类金刚石膜应用于正畸托槽及弓丝生物学及摩擦性能的实验研究

摘要

研究目的：
　　不锈钢、镍钛合金作为正畸托槽及弓丝的制造材料已经应用多年,但这些合金表面耐磨性差,摩擦系数高,易被氟化物腐蚀并析出离子,这些缺点可通过表面处理技术加以改善。类金刚石(DLC)膜具有良好的生物相容性和优异的摩擦学性能,是理想的生物涂层材料,其在工业领域的应用研究已广泛开展,在生物医学领域的临床研究也获得了重大进展。本课题拟通过在正畸托槽及弓丝表面研制类金刚石膜,并评估类金刚石膜对正畸托槽-弓丝表面生物学行为及摩擦磨损性能的影响,从而为类金刚石膜改性技术在口腔正畸领域应用提供实验依据。
　　研究方法：
　　1.采用封闭式电子回旋共振(MCECR)等离子体溅射技术在正畸不锈钢(316L stainless steel)表面制备类金刚石膜,利用Pin-on-Disk标准摩擦磨损试验机研究薄膜的摩擦磨损性能,以寻找在托槽、弓丝上制备类金刚石膜的最佳镀膜工艺参数。
　　2.选用变形链球菌(S.mutans)在DLC薄膜表面进行细菌粘附对比试验,以及人牙周膜细胞(HPDLC)在DLC薄膜表面进行细胞粘附、增殖对比试验(MTT比色实验),以测试DLC薄膜的抗菌性能和生物安全性。
　　3.设计、建造口腔正畸微振动摩擦磨损测试系统,模拟正畸牙移动方式,以及托槽-弓丝接触的扭转、转矩变化,以测试托槽-弓丝间动态摩擦力。
　　4.在正畸镍钛弓丝表面制备类金刚石膜,对镀膜弓丝及传统弓丝在含氟环境下抗腐蚀及摩擦磨损性能进行比较研究。
　　5.在不锈钢托槽及弓丝表面制备类金刚石膜,利用自主研发的正畸微振动试验机,测试托槽-弓丝间的摩擦行为。测试运行参数设置为:载荷1N,频率0.5Hz,位移振幅±150μm。表面制备类金刚石膜的托槽、弓丝和传统的托槽、弓丝组成多种摩擦组合,分别在干燥环境和人工唾液环境条件下进行了摩擦磨损性能的测试。采用扫描电子显微镜(SEM)对测试后托槽及弓丝表面磨痕进行观察分析。
　　研究结果：
　　1.与无膜不锈钢相比较,表面制备类金刚石膜的316L不锈钢摩擦系数明显降低,薄膜平均磨损寿命达8000圈,表现出优异的摩擦磨损性能。
　　2.人牙周膜细胞在类金刚石膜表面生长情况好于不锈钢表面,细胞更扁平,铺展更好,类金刚石薄膜表面对人牙周膜细胞表现出更好的生物相容性;此外,与不锈钢表面相比较,变形链球菌在类金刚石膜表面粘附和增殖明显减少。
　　3.成功研发了一套正畸微振动摩擦磨损测试系统,可以在一定程度上模拟复杂的托槽-弓丝接触状况,进行正畸摩擦力的体外实验研究。
　　4.与传统弓丝比较,制备类金刚石膜的镍钛弓丝在高氟离子环境中浸泡后表面粗糙度无明显改变,证实了类金刚石膜优异的抗腐蚀性能。摩擦试验结果显示,无论在干燥环境或人工唾液环境,类金刚石膜明显降低了托槽-弓丝间摩擦系数,减轻了磨损。
　　5.无论在干燥或人工唾液环境下,与传统弓丝比较,制备类金刚石膜的不锈钢弓丝明显降低了托槽-弓丝间摩擦系数;但制备类金刚石膜的不锈钢托槽并没有降低托槽-弓丝间摩擦系数。显微照片分析可知,类金刚石膜明显减轻了弓丝表面的接触磨损,同时,显微照片也显示了托槽槽沟边沿存在明显的不规则嵴状突起等加工缺陷,这些应力集中区的嵴状突起使其在摩擦接触时无法形成摩擦转移膜,因而类金刚石膜在此无法起到降低托槽摩擦力及减轻磨损的作用。
　　结论：
　　1.在正畸不锈钢表面成功制备了类金刚石膜,类金刚石膜对人牙周膜细胞具有良好生物相容性,并表现出抵抗变形链球菌粘附的能力,是理想的生物医学材料。
　　2.正畸微振动摩擦测试系统的成功研发,为精确测量托槽-弓丝间摩擦力提供了测试手段。
　　3.类金刚石膜推荐作为镍钛弓丝的涂层材料,可提高弓丝在含氟环境中的抗腐蚀能力并改善摩擦性能。
　　4.不锈钢弓丝表面制备类金刚石膜可明显降低摩擦系数并减轻磨损;然而,在目前的托槽表面制备类金刚石膜并不能改善托槽的摩擦性能,托槽槽沟边沿需改善设计及加工工艺。
　　总之,具有良好生物相容性和优异物理化学性能的类金刚石膜将广泛应用于口腔生物医学领域。

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缩略语表

中文摘要

英文摘要

前言

文献回顾

第一部分 类金刚石膜的结构性能、制备与应用

1 类金刚石膜的结构性能

2 类金刚石膜的制备方法

3 类金刚石膜在生物医学领域的应用

第二部分 正畸摩擦力的研究进展

1 正畸摩擦力的力学基础

2 正畸摩擦力的应用

正文

第一部分 正畸不锈钢表面制备DLC膜生物学性能的实验研究

实验一 正畸不锈钢表面DLC膜的制备及其摩擦磨损性能研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

实验二 正畸不锈钢表面制备类金刚石膜的细菌粘附实验研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

实验三 正畸不锈钢表面制备类金刚石膜的细胞粘附与活力实验研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

第二部分 DLC膜应用于正畸托槽及弓丝摩擦性能的实验研究

实验一 口腔正畸微振动摩擦磨损测试系统的研发

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

实验二 镍钛弓丝制备DLC膜在氟环境下抗腐蚀及摩擦磨损性能的实验研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

实验三 不锈钢弓丝和托槽表面制备DLC膜摩擦磨损性能的实验研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论

小结

参考文献

附录

个人简历和研究成果

致谢