基于CNC铣削和SLM技术的RPD钛卡环行为性能的实验研究

发布时间：2020-06-13 18:05

【摘要】：牙列缺损(Dentition defect)是口腔临床上的常见病和多发病,带金属支架的可摘局部义齿(Removable partial denture,RPD)是目前修复牙列缺损最常见的形式。相对于贵金属和钴铬合金,RPD钛支架因其质量轻、弹性模量低、生物相容性好而日益受到牙医和患者的欢迎。以往钛金属支架主要通过铸造方式实现,这种方法很容易形成铸孔且有一定的失败率。随着计算机辅助设计和计算机辅助加工(Computer-aided design/computer-aided manufacture,CAD/CAM)技术的发展,RPD钛支架可以通过计算机数控技术(Computer numerical controlled,CNC)铣削和选择性激光熔覆(Selective laser melting,SLM)技术制作完成。在临床上,无论是铸造、铣削还是SLM技术制作的RPD钛支架,其卡环部件均需达到较高的表面光滑度、加工精度、固位力以及抗疲劳变形能力才能发挥作用。本研究在前期对不同颜色石膏代型扫描精度及可重复性研究的基础上,以RPD钛卡环为研究对象,通过构建卡环模型及其代型数据,采用三维轮廓形状显微测量、三维软件拟合配准、循环戴入/取出疲劳测试以及扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)观察等方式,评估无损检测后,0.75mm倒凹条件下CNC铣削和SLM技术制作的钛卡环表面粗糙度、加工精度、初始和循环后固位力变化以及永久变形量等行为指标,为CNC铣削及SLM钛卡环在口腔临床的广泛应用提供详实、充分的研究资料。本研究共分为以下5个方面的内容:第一部分RPD卡环-代型联合体数据的构建与样本实物制作目的:构建RPD卡环-代型联合体数据,评估加工后的样本质量,为后续试验提供测试和参考对象。方法:模拟下颌磨牙构建代型数据并加工成型,然后提取牙科设计软件中卡环原型数据,在Geomagic软件中将卡环数据与代型数据拟合成联合体,最后根据卡环数据分别加工得到铸造CPTi、铸造Ti、铣削CPTi以及SLM Ti 4组卡环样本(每组17个),并进行X线无损检测。结果:成功构建0.75mm倒凹的卡环-代型联合体数据,并获得形状一致的铸造CPTi、铸造Ti、铣削CP Ti以及SLM Ti 4组卡环样本;无损检测发现铸造工艺中的CPTi组(3个样本)和Ti组(2个样本)存在铸造缺陷,而铣削CPTi和SLM Ti组卡环样本内部质量均匀,未见明显缺陷。结论:通过构建卡环-代型数据可以获得不同工艺的钛卡环样本,但总体而言,铣削和SLM技术获得的卡环样本成型质量较铸造工艺更稳定。第二部分不同加工工艺卡环样本表面形貌和粗糙度的研究目的:分析测量不同加工工艺卡环样本的表面形貌和粗糙度,为临床应用提供实验数据。方法:先从每组卡环中随机选取1个样本,将其卡环臂分割成3等份,取中间等份超声清洗后用电子显微镜观察卡环臂内表面特征,然后用形状轮廓显微系统分析卡环臂内表面形貌和粗糙度,最后对实验数据进行统计分析(α=0.05)。结果:相比于铸造工艺,SLM Ti卡环表面展现出广泛的、欠均匀的颗粒结构,而铣削CPTi卡环呈现出整体均匀光滑的表面;铣削CPTi组的粗造度与SLM Ti/铸造CPTi/铸造Ti组相比均有显著统计学差异(P0.05),而铸造CPTi组和铸造Ti组之间无明显差异(P0.05)。3个粗糙度指标(Ra、Ry、Rz)的统计学结果相同。结论:在本研究条件下,所有卡环组的表面粗糙度均大于0.3μm(舌尖粗糙度感知值)。但铣削CPTi卡环组表面最光滑,SLM Ti组最粗糙,铸造CPTi和铸造Ti卡环居其次。第三部分不同加工工艺卡环样本加工精度的研究目的:分析不同加工工艺卡环样本的加工精度,为临床应用提供研究资料。方法:每组随机选择12个卡环样本,喷涂成像粉后采用结构光扫描仪扫描得到测试数据(Test1),然后将卡环数据(REF)导入Studio 12软件中分割为内、外表面两部分,在Qualify 12软件中与Test1进行“最佳拟合配准”获取RMS值,最后对RMS数据进行统计分析(α=0.05)。结果:4个卡环组内表面的加工精度无显著差异(P0.05),但铣削CPTi组的外表面和整体区域的加工精度显著高于铸造CPTi组/铸造Ti组(P0.05)。而SLM Ti组卡环外表面和整体区域的加工精度均显著低于铸造CPTi、铸造Ti和铣削CPTi组(P0.05),铸造CPTi和铸造Ti组之间的加工精度无显著差异(P0.05)。结论:所有卡环臂内表面具有相似的加工精度,每组卡环的精度稳定性较好(标准差小于6μm)。但在卡环的外表面和整体区域,铣削CPTi组加工精度最好,SLM Ti组最差,铸造CPTi和铸造Ti组居其次。第四部分不同加工工艺卡环循环戴入/取出前后固位力的研究目的:评估不同卡环样本的初始固位力和循环戴入/取出后的疲劳固位力,为临床应用提供研究数据。方法:从完成扫描的12个卡环样本中随机选择5个进行固位力测试。先将卡环代型固定在拉伸疲劳试验装置中,根据设定的程序以50mm/min速度运行15个循环获得初始固位力,然后以950mm/min速度运行10,000次戴入/取出循环试验。从第500次循环开始记录15次固位力值,此后每1000次循环间隔记录15次固位力值,直至循环结束。最后对获得的12组固位力数据进行统计分析(α=0.05)。结果:SLM Ti的初始固位力最大,与其余组相比具有显著差异(P=0.000)。铣削CPTi、SLM Ti、铸造Ti以及铸造CPTi组在分别经过500、1000、2000、3000次戴入/取出循环后固位力开始降低。其中,SLM Ti组在2000次循环后固位力明显下降,至4000次戴入/取出循环时,SLM Ti组的所有样本均发生折断,其余三组卡环运行至10,000次取出和戴入循环时没有折断。与铸造CPTi和铸造Ti组相比,铣削CPTi组的固位力下降率最小(9.5%)。结论:与铸造工艺相比,经历10,000次取出和戴入循环后铣削CPTi组卡环的固位力下降最少,而SLM Ti卡环全部发生折断,其疲劳固位力还需进一步改进。第五部分不同加工工艺卡环循环戴入/取出前后永久变形量的研究目的:研究不同卡环样本反复戴入/取出前后永久变形量情况。方法:将完成循环戴入/取出试验的卡环样本从拉伸疲劳试验装置中取出,经超声清洗后喷涂成像粉,采用结构光扫描仪扫描得到完整的测试数据(Test2)。在Geomagic Qualify 12软件中将Test 2与循环试验前的Test1进行最佳拟合配准获得RMS值,最后对RMS数据进行统计分析(α=0.05)。结果:SEM观察发现,3组卡环的连接体和起始部均无偏差但卡环臂的偏差从中部至末端逐渐增大。统计分析发现,经历10,000次戴入/取出循环后铸造CPTi组(153.6±35.6μm)的永久变形量与铣削CPTi组(199.6±79.2μm)、铸造Ti组(94.9±39.1μm)比较均无显著差异(P0.05),但铣削CPTi组与铸造Ti组(94.9±39.1μm)比较有显著差异(P0.05)。结论:经历10,000次戴入/取出循环后,铣削CPTi组卡环的永久变形量较铸造Ti组大,这在一定程度上可延长卡环的预期寿命。
【图文】：

金属支架,义齿,成品,卡环臂

A B图 1. RPD 金属支架及其完成制作的义齿成品。A:RPD 金属支架；B：带金属支架的 RPD成品Fig1. RPD metal frameworks and finished products. A:RPD metal frameworks,B:RPD finished products.随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计与计算机辅助制造(Computer-aided design/computer-aided manufacture, CAD/CAM) 技术已广泛应用于各种类型的修复体的制作[10-11]。在活动修复领域，相对于贵金属和贱金属合金，RPD 钛或钛合金支架因其质量轻、弹性模量低、生物相容性佳而越来越受到牙医和患者的欢迎[12-14]。尤其是钛金属的低弹性模量性能，使得制作的卡环臂较钴铬（Cobalt Chromium,CoCr）卡环臂进入基牙的倒凹更大，这在临床上对于保持美观性和保护基牙牙周健康是非常有利的[15]。因此，从长远来看，钛金属制作的 RPD

代型,规格尺寸,实验设计,原型

A B图 1-1. 实验设计的代型规格尺寸及原型数据。A: 代型参考设计图[6]；B：设计完成的原型数据。Fig1-1.The sizes and prototype data of substitute specifications for experimentaldesign.A:Alternative design drawings[6], B: The prototype data for completion of design.步骤 2：构建卡环数据在 Dental system 专业牙科软件中，，找到蜡型轮廓条工具栏；选择“Roach Clas原型，确定基本轮廓样式，设置卡环坐标，得到形状样条图像。在形状样条图中将轮廓比例缩放参数设置为1.00；然后选择圆端形态，设置圆化半径因素为“1.0末端细化参数“80%”，沿着轮廓条的末端开始位置设置参数“0%”，自动缓厚度设置为“0.0mm”。最后得到的卡环数据见图 1-2。卡环数据的规格尺寸为：长度 13.00mm，起始段厚度 1.13mm，宽度 1.98mm
【学位授予单位】：重庆医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R783.6

【参考文献】