3D打印生物活性玻璃基聚合物渗透陶瓷网络：仿生牙根修复材料的开发与性能研究

为解决钛种植体与牙本质力学性能不匹配的问题，研究人员通过光聚合3D打印技术开发了生物活性玻璃基聚合物渗透陶瓷网络(3D-PICN)。该材料具有优异的打印精度，其力学性能(弯曲模量19GPa/维氏硬度79VHN)与天然牙本质高度匹配，体外SBF浸泡和体内大鼠胫骨植入实验证实其良好的生物相容性。这项研究为个性化牙根修复提供了创新材料解决方案。

　　

传统钛种植体在牙根重建中面临严峻挑战：虽然钛金属具有优异的机械强度和生物相容性，但其弹性模量(约110GPa)远高于人类牙本质(15-20GPa)，这种力学性能的显著差异会导致应力屏蔽效应，长期可能引发种植体周围骨吸收。更棘手的是，商业化种植体多为标准化螺纹设计，难以匹配患者个性化的牙根解剖形态。尽管近年出现的根类比种植体(RAI)能复制天然牙根外形，但材料本身的力学特性仍未突破传统金属/陶瓷的局限。

针对这一临床痛点，日本学者团队在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表创新研究，通过光固化3D打印技术开发了具有双重网络结构的生物活性玻璃基聚合物渗透陶瓷(3D-PICN)。该材料突破性地将生物活性玻璃(BG)的光聚合打印性能、聚合物-陶瓷互穿网络的力学可调特性，以及BG固有的骨结合能力有机结合。研究证实，3D-PICN的弯曲模量(19GPa)和维氏硬度(79VHN)与天然牙本质高度匹配，同时具备优异的断裂韧性(工作断裂功达350J/m²
)，其性能显著优于传统3D打印致密陶瓷(3D-BG)。更引人注目的是，通过大鼠胫骨植入实验发现，3D-PICN能促进新生骨组织直接长入材料表面，展现出与传统钛种植体相当的骨整合能力。

关键技术方法包括：采用含65wt% BG的光固化浆料进行LCD光聚合3D打印；阶梯式烧结工艺(800°C)制备多孔BG支架；UDMA/TEGDMA树脂真空渗透构建互穿网络；通过三点弯曲测试、维氏硬度仪评价力学性能；采用模拟体液(SBF)浸泡和大鼠胫骨植入模型评估生物活性与骨整合性能。

【打印性能】光固化浆料在25°C展现剪切稀化特性(粘度2000mPa·s)，2s曝光下的固化深度达107μm，打印牙根模型的尺寸误差<200μm，满足临床对牙周膜间隙(150-380μm)的匹配要求。

【微观结构】SEM-EDX显示3D-PICN形成BG陶瓷骨架与树脂的互穿网络，XRD证实3D-BG在850°C烧结后出现羟基磷灰石结晶峰，而3D-PICN保持非晶态结构。

【力学性能】三点弯曲测试揭示3D-PICN具有类牙本质的力学特性：弯曲模量(19GPa)介于牙本质(15-20GPa)与皮质骨(17-19GPa)之间，显著低于3D-BG(54GPa)；维氏硬度(79VHN)接近牙本质下限(20-90VHN)，远低于3D-BG(410VHN)。

【生物相容性】SBF浸泡1天后材料表面形成Ca/P富集层，EDX显示Ca/P原子比达1.67，与羟基磷灰石理论值一致。大鼠胫骨植入6周后，VG染色显示新生骨与植入体直接接触，无纤维组织间隔，骨体积分数较植入腔增加50%。

这项研究的突破性在于首次将3D打印PICN技术拓展至牙根修复领域。3D-PICN通过"陶瓷骨架承担载荷-树脂相耗散能量"的协同机制，完美解决了刚性种植体与天然组织间的力学失配问题。其创新性体现在三方面：(1)打印工艺突破——高固含量(65wt%)BG浆料实现<200μm的成形精度；(2)材料设计创新——通过调节烧结温度(800°C vs 850°C)精确控制陶瓷支架孔隙率，进而调控最终复合体力学性能；(3)生物功能整合——BG组分赋予材料表面羟基磷灰石形成能力，为后续生物杂交种植体(搭载牙周膜细胞)开发奠定基础。

未来研究需重点关注三个方向：长期植入的机械可靠性(Weibull分析)、树脂组分降解对界面结合的影响，以及BG离子释放对牙周韧带再生的调控机制。这项技术有望推动牙科种植从"机械固定"向"生物仿生"范式转变，为个性化、功能化牙根修复开辟新途径。