Free access...
引用论文
Lizheng Zhang, Hao Liu, Haihua Yao, Yong Zeng, Jimin Chen. Preparation, Microstructure, and Properties of ZrO2(3Y)/Al2O3 Bioceramics for 3D Printing of All-ceramic Dental Implants by Vat Photopolymerization. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, Volume 1, Issue 2, 2022.
https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100023.
(戳链接,下载全文)
1
研究背景及目的
随着生活水平的提高,口腔医疗成为人们关注的话题。生物陶瓷因具有良好的美学性能、生物相容性等优点受到了临床医生和患者的青睐。随着3D打印技术的不断突破,3D打印开始成为口腔修复领域的热点。然而,目前3D打印制备存在性能差,精度、致密度低的问题,因此制备高精度、致密度以及高性能的全瓷种植体是至关重要的。
2
论文亮点
1.优化了ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷的微观组织和性能。
2.采用数字光处理技术制备了综合性能优异、高精度的全瓷种植牙。
3.制备的全瓷牙具有机械强度高(硬度、抗压强度、断裂韧性、抗弯强度、耐磨损性),良好的生物相容性,与传统的工艺相媲美,同时揭示了其内在机理和强化机制。
图1 不同角度ZrO2(3Y)/Al2O3种植体 (a) 坯体;(b) 烧结体
图2 ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷浸泡液对MC3T3-E1和HUVEC干预 (a) 对照组;(b) 实验组
3
试验方法
本研究利用数字光处理技术制备了全瓷牙冠和种植体用ZrO 2(3Y)/Al 2O 3生物陶瓷生坯。根据热分析曲线设计了陶瓷坯体的脱脂和烧结方案。系统研究了不同热处理工艺对ZrO 2(3Y)/Al 2O 3生物陶瓷成形质量和精度、力学性能影响。同时,模拟口腔环境和力学对其摩擦学性能进行了深入研究。此外,利用小鼠胚胎成骨前体细胞(MC3T3-E1)和人脐静脉内皮细胞(HUVEC)进行体外生物学实验,以验证3D打印ZrO 2(3Y)/Al 2O 3生物陶瓷的生物相容性。
图3 不同烧结工艺烧结样品的微观组织:(a) 1550 °C-3 h (b) (e)中Al元素EDS (c) 1650 °C-3 h (d) 1600 °C-1h (e) 1600 °C-3 h (f) 1600 °C-5 h (g) A点的EDS(h)(e)中O元素EDS (i) B点的EDS
图4 不同烧结工艺对陶瓷烧结件性能的影响 (a) 维氏硬度;(b) 抗压强度;(c) 抗弯强度;(d) 断裂韧性
4
结果
当烧结温度和保温时间分别为1600°C和3h时,ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷致密度高达98.79%。其维氏硬度、抗压和抗弯强度以及断裂韧性分别为13.5Gpa,1935MPa,657MPa,6.7MPa×m1/2。满足了口腔全瓷种植牙的力学性能要求。同时,体外模拟口腔环境磨损试验研究表明,人工唾液对ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶起到了润滑作用,并且具有良好的耐磨性。ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷表面具有合适的粗糙度和良好润湿性。同时,通过将MC3T3-E1、HUVEC细胞与ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷进行培养,细胞能够在ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷表面粘附并生长良好。ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷无细胞毒性,具有良好的生物相容性。
5
结论
随着烧结温度和保温时间的增加,ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷的相对密度、显微硬度、抗压和抗弯强度以及断裂韧性先增加后降低。当烧结温度和保温时间分别为1600°C和3h,残余孔隙消除,晶粒得到细化,其相对密度达到98.79%。同时,其维氏硬度、抗弯和抗压强度以及断裂韧性也均达到了最大值。体外模拟口腔环境磨损试验研究表明,人工唾液对其起到了润滑作用,具有良好的耐磨性。同时,ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷表面具有合适的粗糙度、良好润湿性及生物相容性。
6
前景与应用
随着3D打印技术的发展,数字化医疗3D打印在口腔种植领域的应用越来越普遍。采用数字光处理技术制备的ZrO2(3Y)/Al2O3生物陶瓷不仅能满足口腔全瓷种植牙的性能要求,而且能保持其良好的生物相容性,在牙科修复中具有广阔的应用前景。
团队带头人介绍
陈继民,教授,1965.10出生,北京工业大学激光工程研究院教授、博士生导师,担任北京工业大学3D打印工程中心主任。北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心主任。北京生态设计与绿色制造促进会首席技术专家。中国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562)委员,中国光学学会激光加工专业委员会委员,中国机械工程学会特种加工委员会理事,中国机械工程学会生物增材制造分会委员,国际光学工程学会SPEI会员。2001年7月进入北京工业大学机电工程博士后流动站,2003年出站留校工作。2011年赴美国纽约州立大学Buffalo分校进行为期1年的访问研究。2018年美国波士顿大学Boston University高级访问学者。主持参加完成了国家“973”计划、国家“863”计划、国家自然科学基金重点项目、北京市科委重大科技项目等项目,发表论文180余篇,获得专利30余项,软件著作5项,出版专著4部,译著1部。参与《增材制造 金属制件热处理工艺规范》、《增材制造 金属制件机械性能评价通则》、《增材制造 塑料材料挤出成形工艺规范》3项增材制造国家标准的制订。2020年荣获“模具激光3D打印设备技术及产业化应用”中国发明创业成果奖二等奖,连续多年指导学生获得“国家奖学金”、“北京市三好学生”、“校优秀研究生”等荣誉称号。积极组织带领学生参加“中国国际互联网+大学生创新创业大赛”、“挑战杯首都大学生创业计划竞赛”等国家级、省部级项目并多次取得竞赛前三名。
团队研究方向
面向增材制造(宏观)、微纳光子学(微观)和生物医学(介观)领域的国家重大需求开展前沿基础及工程应用研究。
1) 增材制造科学与技术
面向国家重大工程应用、大健康产业开展先进制造技术原理、工艺、装备的基础与应用研究。
2) 微纳光子科学与技术
面向微纳光子学基础科学问题和工程应用,开展激光微纳加工技术、光场调控技术及微纳光子器件研发。
3) 生物医学光子学与工程
围绕激光与生物相互作用,开展介观生物光子学及新型生物检测器件研究。
近年团队发表文章
[1] D Li, W Han, Y Yuan, Y Zhao, J Chen. Tunable optical response based on au@gst core–shell hetero-nanostructures. ACS Appl. Nano Mater, 2021, 4(9), 9123–9131.
[2] Y Ren, P Dong, Y Zeng, T Yang, H Huang, J Chen. Effect of heat treatment on properties of Al-Mg-Sc-Zr alloy printed by selective laser melting. Applied Surface Science, 2022, 574, 151471.
[3] L Sun, P Dong, Y Zeng, J Chen. Fabrication of hollow lattice alumina ceramic with good mechanical properties by Digital Light Processing 3D printing technology. Ceramics International, 2021, 47(18), 26519-26527.
[4] Y Zeng, L Sun, H Yao, J Chen. Fabrication of alumina ceramics with functional gradient structures by
digital light processing 3D printing technology. Ceramics International, 2022, 48(8), 10613-10619.
[5] G Qi, Y Zeng, J Chen, Preparation of porous SnO2-based ceramics with lattice structure by DLP. Ceramics International, 2022, 48(10), 14568-14577.
[6] Z Jiang, L Cheng, Y Zeng, Z Zhang, Y Zhao, P Dong, J Chen. 3D printing of porous scaffolds BaTiO3 piezoelectric ceramics and regulation of their mechanical and electrical properties. Ceramics International, 2022, 48(5), 6477-6487.
[7] S Liu, J Chen, T Chen, Y Zeng. Fabrication of trabecular-like beta-tricalcium phosphate biomimetic scaffolds for bone tissue engineering. Ceramics International, 2021, 47(9), 13187-13198.
[8] J Lu, P Dong, Y Zhao, Y Zhao, Y Zeng. 3D printing of TPMS structural ZnO ceramics with good mechanical properties. Ceramics International, 2021, 47(9), 12897-12905.
[9] Y Zhao, P Li, P Dong, Y Zeng, J Chen. Investigation on 3D printing ZrO2 implant abutment and its fatigue performance simulation. Ceramics International, 2021, 47(1), 1053-1062.
编辑:谢雅洁 校对:向映姣
JME学院简介
JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建,以关注、陪伴青年学者成长为宗旨,努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。
欢迎各位老师扫码添加小助理-暖暖为好友,由小助理拉入JME学院官方群!
欢迎关注JME学院视频号~
寻觅合作伙伴
有一种合作叫做真诚,有一种发展可以无限,有一种伙伴可以互利共赢,愿我们合作起来流连忘返,发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等,请与我们联系。
感谢关注我们!《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体!
版权声明:
本文为《机械工程学报》编辑部原创内容,欢迎转载,请联系授权!
在公众号后台留言需要转载的文章题目及要转载的公众号ID以获取授权!
联系人:暖暖
电话:010-88379909
E-mail:jme@cmes.org
网 址:http://www.cjmenet.com.cn
官方微信号:jmewechat
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.