3D打印假牙的力学性能与真实牙齿相当！

导读：人类的牙齿由复杂组织构成，具有极高的机械强度。在实际生产生活中，人们需要“复制牙齿”，例如在牙科培训应用中，人们试图复制真实牙齿的结构和形态，但其机械性能却不能与真实的牙齿保持一致。那么如何复现真实牙齿的机械性能呢？这一直是研究人员研究的重点。

2022年5月，南极熊获悉，来自伦敦玛丽女王大学的研究者们制造了生物仿生型牙齿，其形态来自于提取的牙齿的X射线显微层析扫描，他们使用了一种新型复合材料进行3D打印，打印出的牙齿具有与真实牙齿相当的力学性能。研究者们已经研究内容发表在了《Scientific Reports》上，题目为《Composite 3D printing of biomimetic human teeth》，下面跟随南极熊一起看看他们的具体内容吧！


研发难点和需要解决的问题
仿生牙的开发需要了解在既定的制造过程中材料之间复杂的相互作用，以提供与人类牙齿相当的适当的机械性能。牙科材料范围很广，但聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）树脂由于其高可用性、低成本、生物相容性和可接受的美感，仍然是牙科的主要候选材料。 PMMA材料的性能相对较高，可在一系列制造工艺中加工，具有生物相容性，因此，经常用于义齿生产。

然而，PMMA很容易因疲劳或过度咀嚼而失效，使PMMA假牙难以修复。研究表明，在PMMA中添加填充物来生产复合材料，可以提高假牙的冲击强度，但准备工作很困难，因为填充物会增加PMMA的粘度，从而降低其流动到所需形状的能力。因此，用相对较硬和较软的材料生产复合材料，在模仿人类牙齿的硬釉质和较软的牙本质区域内的羟基磷灰石的不同材料组成方面是有利的。尽管有大量关于改进假牙的研究，但创造具有机械性能的仿生类型牙，在牙科教育应用中提供真实的触觉反应，如切牙时的 "感觉"，却少之又少。

研究过程
本研究的目的是用模仿天然牙齿的形态和机械反应的材料来3D打印假牙。研究人员使用了X射线显微层析技术（XMT）对天然牙齿进行高分辨率成像，以准确绘制样品的几何形状。选择XMT作为成像技术，是因为它的非破坏性和在结构间轻松分割数据的能力，成像数据可以被处理并转换为适合3D打印的格式。XMT可以全面描述牙齿的形态，并产生了高对比度的图像，突出了牙齿之间的结构差异。高对比度扫描清楚地显示了高矿化的牙釉质和低矿化的牙本质之间的区别（在图像中显示为明亮的区域）。一颗商业类型牙（Frasaco）无高亮区域，表明釉质和牙本质都使用了一种材料，或者两种材料具有相同的X射线不透明度。其余的类型牙都是通过使用不同的材料来区分釉质和牙本质，导致的XMT图像有不同的对比。图f显示了3D打印材料的重建的XMT图像。所有的图像都显示了几何形状和尺寸的统一性，由于额外的填充物颗粒，灰色程度不同。重建的XMT图像显示了填充物颗粒（25wt.%）在3D打印结构中的分布。



△XMT图像

本研究进一步开发了一个测力系统，以便能够对切割的牙齿进行机械评估，作为评估3D打印的仿生型牙齿与其他牙齿的性能指标。研究人员使用的复合材料在基于甲基丙烯酸酯的光聚合物树脂中加入了一系列的玻璃、羟基磷灰石和瓷的增强物，与六颗商业化的人工牙进行了比较。使用测量应用切削力的触觉方法评估了拔出的人类牙齿和3D打印的类型牙的机械性能。


△实验装置



△切割拔牙和正畸牙齿所需的平均力

文章中介绍了本研究中评估的材料范围以及用于创建3D打印牙齿的不同重量百分比的加固材料。根据结果可知，在所有样品中，随着加固物重量百分比的增加，切割力也在减少。在40种不同的组合物中，有三种组合物与切割提取的珐琅质（0.31N）所需的力密切匹配（±0.02N），特别是25%的HAp（0.31N±0.06）、20%的CHAp（0.32N±0.06）和25%的CHAp（0.31N±0.03）。

结果表明，尽管所用来打印的材料成分与人类牙齿中的材料不同，但3D打印的牙齿在力学上可以与人类牙齿相当。材料的弹性模量和硬度的多参数变量被证明可以描述人类和仿生牙时的触觉反应，证明了材料机械性能的比率是决定切割力作用下的牙齿机械性能方面的关键因素。

更多内容请查看原文：https://doi.org/10.1038/s41598-022-11658-y