純鈦及鈦合金比重小、強度高，具有良好的生物相容性，能夠減輕義齒的重量且有利于余留組織的健康，是較理想的齒科用金屬材料，但純鈦的強度較低，耐磨性差，其性能用于活動義齒修復略顯不足。合金化的鈦能夠獲得較高的強度和較好的加工性能，改善其在活動義齒修復中的應用。3D打印以數字化技術代替傳統加工工藝，簡化義齒加工工藝流程，在保證產品同質性的前提下，成型快、精度高，且材料浪費少，節約了時間與成本。

3D金屬打印采用鋪粉的方式，逐層熔覆金屬，避免了鑄造缺陷的發生，實現材料更好的生物力學性能和結構減重，能夠盡量減小活動義齒面積，增加患者的舒適感。作為替代傳統鑄造技術的新型數字化加工技術，3D打印出的材料機械性能直接關系到活動義齒支架設計，因此本研究對3D打印Ti-6Al-4V合金材料性能進行分析，評價其應用于口腔修復體制作的可行性。

1、材料與方法

1.1 材料與設備

金屬3D打印機：Conceptlaser LaserCUSING MlabR，美國；拉伸試樣機：Instron3367，美國；掃描電子顯微鏡：日立S-4800場發射掃描電鏡，日本；金相顯微鏡：奧林巴斯BM51M金相顯微鏡，日本；摩擦磨損試驗機：MMW—l型立式萬能摩擦磨損試驗機，濟南；電子天平：AR224CN型電子天平，美國；超聲波清潔器：CQ50型超聲波清潔器，上海。

1.2 方法

1.2.1 3D打印Ti-6Al-4V合金試件制備根據國家標準GB228-2010，設計非比例拉伸試樣，總長51mm，寬14mm，厚1.5mm，縮窄部長10 mm，寬5mm，與夾持部弧形相接，生成3D模型并導入金屬3D打印機中，使用Ti-6Al-4V合金材料粉采取選擇性激光熔鑄（Selective Laser Melting，SLM）方式成型（圖1）。

熱處理條件：氬惰性環境中以800℃（1470°F）的溫度進行4h的處理。

圖1 拉伸試樣3D數字化圖樣

1.2.2 3D打印Ti-6Al-4V合金機械性能測試

經水砂紙打磨拋光至表面光潔，X線探傷后選用6個內部無孔試樣，在拉伸機上進行抗拉強度、屈服強度、延伸率測試。將斷裂后的斷口進行掃描電鏡的觀察。

1.2.3 顯微組織觀察

取邊長為14 mm，厚度為1.5 mm的試樣，自動鑲樣機鑲樣，采用金相砂紙由400目逐級打磨至2000目，拋光液拋光。采用氫氟酸和硝酸混合水溶液進行輕度腐蝕，在金相顯微鏡下放大200倍進行顯微結構觀察。

1.2.4 摩擦磨損性能測試

取拉伸測試后廢棄試件部分，制成規格為2mm×2mm×1.5mm的試樣6個作為實驗組。將試樣噴砂，依次用600、1000、1200、1500目氧化鋁砂紙打磨，120目石英砂糊劑拋光，超聲清洗20分鐘備用。采用正畸拔除的健康完整上頜第一雙尖牙，使用高速手機磨改，制作2 mm×2 mm釉質平面試樣6個，剩余高度用自凝塑料恢復作為對照組。滑石瓷（江蘇省海門市天補高頻陶瓷廠）作為對磨物，分別以3D打印Ti-6Al-4V合金試樣及牙釉質試樣與對磨物滑石瓷組成摩擦副。采用ISO/TR10271標準制備人工唾液，并進行磨耗測試。試驗參數：載荷Fn=20 N，轉速150 r/min，循環次數20000次，試驗溫度37℃，pH=6.8。測試完畢對各被測試件進行沖洗、干燥、稱量，計算磨耗后的體積差值。

2、結 果

2.1 機械性能結果（見表1）

2.3 斷口形貌

試樣斷口處可見明顯頸縮現象。試樣斷口電鏡結果顯示，斷口呈現韌性斷裂特征，高倍照片可見韌窩狀花樣形貌（見圖2、3）。

2.4 金相顯微結構

基體為體心立方（bcc）結構的β相，針狀相為密堆六方（hcp）結構的α相（圖4、5）

3、討論

Ti-6Al-4V合金因金屬離子的釋出使其應用于口腔中的生物安全性問題一直備受關注。李軍等人對Ti-6Al-4V合金進行的細胞毒性實驗表面，Ti-6Al-4V合金細胞增值率為100%，細胞毒性為0，表明其應用于口腔中具有較好的生物安全性。Vu等人研究證明，Ti-6Al-4V合金具有較好的生物相容性，能夠應用于人體。因此，Ti-6Al-4V合金能夠滿足口腔修復體應用的生物安全性問題。

由于鈦的熔點高、化學性質不穩定、密度小、鑄流率低等原因，其鑄造較為困難。隨著CAD/CAM技術的應用，修復體加工進入數字化階段，但其切削的加工方式造成原材料大量浪費以及刀具的磨耗，導致加工成本增加。SLM技術在全程惰性氣體保護下進行，采用鋪粉的方式，逐層熔覆金屬，避免了切削制造過程中帶來的浪費和不必要污染，且成型的金屬具有接近100%的密度、較高的尺寸精度，避免了傳統鑄造技術的不足，保證了材料的機械性能。本研究中3D打印Ti-6Al-4V合金抗拉強度、屈服強度、延伸率均顯著超過傳統修復用Ti-6Al-4V合金機械性能，可使制作修復體時在保證強度的前提下，適當減少修復體體積及尺寸。頸縮是對材料塑性大小的直接反映，頸縮越大，材料的塑性就越好。3D打印Ti-6Al-4V合金斷口成明顯的頸縮現象，且斷口電鏡顯示成韌性斷裂，高倍鏡下可見韌窩結構，表面該材料塑性良好，可滿足口腔修復體制作要求。合金的晶粒結構與合金的機械性能密切相關，3D打印Ti-6Al-4V合金試樣內部組織金相結構顯示呈α+β相，表面該合金具有良好的綜合性能且組織穩定性好，有良好的韌性和塑性。修復材料的耐磨性直接關系著其使用壽命及性能，本研究測得3D打印Ti-6Al-4V合金磨損量明顯高于天然牙牙釉質，表明其具有較好的耐磨性，在口內行使功能時可抵抗咀嚼所造成的修復體表面摩擦，但當對頜為天然牙時，其較高的耐磨性會造成天然牙列的磨耗磨損。

上述說明，3D打印技術能夠保證純鈦合金化后的機械性能，滿足修復體制作所需的強度和延伸性，在活動義齒設計中能夠減小基托面積，減輕修復體重量以增加患者戴用的舒適感。

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