
 
  Reference:
 
  [1] R.Shahar and S. Weiner, “Insights into whole bone and tooth function usingoptical metrology,” J. Mater. Sci., vol. 42, no. 21, pp. 8919–8933,2007.
 
  [2] R.Sadid-Zadeh, A. Farsaii, A. Goodarzi, and E. L. Davis, “Loss of tooth structureassociated with preparation for two monolithic CAD-CAM complete coveragerestorations,” J. Prosthet. Dent., vol. 120, no. 3, pp. 403–408, 2018.
 
  英国谢菲尔德大学Roy Ipsita 实验室硕士生Zixuan Zhang。
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