人天然牙的力學(xué)性能及其影響因素研究進(jìn)展

周哲 于婉琦 楊詩卉 周延民綜述 趙靜輝審校

牙齒是行使咀嚼功能的直接工具，它的性能和生物相容性是其他材料所追求的目標(biāo)。人在咀嚼過程中，咀嚼肌的牽拉導(dǎo)致上下牙咬合，牙齒承受了咀嚼壓力和剪切力。咀嚼壓力的大小受性別、年齡和體重等因素影響，男性的最大咀嚼壓力和平均咀嚼壓力均大于女性［1－2］。Konstantinova等［3］發(fā)現(xiàn) 1 000位受試者磨牙平均咀嚼壓力為627 N。牙齒在面對外界大小不等的咀嚼壓力時(shí)，仍能正常發(fā)揮生物學(xué)功能，其力學(xué)性能起到?jīng)Q定性作用。牙齒的力學(xué)性能主要體現(xiàn)在強(qiáng)度、彈性模量、硬度和斷裂韌性等方面，這些性能還受年齡、牙髓活性和環(huán)境等因素影響。本文就人天然牙的力學(xué)性能，包括牙齒的疲勞強(qiáng)度、強(qiáng)度，牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)的彈性模量、硬度、斷裂韌性，以及增齡性變化、牙髓活性、干燥脫水等影響天然牙力學(xué)性能的因素做一綜述。

1 人天然牙的力學(xué)性能

牙齒在口腔中行使功能是一個(gè)循環(huán)受力的過程，正常人牙齒一年循環(huán)受力65～200萬次，如此高頻率的受力容易使牙齒產(chǎn)生疲勞。Papanicolaou等［4］在體外應(yīng)用冷熱沖擊循環(huán)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人中切牙在離體冷熱循環(huán)（25～80℃）20次后，彈性模量和極限壓縮強(qiáng)度均明顯下降，雖然此實(shí)驗(yàn)所涉及的實(shí)驗(yàn)條件與口腔內(nèi)實(shí)際情況不完全一致，但是也說明了溫度變化對天然牙力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，使牙齒產(chǎn)生溫度疲勞。Kappert等［5］對人中切牙循環(huán)加載，發(fā)現(xiàn)載荷為200 N時(shí)平均循環(huán)6 553次牙齒斷裂，載荷為150 N時(shí)平均循環(huán)102 888次牙齒斷裂，認(rèn)為中切牙在70 N循環(huán)力作用下是相對安全的。牙齒的疲勞強(qiáng)度決定了牙齒壽命的長短，但它是一個(gè)臨界值，不易測量，通過對牙齒承受循環(huán)力的測量可以初步反映疲勞強(qiáng)度的大小，判斷其疲勞耐受能力。

關(guān)于牙齒的強(qiáng)度，Taha等［6］測得人上頜前磨牙的斷裂強(qiáng)度為（564±207）MPa，高于進(jìn)行過根管治療的牙齒，提示根管治療后的牙齒在較低應(yīng)力下即可發(fā)生斷裂。研究發(fā)現(xiàn)，人成熟牙本質(zhì)的壓縮強(qiáng)度比青少年牙本質(zhì)高出20%，這與牙本質(zhì)內(nèi)羥基磷灰石含量有關(guān)［7］；老年人牙本質(zhì)的彎曲強(qiáng)度明顯小于青年人，而且牙本質(zhì)在橫向的彎曲強(qiáng)度最小［8］。Zaytsev［9］測得人牙釉質(zhì)的壓縮強(qiáng)度為（363±8）MPa，并且認(rèn)為牙釉質(zhì)的傾斜角度和橫向形變均會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Cecchin等［10］研究發(fā)現(xiàn)人牙本質(zhì)在NaClO溶液中浸泡后，彎曲強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度均明顯下降，而將浸泡液替換為Ca（ClO）2后，牙本質(zhì)力學(xué)性能不受影響。

牙齒是作為一個(gè)有機(jī)整體來發(fā)揮生物學(xué)功能的，而各個(gè)牙體組織的分工合作也是不可或缺的。牙體硬組織包括牙本質(zhì)、牙釉質(zhì)、牙骨質(zhì)三個(gè)部分，其中牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)是承受咀嚼壓力的主要組織。

1.1 牙本質(zhì)的力學(xué)性能

1.1.1 牙本質(zhì)的彈性模量 彈性模量又稱楊氏模量，它的大小反映材料抵抗彈性形變的能力。采用納米壓痕法可測得管周牙本質(zhì)彈性模量高于管間牙本質(zhì)［8，11］，這與牙本質(zhì)的礦化程度有關(guān)。通過掃描電鏡可以看出管周牙本質(zhì)晶體密集排列，礦化程度高于管間牙本質(zhì)，因此管周牙本質(zhì)具有更高的彈性模量［11］。Xu等［12］研究發(fā)現(xiàn)老年人牙本質(zhì)小管內(nèi)礦物質(zhì)沉積閉塞，管內(nèi)牙本質(zhì)彈性模量高于青年組，不僅如此，老年人管周牙本質(zhì)彈性模量也高于青年人，這些因素導(dǎo)致老年人頸緣區(qū)牙本質(zhì)彈性模量高于青年人。將牙本質(zhì)分為外層、中層和內(nèi)層三個(gè)部分后，應(yīng)用納米壓痕法可測得內(nèi)層牙本質(zhì)彈性模量明顯小于中層和外層［13］，并且內(nèi)層牙本質(zhì)產(chǎn)生的彈性形變和塑性形變更多［13－14］。

1.1.2 牙本質(zhì)的硬度 硬度的測量有多種方法，采用不同方法測量時(shí)，牙本質(zhì)硬度值存在差異。采用微米壓痕法時(shí)，人天然牙牙本質(zhì)硬度為（0.65±0.03）GPa和（643±38）MPa［15－16］，二 者 極 為 接 近。Montoyo等［15］研究發(fā)現(xiàn)人第三磨牙外層牙本質(zhì)同時(shí)具有較高的硬度和礦物質(zhì)－膠原比，而且老年人牙本質(zhì)硬度明顯高于青年人。Torres等［17］認(rèn)為恒磨牙和乳磨牙牙本質(zhì)的努氏硬度無明顯差別，但是恒磨牙牙本質(zhì)鈣含量高于乳磨牙。采用納米壓痕法時(shí)，人前磨牙牙本質(zhì)顯微硬度為（0.55～0.96）GPa，而且由頸緣區(qū)至根尖區(qū)硬度值降低，這與鈣含量和牙本質(zhì)小管密度的測試結(jié)果一致，說明羥基磷灰石晶體和牙本質(zhì)小管等微觀結(jié)構(gòu)可能對牙本質(zhì)的硬度值有決定作用［12］。Shinno等［8］測得人磨牙管周牙本質(zhì)硬度值高于管間牙本質(zhì)，結(jié)合之前的彈性模量測試，可見管周牙本質(zhì)力學(xué)性能優(yōu)于管間牙本質(zhì)。

1.1.3 牙本質(zhì)的斷裂韌性 斷裂韌性是材料固有的特性，與材料本身和加工工藝有關(guān)。斷裂韌性的指標(biāo)是斷裂韌度，早期研究認(rèn)為，斷裂韌度是單值不變的，Iwamoto等［18］研究發(fā)現(xiàn)，裂紋平行于牙本質(zhì)小管和垂直于牙本質(zhì)小管發(fā)展時(shí)斷裂韌度分別為（1.8～2.2）MPa·m1／2和（1.13±0.36）MPa·m1／2，然而，近些年研究發(fā)現(xiàn)斷裂韌度會(huì)隨著裂紋進(jìn)展而發(fā)生改變，Ivancik等［19］對人第三磨牙牙本質(zhì)不同部位進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)外層牙本質(zhì)的斷裂韌度（3.4±0.3）MPa·m1／2明顯大于內(nèi)層牙本質(zhì)（2.2±0.5）MPa·m1／2，并且牙本質(zhì)具有上升的阻力曲線性質(zhì)，即裂紋擴(kuò)展初期，斷裂韌度隨裂紋的擴(kuò)展而增大，到一定時(shí)期后趨于穩(wěn)定。當(dāng)管周牙本質(zhì)彈性模量與管間牙本質(zhì)彈性模量比值減小時(shí)，牙本質(zhì)極限拉伸強(qiáng)度和斷裂韌度提升；牙本質(zhì)的高強(qiáng)度可以有效延緩微裂紋的擴(kuò)展并加強(qiáng)應(yīng)力分散作用，從而提升其斷裂韌度［20］。隨著年齡的增大，人牙本質(zhì)小管的密度和管徑均減小，這可能導(dǎo)致了老年人牙本質(zhì)斷裂韌度低于青年人［21］。

1.2 牙釉質(zhì)的力學(xué)性能

1.2.1 牙釉質(zhì)的彈性模量 牙釉質(zhì)的彈性模量約為牙本質(zhì)的4倍，因測試方法不同而在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。用納米壓痕法時(shí)，壓痕深度由0.5μm增大至2.0μm，牙釉質(zhì)彈性模量由（103.5±0.3）GPa下降至（87.4±0.8）GPa［22］。He等［23］發(fā)現(xiàn)從牙釉質(zhì)表面到釉牙本質(zhì)界，人前磨牙牙釉質(zhì)彈性模量逐漸降低，這種差異受牙釉質(zhì)釉柱排列和有機(jī)物含量的影響。馮丹丹等［24］用超聲共振譜法測得人磨牙牙釉質(zhì)彈性模量為（61.52～80.46）GPa，與其他學(xué)者測量結(jié)果相似。

1.2.2 牙釉質(zhì)的硬度 人牙齒維氏硬度的測量值一般在（260～370）HV之間［16，25－26］。采用納米壓痕法時(shí)，人牙齒硬度平均值為4.88 GPa［27］。牙釉質(zhì)硬度隨壓力測試載荷的增大而顯著減小［22，28］，Halga?等［28］應(yīng)用納米壓痕法測試人磨牙牙釉質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)從牙釉質(zhì)表面至釉牙本質(zhì)界，牙釉質(zhì)硬度逐漸減低，而且載荷從5 mN增大到400mN的過程中，牙釉質(zhì)硬度由約6.0 GPa減低至約3.5 GPa。因此，采用納米壓痕法測量牙釉質(zhì)力學(xué)性能時(shí)，選擇合適的載荷對測量結(jié)果尤為重要。

1.2.3 牙釉質(zhì)的斷裂韌性 牙釉質(zhì)同牙本質(zhì)一樣，對抗裂紋具有上升的阻力曲線性質(zhì)，但阻力曲線不會(huì)出現(xiàn)恒定的階段，而是隨著裂紋擴(kuò)展一直增大。關(guān)于人磨牙牙釉質(zhì)的斷裂韌性，Chai［29］發(fā)現(xiàn)在不同測試點(diǎn)牙釉質(zhì)斷裂韌度相近，為（0.94±0.24）MPa·m1／2，而Hayashi-Sakai等［26］測得牙釉質(zhì)斷裂韌度為（0.82～1.10）MPa·m1／2，且在中間部分?jǐn)嗔秧g度最高。牙釉質(zhì)中間部分釉柱排列不規(guī)則、方向紊亂，這種微觀結(jié)構(gòu)有效阻止了裂紋的擴(kuò)展，提高了斷裂韌度。

牙釉質(zhì)承受表面咀嚼壓力，其彈性模量和硬度均大于牙本質(zhì)（表1～2），而牙本質(zhì)對牙釉質(zhì)有緩沖保護(hù)作用。牙本質(zhì)斷裂韌性高于牙釉質(zhì)，具有阻止牙釉質(zhì)裂紋向牙齒深部擴(kuò)展的作用。牙齒不同部位力學(xué)性能呈現(xiàn)規(guī)律性變化：從釉牙本質(zhì)界到牙髓表面，牙本質(zhì)的彈性模量和硬度均逐漸下降；從牙釉質(zhì)表面到釉牙本質(zhì)界，牙釉質(zhì)的彈性模量和硬度均逐漸下降。

表1 牙本質(zhì)彈性模量和硬度

表2 牙釉質(zhì)彈性模量和硬度

2 影響人天然牙力學(xué)性能的因素

2.1 增齡性變化

天然牙力學(xué)性能的增齡性變化是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。近年來學(xué)者研究增齡性變化時(shí)，常將患者分為青年組（18～30歲）和老年組（＞55歲）。老年組患者牙本質(zhì)小管內(nèi)沉積物明顯增加，小管口直徑變小，部分小管口被封閉［30］。在彈性模量方面，鄒蕊等［30］認(rèn)為青年組患者高于老年組，但多數(shù)學(xué)者持不同意見，認(rèn)為隨著年齡的增長，牙齒的彈性模量和硬度均增大［12－13，15，31］。首先，老年組患者牙本質(zhì)在頰舌側(cè)的彈性模量和硬度均大于青年組［12］；其次，將牙本質(zhì)分為內(nèi)、中、外三等份后，老年組患者每部分牙本質(zhì)的彈性模量和硬度均大于青年組［13，15］；不僅如此，Park等［31］研究發(fā)現(xiàn)老年組患者牙釉質(zhì)彈性模量（91.1±6.5）GPa大于青年組（84.4±4.4）GPa。從牙齒各個(gè)部位的比較可以看出，老年組患者牙齒的彈性模量和硬度均大于青年組。對于斷裂韌性，在平行釉柱方向，青年組患者牙釉質(zhì)斷裂韌度為（1.23±0.20）MPa·m1／2，是老年組的 3.3倍［32］，這與 Zheng等［33］青年組患者牙釉質(zhì)斷裂韌性大于老年組的研究結(jié)果保持一致。Yan等［34］通過循環(huán)加載發(fā)現(xiàn)患者每增加十歲，其牙本質(zhì)彎曲強(qiáng)度約下降25 MPa，青年組患者牙本質(zhì)彎曲強(qiáng)度（199±36）MPa大于老年組的（122±11）MPa，這可能與老年組患者牙本質(zhì)內(nèi)膠原連接增加有關(guān)。基于以上研究，可以看出增齡性變化導(dǎo)致牙齒的彈性模量和硬度增大，而斷裂韌性和強(qiáng)度降低。

2.2 牙髓的活性

牙髓中的血管和神經(jīng)為牙齒提供營養(yǎng)并感受外部刺激。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為經(jīng)根管治療后的無髓牙力學(xué)性能不及活髓牙［35－36］。Eapen等［35］研究發(fā)現(xiàn)活髓牙的抗折性能優(yōu)于根管治療后的無髓牙。鄭莊等［36］研究發(fā)現(xiàn)成人活髓牙本質(zhì)的彈性模量為（15.77±1.52）GPa，壓縮強(qiáng)度為（257.67±10.23）MPa，大于根管治療后一年以上的無髓牙本質(zhì)彈性模量（12.08±1.71）GPa和壓縮強(qiáng)度（235.26±9.12）MPa，認(rèn)為活髓牙本質(zhì)的力學(xué)性能明顯優(yōu)于無髓牙本質(zhì)。

2.3 脫水與干燥

在口腔環(huán)境中，唾液分泌會(huì)引起牙齒含水量變化。體外實(shí)驗(yàn)可以初步判斷干燥環(huán)境對牙齒力學(xué)性能的影響。He等［37］發(fā)現(xiàn)健康牙釉質(zhì)彈性模量約為95～115 GPa；脫水處理后，牙釉質(zhì)彈性模量穩(wěn)定在115 GPa；再重吸收水的牙釉質(zhì)彈性模量又降約85～105 GPa；說明含水量可能引起牙釉質(zhì)力學(xué)性能的改變。同時(shí)，干燥狀態(tài)下牙本質(zhì)平均彈性模量和硬度也大于濕潤狀態(tài)下牙本質(zhì)平均彈性模量和硬度［38－39］。充分說明干燥可以改變牙齒力學(xué)性能。

3 展 望

通過對影響人天然牙力學(xué)性能因素的研究，可以看出隨著人年齡的增長，牙齒的彈性模量和硬度均明顯增大，而斷裂韌度和強(qiáng)度降低；活髓牙的力學(xué)性能明顯優(yōu)于無髓牙；干燥或脫水的牙齒力學(xué)性能得到提升。牙齒之所以能夠承受咀嚼壓力和力學(xué)刺激，是因?yàn)檠例X各個(gè)硬組織相互協(xié)調(diào)配合而形成了一個(gè)有機(jī)整體，具備優(yōu)異的抗壓性能。同時(shí)提示口腔義齒材料和種植體材料也應(yīng)具備相應(yīng)的力學(xué)性能。