导言:现代牙科精密工程

粉末冶金已经成为一种生产牙科植入物的变革性制造方法。 与传统的减法技术不同,粉末冶金从精细的金属粉末中构建了组件,从而能够对材料性质和几何进行无与伦比的控制。 对于牙科应用,植入物必须和活骨无缝地融合,并承受几十年的咀嚼力,这一过程的好处是深远的。 文章探讨了粉末冶金如何用于制造自成一体的高性能牙科植入物,从过程的基本步骤到最新的研究前沿。

粉末冶金的基本要素

粉末冶金(PM)是一种将金属粉末转化为固体,密集成分的网状或近网状制造工艺,核心序列涉及混合,紧凑,和结结晶,但每个阶段都可以调制,以达到特定的微观结构和特性.

步骤1:粉末生产和混合

金属粉末是通过原子化(气体或水的原子化)产生的,这些粉末产生具有可控大小分布和形态的粒子。 对于牙科植入, 钛(Ti-6Al-4V或CP-Ti) 和 钴-铬(Co-Cr)合金[]由于它们极佳的生物兼容性[和抗腐蚀性,所以常用。 粉末期与润滑油混合,有时与合金元素混合,以调整最终性能。

步骤2:压缩(压力)

混合粉末装入死灰末,在高压下压缩,一般在400~800 MPa之间。 这种冷的静态压抑或单轴压势形成一个“绿色”紧凑体,保持其形状但强度低。 压力决定了绿色部分的密度,这直接影响到结结结后的最后密度。

步骤3:刺杀

绿色紧凑在受控大气炉中加热到初级金属熔点以下的温度。 在结结晶过程中,金属颗粒通过扩散、降低孔隙度和增加密度而成。钛合金的结晶温度从1100-1300°C不等,而共合金的结晶在1200-1400°C左右。 结果是密密的、坚固的成分,可以量身定制。

选择性的隔间治疗

为了达到全密度或特定的表面特性,可以采用热异静压(HIP),表面涂层,或热处理等额外步骤. HIP可以消除残留的孔隙,增强对负载植入至关重要的疲劳强度.

通过粉末冶金制造牙科植入材料

材料的选择在植入式牙科中至关重要. PM允许使用难以机器或铸造的合金,开启了新的可能性. 使用的主要材料有: 用于制造,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用,使用

  • 商业纯钛(CP-Ti) – 4年级在强度和电容方面提供了良好的平衡,对单件植入来说是理想的.
  • Ti-6Al-4V ELI – 工作马合金,具有高强度和优异的骨化特性.
  • 钴-铬-钼(Co-Cr-Mo) – 由于耐磨性高,用于框架和辅料.
  • 无锡钢铁(316L) – 用于临时植入或教育模型,虽然对于永久固定装置来说不太常见.
  • 小说β-泰坦尼姆合金 – 低弹性模具(下至55 GPa)降低应力屏蔽,PM允许精确的成分控制.

每个材料可以通过调整粉末大小和烧结参数来设计一个特定的孔径结构[,这是鼓励骨增长的关键.

自定义:粉末冶金的竞争边缘

首相最令人信服的优势之一是能够生产针对病人的植入[,而不涉及与机械操作有关的高工具成本。

几何自定义

植入物可以设计出与患者下巴解剖相匹配的复杂有机形状。 利用CT扫描数据,可以创建缺陷或缺失牙套的数字模型,并且通过CNC或添加制造[来压制粉末,从而产生一个需要最小完成的近网形状。

表面质地和质地

通过改变粉末形态和结晶循环,植入表面可以包含一个宏大的结构[(100-600μm),促进骨骼入侵。 外层可以制成[高孔隙,而核心仍很密集,但铸造或机械操作却十分困难。 控制孔隙性也允许药物的释放(如抗菌剂 ) 。

等级构成

PM 允许创建功能级材料, 如带有氢亚帕特(HA)表面层的钛芯。 可以通过共同压压不同粉末或用第二材料渗入绿色身体来实现。 分级界面可以降低压力浓度, 改善骨质结合。

粉末冶金与传统制造

传统的牙科植入制造依赖于从制造的铁条或投资铸造中进行扫描。

弯曲

  • Pros:极佳的维度精度,良好的表面完成.
  • 康斯:高材质废物(被移除的库存量高达80%),限于简单的几何,钛由于工作硬化而难以使用.

投 投 铸

  • Pros:可以产生复杂的形状,良好的细节复制.
  • 康斯:需要昂贵的模具,孔隙和收缩中的变异性,潜在的陶瓷外壳污染.

粉末冶金

  • Pros:近网形状减少废品,统一微结构,能够产生可控孔径,量身定制的成分,中到大跑道的优秀成本效率.
  • 孔:需要专用粉末,下部的二次紧固,如不优化,可能出现残留孔.

对于定制植入,首相提供了设计自由和物质完整性的最佳平衡.

通过粉末冶金加强奥赛奥一体化

牙齿植入的长期成功取决于 osseoInformation — — 植入表面与活骨之间的直接结构和功能联系。 PM对此有如下几个方面的贡献:

骨质生长的粗糙结构

通过使用在结火过程中分解的空间持有者粒子[(如碳酸铵),可以建立一个相互连接的孔孔网。 研究表明,200–500微米和孔径超过60%的孔径会鼓励快速的骨渗透和血管化。 多孔的PM表面模仿了曲折骨结构,减少了模具不匹配,刺激骨骼重塑。

表面修改

诸如酸蚀或]亚野化等隔热后处理可以应用于PM表面,以增加粗糙度,并形成微 ⁇ 地形,增强骨质附着物。 或者,磷酸钙涂层[[]可以通过电泳沉积在最后的隔热之前应用,从而形成一个与金属结合的生物活性层。

生物反应

由Fousova等人(2014年)进行的研究表明,通过粉末冶金制造的多孔钛植入物支持了比动物模型中密集植入物高得多的细胞生存能力和骨骼形成. 开放的孔隙使卵巢原细胞迁移到植入物的内部,加速愈合.

当前研究和未来方向

牙科植入粉末冶金领域正在迅速发展,因为需要更好的病人结果。

添加制造+PM混合型

结合选择性激光烧结(SLS)与常规的PM步骤可以生产复杂的不按压的网纹结构. 植入基部可以添加多孔网纹,然后用第二个金属粉末渗入,并在承载区进行烧结至全密度.

生物活性与抗菌植株

研究人员正在将银纳米粒子或氧化锌纳入粉末混合物,以形成细菌表面。控制这些物剂从多孔结构中释放,可以防止早期感染。同样,使用[ ⁇ 或[镁离子促进骨骼。

可生物质的植入物

正在探索基于铁和锌的合金,以用于逐步降解和被骨骼取代的临时植入。PM通过调整孔径和合金组成,对降解率进行精确控制。 A2020年在Acta Biomateria[的研究显示,PM制造的多孔的铁 ⁇ 辛基脚手架支持骨骼生长,同时以安全的速度腐蚀。

带有内建传感器的智能植入器

将皮泽电陶瓷[ 融入PM过程可以允许植入监测愈合力或检测早期松动的植入物。 尽管在实验中,在按压时嵌入传感器的能力是PM的独特优势。

结论

粉末冶金不仅仅是牙科植入的替代制造途径 — — 它是创新的平台。 它生产定制几何元件[、控制微结构[和[ 定制的表面特性[]的能力将增长。 临床医生和采用这些方法的制造商将站在提供优异恢复性解决方案的前列。

关于PM植入技术标准的进一步解读,参见ASTM F2885(用于外科植入的金属注射器的金属成份的标准规格),关于最近进展的概述,Chen等人(2019)在Metals[中所作的审查,对用于生物医学应用的粉末冶金钛合金进行了全面分析。