隨著科技的進步， 人們對生活質量的追求日漸提高，越來越重視口腔健康，對義齒修復材料和技術更是精益求精。義齒材料作為一種醫用生物材料，除了要具有良好的力學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穩定性， 并且要兼顧美觀的功能。

目前應用于口腔臨床修復的材料主要有 3 種：

金屬、復合樹脂、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致結構缺陷，影響義齒的力學性能；

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

傳統的陶瓷義齒是手工制作，工序復雜，不能滿足患者一次性就醫的要求。

CAD/CAM 技術在口腔修復領域的引入，使快速、精準的設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代替整個技工制作過程，大大縮短了口腔修復體的制作周期，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備的成本，而且基于減法制造的切削技術也造成了材料的浪費， 利用率和加工效率都不高。隨著快速成型技術的興起和逐漸成熟，牙科 CAD/CAM 數控切削技術遲早會被先進的增材制造快速成型技術取而代之。

1 快速成型技術在口腔修復領域的應用

1.1 快速成型技術的發展現狀

快速成型技術是把復雜的三維實體加工制造轉化為一系列簡單的二維平面的加工， 可以快速實現復雜結構的制作。 1990 年，快速成型技術開始應用于醫學領域并且越來越廣泛，如牙體修復、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雜形狀的地方。快速成型技術目前可用的材料包括石膏、樹脂、金屬、陶瓷等，在口腔醫學的應用中，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.應用于陶瓷構件加工領域的快速成型技術主要有以下幾:分層實體制造、熔融沉積成型、形狀沉積成型、立體光刻成型、選區激光燒結、三維打印、噴墨打印。目前正飛速發展的是粉末材料選擇性粘結、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、環境要求等. 由于快速成型技術疊加原理的限制，層與層之間會存在過渡，造成構件表面曲線不連續，表面粗糙度較低，另外利用快速成型技術生產的陶瓷部件由于受陶瓷材料本身性質的影響，存在力學性能不夠、強度不高、收縮率大等問題。

1.2 快速成型技術在口腔修復領域的應用

快速成型技術在口腔修復領域中的應用， 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體的設計與制作方面。 從制作的修復體材料歸類可以分為利用激光固化成型技術制作樹脂模型、利用激光燒結成型技術制作金屬修復體和利用微滴噴射技術制作陶瓷修復體。

（1）激光固化成型技術用來制作樹脂材料的口腔修復體，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。 吳琳應用該技術成功制作出了可摘除支架的樹脂模型。Williams 等利用該技術制作出樹脂模型后再進行鑄造， 成功制成金屬基托鑄件。 Azari 等制作出固定修復體的蠟型，這些成功的實例都論證了該技術制作樹脂模型的可行性。 目前在臨床上已經出現了利用激光固化快速成型設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）激光燒結成型技術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快速成型技術制作雙邊遠端擴展可摘除局部鉻鈷義齒框架并成功應用于 1 名 75 歲老人的口腔，表明該技術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、韓彥峰等應用激光快速成型技術分別制作出全口義齒鈦基托、鎳鉻合金基底冠、純鈦基底冠。從而證實應用該技術制作口腔金屬修復體是可行的，但是這種技術只能對金屬進行直接燒結，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、環境友好. 伴隨著該技術成功應用在氧化鋯、氧化鋁等陶瓷材料加工領域的相關報道,現已有不少學者將此方法應用在了口腔陶瓷修復體的制作方面。 Ebert 等1使用該技術成功制作出全瓷冠的樣本， 其硬度和抗壓強度等力學性能完全滿足臨床要求， 顯示出了此種工藝的巨大潛力。 德國亞琛工業大學的 Emre 魻zkol 等利用直接噴墨打印方法制作了氧化釔穩定氧化鋯材質的牙橋框架， 經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 牙體修復體方面是一種具有發展前景的先進制造技術。

另外國內的一些高等院校，如華中科技大學、南京醫科大學、第四軍醫大學、新疆大學、福建醫科大學、新疆醫科大學等都對快速成型技術應用于口腔修復領域進行了研究. 華中科技大學針對激光直接制造（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，所以不適于應用在可摘除義齒支架的制作方面。 并且自主研發了影響 SLM 激光快速成型構件精度的關鍵部分---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。 新疆大學設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、 噴頭機構及三軸運動機床平臺等硬件設計和軟件功能的實現， 并且深入研究了成型材料的調配比例、掃描速度、氣動壓力及成型后的低溫干燥和高溫燒結等因素對牙槽骨質量的影響。 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構，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、力學性能等，可以用于骨組織的缺損修復。以南京醫科大學和第四軍醫大學為代表的醫科院校主要對應用快速成型技術制作的口腔修復體（可摘除義齒支架，牙頜骨）的計算機輔助設計與制作在臨床的初步應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

伴隨著快速成型技術的蓬勃發展， 傳統的陶瓷擠出成型方式與之結合起來。 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 設備制備陶瓷生坯的成型技術。 如何將陶瓷漿料制成細絲，是此項技術的關鍵，也是研究的熱點。 美國羅格斯大學陶瓷研究中心研制出了專門的有機粘劑 RU 系列產品， 來配合陶瓷粉末制備成陶瓷漿料，以使漿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， 從而使漿料擠出后迅速凝固，提高了陶瓷漿料的成型性能。具有成型快，精度高，能夠加工復雜陶瓷制件等優點，解決了環境污染，致密度不足，脫脂速度慢等問題。 美國密蘇里大學羅拉分校的研究人員已經使用該成型工藝用水基陶瓷漿料結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雜結構陶瓷構件成型的一種新型工藝。 美國康涅狄格大學最先將此技術應用在水基牙科陶瓷漿料數字化制造義齒方面。 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， 經燒結后義齒模型從 X,Y,Z 方向收縮均勻， 它的微結構與傳統工藝制作的義齒的微結構是相同的， 而且從計算機設計義齒模型到打印出來僅需要30 min, 這種工藝的開發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在義齒制作方面的應用

經過美國康涅狄格大學 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，材料和設備成本低廉，環境友好，因此該技術也得到國內很多學者的大力支持， 紛紛投入研究。河北工業大學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字化制造技術開發了選擇性漿料擠壓沉積快速成形系統， 主要是針對微型陶瓷器件制造而開發的。 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。 鑒于牙齒由內到外的多層結構徐安平教授提出將該技術應用于義齒這種非均質結構的設計與制作，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應用于義齒制作領域的可行性， 并提出未來的工作將集中在多組分材料牙冠的工藝設計和制造方面。河北工業大學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境所需的力學性能、物化性能、生物相容性、美學性能等基本性能外，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。 通過稀土元素與電極性礦物材料的協同作用與設計， 研制出義齒功能化的關鍵活化材料及功能化二氧化鋯陶瓷義齒材料的制備技術，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，開創了功能化義齒修復研究的新領域。 他的研究為義齒修復材料設計領域開辟了新的研究方向。

蘭州理工大學的劉洪軍等針對基于擠壓成型工藝的固體自由成型技術制作義齒方面， 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、分散劑含量、pH 值、攪拌時間、添加劑等），使用自制的擠出設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值參考， 為近一步推動該工藝的發展做出了巨大的貢獻。　

目前國內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（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備及關鍵部件的設計尚未有相關報道，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存在的問題和研究方向

4.1 微擠壓快速成型技術存在的典型問題

微擠壓快速成型技術應用于義齒制作的關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模型的數據處理、數控系統的誤差、陶瓷漿料的收縮率。 分別涉及軟件、設備和材料 3 個領域。 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換最終導出的，在文件格式轉化過程中非常容易出現模型面結構破損和法線不正確等問題，破損的三維模型很難被修復，因此如何對三維模型數據進行修補和完善是需要攻克的技術難題之一。

（2）高精準的三維運動平臺是實現穩定擠出的前提與保證， 因此開發高精度的控制系統使之與工作平臺的機械系統完美地配合從而有效地減小數控系統的誤差也是問題之一。　

（3）陶瓷漿料的收縮率受到溫度、固含量、粘結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，影響燒結質量。因此有效地控制陶瓷漿料的收縮率是亟待解決的關鍵問題之一，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， 從而使漿料擠出后迅速凝固，這樣不僅提高了陶瓷漿料的成型性能，而且有利于后續工序的方便進行。 具體的可行性有待進一步試驗驗證。　　

（4）堆積成形后的實體模型最需要改進的問題就是“層紋”現象，尤其對于尺寸較小的復雜曲面無法通過打磨消除層紋。 可以通過設置多方向交叉打印噴頭對三維切片數據進行打印的方法避免“層紋”的出現，但是設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更加復雜， 因此要全面考慮增加的噴頭數量。　　

（5）另外，陶瓷漿料在擠壓過程中還經常會出現液相遷移、 內部平面結構各向異性變化和流動不穩定等現象，這些都不利于漿料的擠壓堆積成型，要避免這些現象應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，盡量減少以上現象的發生。

4.2 微擠壓快速成型技術的研究方向

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

（1）成型設備研發。重點研究擠出成型系統的創新設計和優化以提高成型過程的精度。 尤其是微擠壓快速成型系統的擠出頭設計是提高精度的關鍵。 針對擠出頭的設計可以從擠出頭功能段結構、內部流道形狀、選用材料、加工工藝等方面入手研究。　　

（2）材料組分設計。陶瓷漿料的流變特性對擠出設備的設計有直接的影響， 因此在陶瓷材料組分的設計和優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收縮， 具有良好的穩定性和流變學特性以利于成型， 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、工藝參數之間的影響關系等。　　

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

（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達到相關的國際標準，但是距離臨床應用還有一段距離，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， 今后一段時間內快速成型技術在義齒制作領域的研究重點在成型工藝、 成型設備和成型材料組分設計等方面。 而基于微擠壓工藝的快速成型技術作為一種新興的陶瓷材料成形工藝制作過程簡單、設備成本低廉、對環境無污染，是最具有發展潛力的一種加工方法， 必將成為快速成型技術的一個研究熱點和重要發展方向。同時相對應成套設備的研制與開發、控制軟件的設計與調試，也是今后熱門的研究領域。

來源：學術堂