齿科长石质饰瓷和二硅酸锂铸瓷与天然牙生物摩擦副磨损行为时间依赖性的研究

摘要

齿科陶瓷材料因其出色的生物相容性和良好的美学性能在口腔领域被临床医师广泛使用。但是,齿科陶瓷修复体在口内长期行使功能时,与对颌天然牙相互之间的磨损是普遍存在、且无法避免的,这将直接影响修复后效果。临床调查结果表明,牙齿的过度磨损会产生多种口腔疾病,影响了全身健康。口腔最基本的咀嚼运动、夜磨牙症等因素也会造成齿科陶瓷材料表面产生磨损,引起陶瓷修复体产生裂纹或崩瓷,使修复治疗失败。因此临床上要求“齿科陶瓷—天然牙”材料磨损性能相互匹配。而了解齿科陶瓷材料的磨损性能,可以为临床医生根据患者的具体情况选择适宜的修复材料提供依据,并有助于今后研制出更适合口腔环境的齿科修复材料。
　　经典摩擦学理论认为机械摩擦副中相互配副材料的磨损行为存在时间依懒性,即整个过程表现为由“跑合”、“稳定磨损”及“剧烈磨损”所组成的三阶段磨损曲线,并且各阶段具有与其相对应的表面形貌、组织结构及力学性能的特征性变化。但在口腔领域,以往学者多选择在某一特定时间点(如循环磨损5万次时)研究齿科陶瓷和天然牙的磨损状况。因此,本课题组在前期的研究中,从时间依懒性的角度,研究了钴铬合金烤瓷冠在循环加载条件下的磨损性能,结果表明其饰瓷层的磨损表面积时间曲线也呈现出“跑和、稳定磨损和剧烈磨损”三个阶段。据此,本研究从摩擦副的角度出发,模拟口腔环境,将长石质饰瓷与二硅酸锂铸瓷分别与天然牙和金属铬小球(Cr小球)配副,通过研究不同摩擦副的时间磨损曲线及相关的磨损宏观和微观组织演变过程来评价摩擦学特性和服役性能的动态变化趋势,探讨其磨损行为的时间依赖性。
　　研究目的:
　　通过模拟口腔环境下的体外循环磨损实验,探究长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷与天然牙釉质配副,以及长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷/天然牙釉质与 Cr小球配副,所组成的五对摩擦副磨损行为的时间依赖性,为深入了解瓷修复体临床磨损特性、合理评价齿科陶瓷及牙釉质耐磨性、进而改进修复体设计和提高材料性能等提供实验数据。
　　研究方法:
　　1.长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷与天然牙釉质摩擦副的磨损曲线研究:将天然牙分别与长石质饰瓷和二硅酸锂铸瓷配副,每组6个样本,利用摩擦磨损试验机,在人工唾液、室温环境、载荷10N(f=2Hz,匀速圆周运动,转速=120 r/min)的条件下进行磨损测试,共循环120万次。每隔20万次循环,使用三维形貌扫描仪并结合其专用软件及相应计算公式测量长石质饰瓷、二硅酸锂铸瓷及天然牙釉质的体积损失量,获取并分析本实验条件下各对摩擦副的磨损曲线,以评价该摩擦副磨损量的动态演化过程。
　　2.长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷与天然牙釉质摩擦副不同磨损阶段宏观及微观表面特征的研究:利用显微硬度计测定未磨损的长石质饰瓷、二硅酸锂铸瓷和天然牙釉质的维氏硬度;将天然牙分别与长石质饰瓷和二硅酸锂铸瓷配副,磨损测试参数和样本量同前面第一部分的参数设置,共循环120万次,然后根据第一部分所获得的磨损曲线的三阶段分期,利用三维形貌扫描仪和场发射扫描电镜对处于不同磨损阶段的两对摩擦副试件的表面三维形貌、表面粗糙度和表面微观形貌进行分析研究,来表征不同磨损阶段的摩擦学特性。
　　3.长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷/天然牙釉质与Cr小球摩擦副的磨损曲线研究:将Cr小球分别与长石质饰瓷、二硅酸锂铸瓷和天然牙釉质配副,每组6个样本,利用摩擦磨损试验机,在人工唾液、室温环境、加载力10N(f=2Hz,匀速圆周运动,转速120 r/min)的条件下进行磨损测试,共循环120万次。使用三维形貌扫描仪并结合其专用软件测量长石质饰瓷、二硅酸锂铸瓷及天然牙釉质的体积损失量,分析和获取本实验条件下各对摩擦副的时间磨损曲线,以评价摩擦副的动态衍化的摩擦学特性。
　　4.长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷/天然牙釉质与Cr小球摩擦副不同磨损阶段宏观和微观机制研究:将Cr小球分别与长石质饰瓷、二硅酸锂铸瓷和天然牙釉质配副,磨损测试参数和样本量同前面第三部分的参数设置,共循环120万次。根据第三部分所获得的磨损曲线三阶段分期,利用三维形貌扫描仪和场发射扫描电镜对处于不同磨损阶段的三对摩擦副试件的表面三维形貌、表面粗糙度和表面微观形貌进行分析研究,来表征不同磨损阶段的摩擦学特性。
　　研究结果:
　　1.模拟口腔环境条件下,长石质饰瓷-天然牙釉质摩擦副在20万-120万次循环各节点,长石质饰瓷的磨损速率分别为(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) mm3/万次,对应的天然牙釉质的磨损速率分别为(0.06759±0.03120)、(0.19214±0.05447)、(0.16636±0.04791)、(0.04414±0.006136)、(0.30399±0.17667)和(0.43276±0.25794)mm3/万次。其中60万次与80万次之间和80万次与100万次之间的差异具有统计学意义,并且60-80万次之间的磨损速率明显较60万次之前减小,而80万次之后磨损速率再次大幅增加,即本实验条件下长石质饰瓷-天然牙釉质摩擦副的磨损曲线呈现跑和期(0-60万次)、稳定磨损期(60-80万次)和剧烈磨损期(80-120万次)三个磨损阶段,并且同一对摩擦副进入稳定磨损期和剧烈磨损期的时机基本相同。
　　模拟口腔环境条件下,二硅酸锂铸瓷-天然牙釉质摩擦副在20万-120万次循环各节点二硅酸锂铸瓷的磨损速率分别为(0.09570±0.02193)、(0.12431±0.04226)、(0.13443±0.05023)、(0.33997±0.09603)、(0.09455±0.02678)和(0.77925±0.23597) mm3/万次,对应的天然牙釉质的磨损速率分别为(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)mm3/万次,其中80万次与100万次之间和100万次与120万次之间的差异具有统计学意义,并且80-100万次之间的磨损速率明显较80万次之前减小,而100万次之后磨损速率再次大幅增加,即本实验条件下二硅酸锂铸瓷-天然牙釉质摩擦副的磨损曲线呈现跑和期(0-80万次)、稳定磨损期(80-100万次)和剧烈磨损期(100-120万次)三个磨损阶段,并且同一对摩擦副进入稳定磨损期和剧烈磨损期的时机基本相同。
　　本实验结果还显示,长石质饰瓷-天然牙釉质摩擦副中牙釉质的磨损量大于饰瓷,而二硅酸锂铸瓷-天然牙釉质摩擦副中铸瓷的磨损量较大;二硅酸锂铸瓷-天然牙釉质摩擦副的总磨损量大于长石质饰瓷-天然牙釉质摩擦副。
　　2.二硅酸锂铸瓷、长石质饰瓷和天然牙釉质的维氏硬度分别为499.2±24.3Hv、540.7±19.8Hv、334.2±16.4Hv。长石质饰瓷和二硅酸锂铸瓷的表面粗糙度从跑和期到剧烈磨损期呈现先减小后增大的趋势,且二硅酸锂铸瓷的表面粗糙度总体大于长石质饰瓷。
　　表面微观形貌观测结果显示:长石质饰瓷和与其对应的天然牙釉质在跑和期时磨痕密集;稳定磨损期磨痕变宽大,磨痕之间可见平坦区域,剧烈磨损期呈现大块剥脱碎片。二硅酸锂铸瓷和与其相对应的天然牙釉质在跑和期表现为表浅密集磨痕;稳定磨损期铸瓷犁沟变宽,犁沟底部区域平坦,牙釉质磨痕变宽,在突起的磨痕之间可见相对平坦的区域;剧烈磨损期铸瓷表面在犁削作用下呈现宽大犁沟,牙釉质呈现剥脱碎片。
　　长石质饰瓷-天然牙釉质和二硅酸锂铸瓷-天然牙釉质摩擦副在不同磨损期的宏观表现和微观表面表征的变化趋势与第一部分获取的磨损曲线变化趋势特征相符。
　　3.模拟口腔环境条件下,长石质饰瓷-Cr小球摩擦副在20万-120万次循环各节点磨损速率分别为(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)mm3/万次,其中20万次与40万次之间和80万次与100万次之间的差异具有统计学意义,并且20-80万次之间的磨损速率明显较20万次之前减小,80万次之后磨损速率再次大幅增加,即本实验条件下长石质饰瓷-Cr小球摩擦副的磨损曲线呈现跑和期(0-20万次)、稳定磨损期(20-80万次)和剧烈磨损期(80-120万次)三个磨损阶段。
　　模拟口腔环境条件下,二硅酸锂铸瓷-Cr小球摩擦副在20万-120万次循环各节点的磨损速率分别为(0.13950±0.03094)、(0.12440±0.03120)、(0.05480±0.00538)、(0.03880±0.00610)、(0.01110±0.00375)和(0.19890±0.04580)mm3/万次,其中40万次与60万次之间和100万次与120万次之间的差异具有统计学意义,并且40-100万次之间的磨损速率明显较40万次之前减小,100万次之后磨损速率再次大幅增加,即本实验条件下二硅酸锂铸瓷-天然牙釉质摩擦副的磨损曲线呈现跑和期(0-40万次)、稳定磨损期(40-100万次)和剧烈磨损期(100-120万次)三个磨损阶段。
　　模拟口腔环境条件下,天然牙釉质-Cr小球摩擦副在20万-120万次循环节点的磨损速率分别为(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) mm3/万次,六个循环节点的磨损速率之间的差异无统计学意义,即该摩擦副在本实验条件下未表现出明显的三阶段磨损特征曲线。
　　本实验结果还显示,长石质饰瓷-Cr小球摩擦副的每个循环节点的磨损量小于二硅酸锂铸瓷-Cr小球摩擦副。
　　4.长石质饰瓷-Cr小球和二硅酸锂铸瓷-Cr小球表面粗糙度从跑和期到剧烈磨损期呈现先减小后增大的趋势,二硅酸锂铸瓷的表面粗糙度总体大于长石质饰瓷,天然牙釉质表面粗糙度在20、60、100万次循环节点无明显变化。
　　表面微观形貌观测结果显示:长石质饰瓷-Cr小球摩擦副跑和期磨痕密集;稳定磨损期磨痕融合,磨痕之间可见平坦磨损面;剧烈磨损期出现犁沟样磨痕。二硅酸锂铸瓷-Cr小球摩擦副跑和期犁沟表浅而密集;稳定磨损期呈现片状剥脱磨痕;剧烈磨损期在犁削作用下呈现宽大的犁沟。天然牙釉质-Cr小球在20、60、100万次循环节点微观形貌没有明显差异,表现为密度、深度均匀分布的磨痕。
　　长石质饰瓷-Cr小球和二硅酸锂铸瓷-Cr小球摩擦副在三个磨损期的宏观表现和微观表面表征的变化趋势与第三部分获取的磨损曲线变化趋势特征相符。天然牙釉质-Cr小球各个循环节点的宏观表征和微观表面形貌提示其在磨损过程中未发生明显变化，与该摩擦副的磨损曲线呈直线上升趋势表现相符。
　　结论：
　　模拟口腔环境条件下，长石质饰瓷、二硅酸锂铸瓷与天然牙釉质所形成的摩擦副的磨损特性随时间变化呈现出三阶段的磨损曲线，摩擦副材料在此三个磨损阶段的宏观和微观表征分别表现出不同的特征性变化。该研究结果有助于深入了解口腔咀嚼功能状态下齿科陶瓷修复体和牙釉质的磨损特性，对口腔临床合理选择和设计瓷修复体以及进一步改进齿科陶瓷材料的性能具有重要意义，也为进行口腔修复体和牙齿的磨损研究提供了一条从磨损三阶段入手、符合其动态衍化规律的新思路。

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缩略语表

中文摘要

英文摘要

前言

文献回顾

1.齿科陶瓷材料及制作工艺

2.常用齿科陶瓷修复体的临床应用

3.齿科陶瓷与天然牙釉质的摩擦学行为特征

4.摩擦学研究方法及体外磨损研究中的参数测量方法

5.总结

正文

实验一 长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷与天然牙釉质摩擦副的磨损曲线探究

1 实验材料及设备

2 实验方法

3 结果

4 讨论

实验二 长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷与天然牙釉质摩擦副不同磨损阶段宏观和微观表面特征分析

1 实验材料及设备

2 实验方法

3 结果

4 讨论

实验三 长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷/天然牙釉质与金属铬小球摩擦副的磨损曲线探究

1 实验材料及设备

2 实验方法

3 结果

4 讨论

实验四 长石质饰瓷/二硅酸锂铸瓷/天然牙釉质与金属铬小球摩擦副不同磨损阶段宏观和微观表面特征分析

1 实验材料及设备

2 实验方法

3 结果

4 讨论

小结

参考文献

个人简历和研究成果

致谢