選擇性激光熔融與鑄造鈦合金卡環(huán)的模擬摘戴固位力研究

劉春煦 魯雨晴 賈璐銘 董博 張倩倩 于海洋

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心四川大學華西口腔醫(yī)院修復科 成都 610041

牙列缺損是口腔修復臨床上的常見疾病，而可摘局部義齒因其適應證廣泛、性價比高而被廣泛使用[1-3]；隨著材料的發(fā)展，鈦合金從性能上逐漸超越了鈷鉻合金，具有更好的力學性能和生物學性能，是牙科修復的理想材料[4-7]。但是長期以來鈦合金的加工工藝限制其在口腔領域的發(fā)展，不僅成本高，而且精度低，成功率低[7]，所以鈦合金的可摘局部義齒支架運用并不廣泛。3D打印技術又稱為增材制造（additive manufacturing，AM），屬于快速成型（rapid prototyping，RP）技術的一種。通過選擇性激光熔化成型（selective laser melting，SLM）技術制作3D打印的活動支架不但節(jié)約材料，工序簡化，而且更加精確[8]，這種工藝基本解決了牙科鈦合金的制造工藝問題，目前非常多的加工廠使用3D打印的技術生產(chǎn)鈦合金支架。

卡環(huán)是為可摘局部義齒提供固位力最主要的部件，固位力不足則義齒容易脫落，固位力過大則義齒摘戴困難且易損傷基牙。現(xiàn)有關于卡環(huán)固位力的研究，大多是研究鑄造的鈷鉻合金，所以3D打印鈦合金支架卡環(huán)的固位力值得探索。

本文結合3D打印的工藝技術，對比SLM與鑄造工藝的鈦合金卡環(huán)，在不同倒凹設計中固位力的區(qū)別，以及在體外最大程度地模擬義齒摘戴，并探索其固位力的變化趨勢，從而為臨床可摘局部義齒工藝的選擇以及倒凹的設計提供參考。

1 材料和方法

1.1 樣本準備

每個樣本包含3個結構：卡環(huán)、牙冠和基牙?？ōh(huán)和牙冠使用相同的材料，為牙科常用的鈦合金TC4（Ti-6Al-4V），加工使用的原材料為3D打印鈦合金球形粉末（成都優(yōu)材科技有限公司，中國）；通過其加工方式可分組為3種工藝：EOS組（EOSINT M280/SLM增材制造）、CL組（Concept Laser M2/SLM增材制造）和Cast組（鈦合金失蠟鑄造工藝）；同時采用2種卡環(huán)進入基牙的倒凹深度：0.25和0.75 mm。其中，Cast組卡環(huán)熔模和基牙的材料為3D打印光敏樹脂（3D Systems公司，美國），均使用牙科專業(yè)樹脂3D打印機Projet 3600（3D Systems公司，美國）加工成型。

1.2 樣本設計與制作

首先進行樣本的計算機輔助設計（computer aided design，CAD），使用標準模型的三維數(shù)據(jù)，截取上頜預備后的第一前磨牙作為基牙，以及其遠端的缺失牙牙齦；用牙科專業(yè)CAD軟件Dental System（3shape公司，丹麥）將獲得的三維數(shù)據(jù)導入，并在基牙上設計全解剖形態(tài)的牙冠；然后在牙冠上設計標準三臂卡環(huán)，卡環(huán)的寬厚比為10：8，卡環(huán)前1/3進入牙冠的倒凹，在卡環(huán)的遠中端，設計一個桿式的附件與卡環(huán)相連，通過變化桿的角度控制卡環(huán)尖進入倒凹的深度，桿的延伸方向便是摘戴循環(huán)測試時的拉力方向，桿的齦端止于基牙代型的遠中缺牙區(qū)形成膨大與牙齦完全貼合，用于確定卡環(huán)完全就位（圖1）。

圖1 卡環(huán)、牙冠和基牙的樣本三維設計示意圖Fig 1 Three-dimensional design sketch of clasp, crown and abutment

設計完成之后，將EOS組和CL組的卡環(huán)與牙冠STL數(shù)據(jù)分別導入3D打印機EOSINT M280（EOS公司，德國）、Concept Laser M2（Concept Laser公司，德國）SLM打印成型，打印參數(shù)詳見表1，然后進行常規(guī)處理。Cast組使用同樣的數(shù)據(jù)，先用Projet 3600（3D Systems公司，美國）3D打印蠟型，然后進行鑄造?；朗褂肞rojet 3600（3D Systems公司，美國）樹脂3D打印機制作。3組使用的都是同樣的卡環(huán)和牙冠數(shù)據(jù)，避免了手工制作的誤差。

卡環(huán)和牙冠按照臨床要求由同一人員進行打磨和拋光。圖2為處理完成的卡環(huán)樣本圖。最后將牙冠與基牙粘接在一起，并把每個樣本進行超聲清洗60 s。圖3為2種倒凹三維設計與實體圖，可以通過改變桿的角度和拉力方向從而改變卡環(huán)尖進入倒凹的大小。

表1 鈦合金卡環(huán)SLM參數(shù)設置Tab 1 SLM parameter setting of titanium alloy clasp

圖2 打印并處理完成的卡環(huán)樣本Fig 2 Samples of clasp after printing, heat treatment and polishing

圖3 2種倒凹深度的卡環(huán)的三維模型與實體對比Fig 3 Three dimensional and physical comparison of two kinds of undercut depth of clasp samples

1.3 試驗方法

使用萬能材料力學測試儀Instron 5565（INSTRON公司，美國）對樣本進行模擬摘戴循環(huán)測試。首先將樣本進行固定，然后把基牙下端和卡環(huán)的附件桿分別夾持于萬能材料力學試驗機的上、下持具上，確保完全穩(wěn)定且卡環(huán)桿的方向與機器的持具提拉方向一致（圖4）。保證室內溫度均衡為（20±2） ℃。測試的參數(shù)為循環(huán)次數(shù)15 000次，模擬10年的口內摘戴[9]，位移4 mm，速率10 mm·s-1，記錄初始固位力，并每1 500次循環(huán)記錄1次固位力。

圖4 實驗樣本與夾具的三維模式Fig 4 Three-dimensional model of experiment sample and stationary fi xture

1.4 統(tǒng)計學方法

對每組樣本數(shù)據(jù)計算95%置信區(qū)間，并以固位力作為變量對數(shù)據(jù)進行加工工藝、倒凹深度、循環(huán)次數(shù)的三因素方差分析和最小顯著性差異法（least signif i cant difference，LSD）兩兩比較，檢驗水準為α=0.05。循環(huán)結束后對卡環(huán)超聲清洗，對卡環(huán)尖組織面磨損處進行掃描電子顯微鏡（scanning electronic microscopy，SEM）觀察。

2 結果

通過三因素方差分析可得0.25與0.75 mm 2種倒凹深度的卡環(huán)固位力存在差異（P＜0.05），而且3種加工工藝之間的固位力總體均數(shù)也存在差異。LSD多重比較Cast、CL、EOS組之間均兩兩存在差異（P＜0.05）。

對每組實驗數(shù)據(jù)進行95%置信區(qū)間的計算（表2）并制作折線圖（圖5），從中可以得出倒凹深度上0.75 mm的固位力比0.25 mm的固位力更大，加工工藝上CL組與EOS組的固位力在15 000次循環(huán)中均大于Cast組，而CL組與EOS組差異在折線圖中表現(xiàn)不明顯，初始固位力和循環(huán)結束后固位力CL組較大，循環(huán)過程中的固位力EOS組則略大于CL組。為了探究EOS組與CL組的數(shù)據(jù)差異，進一步對0.25、0.75 mm倒凹深度的每一次循環(huán)的EOS和CL 2組固位力進行完全隨機方差分析（表3），結果顯示只有倒凹深度為0.25 mm的初始固位力EOS組與CL組差異存在統(tǒng)計學意義（P=0.03），其余的數(shù)據(jù)差異均無統(tǒng)計學意義。

表2 15 000次循環(huán)過程卡環(huán)固位力的變化Tab 2 Retention force change of clasps during 15 000 cycles N

圖5 15 000次循環(huán)固位力變化折線圖Fig 5 Line chart of retaining force change in 15 000 cycles

表3 2種倒凹深度卡環(huán)樣本每1 500次循環(huán)固位力的P值Tab 3 P-values of retention forces per 1 500 cycles for two kinds of undercut depth of clasp samples

圖6為3組的SEM圖像，由圖可見循環(huán)過后三者均未出現(xiàn)裂痕；磨痕的方向清晰，磨痕的深度和密度不同，CL組較EOS組和Cast組磨痕的深度更淺，磨痕密度更小，表面粗糙度更低；表面可見較多的磨屑附著，Cast組表面附著的磨屑更多。

圖6 循環(huán)結束后卡環(huán)組織面磨損處的SEM圖Fig 6 SEM images on the worn part of the clasp sample after the end of the cycle

3 討論

關于加工工藝與固位力的關系，SLM成型的卡環(huán)固位力大于鑄造工藝，由二者貼合度以及內部微觀結構的差異所致。SLM技術為“分層制造，逐層疊加”成型，快速制備出三維實體的一種分層制造技術[10]，通過高強度的激光束聚焦在粉末床上使粉末熔化成一固態(tài)薄層，然后繼續(xù)下一層的燒結并與之前的一層相融合，逐層燒結疊加，最后完成零件制作[11]，這種技術不僅更加精確，而且結構非常致密；而鑄造工藝因為包埋、澆鑄、冷卻、打磨鑄道等步驟，使卡環(huán)產(chǎn)生形變和內應力，最終導致貼合度低，還可能形成沙眼、微孔等鑄造缺陷[7,12]，所以卡環(huán)貼合度和致密性較差。從SEM圖像也可看出SLM成型的卡環(huán)在循環(huán)過后磨損面磨痕更淺，表面粗糙度更低，磨屑更少也可印證兩者內部結構的差異。對于EOSINT M280和Concept laser M2這2種SLM系統(tǒng)，都是牙科最常用的金屬3D打印系統(tǒng)，經(jīng)統(tǒng)計分析2組固位力雖存在整體的差異（P=0.009），但對每一個循環(huán)的固位力進行統(tǒng)計分析，只有初始固位力CL組大于EOS組（P=0.03），因此，可以認為2種系統(tǒng)的金屬3D打印機打印的支架卡環(huán)固位力沒有差異。

關于倒凹深度的設計與固位力大小，卡環(huán)進入倒凹越深，固位力越大，與現(xiàn)有關于卡環(huán)固位力的研究結論一致，而且鑄造鈦合金的固位力也在基本相同的范圍[9,13-14]。有研究[13]表明單個卡環(huán)的固位力應達到5 N以上，也有研究[15]表明固位力至少為3～7 N，還有研究[16]認為固位力的大小在11.7 N時有理想的臨床效果。固位力過小影響義齒的固位和穩(wěn)定效果，固位力過大易導致基牙磨損，卡環(huán)臂永久形變和疲勞斷裂[15]。從折線圖可得，除了0.25 mm倒凹深度、鑄造組的固位力在循環(huán)中期以后小于5 N，CL組與EOS組0.25 mm倒凹深度的固位力能符合最低固位力要求，而對于0.75 mm的倒凹深度設計EOS組與CL組固位力則過大，所以在臨床上若采用失蠟鑄造鈦合金支架的可摘局部義齒，可以設計為0.75 mm的倒凹深度，如果使用3D打印的鈦支架，設計為0.25 mm的倒凹深度便可以提供足夠固位力。

對于摘戴循環(huán)中的固位力變化，卡環(huán)的固位力持續(xù)下降，下降的趨勢逐漸緩慢，說明在使用初期固位力喪失最大。有研究表明固位力實質上是卡環(huán)對基牙卡抱作用下的摩擦力，在反復摘戴過程中發(fā)生疲勞和永久形變，導致卡環(huán)的貼合度降低，使固位力下降[17]；本實驗使用的鈦合金卡環(huán)循環(huán)完成后，卡環(huán)組織面與基牙進入倒凹處有清晰的磨痕，而卡環(huán)均無斷裂或裂痕，結合SEM圖像可以推測，整個過程卡環(huán)的磨損所導致組織貼合度降低是導致固位力下降的主要原因之一而非疲勞變形，且SLM的卡環(huán)磨損處磨痕更淺，磨屑更少，所以SLM技術的摩擦學性能優(yōu)于鑄造。但是是否還有其他因素導致固位力下降還有待進一步研究。

綜上所述，還需進行后續(xù)實驗進行進一步的驗證和探究，如對不同工藝的卡環(huán)進行化學成分與內部微觀結構的檢測分析，對循環(huán)前后以及2種工藝進行卡環(huán)貼合度的對比檢測，對2種工藝鈦合金進行摩擦磨損的實驗分析。

4 結論

同樣設計的SLM技術成型的鈦合金卡環(huán)固位力比失蠟鑄造鈦合金卡環(huán)固位力更高；使用失蠟鑄造方式制造鈦合金卡環(huán)設計為0.75 mm倒凹深度可保證足夠的固位力；使用數(shù)字化設計配合3D打印制造的鈦合金卡環(huán)0.25 mm就可以達到基本固位需求；EOSINT M280和Concept laser M2這2種SLM系統(tǒng)的3D打印成型的鈦合金卡環(huán)的固位力基本相同。