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(fù)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(fù)中的應(yīng)用。3D打印以數(shù)字化技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工工藝，簡化義齒加工工藝流程，在保證產(chǎn)品同質(zhì)性的前提下，成型快、精度高，且材料浪費少，節(jié)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(fā)生，實現(xiàn)材料更好的生物力學性能和結(jié)構(gòu)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(tǒng)鑄造技術(shù)的新型數(shù)字化加工技術(shù)，3D打印出的材料機械性能直接關(guān)系到活動義齒支架設(shè)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(yīng)用于口腔修復(fù)體制作的可行性。
1、材料與方法
1.1 材料與設(shè)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(fā)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(jù)國家標準GB228-2010，設(shè)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(dǎo)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(huán)境中以800℃（1470°F）的溫度進行4h的處理。
圖1 拉伸試樣3D數(shù)字化圖樣
1.2.2 3D打印Ti-6Al-4V合金機械性能測試
經(jīng)水砂紙打磨拋光至表面光潔，X線探傷后選用6個內(nèi)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(jié)構(gòu)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(guī)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(zhì)平面試樣6個，剩余高度用自凝塑料恢復(fù)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(zhì)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(shù)：載荷Fn=20 N，轉(zhuǎn)速150 r/min，循環(huán)次數(shù)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(jié) 果
2.1 機械性能結(jié)果（見表1）
2.3 斷口形貌
試樣斷口處可見明顯頸縮現(xiàn)象。試樣斷口電鏡結(jié)果顯示，斷口呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)
基體為體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)的β相，針狀相為密堆六方（hcp）結(jié)構(gòu)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(yīng)用于口腔中的生物安全性問題一直備受關(guān)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(yīng)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(yīng)用于人體。因此，Ti-6Al-4V合金能夠滿足口腔修復(fù)體應(yīng)用的生物安全性問題。
由于鈦的熔點高、化學性質(zhì)不穩(wěn)定、密度小、鑄流率低等原因，其鑄造較為困難。隨著CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，修復(fù)體加工進入數(shù)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(dǎo)致加工成本增加。SLM技術(shù)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(tǒng)鑄造技術(shù)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(tǒng)修復(fù)用Ti-6Al-4V合金機械性能，可使制作修復(fù)體時在保證強度的前提下，適當減少修復(fù)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(xiàn)象，且斷口電鏡顯示成韌性斷裂，高倍鏡下可見韌窩結(jié)構(gòu)，表面該材料塑性良好，可滿足口腔修復(fù)體制作要求。合金的晶粒結(jié)構(gòu)與合金的機械性能密切相關(guān)，3D打印Ti-6Al-4V合金試樣內(nèi)部組織金相結(jié)構(gòu)顯示呈α+β相，表面該合金具有良好的綜合性能且組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性和塑性。修復(fù)材料的耐磨性直接關(guān)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(zhì)，表明其具有較好的耐磨性，在口內(nèi)行使功能時可抵抗咀嚼所造成的修復(fù)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(shù)能夠保證純鈦合金化后的機械性能，滿足修復(fù)體制作所需的強度和延伸性，在活動義齒設(shè)計中能夠減小基托面積，減輕修復(fù)體重量以增加患者戴用的舒適感。
相關(guān)鏈接
