不同工艺的钛及钛合金义齿支架内部质量的对比研究

肖燕萍 张晨 蔡金兰 张庆松 谢胜芬 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 广州 510080）

金属支架可摘局部义齿是一种用于恢复牙列缺损的形态、功能及外观的，患者可自行摘戴的修复体。与固定义齿比较，它具有适应证广泛，不受缺牙数量、部位的影响，磨除牙体组织少，患者能自行摘戴，便于刷洗清洁，制作较简便，价格低廉，便于修理等优点，因而广泛运用于临床修复。目前临床上制作义齿支架的金属主要有钴铬合金、钛合金、纯钛等。钴铬合金比重大，弹性差，耐蚀性差，且含对人体有害的镍、铬、钴、钼、铍等元素，使得患者难以适应[1]。钛及钛合金密度只有钴铬合金的50%左右，弹性模量低，弹性好，耐腐蚀，生物相容性良好，不容易引起过敏反应，其制作的义齿支架在口腔中无异味，轻巧，能改善上颌义齿抵抗自身重力引起的脱位现象，且患者戴后异物感小，在临床备受青睐[2,3]。但钛及钛合金的强度较低、耐磨性差，且铸造工艺要求高，在铸造过程中容易发生铸造不全、铸造失败、铸件内部有气孔等现象。随着材料和加工技术的进步，计算机辅助铣削技术（Computer Numerical Control，CNC）和选择性激光熔融技术（Selective Laser Melting，SLM）在钛及钛合金义齿支架的制作上已经得到很好的临床运用[4]。

金属支架在修复中将义齿各个部分连接形成一个整体，传导和分散k力，提供固位、支撑。钛及钛合金支架的临床折断是修复失败的主要原因，可能的折断原因有临床牙体预备不足、支架设计不合理和支架制作缺陷等[5]。修复失效可能有损失患者基牙、划伤口腔黏膜喉咙、吞咽等风险。目前关于铸造、切削和选择性激光熔覆3种工艺的制作钛及钛合金义齿支架内部质量的对比研究较少。本研究对3种工艺制作的钛及钛合金义齿支架使用X射线探伤法，评估其内部是否存在气孔、裂纹、夹杂等缺陷，为临床修复制作工艺的选择提供理论依据。

1.资料与方法

1.1 一般资料

从广东省医疗器械质量监督检验所2021年1月～12月受理的检验任务中，随机抽取不同企业生产的SLM钛合金支架可摘局部义齿、铸造纯钛支架可摘局部义齿、CNC钛合金支架可摘局部义齿和CNC纯钛支架可摘局部义齿各10个。

仪器设备：高频X射线机（EX5000-DDR，伊士通）。

1.2 方法

将试样置于工作台中心位置，设置X射线机曝光条件：管电压75kV，管电流100mA，曝光时间45ms，照射距离1m，使用X射线机对每副义齿支架进行拍摄成像，观察数字照片上义齿支架影像。

1.3 观察指标

义齿支架应无气孔、裂缝等缺陷，支架的图像变化应均匀。肉眼观察胶片上义齿支架内部是否有气孔、裂缝等缺陷，记录缺陷个数和位置。

1.4 统计学分析

用统计学软件SPSS 22.0对4组义齿支架内部气孔数进行Wilcoxon秩和检验，数据以“M（Q25，Q75）”表示，P<0.05表示差异具有统计学意义。

2.结果

2.1 X射线探伤结果

3种制作工艺的义齿支架内部质量X射线探伤结果详见表1。

表1. 义齿支架内部气孔X射线探伤结果

2.2 可摘局部义齿支架X射线图片

三种工艺制作的可摘局部义齿支架X射线图片，铸造纯钛支架内部气孔（箭头处）较多，见图1～4。10个SLM钛合金支架、10个CNC纯钛支架和10个CNC钛合金支架内部结构均较为均匀，未发现气孔、砂眼、裂缝等缺陷。5个铸造纯钛支架内部出现3～9个不同大小的气孔，不合格率高达50%，气孔呈随机分布在连接体和卡环上。铸造支架的内部气孔数显著高于SLM支架和CNC支架。用SPSS 22.0软件进行分析，SLM工艺和切削工艺制作的支架无统计学差异，铸造工艺与其他两种工艺的差异有统计学意义（Z=2.25，P<0.05）。

图1. SLM钛合金支架可摘局部义齿

图2. 铸造纯钛支架可摘局部义齿

图3. C钛合金支架可摘局部义齿

图4. 纯钛支架可摘局部义齿

3.讨论

随着人口的老龄化，牙列缺损比例逐渐增加，同时，生活水平的提高也使得人们对口腔健康越来越重视。当前牙列缺损的主要修复方式有固定义齿、可摘局部义齿以及种植辅助修复，固定义齿修复和种植辅助修复是临床首选，但当患者存在各种医学禁忌证时，可摘局部义齿的修复更为适合。此外可摘局部义齿还具有基牙磨除量少、易于修理等优点，因此目前可摘局部义齿修复仍然是主要的修复方式之一。钛及钛合金支架轻巧、舒适，生物相容性好，在临床使用广泛。但由于钛及钛合金熔点、流动性、氧含量均对产品的成型效果有影响，轻者容易导致支架内部产生气孔，影响机械强度，成为支架折断的潜在诱因，重者铸造不全，铸件失败。可摘局部义齿支架在修复中承担主要的咬合力，支架折断是修复失效的主要原因，而义齿支架内部缺陷是造成支架折断的重要因素[5]。目前义齿支架内部缺陷的检测，多使用X射线探伤法进行，该方法对样品无损害，对缩孔、气孔、裂缝等缺陷的检测具有定位、定量、定性等优点。用该方法在铸件粗磨后、排牙前进行气孔检测，可以减少义齿的失败率。

3.1 钛支架内部气孔形成原因

传统的铸造支架制作过程繁琐，工艺复杂，在铸造过程中容易产生缩孔和气孔等缺陷，降低义齿强度，从而缩短了义齿的使用寿命。在随机挑选的断裂样本的断裂面扫描电镜照片中均出现了裂隙缺陷，少数样本中出现了较大的气孔缺陷[5]。本研究中10个铸造支架，有5个出现了不同程度的铸造气孔缺陷，占比达50%。Viswambaran等[9]发现40个不同铸件中，有37个在铸件支架的卡环、连接体等不同部位发现了不同程度的内部缺陷，与本研究结果相似。

钛及钛合金的熔点高，钛在高温下化学性能极为活泼，钛熔液很容易与氧发生反应，生产氧化钛，因此钛及钛合金需要在真空或氩气保护条件下铸造。有研究认为铸件内产生气孔与氩气压力有关，钛熔液必须与铸腔内的氩气充分置换后才可充满型腔，未及时排出的氩气在钛熔液种冷却后形成气孔[6]。钛比重轻，氩气压力过大时，钛熔液流速过快，形成的湍流易夹带气体，在靠近铸道的部位出现气；压力过小，影响钛锭的熔解[7]。气孔的产生还与包埋材料的透气性有关，包埋料透气性能差造成铸模腔内反向压力过大，氩气被卷入钛导致气孔产生[7]。钛从熔融状态冷却到室温时，体积和结构的改变也可能导致缩孔的产生。还有研究认为与铸道及排气道设计、铸造设备、铸模温度等有关，多设置排气道、短而粗的圆形铸道和双向铸道都可减少铸件的气孔率[8]。因此，平常铸造设备的维护、铸造压力和温度的适宜、铸道设计的合理是保障铸件成功的关键。

3.2 架制作工艺的选择

本研究中SLM钛合金支架和CNC铣削钛及钛合金义齿支架内部结构较为均匀，未见明显内部缺陷，SLM和CNC工艺制作的支架内部质量明显优于铸造支架，与刘一帆等[10]和邱丽芳等[11]的研究结果一致，说明SLM和CNC工艺制作的义齿支架内部质量优良，符合临床使用需求。SLM和CNC都是计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM），CNC和SLM均先通过扫描模型或直接通过口扫数据得到数字化模型，进行CAD设计，CNC或SLM接受CAD软件传输的设计信息进行铣削或激光熔融等加工制作。SLM为增材技术，属于“加法”工艺，而CNC为减材技术，属于“减法”工艺，二者通过计算辅助，节省了大量的人力成本。CNC工艺在口腔修复的运用更为成熟，早于SLM工艺。CNC铣削有不同尺寸的钻头，铣削精度可以达到10µm以内[12]。有研究表明CNC铣削支架比铸造支架的适合性精密度更高[13]。CNC也存在一些不足：①复杂性状无法切削；②材料存在较大浪费；③刀具的磨损导致切削精度降低。SLM是近几年在口腔修复领域比较热门技术，它通过有选择地将连续的粉末聚拢在一起，分层制造，逐层叠加，利用高能激光束将金属粉末熔化，由点到线到面，制造出复杂的三维零件[14]。不同于减材技术的材料大量浪费，剩余的激光粉末可以重复使用。有研究表明SLM制作的钛合金支架具有比铸造纯钛支架更高的适合性[10,11]。相较于传统铸造法，SLM制造的成本仍然较高，随着科技发展，技术进步，其成本降低，SLM技术必将在口腔领域普及。

3.3 小结

研究显示，SLM增材制作工艺和CNC铣削工艺制作的钛及钛合金支架具有良好的内部质量，优于传统的铸造工艺。传统的失蜡铸造工艺存在工艺繁琐复杂，耗时长，影响因素多，可控性差，人工成本高等诸多问题，影响了钛及钛合金这一优秀材料在口腔修复上的运用。SLM和CNC工艺都是基于CAD/CAM，通过使用3D成像、CAD和CNC或SLM，加快了生产周期，节省了大量的人力成本。未来随着新材料、新技术的发展，口腔修复将越来越智能化、数字化，一些传统的制作工艺将逐步被淘汰。