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北工大陈继民教授团队:全瓷种植体用3D打印ZrO2(3Y)A

发布时间:2022-10-05 03:05:07 来源:BOB体育投注官网下载 作者:BOB体育投注登录

  随着生活水平的提高,口腔医疗成为人们关注的话题。生物陶瓷因具有良好的美学性能、生物相容性等优点受到了临床医生和患者的青睐。随着3D打印技术的不断突破,3D打印开始成为口腔修复领域的热点。然而,目前3D打印制备存在性能差,精度、致密度低的问题,因此制备高精度、致密度以及高性能的全瓷种植体是至关重要的。

  3.制备的全瓷牙具有机械强度高(硬度、抗压强度、断裂韧性、抗弯强度、耐磨损性),良好的生物相容性,与传统的工艺相媲美,同时揭示了其内在机理和强化机制。

  本研究利用数字光处理技术制备了全瓷牙冠和种植体用ZrO 2(3Y)/Al 2O 3生物陶瓷生坯。根据热分析曲线设计了陶瓷坯体的脱脂和烧结方案。系统研究了不同热处理工艺对ZrO 2(3Y)/Al 2O 3生物陶瓷成形质量和精度、力学性能影响。同时,模拟口腔环境和力学对其摩擦学性能进行了深入研究。此外,利用小鼠胚胎成骨前体细胞(MC3T3-E1)和人脐静脉内皮细胞(HUVEC)进行体外生物学实验,以验证3D打印ZrO 2(3Y)/Al 2O 3生物陶瓷的生物相容性。

  图4 不同烧结工艺对陶瓷烧结件性能的影响 (a) 维氏硬度;(b) 抗压强度;(c) 抗弯强度;(d) 断裂韧性

  当烧结温度和保温时间分别为1600°C和3h时,ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷致密度高达98.79%。其维氏硬度、抗压和抗弯强度以及断裂韧性分别为13.5Gpa,1935MPa,657MPa,6.7MPa×m1/2。满足了口腔全瓷种植牙的力学性能要求。同时,体外模拟口腔环境磨损试验研究表明,人工唾液对ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶起到了润滑作用,并且具有良好的耐磨性。ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷表面具有合适的粗糙度和良好润湿性。同时,通过将MC3T3-E1、HUVEC细胞与ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷进行培养,细胞能够在ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷表面粘附并生长良好。ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷无细胞毒性,具有良好的生物相容性。

  随着烧结温度和保温时间的增加,ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷的相对密度、显微硬度、抗压和抗弯强度以及断裂韧性先增加后降低。当烧结温度和保温时间分别为1600°C和3h,残余孔隙消除,晶粒得到细化,其相对密度达到98.79%。同时,其维氏硬度、抗弯和抗压强度以及断裂韧性也均达到了最大值。体外模拟口腔环境磨损试验研究表明,人工唾液对其起到了润滑作用,具有良好的耐磨性。同时,ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷表面具有合适的粗糙度、良好润湿性及生物相容性。

  随着3D打印技术的发展,数字化医疗3D打印在口腔种植领域的应用越来越普遍。采用数字光处理技术制备的ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷不仅能满足口腔全瓷种植牙的性能要求,而且能保持其良好的生物相容性,在牙科修复中具有广阔的应用前景。

  陈继民,教授,1965.10出生,北京工业大学激光工程研究院教授、博士生导师,担任北京工业大学3D打印工程中心主任。北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心主任。北京生态设计与绿色制造促进会首席技术专家。中国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562)委员,中国光学学会激光加工专业委员会委员,中国机械工程学会特种加工委员会理事,中国机械工程学会生物增材制造分会委员,国际光学工程学会SPEI会员。2001年7月进入北京工业大学机电工程博士后流动站,2003年出站留校工作。2011年赴美国纽约州立大学Buffalo分校进行为期1年的访问研究。2018年美国波士顿大学Boston University高级访问学者。主持参加完成了国家“973”计划、国家“863”计划、国家自然科学基金重点项目、北京市科委重大科技项目等项目,发表论文180余篇,获得专利30余项,软件著作5项,出版专著4部,译著1部。参与《增材制造 金属制件热处理工艺规范》、《增材制造 金属制件机械性能评价通则》、《增材制造 塑料材料挤出成形工艺规范》3项增材制造国家标准的制订。2020年荣获“模具激光3D打印设备技术及产业化应用”中国发明创业成果奖二等奖,连续多年指导学生获得“国家奖学金”、“北京市三好学生”、“校优秀研究生”等荣誉称号。积极组织带领学生参加“中国国际互联网+大学生创新创业大赛”、“挑战杯首都大学生创业计划竞赛”等国家级、省部级项目并多次取得竞赛前三名。

  面向增材制造(宏观)、微纳光子学(微观)和生物医学(介观)领域的国家重大需求开展前沿基础及工程应用研究。

  面向国家重大工程应用、大健康产业开展先进制造技术原理、工艺、装备的基础与应用研究。

  面向微纳光子学基础科学问题和工程应用,开展激光微纳加工技术、光场调控技术及微纳光子器件研发。

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