不同氟離子濃度對(duì)純鈦卡環(huán)疲勞強(qiáng)度的影響

[摘要]目的：探討不同氟離子濃度對(duì)純鈦卡環(huán)疲勞強(qiáng)度的影響。方法：選擇成品卡環(huán)蠟型制作的純鈦卡環(huán)20個(gè)，分4組，分別在[F-]=0ppm、500ppm、750ppm，1000ppm的人工唾液中進(jìn)行測(cè)試，初始載荷和疲勞失效前的載荷循環(huán)次數(shù)被自動(dòng)記錄。疲勞裂紋進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析。結(jié)果：純鈦卡環(huán)在不同測(cè)試條件下的初始載荷無(wú)差異（P＞0.05），在不含氟的人工唾液中的循環(huán)次數(shù)最高，而隨著氟離子濃度增大循環(huán)次數(shù)降低，分析表明4組之間的疲勞強(qiáng)度有顯著性差異（P＜0.01）。結(jié)論：純鈦卡環(huán)的疲勞強(qiáng)度隨著氟離子濃度增大而下降。

[關(guān)鍵詞]純鈦；卡環(huán)；疲勞強(qiáng)度；氟離子濃度

[中圖分類(lèi)號(hào)]R783 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-6455（2011）04-0636-03

Effect of different fluoride concentration on the fatigue strength of pure titanium clasp

WANG Shi-gang1，LI Tian-xia1，LUO Xiao-ting1，F(xiàn)AN Jiu-ming2

（1.Department of Prosthodontics，Stomotological College of Harbin Medical University，Harbin 150001，Heilongjiang，China;2.Demonstrative Experiment Teaching Center of Mechanics，Harbin Institute of Technology)

Abstract:Objective To study the effect of different fluoride concentration on the fatigue strength of pure titanium clasp. Methods Twenty casting clasp specimens of pure titanium made from prefabricated wax were divided into 4 groups，respectively[F-]=0ppm，500ppm，750ppm，1 000ppm of artificial saliva tested. Initial loading force and loading cycle before fracture were registered automatically，and fracture flaws were examined with SEM. Results The initial loading forces of Pure Titanium were not significant difference among 4 test conditions(P＞0.05)，while the number of cycles and the fatigue strength significant; The tested clasps had the highest loading cycles in artificial saliva without fluoride， with the fluoride concentration increase in the number of loading cycles decreased.Fatigue strength analysis showed a significant difference among 4 groups (P＜0.01). Conclusion The results suggest that the fluoride concentration increases with pure titanium clasp to decrease fatigue strength.

Key words:pure titanium;clasp;fatigue strength;fluoride concentration

近年來(lái)，由于純鈦的優(yōu)良性能，被廣泛的應(yīng)用于口腔修復(fù)體。純鈦鑄造可摘局部義齒是臨床上修復(fù)牙列缺損常用的修復(fù)體，它具有固位力和支持力強(qiáng)，輕巧美觀，化學(xué)性能穩(wěn)定，異物感小等優(yōu)點(diǎn)，深受患者歡迎。純鈦的抗電化學(xué)腐蝕，良好的生物相容性，密度低質(zhì)量輕，低彈性模量等優(yōu)良性能，為可摘局部義齒廣泛應(yīng)用純鈦卡環(huán)提供條件[1]，鑄造卡環(huán)是其主要的直接固位體，保證了義齒可以獲得足夠的固位力。但隨著義齒的摘戴和咀嚼運(yùn)動(dòng)而發(fā)生彈性變形，有時(shí)卡環(huán)會(huì)發(fā)生固位力下降，甚至在很小的應(yīng)力下發(fā)生疲勞斷裂。口腔中應(yīng)用氟化物如含氟牙膏，含氟漱口水等預(yù)防齲病，而不同氟離子濃度勢(shì)必對(duì)純鈦卡環(huán)產(chǎn)生影響，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定卡環(huán)的疲勞強(qiáng)度反映不同氟離子濃度對(duì)疲勞斷裂的影響。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器：成品卡環(huán)蠟型(YETI公司，德國(guó))，純鈦（上海齒科材料廠(chǎng)），Zwick電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（Z010，德國(guó)），掃描電鏡（QVANTA-200F，美國(guó)）。

1.2方法

1.2.1溶液配制：人工唾液配方采用ISO/TR 10271標(biāo)準(zhǔn)[2]，具體組成如下：NaCl 0.4g/L、KCl 0.4g/L、NaH2PO4·2H2O 0.78g/L、CaCl2·2H2O 0.795g/L、Na2S·2H2O 0.005g/L、尿素(Urea)1g/L，蒸餾水1 000mL，在人工唾液中加入NaF，配制成氟離子濃度為500ppm、750ppm、1 000ppm的人工唾液，以不含氟人工唾液為對(duì)照組，然后用NaOH將pH值調(diào)整為6.8。在125℃、0.15MPa 的條件下經(jīng)高壓滅菌器消毒20min，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 試件制備：用半橢圓形成品卡環(huán)蠟型制成試件熔模30個(gè)，按常規(guī)要求包埋、鑄造、噴砂處理，X線(xiàn)檢查篩選出無(wú)缺陷的試件20個(gè)，隨機(jī)分成4組，每組5個(gè)試件，由同一人打磨拋光，超聲波清洗后備用。游標(biāo)卡尺測(cè)定其支撐處的寬度和厚度分別為(1.33±0.05)mm和0.76±0.04)mm。

1.2.3 疲勞檢測(cè)：本實(shí)驗(yàn)采用位移控制疲勞彎曲實(shí)驗(yàn)法。試件測(cè)試方法如圖1。試件在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上用自制的夾具固定。在卡環(huán)尖端加載交變載荷，使其發(fā)生位移變形，模擬義齒的反復(fù)摘戴。當(dāng)卡環(huán)斷裂或載荷為零時(shí)，測(cè)試結(jié)束，初始載荷和疲勞失效時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù)被自動(dòng)記錄。第1組在不含氟人工唾液中測(cè)試，第2組在[F-]=500ppm的人工唾液中測(cè)試，第3組在[F-]=750ppm的人工唾液中測(cè)試，第 4組在[F-]=1000ppm的人工唾液中測(cè)試。卡環(huán)尖端位移固定為1mm，頻率1.5Hz(1.2Hz與口腔咀嚼頻率大體一致)。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，測(cè)試液體暴露在空氣中。

1.2.4 掃描電鏡觀察：每組隨機(jī)選一個(gè)疲勞失效卡環(huán)，丙酮液超聲清洗15min后烘干，使用QVANTA-200F掃描電鏡(SEM)觀察卡環(huán)疲勞裂紋面。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：所得數(shù)據(jù)采用SPSS13.0軟件進(jìn)行單因素的方差分析并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。

2 結(jié)果

2.1 試件外觀：肉眼觀察各組試件，在氟離子溶液中測(cè)試的純鈦卡環(huán)均有失澤現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 疲勞測(cè)試結(jié)果：純鈦卡環(huán)在不同測(cè)試條件下的初始載荷結(jié)果見(jiàn)表 1。經(jīng)SPSS軟件分析表明純鈦卡環(huán)在[F-]=0ppm，[F-]=500ppm，[F-]=750ppm和[F-]=1 000ppm的人工唾液中的初始載荷無(wú)差異(P＞0.05)。純鈦卡環(huán)在不同測(cè)試條件下的循環(huán)載荷均數(shù)見(jiàn)表1。經(jīng) SPSS軟件分析表明純鈦卡環(huán)在[F-]=0ppm、[F-]=500ppm、[F-]=750ppm和[F-]=1 000ppm的人工唾液中的循環(huán)載荷次數(shù)有顯著性差異(P＜0.01)。

2.3掃描電鏡觀察：純鈦卡環(huán)在[F-]=0ppm，[F-]=500ppm，[F-]=750ppm和[F-]=1 000ppm的人工唾液中進(jìn)行疲勞測(cè)試后，在其彎曲部分表面可見(jiàn)疲勞裂紋，裂紋起始于卡環(huán)的平面?zhèn)龋⒂邢騼?nèi)部擴(kuò)展的趨勢(shì)（如圖2）。在不同氟離子濃度測(cè)試的卡環(huán)表面均有明顯的腐蝕痕跡，且有點(diǎn)蝕坑，隨著氟離子濃度增高，腐蝕逐漸加重（如圖3）。

3討論

純鈦是目前口腔材料中生物相容性和抗腐蝕性較好的材料，在其表面易形成一層處于鈍化狀態(tài)、厚度約為幾納米至幾十納米的致密氧化膜[3]，這層表面氧化膜在溶液中總是處于溶解和修復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。純鈦受到含氟牙膏和含漱液以及口腔中的pH值、細(xì)菌等的影響，可導(dǎo)致鈦的腐蝕性增加[4]。其中氟離子是影響鈦及鈦合金腐蝕性的主要因素之一，Nakagawa等[5]的實(shí)驗(yàn)得出在含氟溶液中，鈦及其合金表面由于腐蝕而變得粗糙。鈦表面氧化膜發(fā)生多孔性改變，從而削弱了鈦的抗腐蝕能力，致使鈦的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[6]，當(dāng)氟離子濃度超過(guò)0.1%時(shí)，純鈦表面的保護(hù)性二氧化鈦膜被氟離子破壞，導(dǎo)致純鈦的嚴(yán)重腐蝕，進(jìn)而影響純鈦卡環(huán)的抗疲勞強(qiáng)度。

疲勞強(qiáng)度（fatigue strength）是指材料抵抗疲勞斷裂的能力。一般指材料所能承受的最大應(yīng)力或平均循環(huán)次數(shù)。純鈦鑄造的可摘局部義齒在咀嚼食物時(shí)要承受咬合力，出現(xiàn)卡環(huán)變色、磨損。口腔環(huán)境中鈦及鈦合金的局部腐蝕主要有縫隙腐蝕、小孔腐蝕、腐蝕疲勞等。縫隙腐蝕（Crevice corrosion）是指金屬部件在腐蝕性介質(zhì)中金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成特別小的縫隙，介質(zhì)滯留于縫隙內(nèi)，引起縫內(nèi)金屬的加速腐蝕。腐蝕后，氧去極化腐蝕在縫隙內(nèi)外均進(jìn)行；因滯留關(guān)系，縫隙內(nèi)的氧消耗后難以得到補(bǔ)充，氧化還原反應(yīng)便終止；縫隙外則正常得到補(bǔ)充，縫隙內(nèi)外便形成宏觀的氧濃度差電池，2次腐蝕產(chǎn)物在縫隙口形成，逐步發(fā)展成為閉塞電池，標(biāo)志腐蝕進(jìn)入發(fā)展階段。純鈦卡環(huán)內(nèi)形成的閉塞電池在應(yīng)力作用下使裂紋不斷發(fā)展，直至疲勞斷裂[7]。小孔腐蝕(Pitting corrosion)的破壞主要集中在某些活性點(diǎn)上，并向金屬內(nèi)部深處發(fā)展，通常其腐蝕深度大于其孔徑。純鈦在含氟離子的介質(zhì)中，經(jīng)常發(fā)生孔蝕。腐蝕的發(fā)生是鈍態(tài)的金屬仍有一定的反應(yīng)能力，即鈍化膜的溶解和修復(fù)(再鈍化)處于動(dòng)平衡狀態(tài)。當(dāng)溶液中含有氟離子時(shí)，平衡被破壞使溶解占優(yōu)勢(shì)。腐蝕疲勞(Corrosive fatigue)是金屬材料在循環(huán)應(yīng)力或脈動(dòng)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的腐蝕形態(tài)，腐蝕疲勞在容易引起孔蝕的介質(zhì)中更容易發(fā)生，其次鈦表面氧化膜在受到擦傷，機(jī)械刮痕并承受載荷條件下，鈦耐腐蝕性能下降，進(jìn)而使材料的疲勞強(qiáng)度下降。

純鈦卡環(huán)是可摘局部義齒的主要固位體，在義齒反復(fù)摘戴下，金屬晶格會(huì)產(chǎn)生滑移，破壞了金屬表面的氧化膜，同時(shí)金屬表面與離子導(dǎo)電介質(zhì)(電解質(zhì))發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，在滑移處產(chǎn)生微觀腐蝕，微觀腐蝕又在交變應(yīng)力作用下，發(fā)展成微觀裂紋。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不含氟人工唾液中，純鈦卡環(huán)有良好的抗疲勞性能，但隨氟離子濃度增高，純鈦卡環(huán)的疲勞強(qiáng)度隨之下降，并有微腐蝕現(xiàn)象。為了模擬口腔的實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)載荷的方法來(lái)測(cè)定純鈦卡環(huán)的疲勞強(qiáng)度，頻率為1.5Hz。理論上認(rèn)為，在腐蝕環(huán)境中，隨著受力頻率的降低，同樣的循環(huán)次數(shù)經(jīng)歷的時(shí)間增長(zhǎng)，腐蝕的不利作用才有比較充分的時(shí)間顯示，對(duì)疲勞性能下降的影響更加明顯。

不同金屬材料制成的卡環(huán)所能進(jìn)入固位倒凹的深度也不同。郭天文等[8]研究認(rèn)為鈦的彈性模量約為鈷鉻合金的一半，用純鈦鑄成的卡環(huán)臂可以進(jìn)入基牙更深的倒凹。鈷鉻合金只能進(jìn)入基牙0.25mm深的倒凹，金合金能進(jìn)入基牙0.5mm深的倒凹，而鈦卡環(huán)能進(jìn)入基牙0.75mm深的倒凹，且不會(huì)對(duì)牙齒產(chǎn)生較大的側(cè)向力，有利于基牙的健康，本實(shí)驗(yàn)中使鈦合金卡環(huán)發(fā)生固定的位移S=1mm。

目前，含氟牙膏和防齲制劑已在臨床上廣泛應(yīng)用，含氟牙膏一般含有氟化鈉或單氟磷酸鈉，其氟化物含量一般為1000～10 000ppm，pH值范圍3.2～7.2[9]。報(bào)道證明，溶液中氟化物的含量超過(guò)500mg/L時(shí)，對(duì)鈦有腐蝕作用[10]。純鈦卡環(huán)在含氟溶液中腐蝕后，可能肉眼看不到任何明顯變化，但其顯微結(jié)構(gòu)因腐蝕已經(jīng)明顯損害，增加了純鈦修復(fù)體發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的可能。對(duì)于使用純鈦卡環(huán)的局部可摘義齒的患者來(lái)說(shuō)，使用氟化物防齲時(shí)應(yīng)慎重，不要與含有高濃度氟化物相接觸。

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[收稿日期]2011-02-25 [修回日期]2011-3-26

編輯/何志斌