Biomaterial for dentistry applications

Abstract

This research is a study of alternative materials for temporary dental crowns made from biodegradable polymer, which are molded using 3D printing. Polylactic acid was reinforced with aluminum oxide powder treated surface by APS-silane to improve mechanical and surface properties. Thermal , mechanical , and physical properties of the PLA composites were investigated. The PLA composites were obtained by mixing polylactic acid with 5, 10, 15 and 20% by weight of aluminum oxide powder using a co-rotating twin-screw extruder. The PLA composites were printed using 3D printing and compared to injected specimens molded by injection molding. The DSC results indicated that glass transition temperature (Tg) and melting temperature (Tm) of the composites obtained from 3D printing were similar to injection molding. However, the crystallinity (Xc) of 3D printed specimens was higher than that of the injection molded specimens. Rheological study revealed that all aluminum oxide/PLA composites showed shear-thinning flow behavior, indicating that the composites could be molded using 3D printing technology. Considering the overall mechanical properties such as tensile modulus, flexural modulus, and compressive modulus, the PLA composite with 15% by weight of aluminum oxide showed the best mechanical properties. In addition, morphological structure of the PLA composites showed good distribution of aluminum oxide powder at 5-15% by weight, but aggregation occurred at 20% by weight of aluminum oxide powder which related to the poorer mechanical properties.

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาหาวัสดุทดแทนทางทันตกรรมสำหรับใช้เป็นวัสดุครอบฟันชั่วคราวทำจากพอลิเมอร์ที่สามารถย่อยสลายได้ในธรรมชาติและสามารถขึ้นรูปด้วยกระบวนการพิมพ์ภาพ 3 มิติ (3D printing) ทำการศึกษาโดยนำพอลิแลคติกแอซิดเสริมแรงด้วยผงอลูมิเนียมออกไซด์ที่ผ่านการปรับปรุงสภาพพื้นผิวด้วยสารเชื่อมประสานไซเรน APS เพื่อปรับปรุงสมบัติเชิงกลและให้มีลักษณะพื้นผิวที่ใกล้เคียงกับฟันจริงและนำไปทดสอบสมบัติทางความร้อน สมบัติเชิงกลและสมบัติเชิงกายภาพ ทำการผสมพอลิแลคติกแอซิดกับผงอลูมิเนียมออกไซด์ที่ปริมาณ 5% 10% 15% และ 20% โดยน้ำหนัก ด้วยเครื่องอัดรีดพลาสติกชนิดเกลียวหนอนคู่ (Co-rotating Twin screw extruder) และนำไปขึ้นรูปด้วยกระบวนการฉีดขึ้นรูปพลาสติก(Injection molding) และเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ(3D printing) แบบ Fused Deposition Modeling (FDM) จากการทดสอบสมบัติทางความร้อนพบว่าอุณหภูมิคล้ายแก้ว (Glass transition temperature, Tg) และอุณหภูมิการหลอมผลึก (Melting temperature, Tm) ของชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยกระบวนการฉีดและเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ มีค่าใกล้เคียงกัน แต่พบว่าชิ้นงานที่ได้จากการขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ในส่วนของปริมาณผลึก(Xc) มีค่ามากกว่าของชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยกระบวนการฉีด จากการศึกษาสมบัติรีออลอยีพบว่าวัสดุทุกสูตรแสดงพฤติกรรมการไหลแบบ Shear thinning แสดงว่าวัสดุสามารถขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้ เมื่อพิจารณาสมบัติเชิงกลโดยรวม ได้แก่ มอดูลัสการดึงยืด (Tensile modulus) ความต้านทานต่อการดัดโค้ง (Flexural modulus) ความต้านทานต่อแรงกด (Compressive modulus) พบว่าพอลิแลคติกแอซิดผสมผงอลูมิเนียมออกไซด์ปริมาณ 15% โดยน้ำหนัก ของชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ สมบัติเชิงกลที่ดีที่สุด และลักษณะทางโครงสร้างสัณฐานวิทยาชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยกระบวนการฉีดและเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ พบว่าการกระจายตัวของผงอลูมิเนียมออกไซด์ที่ปริมาณ 5-15% เกิดขึ้นได้ดี แต่ที่ปริมาณ 20% เกิดการรวมกลุ่มกันของผงอลูมิเนียมออกไซด์ส่งผลให้สมบัติเชิงกลทั้งหมดลดลง