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,，人們試圖復(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(diǎn)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(fù)雜的相互作用,，以提供與人類牙齒相當(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(fù)。研究表明,，在PMMA中添加填充物來生產(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(fù)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(jìn)假牙的研究,，但創(chuàng)造具有機(jī)械性能的仿生類型牙,，在牙科教育應(yīng)用中提供真實(shí)的觸覺反應(yīng)，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(jī)械反應(yīng)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(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(dǎo)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(jìn)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(jìn)行機(jī)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(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。使用測量應(yīng)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(jī)械性能,。


△實(shí)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(xué)上可以與人類牙齒相當(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和仿生牙時的觸覺反應(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)容請查看原文：https://doi.org/10.1038/s41598-022-11658-y