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金屬所研發出全新人牙匹配型仿生義齒材料
 
2019-11-13 | 文章来源:材料疲劳与断裂实验室        【 】【打印】【關閉

  義齒,也就是“假牙”,能夠代替缺損或缺失的牙齒實現其正常的咀嚼、發聲等功能,具有非常重要的實際意義和巨大的市場需求。氧化锆陶瓷具有良好的力學性能、生物相容性和耐腐蝕性,同時不會對影像學檢查造成幹擾,是目前應用最廣泛、效果最好的義齒材料。然而,氧化锆全瓷義齒在制備加工以及實際應用中存在諸多問題。首先,氧化锆陶瓷的硬度是人牙釉質的4倍多,人牙本質的20倍左右,其模量也遠高于人體正常牙齒,從而明顯加速對颌以及兩側接觸正常牙齒的磨損;其次,氧化锆全瓷義齒具有陶瓷材料固有的脆性,對于缺陷以及微觀損傷非常敏感,易于發生開裂甚至破碎,嚴重制約了義齒的使用壽命,並且對義齒的外形和結構設計帶來諸多限制,這一問題對于壁厚較小並且形狀不規則的牙冠尤爲突出;再次,氧化锆陶瓷過高的硬度和嚴重的脆性使其無法通過傳統機械手段進行加工,因此每顆義齒都要經曆私人定制式的成型、燒結、施釉等全套流程,大大提高了義齒的制備、加工成本。 

  近期,中國科學院竞博材料疲劳与断裂实验室刘增乾研究员和张哲峰研究员与美国加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie教授以及吉林大学开展合作,他们结合生物力学原理,采取组成复合化和组织结构仿生化设计,将临床应用的氧化锆陶瓷与生物相容性树脂相结合,通过模仿天然贝壳珍珠层的微观组织结构,设计研發了硬度、強度和模量均與人體正常牙齒(包括牙釉質和牙本質)完全匹配的新型氧化锆-樹脂仿生複合義齒材料。新型義齒材料微觀上具有與天然貝殼類似的組織結構,氧化锆以片層形式平行排列或以“磚牆”形式緊密堆疊,其間的空隙以樹脂填充,如圖1所示。同時,他們提出了能夠准確描述並預測仿生材料模量的力學模型,並且通過調控材料的微、納米尺度組織結構,實現了新型義齒材料的硬度、強度和模量與人體正常牙齒的完全匹配。 

  新型義齒材料保留了氧化锆陶瓷優異的生物相容性、耐腐蝕性和美學效果,並且具有一定的塑性變形能力和獨特的動態耗能特性,即義齒在受力時能夠通過粘彈性變形消耗外力施加的能量,從而起到保護牙床和對磨牙齒的作用。與牙齒對磨實驗表明:新型義齒材料具有比氧化锆陶瓷更低的摩擦系數,能夠顯著減輕義齒對人體正常牙齒的磨損,如圖2所示。特別是新型義齒材料的斷裂韌性高于目前報道的所有義齒材料,其仿生結構通過促進裂紋偏轉、阻止裂紋張開等機制對裂紋擴展起到有效的阻礙作用,如圖3所示。此外,新型義齒材料能夠很容易地進行機械加工,特別是利用計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)的方法在醫院進行現場制作,如視頻所示,從而改變現有氧化锆全瓷義齒私人定制式的生産方式,實現批量供貨,顯著降低義齒的制備加工成本,並縮短患者的等待時間。 

  爲了評價不同義齒材料與人體正常牙齒的性能匹配程度,他們進一步提出了匹配因子的概念和計算方法,該因子能夠綜合反映義齒與人體正常牙齒在硬度、模量和強度等方面的差異。與目前報道的其他所有義齒材料相比,新型仿生複合義齒材料與人體正常牙齒的力學性能匹配程度最高、加工性能最好(以脆度因子衡量),並且斷裂韌性最爲優異,因此有望替代目前應用廣泛的氧化锆全瓷義齒,顯著提升義齒的使用效果並延長其使用壽命,具有可觀的應用前景和市場潛力。目前,研究團隊正在就新型義齒材料在模擬實際應用條件下的壓-壓疲勞性能、著色以及生物相容性等方面開展進一步研究,並且正在與醫院合作開展臨床應用方面的探索,旨在推進新型義齒材料的實際應用。 

  上述研究成果于近期发表在Advanced Materials(doi: 10.1002/adma.201904603),文章第一作者为中國科學院竞博的博士研究生谈国旗。相关工作得到了国家自然科学基金项目的资助(资助号:51871216,51501190)。  

圖1:新型仿生複合義齒材料的宏觀外形、微觀組織結構及其與天然貝殼的比較

圖2:牙齒(牛牙)在模擬口腔環境中與氧化锆以及新型仿生義齒材料對磨後的表面形貌

圖3:新型仿生義齒材料的裂紋擴展阻力曲線與裂紋擴展形貌及其斷裂韌性和模量與其他義齒材料的比較

 

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