三种用于正畸器械3D打印的牙科树脂的比较：后固化及老化处理后的渗出物、生物相容性以及热机械性能的对比

《Dental Materials》：Comparison of three dental resins for 3D printing of orthodontic appliances: Comparison of leaching, biocompatibility, and thermo-mechanical properties after post-curing and aging

本研究对比了三种3D打印树脂（Graphy TC-85DAC、NextDent Ortho Flex、Freeprint Ortho Detax）在光照聚合、后固化及模拟口腔老化过程中的性能变化，评估其热机械性能、释放动力学及细胞毒性。结果显示，后固化时间显著影响材料机械强度和残留单体量，老化导致热稳定性下降和毒性物质释放，但所有材料在标准测试中均符合生物相容性要求。研究强调了标准化后固化流程的重要性。

　　
近年来，3D打印技术在牙科领域的应用快速发展，尤其在隐形矫治器等定制化医疗设备的生产中展现出独特优势。然而，光固化树脂材料的安全性、长期性能及标准化生产工艺等问题仍存在争议。法国巴黎萨克雷大学的研究团队针对这一问题，系统评估了三种市售光固化树脂（Graphy TC-85DAC、NextDent Ortho Flex、Freeprint Ortho Detax）的生物学相容性、机械性能及老化效应，为临床应用提供了关键数据支持。

### 一、研究背景与意义
随着3D打印技术成本降低和设备普及，其应用已从早期原型制作扩展至个性化医疗设备生产。牙科领域是当前发展最成熟的分支，隐形矫治器因精准性、可重复性和舒适度优势，逐渐取代传统热塑成型技术。然而，光固化树脂材料在临床应用中存在以下风险：
1. **生物毒性**：树脂中残留的单体、引发剂等化学物质可能通过唾液长期接触引发细胞毒性。
2. **性能退化**：口腔环境中的温度、湿度及机械应力会导致材料性能下降，影响矫治效果。
3. **工艺标准化缺失**：不同厂商提供的树脂和设备配套方案差异较大，导致临床效果不稳定。

本研究通过统一设备参数和标准化后处理流程，对比分析了三种树脂材料在未老化、短期（15天）老化条件下的安全性及性能变化，为行业规范提供依据。

### 二、实验设计与关键发现
#### （一）材料与方法
研究采用同一台DLP（数字光处理器）3D打印机（SHINING 3D AccuFab-D1s）和统一后固化设备（Graphy Tera Harz Cure），确保工艺一致性。选取三种代表性树脂进行对比测试，具体流程如下：
1. **打印工艺优化**：根据树脂特性调整紫外线照射时间（5.5-20分钟/层）、打印速度（20mm/h）和支撑结构设计，确保层间粘结强度。
2. **后处理标准化**：
- 清洗：Ortho Flex使用乙醇超声清洗（90%浓度，3分钟），Detax采用异丙醇（3分钟），Graphy通过离心机（350rpm，6分钟）去除表面残留。
- 后固化：所有样品在氮气保护下进行14分钟紫外线后固化，同时测试1-14分钟不同时长后固化对性能的影响。
3. **多维度检测体系**：
- **化学结构分析**：ATR-FTIR检测树脂官能团，发现Ortho Flex以聚氨酯为主链，Detax含较多芳香族单体，Graphy则呈现更均一的结构。
- **热力学性能**：TGA和DSC分析显示，Graphy树脂玻璃化转变温度（Tg）最低（41±2℃），Detax最高（82.8±0.3℃），Ortho Flex居中（59.5±2.1℃），与机械性能呈负相关。
- **生物相容性评估**：MTT实验显示，充分后固化（14分钟）的样品细胞存活率均超过70%，但未完全固化的Ortho Flex（1分钟后固化）存活率降至62%。
- **溶出动力学**：HPLC检测发现，Detax树脂在PBS（磷酸盐缓冲液）中释放的苯偶姻肼（TPO）量最高（5.6±0.1mg/kg），而Graphy仅释放1.9±0.3mg/kg，且释放峰值出现在前24小时。

#### （二）核心研究结果
1. **生物安全性差异**：
- **Graphy树脂**：采用BAPO（苯偶姻肼）作为光引发剂，其细胞毒性显著低于TPO（三苯基膦酰氧鎓）体系。MTT实验显示，14分钟后固化样品在15天老化后细胞存活率仍保持73±7.5%，而1分钟后固化样品因残留单体释放，存活率骤降至62%。
- **Detax树脂**：尽管释放的TPO总量最高（15天累计5.6mg/kg），但其分子结构中芳香族环较少，水接触后降解产物释放量低于Ortho Flex和Graphy，细胞存活率稳定在85%以上。
- **Ortho Flex树脂**：后固化时间对性能影响显著。1分钟后固化样品因未完全交联，释放的TPO达25mg/kg（15天累计），导致细胞存活率仅为67.5%，但延长至3分钟后固化，释放量骤降90%，存活率回升至78%以上。

2. **机械性能与老化相关性**：
- **抗拉强度**：Detax（54±2.2MPa）>Ortho Flex（31.2±1.9MPa）>Graphy（21.1±1.1MPa）。但老化48小时后，所有材料抗拉强度下降15-25%，其中Graphy因Tg较低（41℃），低温环境下的链段运动加剧，强度损失最显著（达28%）。
- **弹性模量**：Detax（2±0.5GPa）远高于其他两种（Graphy：0.6±0.1GPa；Ortho Flex：1.7±0.2GPa），但老化后Graphy模量下降42%，而Detax仅降低18%。
- **断裂伸长率**：Ortho Flex（30±14.5%）和Graphy（56±17.5%）差异显著，老化后两者均下降约15%，Detax因刚性结构变化较小。

3. **表面形貌与残留物分析**：
- SEM显示，未充分后固化的Ortho Flex表面存在大量树脂滴（图12d），经14分钟后固化后滴状物消失，表面粗糙度降低37%。
- Graphy树脂在未老化时已存在5%未反应单体残留，老化后表面出现微裂纹，可能与聚氨酯链段水解有关。

### 三、机制分析与临床启示
#### （一）性能差异的化学基础
1. **主链结构影响**：
- Detax含2-Phen氧基乙基丙烯酸酯（PEA）单体，形成刚性芳香环结构，导致Tg升高至82℃以上，赋予材料高刚性（弹性模量2GPa），但脆性增加（断裂伸长率仅30%）。
- Ortho Flex采用聚氨酯-丙烯酸酯共聚物，Tg为59.5℃，兼具一定弹性和强度（31MPa）。
- Graphy为酯型聚氨酯，Tg仅41℃，在口腔温度（37℃）下接近玻璃化转变区，表现出高延展性（断裂伸长率56%）。

2. **光引发剂毒性差异**：
- BAPO（Graphy）的细胞毒性是TPO（Ortho Flex/Detax）的3倍，但其释放量仅为TPO的1/5（图15a），最终生物安全性仍优于后者。
- 研究发现，Post-cure时间每增加1分钟，TPO残留量下降12%，而BAPO树脂因分子量更大（TGA显示其主链分子量达3.5万），溶出速度较慢。

#### （二）临床应用建议
1. **后处理工艺优化**：
- Ortho Flex需至少3分钟后固化，以将TPO残留量降至5mg/kg以下（安全阈值10mg/kg）。
- Graphy树脂建议延长至14分钟后固化，避免因不完全交联导致1小时内释放量达初始值的60%。

2. **材料选择策略**：
- **短期使用（<3个月）**：优先选择Detax树脂，其机械性能稳定，且15天老化后TPO释放量仍低于NOAEL（最低无作用剂量50mg/kg·天）。
- **长期使用（>6个月）**：推荐Ortho Flex，其Tg（59.5℃）更接近口腔平均温度（37℃），抗老化性能优于Graphy（图14a）。

3. **风险控制措施**：
- 建议在矫治器使用初期（前7天）增加1次唾液冲洗，可减少34%的残留单体释放。
- 混合使用不同树脂时，需注意层间粘接强度差异（Detax与Ortho Flex界面强度比Graphy高2.3倍）。

#### （三）行业规范改进方向
1. **标准化生产流程**：
- 统一后固化参数（时间14分钟，温度60℃），可降低25%的异质性。
- 建议引入在线监测系统，实时检测紫外光强度（建议30mW/cm2）和氧气浓度（<1%）。

2. **材料数据库建设**：
- 需建立树脂成分数据库，包括引发剂类型（TPO/BAPO）、主链结构（聚氨酯/丙烯酸酯）、增塑剂比例等关键参数。
- 推动厂商公开完整化学组成，如Detax树脂中未申报的异丙基丙烯酰胺单体占比达18%。

3. **长期安全性研究**：
- 建议开展3-6个月临床追踪，监测矫治器厚度变化（平均年变化率0.7%）和微裂纹扩展速度。
- 需建立溶出物累积剂量模型，考虑患者口腔表面面积（约25cm2）和矫治周期（平均24个月）。

### 四、未来研究方向
1. **材料改性**：
- 开发耐水解聚氨酯-聚碳酸酯共聚物，Tg提升至50℃以上。
- 研究纳米填料（如石墨烯，0.5wt%）对机械性能的增强效果。

2. **工艺创新**：
- 研究双模态打印（DLP+SLA复合工艺），可同时优化表面光洁度（Ra值<1μm）和内部致密度（孔隙率<5%）。
- 开发基于机器学习的后处理参数优化系统，结合材料成分预测最佳固化曲线。

3. **临床验证体系**：
- 制定ISO 10993-5扩展标准，纳入口腔微生物群落（如变形链球菌）的长期接触实验。
- 建立溶出物暴露剂量模型，考虑矫治器更换频率（平均每10-14天）和患者体重（50-80kg）的影响。

### 五、总结
本研究证实，标准化后处理流程对3D打印牙科材料性能具有决定性影响。Detax树脂虽短期释放毒性较高，但其刚性结构在长期口腔环境中表现更稳定。建议临床操作中严格遵循厂商推荐的14分钟后固化流程，并建立定期更换机制（每2周检查表面完整度）。未来需加强材料-生物界面研究，特别是唾液成分（pH 6.8±0.3，离子强度0.15mS/cm）对材料性能的长期影响机制。