3D打印技术与口腔植入材料课件

1、3打印技术与口腔植入材料第1页，共30页。口腔植入材料是指部分或全部埋植于口腔颌面部软组织、骨组织的生物材料，用于修复口腔颌面部组织器官缺损并重建其生理功能，或为口腔颌面部组织器官缺失、缺损修复重建提供固位体，也可作为口腔颌面部疾患治疗的装置。这里主要讲与羟基磷灰石（HA）和生物活性玻璃陶瓷（BGC）有关的材料第2页，共30页。植入材料的性能要求1.生物学性能2.适宜的力学性能3.良好的化学稳定性4.可消毒灭菌5.良好的加工成型性和临床操作性6.生产实用第3页，共30页。植入材料与机体结合的影响因素（一）材料化学组成与界面（二）材料表面形状与界面 1.植入材料的表面能 2.植入材料的孔隙 3.

2、植入材料的形态（三）材料力学性质与界面第4页，共30页。植入材料的孔隙的作用： 1.为组织细胞向植入材料中生长提供通道 和生长通道 2.增大组织液与植入材料之间的接触表面 积，加速反应过程 3.孔隙有利于局部体液循环，为长入材料 内部的新生组织提供营养 4.组织长入孔隙后与材料形成机械性锁结作用， 显著提高两者的结合强度第5页，共30页。3D打印技术Three-Dimensional printing (3Dp)是一项新型的快速成型技术，其原理是根据CAD模型，打印头在薄层粉末上喷射粘结剂形成二维平面，并逐层堆积成型。第6页，共30页。主题由于不同植人部位所需的结构和性能的多样化，运用3DP技

3、术可以改变材料的组成和试件的外形结构，通过定向的三维打印控制不同的孔隙率，在生物医学领域的应用有更大的优势。相比于其他材料，他对于复杂形状的植入体的设计和制造，也更有优势第7页，共30页。证据1设计材料第8页，共30页。烧结第9页，共30页。MC3T3-E1 cells 一种成骨系细胞与3DP技术制造出的HA支架材料进行静置培养和旋动培养第10页，共30页。(A)statically cultured for 1 day: only one single cell visible (arrow); (B) outer slice and (C) inner slice of staticall

4、y cultured cells after 7 days: cells growlayerwise; (D) outer slice and (E) inner slice of dynamically cultured cells for 7 days: deep cell ingrowth in between the HA-granules第11页，共30页。“Both approaches definitely demonstrate that cells maintaintheir characteristic cell morphology. They attachedwell

5、on 3D printed scaffolds and showed good proliferationinto the HA matrices ”“HA scaffolds,made by 3D printing, are very suitable for bone replacement”结论第12页，共30页。证据2疑问：3DP技术制作的材料烧结后的性能会影响植入材料的效果么？（因为会收缩）通过对实验材料（纳米级）多孔羟基磷灰石烧结前后的性能测定来判断分别设计每层粘接面积为100%(即全层喷涂粘接剂)和80%(即每层喷涂粘接剂为十字网格状)的A.B两组HA试件初坯.每组5个第13页，

6、共30页。第14页，共30页。烧结前后2组HA试件的表面形貌A组烧结前表面光滑，结构致密，无明显的断层及裂纹(图2)，烧结后表面较为致密光滑，未见坍塌和裂纹(图3)B组烧结前表面可见结构清晰的网状孔隙结构，孔隙均匀分布，为打印时未喷射粘接剂部分(图4)。烧结后表面仍可见分布均匀清晰的网状孔隙线条，结构比烧结前更为疏松，与烧结前相比较，烧结后的羟基磷灰石表面粉末结合更为紧密，整体结构出现收缩，但未出现变形现象(图5)第15页，共30页。烧结后2组HA试件的微观结构第16页，共30页。 两种不同粘接面积的HA试件经1150烧结后，通过场发射电子显微镜放大5000均可见明显的结晶状，由烧结前的粉末结

7、合成大片的晶体。 A组的HA结构较B组的结构更致密，存在的孔隙也较少(图6,7) 2组烧结后均可见清晰的孔隙结构，其中A组HA孔径大小为50-150 m(图8)，B组HA为100 -200 m之间(图9) B组HA孔隙的数量和大小均大于A组HA的孔隙，结构也更为疏松，表面的孔隙与深部的孔隙相连通，形成多孔结构。第17页，共30页。烧结后2 组HA的XRD衍射分析第18页，共30页。烧结后 2组HA的孔隙率及抗压强度 A组试件经烧结后(58.58士4.35)%，抗压强度为(84.3土12.1)MPB组试件烧结后孔隙率为(68.18土0.71)%，抗压强度为(50.9士5.l)MPaA组与B组的抗

8、压强度经SAS软件进行t检验后，其P值为0. 0004 0. 05，差异具有统计学意义。两组的孔隙率经t检验后，P值为0. 0005 0. 05，差异也具有统计学意义，第19页，共30页。根据以上测定，其基本性能可认为与传统工艺制作的羟基磷灰石材料均满足医用植人材料的力学性能的要求，而与自身组织的强度较为接近但3D打印技术结合了CAD技术可以控制成型孔隙的大小、形状及分布，而且制作过程中无需模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的试件，特别适合根据不同病例特点要求的特性制造，对于不同患者只需要改变CAD模型即可第20页，共30页。证据3通过与其他材料的比较，测定材料3DP-HAAW各种性

9、能，来证明该材料的优越性。第21页，共30页。主要的名词apatitewollastonite glass ceramic（A-W glass ceramic 生物活性玻璃陶瓷 MgO-CaO-SiO2-P2O5）hydroxyapatite + AW glass ceramic（HAAW composite 不会翻译。） （apatitewollastonite glass ceramic reinforced hydroxyapatite composite） 3DP + hydroxyapatite + AW glass ceramic（3DP HAAW composite ) （apa

10、titewollastonite glass ceramic reinforced hydroxyapatite composite fabricated by 3D-printing） 第22页，共30页。实验的项目Particle size determination 粒度测定Microstructure examination 微观结构检测Apparent porosity determination 表面孔隙率测定X-ray diffraction X射线衍射Mechanical testing 力学试验Bioactivity in SBF 在模拟体液中的生物活性In vitro ce

11、ll toxicity 体外的细胞毒性第23页，共30页。通过各种测试得出结论1. Properties of 3DP hydroxyapatite/AW glass ceramic composite were influenced by sintering temperatures and times. Sintering the composite at 1300for 3h produced the greatest flexural modulus （弯曲模量）and strength（弯曲强度） and lowest porosity（最低孔隙度）, 34.10 GPa, 76.8

12、2 MPa and 2.50% respectively区别：弯曲模量(flexural modulus)是表征材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力。 杨氏模量(Youngs modulus)是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量 第24页，共30页。2. The advantages of this fabrication technique compared to others is that the implants can be customized and that there is virtually no limitation in the comple

13、xity of the shape that can be designed and fabricated第25页，共30页。证据4通过动物实验来测试3D打印制造的材料在临床上的应用。实验动物：Eight adult New Zealand rabbits of both sexes植入材料：Si-hydroxyapatite/polycaprolactone/DMB （含硅羟基磷灰石 聚乙酸内酯 脱钙骨基质） scaffolds fabricated by 3D printing方法：外科手术植入步骤：略第26页，共30页。第27页，共30页。通过观察兔胫骨缺损区的愈合情况主要从两个方面Ra

14、diological study 放射线学研究Radiological images of the tibiae show that these were not modified as a consequence of scaffold implantation, nor were any ectopic bone formation foundHistological study 组织学研究Based on morphological observation, there was a greater presence of ossification and new bone formati

15、on with DBM-containing scaffolds, although results were not statistically significative; histomorphometric and longerterm studies are needed to clarify this.第28页，共30页。CONCLUSIONSThe incorporation of DBM into 3D printed SiHA/polycaprolactone scaffolds results in implants with excellent osteointegration, histocompatibility, and osteoconductive properties，thus suitable to be used for bone regene