隨著科技的進步， 人們對生活質(zhì)量的追求日漸提高，越來越重視口腔健康，對義齒修復(fù)材料和技術(shù)更是精益求精。義齒材料作為一種醫(yī)用生物材料，除了要具有良好的力學(xué)性能和易于加工制作的特點外， 更要具備良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性， 并且要兼顧美觀的功能。

目前應(yīng)用于口腔臨床修復(fù)的材料主要有 3 種：

金屬、復(fù)合樹脂、陶瓷。 

金屬材料長期使用會造成金屬離子游離； 

樹脂材料氣化不均勻鑄造時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷，影響義齒的力學(xué)性能；

陶瓷材料由于在口腔環(huán)境中具有良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，表面光潔，質(zhì)地致密不易磨損， 而且具有和天然牙齒相似的色澤和熱膨脹系數(shù)，成為牙科冠橋修復(fù)的首選材料.

傳統(tǒng)的陶瓷義齒是手工制作，工序復(fù)雜，不能滿足患者一次性就醫(yī)的要求。

CAD/CAM 技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的引入，使快速、精準的設(shè)計和制造個性化義齒成為了可能. 采用計算機控制的切削系統(tǒng)代替整個技工制作過程，大大縮短了口腔修復(fù)體的制作周期，但是由于切削的材料是強度和硬度都非常高的陶瓷塊， 切削困難大，刀具磨損明顯,因此對刀具的材料和工藝要求很高，無形中提高了加工設(shè)備的成本，而且基于減法制造的切削技術(shù)也造成了材料的浪費， 利用率和加工效率都不高。隨著快速成型技術(shù)的興起和逐漸成熟，牙科 CAD/CAM 數(shù)控切削技術(shù)遲早會被先進的增材制造快速成型技術(shù)取而代之。

1 快速成型技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

快速成型技術(shù)是把復(fù)雜的三維實體加工制造轉(zhuǎn)化為一系列簡單的二維平面的加工， 可以快速實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制作。 1990 年，快速成型技術(shù)開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域并且越來越廣泛，如牙體修復(fù)、骨科植入物、支架和藥物輸送等由多種材料或功能梯度材料組成的復(fù)雜形狀的地方。快速成型技術(shù)目前可用的材料包括石膏、樹脂、金屬、陶瓷等，在口腔醫(yī)學(xué)的應(yīng)用中，主要集中在批量制作金屬全冠和基底冠、 樹脂全冠及可摘除局部義齒支架樹脂鑄型.應(yīng)用于陶瓷構(gòu)件加工領(lǐng)域的快速成型技術(shù)主要有以下幾:分層實體制造、熔融沉積成型、形狀沉積成型、立體光刻成型、選區(qū)激光燒結(jié)、三維打印、噴墨打印。目前正飛速發(fā)展的是粉末材料選擇性粘結(jié)、微滴噴射成型、熔融沉積制造工藝。衡量一種快速成型工藝的優(yōu)劣主要是看該工藝的加工精度、表面粗糙度、加工速度、材料強度、加工成本、環(huán)境要求等. 由于快速成型技術(shù)疊加原理的限制，層與層之間會存在過渡，造成構(gòu)件表面曲線不連續(xù)，表面粗糙度較低，另外利用快速成型技術(shù)生產(chǎn)的陶瓷部件由于受陶瓷材料本身性質(zhì)的影響，存在力學(xué)性能不夠、強度不高、收縮率大等問題。

1.2 快速成型技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

快速成型技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用， 主要集中在金屬冠、全瓷冠、可摘除局部義齒、全口義齒和頜面部修復(fù)體的設(shè)計與制作方面。 從制作的修復(fù)體材料歸類可以分為利用激光固化成型技術(shù)制作樹脂模型、利用激光燒結(jié)成型技術(shù)制作金屬修復(fù)體和利用微滴噴射技術(shù)制作陶瓷修復(fù)體。

（1）激光固化成型技術(shù)用來制作樹脂材料的口腔修復(fù)體，如可摘除局部義齒支架、牙齒矯正器等，精度高、粗糙度好，材料強度較高。 吳琳應(yīng)用該技術(shù)成功制作出了可摘除支架的樹脂模型。Williams 等利用該技術(shù)制作出樹脂模型后再進行鑄造， 成功制成金屬基托鑄件。 Azari 等制作出固定修復(fù)體的蠟型，這些成功的實例都論證了該技術(shù)制作樹脂模型的可行性。 目前在臨床上已經(jīng)出現(xiàn)了利用激光固化快速成型設(shè)備制作固定義齒樹脂模型的技工室，但是在溫度控制、成型速度等成型工藝方面還有待改進。

（2）激光燒結(jié)成型技術(shù)用來制作金屬材料的義齒基底冠或基托，精度較高，后處理容易，不需要支撐材料。 2006 年英航博士 R.J.Williams 等首次利用激光燒結(jié)快速成型技術(shù)制作雙邊遠端擴展可摘除局部鉻鈷義齒框架并成功應(yīng)用于 1 名 75 歲老人的口腔，表明該技術(shù)用于局部可摘除義齒的制作方面具有巨大的潛力。 吳江、胡江、韓彥峰等應(yīng)用激光快速成型技術(shù)分別制作出全口義齒鈦基托、鎳鉻合金基底冠、純鈦基底冠。從而證實應(yīng)用該技術(shù)制作口腔金屬修復(fù)體是可行的，但是這種技術(shù)只能對金屬進行直接燒結(jié)，制作的成本較高而且金屬粉末的選擇范圍有限，目前這種工藝的研究方向是成型精度的改進和成型材料的研究.　　

（3）微滴噴射成型技術(shù)具有較好的精度和表面粗糙度、使用材料廣泛、工藝靈活、制作成本低廉、環(huán)境友好. 伴隨著該技術(shù)成功應(yīng)用在氧化鋯、氧化鋁等陶瓷材料加工領(lǐng)域的相關(guān)報道,現(xiàn)已有不少學(xué)者將此方法應(yīng)用在了口腔陶瓷修復(fù)體的制作方面。 Ebert 等1使用該技術(shù)成功制作出全瓷冠的樣本， 其硬度和抗壓強度等力學(xué)性能完全滿足臨床要求， 顯示出了此種工藝的巨大潛力。 德國亞琛工業(yè)大學(xué)的 Emre 魻zkol 等利用直接噴墨打印方法制作了氧化釔穩(wěn)定氧化鋯材質(zhì)的牙橋框架， 經(jīng)過該方法制作的樣本和注塑的參考樣本四點彎曲試驗的對比， 驗證了直接噴墨打印方法在制造 3Y-TZP 牙體修復(fù)體方面是一種具有發(fā)展前景的先進制造技術(shù)。

另外國內(nèi)的一些高等院校，如華中科技大學(xué)、南京醫(yī)科大學(xué)、第四軍醫(yī)大學(xué)、新疆大學(xué)、福建醫(yī)科大學(xué)、新疆醫(yī)科大學(xué)等都對快速成型技術(shù)應(yīng)用于口腔修復(fù)領(lǐng)域進行了研究. 華中科技大學(xué)針對激光直接制造（DLF）和選擇性激光熔化（SLM）兩種激光快速成型技術(shù)制造金屬可摘除局部義齒支架進行了深入的研究，證明采用 DLF 成型的工件精度低于 SLM,由于在高度方向 DLF 難以控制精度，所以不適于應(yīng)用在可摘除義齒支架的制作方面。 并且自主研發(fā)了影響 SLM 激光快速成型構(gòu)件精度的關(guān)鍵部分---自動鋪粉裝置， 試驗證明該裝置能滿足 SLM 激光快速制造的精度要求。 新疆大學(xué)設(shè)計出氣動擠出沉積多孔生物骨支架成型機，包括氣動擠出機構(gòu)、 噴頭機構(gòu)及三軸運動機床平臺等硬件設(shè)計和軟件功能的實現(xiàn)， 并且深入研究了成型材料的調(diào)配比例、掃描速度、氣動壓力及成型后的低溫干燥和高溫燒結(jié)等因素對牙槽骨質(zhì)量的影響。 采用此工藝制備的人工牙槽骨支架具有良好的外觀形貌和孔隙結(jié)構(gòu)，并且開拓性地進行了動物試驗，證實此工藝制作的人工牙槽骨具備良好的生物相容性、可降解性、力學(xué)性能等，可以用于骨組織的缺損修復(fù)。以南京醫(yī)科大學(xué)和第四軍醫(yī)大學(xué)為代表的醫(yī)科院校主要對應(yīng)用快速成型技術(shù)制作的口腔修復(fù)體（可摘除義齒支架，牙頜骨）的計算機輔助設(shè)計與制作在臨床的初步應(yīng)用進行了試驗和研究。

2 ，基于陶瓷擠出成型工藝的快速成型技術(shù)

伴隨著快速成型技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 傳統(tǒng)的陶瓷擠出成型方式與之結(jié)合起來。 目前比較典型的基于擠出成型工藝的快速成型技術(shù)主要有 3 種： 陶瓷熔融沉積成型工藝（FDC）、冰凍自由成型工藝（FEF）、漿料微擠壓工藝（SME）。　

（1）陶瓷熔融沉積成型是將陶瓷粉末和有機粘結(jié)劑均勻混合， 形成具有一定粘度的陶瓷漿料并將其制成細絲， 然后再用 FDC 設(shè)備制備陶瓷生坯的成型技術(shù)。 如何將陶瓷漿料制成細絲，是此項技術(shù)的關(guān)鍵，也是研究的熱點。 美國羅格斯大學(xué)陶瓷研究中心研制出了專門的有機粘劑 RU 系列產(chǎn)品， 來配合陶瓷粉末制備成陶瓷漿料，以使?jié){料能夠滿足制備細絲的粘度、柔韌性、強度等性能，并且使用該技術(shù)成功地制備出了氮化硅陶瓷制件.　　

（2）冰凍自由成型是以水為溶劑，添加少量的有機物，制備高固相含量的陶瓷漿料。 在成型過程中，由于工作臺面溫度低于陶瓷漿料的凝固溫度， 從而使?jié){料擠出后迅速凝固，提高了陶瓷漿料的成型性能。具有成型快，精度高，能夠加工復(fù)雜陶瓷制件等優(yōu)點，解決了環(huán)境污染，致密度不足，脫脂速度慢等問題。 美國密蘇里大學(xué)羅拉分校的研究人員已經(jīng)使用該成型工藝用水基陶瓷漿料結(jié)合擠出冰凍成型成功地制作了氧化鋁、硼化鋯等陶瓷零件.　　

（3） 漿料微擠壓成型是針對微小尺寸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷構(gòu)件成型的一種新型工藝。 美國康涅狄格大學(xué)最先將此技術(shù)應(yīng)用在水基牙科陶瓷漿料數(shù)字化制造義齒方面。 以 63.4%的二氧化硅和 16.7%的氧化鋁為主要原料，加以適當比例的氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉、氧化鉀，通過球磨法得到亞微米級的牙科陶瓷粉末顆粒，將其調(diào)配成具有良好塑性的陶瓷漿料擠壓成絲并堆積成牙坯模型， 經(jīng)燒結(jié)后義齒模型從 X,Y,Z 方向收縮均勻， 它的微結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)工藝制作的義齒的微結(jié)構(gòu)是相同的， 而且從計算機設(shè)計義齒模型到打印出來僅需要30 min, 這種工藝的開發(fā)為陶瓷義齒的快速成型制作提供了新的研究方向。

3， 漿料微擠壓快速成型技術(shù)在義齒制作方面的應(yīng)用

經(jīng)過美國康涅狄格大學(xué) Leon L.Shaw 團隊的理論分析和初步試驗驗證， 基于漿料微擠壓成型的義齒制作方法是具有可行性的。 它相較于其他成型工藝來說制作過程簡單，材料和設(shè)備成本低廉，環(huán)境友好，因此該技術(shù)也得到國內(nèi)很多學(xué)者的大力支持， 紛紛投入研究。河北工業(yè)大學(xué)的徐安平教授等基于漿料微擠壓成形原理和計算機輔助無模數(shù)字化制造技術(shù)開發(fā)了選擇性漿料擠壓沉積快速成形系統(tǒng)， 主要是針對微型陶瓷器件制造而開發(fā)的。 其中的選擇性指的是對材料和空間位置的選擇，所用材料范圍廣，可以是 1 種、2 種或者多種。 鑒于牙齒由內(nèi)到外的多層結(jié)構(gòu)徐安平教授提出將該技術(shù)應(yīng)用于義齒這種非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作，并進行初步的試驗研究，圖 1 展示了使用選擇性漿料擠出系統(tǒng)制作陶瓷牙冠坯體的擠出成形過程。 他的研究論證了基于漿料微擠壓成形的快速成型制造技術(shù)應(yīng)用于義齒制作領(lǐng)域的可行性， 并提出未來的工作將集中在多組分材料牙冠的工藝設(shè)計和制造方面。河北工業(yè)大學(xué)的朱東彬等進行了功能化義齒的個性化定制理論和試驗方面的研究. 他首次提出了功能化義齒的概念， 即除滿足其特定口腔環(huán)境所需的力學(xué)性能、物化性能、生物相容性、美學(xué)性能等基本性能外，還具有保健功能的牙齒。義齒的功能化主要通過功能化材料來實現(xiàn)。 通過稀土元素與電極性礦物材料的協(xié)同作用與設(shè)計， 研制出義齒功能化的關(guān)鍵活化材料及功能化二氧化鋯陶瓷義齒材料的制備技術(shù)，運用選擇性漿料擠出堆積成形快速成型工藝， 成功地制作出有益于人體健康的功能化陶瓷義齒牙坯模型，開創(chuàng)了功能化義齒修復(fù)研究的新領(lǐng)域。 他的研究為義齒修復(fù)材料設(shè)計領(lǐng)域開辟了新的研究方向。

蘭州理工大學(xué)的劉洪軍等針對基于擠壓成型工藝的固體自由成型技術(shù)制作義齒方面， 深入研究了水基牙科 3Y-ZrO2陶瓷漿料的制備工藝和流變特性的主要影響因素（固體體積分數(shù)、分散劑含量、pH 值、攪拌時間、添加劑等），使用自制的擠出設(shè)備進行了大量的試驗研究，并對漿料的擠出性能進行了評價。他的研究為微擠壓成形制作義齒的材料制備提供了較為準確的數(shù)值參考， 為近一步推動該工藝的發(fā)展做出了巨大的貢獻。　

目前國內(nèi)外的研究成果主要集中在陶瓷義齒微擠壓成形的上游研究領(lǐng)域， 包括適用于此工藝制作的陶瓷義齒材料的制備和流變特性的研究， 對于工藝參數(shù)（如擠出速度、擠出頭長度、擠出口尺寸）對陶瓷漿料擠出過程的影響也進行了初步探索， 而針對陶瓷義齒的精密擠出成型設(shè)備及關(guān)鍵部件的設(shè)計尚未有相關(guān)報道，這為今后的研究提供了廣闊的空間。

4，微擠壓快速成型技術(shù)存在的問題和研究方向

4.1 微擠壓快速成型技術(shù)存在的典型問題

微擠壓快速成型技術(shù)應(yīng)用于義齒制作的關(guān)鍵就是解決陶瓷漿料擠壓堆積成型的精度問題。 從整個過程來看， 影響義齒制造精度的 3 個因素為原始 CAD模型的數(shù)據(jù)處理、數(shù)控系統(tǒng)的誤差、陶瓷漿料的收縮率。 分別涉及軟件、設(shè)備和材料 3 個領(lǐng)域。 存在的典型問題如下：　　

（1）快速成型機所識別的 STL 文件格式是通過對CAD 三維模型的一系列格式轉(zhuǎn)換最終導(dǎo)出的，在文件格式轉(zhuǎn)化過程中非常容易出現(xiàn)模型面結(jié)構(gòu)破損和法線不正確等問題，破損的三維模型很難被修復(fù)，因此如何對三維模型數(shù)據(jù)進行修補和完善是需要攻克的技術(shù)難題之一。

（2）高精準的三維運動平臺是實現(xiàn)穩(wěn)定擠出的前提與保證， 因此開發(fā)高精度的控制系統(tǒng)使之與工作平臺的機械系統(tǒng)完美地配合從而有效地減小數(shù)控系統(tǒng)的誤差也是問題之一?！?/p>

（3）陶瓷漿料的收縮率受到溫度、固含量、粘結(jié)劑等多方面因素的影響， 過大或過小都會影響最終成型的精度，而且為下一步工序造成困難，影響燒結(jié)質(zhì)量。因此有效地控制陶瓷漿料的收縮率是亟待解決的關(guān)鍵問題之一，可以借鑒冰凍自由成型的方法，令工作臺面溫度低于陶瓷漿料的凝固溫度， 從而使?jié){料擠出后迅速凝固，這樣不僅提高了陶瓷漿料的成型性能，而且有利于后續(xù)工序的方便進行。 具體的可行性有待進一步試驗驗證?！　?/p>

（4）堆積成形后的實體模型最需要改進的問題就是“層紋”現(xiàn)象，尤其對于尺寸較小的復(fù)雜曲面無法通過打磨消除層紋。 可以通過設(shè)置多方向交叉打印噴頭對三維切片數(shù)據(jù)進行打印的方法避免“層紋”的出現(xiàn)，但是設(shè)備的成本也會因為打印噴頭的增多而提高，而且軟件需要更新使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜， 因此要全面考慮增加的噴頭數(shù)量?！　?/p>

（5）另外，陶瓷漿料在擠壓過程中還經(jīng)常會出現(xiàn)液相遷移、 內(nèi)部平面結(jié)構(gòu)各向異性變化和流動不穩(wěn)定等現(xiàn)象，這些都不利于漿料的擠壓堆積成型，要避免這些現(xiàn)象應(yīng)該主要從成型材料方面入手綜合考慮擠壓成型工藝條件（如擠壓力、擠壓速度、擠出頭直徑）等因素的影響來尋找解決方法，盡量減少以上現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2 微擠壓快速成型技術(shù)的研究方向

用于陶瓷義齒制作的快速成型技術(shù)涉及到計算機、材料、機械、自動化等多個學(xué)科領(lǐng)域，是多學(xué)科的交叉融合，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。作為機械行業(yè)的研究人員，應(yīng)該從以下幾點著重展開研究。　

（1）成型設(shè)備研發(fā)。重點研究擠出成型系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化以提高成型過程的精度。 尤其是微擠壓快速成型系統(tǒng)的擠出頭設(shè)計是提高精度的關(guān)鍵。 針對擠出頭的設(shè)計可以從擠出頭功能段結(jié)構(gòu)、內(nèi)部流道形狀、選用材料、加工工藝等方面入手研究?！　?/p>

（2）材料組分設(shè)計。陶瓷漿料的流變特性對擠出設(shè)備的設(shè)計有直接的影響， 因此在陶瓷材料組分的設(shè)計和優(yōu)化配置對成型精度影響方面也要有深入了解和研究。 用于擠出成型的陶瓷漿料是由固體粉料和溶劑混合而成的， 在制備時要含有盡量少的有機物保證最小的干燥與燒結(jié)收縮， 具有良好的穩(wěn)定性和流變學(xué)特性以利于成型， 同時還要保證擠出后形成的坯體具有一定的保持形狀的能力。 滿足以上要求需要研究的重點問題是陶瓷漿料懸浮液的優(yōu)化配置， 包括分散劑的使用、固含量的比例控制、成型工藝的控制、工藝參數(shù)之間的影響關(guān)系等?！　?/p>

（3）成型過程精度控制。針對微擠壓成型精度的控制問題，在排除數(shù)控系統(tǒng)誤差的情況下，可以從成型工藝參數(shù)對擠出成形質(zhì)量的影響方面考慮。 建立符合陶瓷漿料流體特性模型，通過計算流體力學(xué)的理論分析，仿真軟件模擬擠壓過程和試驗驗證相結(jié)合的方法，尋找最佳成型工藝參數(shù)組合， 使基于微擠壓成形的義齒制作工藝逐步走向成熟?！　?/p>

（4）生物相容性驗證。采用微擠壓成形工藝制造的義齒牙坯， 雖然在材料的主要性能上已經(jīng)達到相關(guān)的國際標準，但是距離臨床應(yīng)用還有一段距離，還需完善生物相容性方面的研究和臨床試驗研究。

總而言之， 今后一段時間內(nèi)快速成型技術(shù)在義齒制作領(lǐng)域的研究重點在成型工藝、 成型設(shè)備和成型材料組分設(shè)計等方面。 而基于微擠壓工藝的快速成型技術(shù)作為一種新興的陶瓷材料成形工藝制作過程簡單、設(shè)備成本低廉、對環(huán)境無污染，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N加工方法， 必將成為快速成型技術(shù)的一個研究熱點和重要發(fā)展方向。同時相對應(yīng)成套設(shè)備的研制與開發(fā)、控制軟件的設(shè)計與調(diào)試，也是今后熱門的研究領(lǐng)域。

來源：學(xué)術(shù)堂