一种适于3D打印的PEEK复合材料人工牙的制备方法与流程

本发明涉及一种人工牙的制备方法，具体是一种适于3d打印的peek复合材料人工牙的制备方法，属于牙科医用材料制备技术领域。

背景技术：

随着数字化和信息化技术的发展，口腔牙科种植领域已经不同程度地引进了大批高科技数字化设备，如放射线cbct扫描、ct三维重建、计算机虚拟种植、口腔模型扫描、计算机辅助设计/辅助制造（cad/cam）等数字化技术的应用已在我国大中城市逐步普及，数字化技术有助于提高牙科种植的效率和质量，大大推进了种植牙的发展。

3d打印机技术是以一种以数字模型文件为基础，依托信息技术、材料科学和精密机械等多种学科的尖端技术，其主要通过计算机辅助设计（cad）软件设计模型数据，将数据导入特定的打印机，运用粉末状金属或塑料等可熔融粘合材料，通过加热熔融挤出逐层打印的方式来构造物体。目前3d打印技术已逐步应用在口腔临床各领域，在牙科种植领域，3d打印可根据ct扫描数据或计算机设计模型制造出任意形状的种植体，可用于快速成型个性化人工牙。

目前人工牙主要是由钛金属制成，其优点是机械强度高，但钛基人工牙存着生物活性差，弹性模量过高和金属离子析出等缺点，因此，本发明希望能制备出一种机械强度和生物活性兼备的更优质的非金属材料人工牙。

聚醚醚酮（peek）是一种具有高强度、高断裂韧性的塑料，其耐疲劳性可与合金媲美。医用级peek具有很好的生物相容性、无细胞毒性、无诱变性、无致癌性，不引起过敏，还具有极强的耐腐蚀、耐水解和耐化学性，而且其具有良好的机械性能，是目前研究得较为广泛的人工骨和人工牙材料之一。单独使用peek作为人工牙材料，其缺点在于缺乏成骨诱导功能。羟基磷灰石（ha）与人骨和牙齿的无机部分有相似的化学组成和结构，具有良好的骨传导性，是理想的生物材料。晶须状的ha能依靠晶须的桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量，消除裂纹尖端应力，通过负荷传递使应力作用于晶须，从而降低周围基体材料所受的应力，达到增强生物材料强度的目的，因此将一定比例的ha晶须加入peek中复合形成的peek复合材料可作为很好的制备人工牙的材料。另外，人工合成的ha与自然骨的组成和结晶度不同，自然骨是一种典型的缺钙羟基磷灰石，因此ha作为植入材料存在着降解过慢、骨诱导性偏低的不足，常常需要在ha中添加一些元素来改善其性能，掺钡羟基磷灰石（ba-ha）就是其中的一类改性ha材料，ba的加入能够替换ha中的部分ca，使得ha的晶格发生畸变，从而加快其降解速度并增加其骨诱导性，另外ba的加入还能起到阻射x线的作用。

由于peek材料的熔点高，粘度大，目前市面上可将peek作为打印材料的3d打印机很少，德国apium公司生产的apiumm系列3d打印机为专业打印植入医疗器械的3d打印机，其具有加热温度高、喷头压力大、打印分辨率高等优点，可适用于peek、碳纤维增强peek、pei9085、pom-c等多种高性能的高分子材料，而且使用其处理peek材料，不会影响peek材料的生物相容性和杀菌性能，因此对本发明特别适用。

另外，本发明为了增加骨诱导性和生物活性，还需要对由3d打印机打印出来的peek复合材料人工牙进行进一步的表面处理。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适于3d打印的peek复合材料人工牙的制备方法，以用于快速制备一种具有良好机械强度和生物活性、弹性模量与人体骨骼相近、有诱导成骨功效的个性化人工牙。

本发明的具体技术方案如下：

一种适于3d打印的peek复合材料人工牙的制备方法，包括以下步骤：

（1）人工牙的三维造型设计

通过cbct断层扫描技术获取患者拔牙窝和牙槽骨缺牙区域的形状数据，再采用ct三维重建技术重建缺牙区域的三维造型，根据cbct扫描的形状数据并结合患者的要求用计算机设计出个性化人工牙和人工牙种植导板的三维造型，再将人工牙和人工牙种植导板的三维造型在计算机中虚拟种植到缺牙区域的三维造型中，根据虚拟种植的效果来对人工牙和人工牙种植导板的三维造型进行修正；然后将人工牙三维造型基台以下的牙根表面设计成网状开槽结构或蜂窝状孔洞结构。

（2）3d打印材料的制备

取医用级peek粉剂85重量份与掺钡羟基磷灰石（ba-ha）晶须15重量份进行混合，再加入足量的甘油和乙醇，放入高速打磨机中打磨成混悬液，再用抽滤机抽滤掉混悬液中的甘油和乙醇，并放入干燥机中干燥，得到含ba-ha晶须的peek复合材料，将此peek复合材料作为3d打印材料备用。

（3）3d打印人工牙和人工牙种植导板

将步骤（2）准备好的peek复合材料加入德国apium公司生产的apiumm系列3d打印机的加热腔中，将步骤（1）设计好的人工牙和人工牙种植导板的三维造型以stl格式导入3d打印机的控制软件中并自动转化为相应的分层数据，由3d打印机将peek复合材料进行加热熔融，再从喷头挤出，逐层打印叠加成型，由此得到由peek复合材料制成的人工牙和人工牙种植导板。

（4）人工牙牙根的表面处理

对步骤（3）得到的人工牙的牙根部分表面进行喷砂处理，用扫描电镜（sem）观察peek复合材表面有晶须头露出即可，喷砂处理后用水洗净，干燥消毒备用。

（5）人工牙牙根表面涂附活性骨膏

在临床种植前，对步骤（4）处理好的人工牙的牙根部分表面涂附一层活性骨膏后即可立即用于种植；所述活性骨膏的配制方法为：收集钻种牙窝洞时产生的自体骨粉25-70重量份，加入nha15-25重量份、β-tcp10-30重量份，再加入适量的富血小板纤维蛋白（prf）共同搅拌调成膏状，即为活性骨膏。

本发明通过数字化技术来对人工牙的三维造型进行设计，并将人工牙三维造型基台以下的牙根表面设计成网状开槽结构或蜂窝状孔洞结构，然后用含ba-ha晶须的peek复合材料作为人工牙的3d打印材料，根据设计好的人工牙造型数据用专用3d打印机打印人工牙，最后再对此人工牙进行表面处理和涂附活性骨膏，由此得到一种性能优越的peek复合材料人工牙。本方法可用于快速制备个性化人工牙，而且制备出来的人工牙具有良好的机械强度和生物活性，弹性模量与人体骨骼相近，且具有诱导成骨功效，大大优于常规钛基人工牙。

附图说明

图1为本发明前牙的牙根表面设计成网状开槽结构时的示意图。

图2为本发明后牙的牙根表面设计成网状开槽结构时的示意图。

图3为本发明前牙的牙根表面设计成蜂窝状孔洞结构时的示意图。

图4为本发明后牙的牙根表面设计成蜂窝状孔洞结构时的示意图。

图5为本人工牙种植在有局部缺损的牙槽骨上的示意图。

图中:1-人工牙牙冠，2-人工牙基台，3-人工牙牙根，4-牙龈，5-牙槽骨，6-牙槽骨缺损区，7-保护罩。

具体实施方式

本发明的适于3d打印的peek复合材料人工牙的制备方法，包括以下步骤：

（1）人工牙的三维造型设计

通过cbct断层扫描技术获取患者拔牙窝和牙槽骨缺牙区域的形状数据，再采用ct三维重建技术重建缺牙区域的三维造型，根据cbct扫描的形状数据并结合患者的要求用计算机设计出个性化人工牙和人工牙种植导板的三维造型，再将人工牙和人工牙种植导板的三维造型在计算机中虚拟种植到缺牙区域的三维造型中，根据虚拟种植的效果来对人工牙和人工牙种植导板的三维造型进行修正；然后将人工牙三维造型基台以下的牙根表面设计成网状开槽结构或蜂窝状孔洞结构，如图1-4所示。

当人工牙三维造型基台以下的牙根表面设计成网状开槽结构时，槽的间距为200-400μm，槽的宽度为200-400μm，深度为200-400μm；当人工牙三维造型基台以下的牙根表面设计蜂窝状孔洞结构时，孔的间距为100-200μm，孔径为300-400μm，孔深为200-600μm。

（2）3d打印材料的制备

取医用级peek粉剂85重量份与掺钡羟基磷灰石（ba-ha）晶须15重量份进行混合，再加入足量的甘油和乙醇，放入高速打磨机中打磨成混悬液，再用抽滤机抽滤掉混悬液中的甘油和乙醇，并放入干燥机中干燥，得到含ba-ha晶须的peek复合材料，将此peek复合材料作为3d打印材料备用。

所述掺钡羟基磷灰石（ba-ha）晶须的平均长度为50-150μm，长径比为20-50，钡掺入含量为1%。

（3）3d打印人工牙和人工牙种植导板

将步骤（2）准备好的peek复合材料加入德国apium公司生产的apiumm系列3d打印机的加热腔中，将步骤（1）设计好的人工牙和人工牙种植导板的三维造型以stl格式导入3d打印机的控制软件中并自动转化为相应的分层数据，由3d打印机将peek复合材料进行加热熔融，再从喷头挤出，逐层打印叠加成型，由此得到由peek复合材料制成的人工牙和人工牙种植导板。

（4）人工牙牙根的表面处理

对步骤（3）得到的人工牙的牙根部分表面进行喷砂处理，用扫描电镜（sem）观察peek复合材表面有晶须头露出即可，喷砂处理后用水洗净，干燥消毒备用。

所述喷砂处理采用粒度为100-200目的碳酸氢钠砂粒作为喷砂砂粒。

（5）人工牙牙根表面涂附活性骨膏

在临床种植前，对步骤（4）处理好的人工牙的牙根部分表面涂附一层活性骨膏后即可立即用于种植；所述活性骨膏的配制方法为：收集钻种牙窝洞时产生的自体骨粉25-70重量份，加入nha15-25重量份、β-tcp10-30重量份，再加入适量的富血小板纤维蛋白（prf）共同搅拌调成膏状，即为活性骨膏。

所述富血小板纤维蛋白（prf）采用自体静脉血经离心分离成3层后，取中间层的纤维蛋白凝胶而得。所述自体骨粉收集不到或者收集到的量太少时，可采用市售牙科异体骨粉进行替代，如瑞士盖氏bio-oss骨粉等。如果患者的种牙区不适合取牙槽骨骨粉，我们不主张刻意在健康牙槽骨上去钻孔取骨粉，以免造成二次伤害。

当在种植牙过程中遇到患者牙槽骨骨量不足或局部缺损的难题时，种牙的同时还需要对牙槽骨缺损区填充活性骨膏进行修补，并在骨膏外覆盖一个保护罩，如图5所示，由于活性骨膏及保护罩均采用具有生物活性的材料制成，种植牙后3个月左右，牙槽骨缺损区的活性骨膏可转化为成骨，而保护罩会被吸收。

所述保护罩采用3d打印的方式获得，利用计算机辅助设计软件对保护罩进行设计，保护罩的一端利用人工牙基台的连接螺钉固定，另一端看牙槽骨缺损区的形状和大小设计，使之能对牙槽骨缺损区完全覆盖并稍宽出1mm，保护罩的内侧面设有间隔200μm的网状槽，槽的深度和宽度为100-200μm，保护罩的厚度为300-400μm，保护罩的外侧面设有密布的小孔，孔径为10μm。保护罩的3d打印材料采用plga、nha、β-tcp三种材料的混合物，其中plga40-70重量份、nha15-25重量份、β-tcp20-30重量份。