纯钛烤瓷牙_不同氟离子浓度对纯钛卡环疲劳强度的影响

　　[摘要]目的：探讨不同氟离子浓度对纯钛卡环疲劳强度的影响。方法：选择成品卡环蜡型制作的纯钛卡环20个，分4组，分别在[F-]=0ppm、500ppm、750ppm，1000ppm的人工唾液中进行测试，初始载荷和疲劳失效前的载荷循环次数被自动记录。疲劳裂纹进行扫描电镜（SEM）分析。结果：纯钛卡环在不同测试条件下的初始载荷无差异（P＞0.05），在不含氟的人工唾液中的循环次数最高,而随着氟离子浓度增大循环次数降低，分析表明4组之间的疲劳强度有显著性差异（P＜0.01）。结论：纯钛卡环的疲劳强度随着氟离子浓度增大而下降。
　　[关键词]纯钛；卡环；疲劳强度；氟离子浓度
　　[中图分类号]R783 [文献标识码]A [文章编号]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,FAN 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
　　
　　近年来，由于纯钛的优良性能，被广泛的应用于口腔修复体。纯钛铸造可摘局部义齿是临床上修复牙列缺损常用的修复体，它具有固位力和支持力强，轻巧美观，化学性能稳定，异物感小等优点，深受患者欢迎。纯钛的抗电化学腐蚀,良好的生物相容性，密度低质量轻，低弹性模量等优良性能，为可摘局部义齿广泛应用纯钛卡环提供条件[1]，铸造卡环是其主要的直接固位体，保证了义齿可以获得足够的固位力。但随着义齿的摘戴和咀嚼运动而发生弹性变形，有时卡环会发生固位力下降，甚至在很小的应力下发生疲劳断裂。口腔中应用氟化物如含氟牙膏，含氟漱口水等预防龋病，而不同氟离子浓度势必对纯钛卡环产生影响，本实验通过测定卡环的疲劳强度反映不同氟离子浓度对疲劳断裂的影响。
　　
　　1 材料和方法
　　1.1 实验材料与仪器：成品卡环蜡型(YETI公司，德国)，纯钛（上海齿科材料厂），Zwick电子万能试验机（Z010,德国），扫描电镜（QVANTA-200F,美国）。
　　1.2方法
　　1.2.1溶液配制：人工唾液配方采用ISO/TR 10271标准[2]，具体组成如下：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，蒸馏水1 000mL，在人工唾液中加入NaF，配制成氟离子浓度为500ppm、750ppm、1 000ppm的人工唾液，以不含氟人工唾液为对照组，然后用NaOH将pH值调整为6.8。在125℃、0.15MPa 的条件下经高压灭菌器消毒20min，保存备用。
　　1.2.2 试件制备：用半椭圆形成品卡环蜡型制成试件熔模30个，按常规要求包埋、铸造、喷砂处理，X线检查筛选出无缺陷的试件20个，随机分成4组，每组5个试件，由同一人打磨抛光，超声波清洗后备用。游标卡尺测定其支撑处的宽度和厚度分别为(1.33±0.05)mm和0.76±0.04)mm。
　　1.2.3 疲劳检测：本实验采用位移控制疲劳弯曲实验法。试件测试方法如图1。试件在万能材料试验机上用自制的夹具固定。在卡环尖端加载交变载荷，使其发生位移变形，模拟义齿的反复摘戴。当卡环断裂或载荷为零时，测试结束，初始载荷和疲劳失效时的载荷循环次数被自动记录。第1组在不含氟人工唾液中测试，第2组在[F-]=500ppm的人工唾液中测试，第3组在[F-]=750ppm的人工唾液中测试，第 4组在[F-]=1000ppm的人工唾液中测试。卡环尖端位移固定为1mm，频率1.5Hz(1.2Hz与口腔咀嚼频率大体一致)。实验在室温下进行，测试液体暴露在空气中。
　　1.2.4 扫描电镜观察：每组随机选一个疲劳失效卡环，丙酮液超声清洗15min后烘干，使用QVANTA-200F扫描电镜(SEM)观察卡环疲劳裂纹面。
　　1.2.5 统计学分析：所得数据采用SPSS13.0软件进行单因素的方差分析并进行统计学处理。
　　
　　2 结果
　　2.1 试件外观：肉眼观察各组试件，在氟离子溶液中测试的纯钛卡环均有失泽现象发生。
　　2.2 疲劳测试结果：纯钛卡环在不同测试条件下的初始载荷结果见表 1。经SPSS软件分析表明纯钛卡环在[F-]=0ppm，[F-]=500ppm，[F-]=750ppm和[F-]=1 000ppm的人工唾液中的初始载荷无差异(P＞0.05)。纯钛卡环在不同测试条件下的循环载荷均数见表1。经 SPSS软件分析表明纯钛卡环在[F-]=0ppm、[F-]=500ppm、[F-]=750ppm和[F-]=1 000ppm的人工唾液中的循环载荷次数有显著性差异(P＜0.01)。
　　2.3扫描电镜观察：纯钛卡环在[F-]=0ppm，[F-]=500ppm，[F-]=750ppm和[F-]=1 000ppm的人工唾液中进行疲劳测试后，在其弯曲部分表面可见疲劳裂纹，裂纹起始于卡环的平面侧，并有向内部扩展的趋势（如图2）。在不同氟离子浓度测试的卡环表面均有明显的腐蚀痕迹，且有点蚀坑，随着氟离子浓度增高,腐蚀逐渐加重（如图3）。
　　
　　3讨论
　　纯钛是目前口腔材料中生物相容性和抗腐蚀性较好的材料，在其表面易形成一层处于钝化状态、厚度约为几纳米至几十纳米的致密氧化膜[3]，这层表面氧化膜在溶液中总是处于溶解和修复的动态平衡状态。纯钛受到含氟牙膏和含漱液以及口腔中的pH值、细菌等的影响，可导致钛的腐蚀性增加[4]。其中氟离子是影响钛及钛合金腐蚀性的主要因素之一，Nakagawa等[5]的实验得出在含氟溶液中，钛及其合金表面由于腐蚀而变得粗糙。钛表面氧化膜发生多孔性改变，从而削弱了钛的抗腐蚀能力，致使钛的表面结构发生变化[6]，当氟离子浓度超过0.1%时，纯钛表面的保护性二氧化钛膜被氟离子破坏，导致纯钛的严重腐蚀，进而影响纯钛卡环的抗疲劳强度。
　　疲劳强度（fatigue strength）是指材料抵抗疲劳断裂的能力。一般指材料所能承受的最大应力或平均循环次数。纯钛铸造的可摘局部义齿在咀嚼食物时要承受咬合力，出现卡环变色、磨损。口腔环境中钛及钛合金的局部腐蚀主要有缝隙腐蚀、小孔腐蚀、腐蚀疲劳等。缝隙腐蚀（Crevice corrosion）是指金属部件在腐蚀性介质中金属与金属或金属与非金属之间形成特别小的缝隙，介质滞留于缝隙内，引起缝内金属的加速腐蚀。腐蚀后，氧去极化腐蚀在缝隙内外均进行；因滞留关系，缝隙内的氧消耗后难以得到补充，氧化还原反应便终止；缝隙外则正常得到补充，缝隙内外便形成宏观的氧浓度差电池，2次腐蚀产物在缝隙口形成，逐步发展成为闭塞电池，标志腐蚀进入发展阶段。纯钛卡环内形成的闭塞电池在应力作用下使裂纹不断发展，直至疲劳断裂[7]。小孔腐蚀(Pitting corrosion)的破坏主要集中在某些活性点上，并向金属内部深处发展，通常其腐蚀深度大于其孔径。纯钛在含氟离子的介质中，经常发生孔蚀。腐蚀的发生是钝态的金属仍有一定的反应能力，即钝化膜的溶解和修复(再钝化)处于动平衡状态。当溶液中含有氟离子时，平衡被破坏使溶解占优势。腐蚀疲劳(Corrosive fatigue)是金属材料在循环应力或脉动应力和腐蚀介质的联合作用下引起的腐蚀形态，腐蚀疲劳在容易引起孔蚀的介质中更容易发生，其次钛表面氧化膜在受到擦伤，机械刮痕并承受载荷条件下，钛耐腐蚀性能下降，进而使材料的疲劳强度下降。
　　纯钛卡环是可摘局部义齿的主要固位体，在义齿反复摘戴下，金属晶格会产生滑移，破坏了金属表面的氧化膜，同时金属表面与离子导电介质(电解质)发生了电化学反应，在滑移处产生微观腐蚀，微观腐蚀又在交变应力作用下，发展成微观裂纹。本实验结果表明，在不含氟人工唾液中，纯钛卡环有良好的抗疲劳性能，但随氟离子浓度增高，纯钛卡环的疲劳强度随之下降，并有微腐蚀现象。为了模拟口腔的实际情况，本实验采用循环载荷的方法来测定纯钛卡环的疲劳强度，频率为1.5Hz。理论上认为，在腐蚀环境中，随着受力频率的降低，同样的循环次数经历的时间增长，腐蚀的不利作用才有比较充分的时间显示，对疲劳性能下降的影响更加明显。
　　不同金属材料制成的卡环所能进入固位倒凹的深度也不同。郭天文等[8]研究认为钛的弹性模量约为钴铬合金的一半，用纯钛铸成的卡环臂可以进入基牙更深的倒凹。钴铬合金只能进入基牙0.25mm深的倒凹,金合金能进入基牙0.5mm深的倒凹,而钛卡环能进入基牙0.75mm深的倒凹,且不会对牙齿产生较大的侧向力，有利于基牙的健康，本实验中使钛合金卡环发生固定的位移S=1mm。
　　目前，含氟牙膏和防龋制剂已在临床上广泛应用，含氟牙膏一般含有氟化钠或单氟磷酸钠，其氟化物含量一般为1000～10 000ppm，pH值范围3.2～7.2[9]。报道证明，溶液中氟化物的含量超过500mg/L时，对钛有腐蚀作用[10]。纯钛卡环在含氟溶液中腐蚀后，可能肉眼看不到任何明显变化，但其显微结构因腐蚀已经明显损害，增加了纯钛修复体发生应力腐蚀断裂的可能。对于使用纯钛卡环的局部可摘义齿的患者来说，使用氟化物防龋时应慎重，不要与含有高浓度氟化物相接触。
　　
　　[参考文献]
　　[1]郭文天.口腔科用钛理论和技术[M].北京：人民军医出版社，2005：3-4.
　　[2]ISO TR 10271 Dentistry-Determination of tarnish and corrosion of metals and alloys[S].Switzerland,1993:3.
　　[3]Pan J,Leygraf C,Thierry D,et al.Corrosion resistance for biomaterial applications of TiO2 films deposited on titanium and stainless steel by ion-beam-assisted sputtering[J].Biomed Mater Res,1997,35:309-311.
　　[4]宋应亮，徐君伍，马轩祥.口腔环境中钛及钛合金腐蚀研究现状[J].国外医学生物医学工程分册,2000,23：243-245.
　　[5]Nakagawa M,Matono Y,Matsuya S,et al.The effect of Pt and Pd alloying additions on the corrosion behavior of titanium In fluoride-containing environments [J].Biomaterials,2005,26(15):2239-2246.
　　[6]佟 宇，郭天文，张 惠，等.含氟牙膏对纯钛表面形态、光泽和色彩的影响[J].中国美容医学，2006，15(6)：708-710.
　　[7]毛英杰.牙科金属在口腔环境中电化学腐蚀的研究进展 [J].国外医学生物医学工程分册，2005，28(2)：128-131.
　　[8]郭天文.口腔科用钛理论和技术[M].北京：人民军医出版社，2005：131-138.
　　[9]胡 欣，张连云，李长义.口腔金属及合金材料的腐蚀性能研究进展[J].国外医学口腔医学分册，2006，33(1)：42-44.
　　[10]刘 丽,毛英杰,陈志红.钛合金在不同pH值人工唾液中耐腐蚀性能的研究[J].中国生物医学工程学报，2006，25(2)： 166-169.
　　
　　[收稿日期]2011-02-25 [修回日期]2011-3-26
　　编辑/何志斌