齒科長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷和二硅酸鋰鑄瓷與天然牙生物摩擦副磨損行為時(shí)間依賴性的研究.pdf

1、齒科陶瓷材料因其出色的生物相容性和良好的美學(xué)性能在口腔領(lǐng)域被臨床醫(yī)師廣泛使用。但是,齒科陶瓷修復(fù)體在口內(nèi)長(zhǎng)期行使功能時(shí),與對(duì)頜天然牙相互之間的磨損是普遍存在、且無法避免的,這將直接影響修復(fù)后效果。臨床調(diào)查結(jié)果表明,牙齒的過度磨損會(huì)產(chǎn)生多種口腔疾病,影響了全身健康?？谇蛔罨镜木捉肋\(yùn)動(dòng)、夜磨牙癥等因素也會(huì)造成齒科陶瓷材料表面產(chǎn)生磨損,引起陶瓷修復(fù)體產(chǎn)生裂紋或崩瓷,使修復(fù)治療失敗。因此臨床上要求“齒科陶瓷—天然牙”材料磨損性能相互匹配。而了

2、解齒科陶瓷材料的磨損性能,可以為臨床醫(yī)生根據(jù)患者的具體情況選擇適宜的修復(fù)材料提供依據(jù),并有助于今后研制出更適合口腔環(huán)境的齒科修復(fù)材料。
　　經(jīng)典摩擦學(xué)理論認(rèn)為機(jī)械摩擦副中相互配副材料的磨損行為存在時(shí)間依懶性,即整個(gè)過程表現(xiàn)為由“跑合”、“穩(wěn)定磨損”及“劇烈磨損”所組成的三階段磨損曲線,并且各階段具有與其相對(duì)應(yīng)的表面形貌、組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的特征性變化。但在口腔領(lǐng)域,以往學(xué)者多選擇在某一特定時(shí)間點(diǎn)(如循環(huán)磨損5萬次時(shí))研究齒科陶瓷和

3、天然牙的磨損狀況。因此,本課題組在前期的研究中,從時(shí)間依懶性的角度,研究了鈷鉻合金烤瓷冠在循環(huán)加載條件下的磨損性能,結(jié)果表明其飾瓷層的磨損表面積時(shí)間曲線也呈現(xiàn)出“跑和、穩(wěn)定磨損和劇烈磨損”三個(gè)階段。據(jù)此,本研究從摩擦副的角度出發(fā),模擬口腔環(huán)境,將長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷與二硅酸鋰鑄瓷分別與天然牙和金屬鉻小球(Cr小球)配副,通過研究不同摩擦副的時(shí)間磨損曲線及相關(guān)的磨損宏觀和微觀組織演變過程來評(píng)價(jià)摩擦學(xué)特性和服役性能的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),探討其磨損行為的時(shí)間

4、依賴性。
　　研究目的:
　　通過模擬口腔環(huán)境下的體外循環(huán)磨損實(shí)驗(yàn),探究長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷/二硅酸鋰鑄瓷與天然牙釉質(zhì)配副,以及長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷/二硅酸鋰鑄瓷/天然牙釉質(zhì)與 Cr小球配副,所組成的五對(duì)摩擦副磨損行為的時(shí)間依賴性,為深入了解瓷修復(fù)體臨床磨損特性、合理評(píng)價(jià)齒科陶瓷及牙釉質(zhì)耐磨性、進(jìn)而改進(jìn)修復(fù)體設(shè)計(jì)和提高材料性能等提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　研究方法:
　　1.長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷/二硅酸鋰鑄瓷與天然牙釉質(zhì)摩擦副的磨損曲線研究:將天然牙

5、分別與長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷和二硅酸鋰鑄瓷配副,每組6個(gè)樣本,利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),在人工唾液、室溫環(huán)境、載荷10N(f=2Hz,勻速圓周運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)速=120 r/min)的條件下進(jìn)行磨損測(cè)試,共循環(huán)120萬次。每隔20萬次循環(huán),使用三維形貌掃描儀并結(jié)合其專用軟件及相應(yīng)計(jì)算公式測(cè)量長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷、二硅酸鋰鑄瓷及天然牙釉質(zhì)的體積損失量,獲取并分析本實(shí)驗(yàn)條件下各對(duì)摩擦副的磨損曲線,以評(píng)價(jià)該摩擦副磨損量的動(dòng)態(tài)演化過程。
　　2.長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷/二硅酸鋰鑄瓷與天

6、然牙釉質(zhì)摩擦副不同磨損階段宏觀及微觀表面特征的研究:利用顯微硬度計(jì)測(cè)定未磨損的長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷、二硅酸鋰鑄瓷和天然牙釉質(zhì)的維氏硬度;將天然牙分別與長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷和二硅酸鋰鑄瓷配副,磨損測(cè)試參數(shù)和樣本量同前面第一部分的參數(shù)設(shè)置,共循環(huán)120萬次,然后根據(jù)第一部分所獲得的磨損曲線的三階段分期,利用三維形貌掃描儀和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)處于不同磨損階段的兩對(duì)摩擦副試件的表面三維形貌、表面粗糙度和表面微觀形貌進(jìn)行分析研究,來表征不同磨損階段的摩擦學(xué)特性。

7、>　　3.長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷/二硅酸鋰鑄瓷/天然牙釉質(zhì)與Cr小球摩擦副的磨損曲線研究:將Cr小球分別與長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷、二硅酸鋰鑄瓷和天然牙釉質(zhì)配副,每組6個(gè)樣本,利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),在人工唾液、室溫環(huán)境、加載力10N(f=2Hz,勻速圓周運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)速120 r/min)的條件下進(jìn)行磨損測(cè)試,共循環(huán)120萬次。使用三維形貌掃描儀并結(jié)合其專用軟件測(cè)量長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷、二硅酸鋰鑄瓷及天然牙釉質(zhì)的體積損失量,分析和獲取本實(shí)驗(yàn)條件下各對(duì)摩擦副的時(shí)間磨損曲線,以評(píng)價(jià)摩

8、擦副的動(dòng)態(tài)衍化的摩擦學(xué)特性。
　　4.長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷/二硅酸鋰鑄瓷/天然牙釉質(zhì)與Cr小球摩擦副不同磨損階段宏觀和微觀機(jī)制研究:將Cr小球分別與長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷、二硅酸鋰鑄瓷和天然牙釉質(zhì)配副,磨損測(cè)試參數(shù)和樣本量同前面第三部分的參數(shù)設(shè)置,共循環(huán)120萬次。根據(jù)第三部分所獲得的磨損曲線三階段分期,利用三維形貌掃描儀和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)處于不同磨損階段的三對(duì)摩擦副試件的表面三維形貌、表面粗糙度和表面微觀形貌進(jìn)行分析研究,來表征不同磨損階段的摩擦學(xué)特

9、性。
　　研究結(jié)果:
　　1.模擬口腔環(huán)境條件下,長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副在20萬-120萬次循環(huán)各節(jié)點(diǎn),長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷的磨損速率分別為(0.01909±0.00876)、(0.01994±0.00511)、(0.05277±0.01612)、(0.00820±0.00258)、(0.06146±0.02677)和(0.03173±0.00419) mm3/萬次,對(duì)應(yīng)的天然牙釉質(zhì)的磨損速率分別為(0.06759±0.0312

10、0)、(0.19214±0.05447)、(0.16636±0.04791)、(0.04414±0.006136)、(0.30399±0.17667)和(0.43276±0.25794)mm3/萬次。其中60萬次與80萬次之間和80萬次與100萬次之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,并且60-80萬次之間的磨損速率明顯較60萬次之前減小,而80萬次之后磨損速率再次大幅增加,即本實(shí)驗(yàn)條件下長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副的磨損曲線呈現(xiàn)跑和期(0-60萬

11、次)、穩(wěn)定磨損期(60-80萬次)和劇烈磨損期(80-120萬次)三個(gè)磨損階段,并且同一對(duì)摩擦副進(jìn)入穩(wěn)定磨損期和劇烈磨損期的時(shí)機(jī)基本相同。
　　模擬口腔環(huán)境條件下,二硅酸鋰鑄瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副在20萬-120萬次循環(huán)各節(jié)點(diǎn)二硅酸鋰鑄瓷的磨損速率分別為(0.09570±0.02193)、(0.12431±0.04226)、(0.13443±0.05023)、(0.33997±0.09603)、(0.09455±0.02678)和(

12、0.77925±0.23597) mm3/萬次,對(duì)應(yīng)的天然牙釉質(zhì)的磨損速率分別為(0.05500±0.01828)、(0.03889±0.00841)、(0.08279±0.04619)、(0.06144±0.02785)、(0.00803±0.003333)和(0.38506±0.097667)mm3/萬次,其中80萬次與100萬次之間和100萬次與120萬次之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,并且80-100萬次之間的磨損速率明顯較80萬次之

13、前減小,而100萬次之后磨損速率再次大幅增加,即本實(shí)驗(yàn)條件下二硅酸鋰鑄瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副的磨損曲線呈現(xiàn)跑和期(0-80萬次)、穩(wěn)定磨損期(80-100萬次)和劇烈磨損期(100-120萬次)三個(gè)磨損階段,并且同一對(duì)摩擦副進(jìn)入穩(wěn)定磨損期和劇烈磨損期的時(shí)機(jī)基本相同。
　　本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示,長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副中牙釉質(zhì)的磨損量大于飾瓷,而二硅酸鋰鑄瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副中鑄瓷的磨損量較大;二硅酸鋰鑄瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副的總磨損量

14、大于長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副。
　　2.二硅酸鋰鑄瓷、長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷和天然牙釉質(zhì)的維氏硬度分別為499.2±24.3Hv、540.7±19.8Hv、334.2±16.4Hv。長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷和二硅酸鋰鑄瓷的表面粗糙度從跑和期到劇烈磨損期呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),且二硅酸鋰鑄瓷的表面粗糙度總體大于長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷。
　　表面微觀形貌觀測(cè)結(jié)果顯示:長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷和與其對(duì)應(yīng)的天然牙釉質(zhì)在跑和期時(shí)磨痕密集;穩(wěn)定磨損期磨痕變寬大,磨痕之間可見平坦區(qū)域,

15、劇烈磨損期呈現(xiàn)大塊剝脫碎片。二硅酸鋰鑄瓷和與其相對(duì)應(yīng)的天然牙釉質(zhì)在跑和期表現(xiàn)為表淺密集磨痕;穩(wěn)定磨損期鑄瓷犁溝變寬,犁溝底部區(qū)域平坦,牙釉質(zhì)磨痕變寬,在突起的磨痕之間可見相對(duì)平坦的區(qū)域;劇烈磨損期鑄瓷表面在犁削作用下呈現(xiàn)寬大犁溝,牙釉質(zhì)呈現(xiàn)剝脫碎片。
　　長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-天然牙釉質(zhì)和二硅酸鋰鑄瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副在不同磨損期的宏觀表現(xiàn)和微觀表面表征的變化趨勢(shì)與第一部分獲取的磨損曲線變化趨勢(shì)特征相符。
　　3.模擬口腔環(huán)境條件下,

16、長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-Cr小球摩擦副在20萬-120萬次循環(huán)各節(jié)點(diǎn)磨損速率分別為(0.00120±0.00018)、(0.00010±0.00003)、(0.00050±0.00005)、(0.00010±0.00002)、(0.00410±0.00038)和(0.01900±0.00353)mm3/萬次,其中20萬次與40萬次之間和80萬次與100萬次之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,并且20-80萬次之間的磨損速率明顯較20萬次之前減小,80萬次之后

17、磨損速率再次大幅增加,即本實(shí)驗(yàn)條件下長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-Cr小球摩擦副的磨損曲線呈現(xiàn)跑和期(0-20萬次)、穩(wěn)定磨損期(20-80萬次)和劇烈磨損期(80-120萬次)三個(gè)磨損階段。
　　模擬口腔環(huán)境條件下,二硅酸鋰鑄瓷-Cr小球摩擦副在20萬-120萬次循環(huán)各節(jié)點(diǎn)的磨損速率分別為(0.13950±0.03094)、(0.12440±0.03120)、(0.05480±0.00538)、(0.03880±0.00610)、(0.01110

18、±0.00375)和(0.19890±0.04580)mm3/萬次,其中40萬次與60萬次之間和100萬次與120萬次之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,并且40-100萬次之間的磨損速率明顯較40萬次之前減小,100萬次之后磨損速率再次大幅增加,即本實(shí)驗(yàn)條件下二硅酸鋰鑄瓷-天然牙釉質(zhì)摩擦副的磨損曲線呈現(xiàn)跑和期(0-40萬次)、穩(wěn)定磨損期(40-100萬次)和劇烈磨損期(100-120萬次)三個(gè)磨損階段。
　　模擬口腔環(huán)境條件下,天然牙釉質(zhì)

19、-Cr小球摩擦副在20萬-120萬次循環(huán)節(jié)點(diǎn)的磨損速率分別為(0.00115±0.00022)、(0.00100±0.00042)、(0.00106±0.00021)、(0.00086±0.00019)、(0.00126±0.00060)和(0.00118±0.00096) mm3/萬次,六個(gè)循環(huán)節(jié)點(diǎn)的磨損速率之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,即該摩擦副在本實(shí)驗(yàn)條件下未表現(xiàn)出明顯的三階段磨損特征曲線。
　　本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示,長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-Cr

20、小球摩擦副的每個(gè)循環(huán)節(jié)點(diǎn)的磨損量小于二硅酸鋰鑄瓷-Cr小球摩擦副。
　　4.長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-Cr小球和二硅酸鋰鑄瓷-Cr小球表面粗糙度從跑和期到劇烈磨損期呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),二硅酸鋰鑄瓷的表面粗糙度總體大于長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷,天然牙釉質(zhì)表面粗糙度在20、60、100萬次循環(huán)節(jié)點(diǎn)無明顯變化。
　　表面微觀形貌觀測(cè)結(jié)果顯示:長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-Cr小球摩擦副跑和期磨痕密集;穩(wěn)定磨損期磨痕融合,磨痕之間可見平坦磨損面;劇烈磨損期出現(xiàn)犁溝樣磨痕。二

21、硅酸鋰鑄瓷-Cr小球摩擦副跑和期犁溝表淺而密集;穩(wěn)定磨損期呈現(xiàn)片狀剝脫磨痕;劇烈磨損期在犁削作用下呈現(xiàn)寬大的犁溝。天然牙釉質(zhì)-Cr小球在20、60、100萬次循環(huán)節(jié)點(diǎn)微觀形貌沒有明顯差異,表現(xiàn)為密度、深度均勻分布的磨痕。
　　長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷-Cr小球和二硅酸鋰鑄瓷-Cr小球摩擦副在三個(gè)磨損期的宏觀表現(xiàn)和微觀表面表征的變化趨勢(shì)與第三部分獲取的磨損曲線變化趨勢(shì)特征相符。天然牙釉質(zhì)-Cr小球各個(gè)循環(huán)節(jié)點(diǎn)的宏觀表征和微觀表面形貌提示其在磨損過

22、程中未發(fā)生明顯變化，與該摩擦副的磨損曲線呈直線上升趨勢(shì)表現(xiàn)相符。
　　結(jié)論：
　　模擬口腔環(huán)境條件下，長(zhǎng)石質(zhì)飾瓷、二硅酸鋰鑄瓷與天然牙釉質(zhì)所形成的摩擦副的磨損特性隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出三階段的磨損曲線，摩擦副材料在此三個(gè)磨損階段的宏觀和微觀表征分別表現(xiàn)出不同的特征性變化。該研究結(jié)果有助于深入了解口腔咀嚼功能狀態(tài)下齒科陶瓷修復(fù)體和牙釉質(zhì)的磨損特性，對(duì)口腔臨床合理選擇和設(shè)計(jì)瓷修復(fù)體以及進(jìn)一步改進(jìn)齒科陶瓷材料的性能具有重要意義，也為進(jìn)行