牙体组织力学性能测试指标及其影响因素

力学性能测试指标

力学性能测试指标(mechanical property index)。在力学性能实验方法中,不同的力学实验所达到的力学目的不同。牙体牙髓病的发生、发展及防治过程中,牙体组织的力学性质会发生改变,进而影响其功能。因此,学者们根据不同实验目的,选择不同的实验方法、参数对牙体硬组织进行力学性能测试,将会有助于更全面系统地认识天然牙的结构与力学性能,为临床治疗和防治提供参考。

力学性能测试指标

力学性能测试指标

理想晶体的强度

完整或理想的晶体材料即不含微观缺陷和宏观缺陷的晶体所具有的强度称之为理想晶体强度(ideal crystal strength),有别于实际强度。牙体硬组织的弹性模量较大,其理想强度也应该大,但实际其强度较低,原因就是牙体硬组织中存在一定的缺陷,使其强度下降(表5-6)。

表5-6 牙体组织与牙体替代材料强度的理论值和测定值

牙体组织与牙体替代材料强度的理论值和测定值

牙体组织力学性能的影响因素

1.牙体组织内部结构因素

(1)牙体晶体、材料结构的影响:

牙体晶体、材料的结构是指其化学键的性质和晶体结构,取决于牙体、材料性能。由于牙体晶体和材料化学键的差别、键的方向性差异往往造成晶体结构极为复杂,且原子排列不紧密,之间存在空隙难以引起位错的移动,故表现出牙体硬组织的力学性质与陶瓷相同而异于金属。

(2)牙体组织显微结构的影响:

构成牙体硬组织的晶体、晶体构造、晶粒尺寸和形状、晶界、缺陷、杂质、气孔、裂纹,以及其他空隙的形状、大小、分布量和分布状况等显微结构,影响着牙体硬组织材料的大部分力学性能。可以说,牙体硬组织力学性质是其显微结构的敏感参数。

(3)影响牙体组织弹性模量E的因素:

牙体组织如同陶瓷那样的脆性材料。根据格里菲思理论,其断裂强度σ因组织结构表面和内部存在裂纹(长度2c)可用下式表示:

5-2

由此式可以发现材料断裂强度与弹性模量成正比。实际中也发现,构成材料的晶相材质的强度与弹性模量成正比,晶粒的大小和表面状态对弹性模量几乎无影响。

构成材料的相的种类和分布比例及气孔率对其弹性模量影响也较大。关于弹性模量与气孔率的关系已有较多的实验公式和理论公式。当气孔率P在小范围内时,弹性模量随气孔率增加而呈线性降低,一般可用以下实验公式表示:

5-3

E/E0=1-KP

式中E0为无气孔时的弹性模量;K为常数。若气孔率增大,则弹性模量降低的比例变小,这是由于气孔会引起局部应力集中。

(4)影响牙体硬组织强度的因素:

牙体硬组织的弹性模量随气孔率而变,机械强度与弹性模量成正比,强度也随气孔率而变化。承受负荷的材料强度与垂直于负荷方向上的截面的有效面积成正比,一般而言,质地越致密,气孔越小,强度应该越高。

除气孔率外,裂纹对牙体组织强度的影响也十分明显。牙体组织如同陶瓷材料,是天然的裂纹体。在承受负载时,组织内部只有一个点或几个点达到断裂应力,这种点就是应力集中的地方。这种应力集中是由截面上的气孔及裂纹等空隙的尖端引起的,在材料平均应力未达到时,局部应力集中的部位已达到断裂应力,从而导致断裂的发生。

牙体组织内部晶粒大小亦影响其强度。晶粒平均直径与最大裂纹长度呈正相关。平均直径越大,最大裂纹长度越长,强度就越小,反之亦然。由于牙体硬组织显微结构呈多晶体,存在晶界。晶界属于高能界面,若影响强度的其他因素相同时,具有晶界的多晶材料的表面能比单晶体材料要大,因而其机械强度也高。

2.牙体组织外部环境因素

(1)温度:影响牙体硬组织力学性能的外部环境因素主要是温度。由于受摄取冷热食物的影响,口腔温度变化较大。另外,在窝洞预备、体外实验时,牙体硬组织亦处在不同温度环境中。温度对牙体组织弹性模量的影响关系可用以下实验公式表示:

5-4

E=E0-BTexp(-TcT)

式中E0为0℃时的弹性模量;T为绝对温度;B、Tc为由物质而定的常数。

牙本质的有效表面可能在口腔温度极值时发生不可逆下降。在70℃,胶原纤维亦发生不可逆改变,牙本质的弹性模量和其他性质随温度增高而减小;在0~80℃范围内,其各力学性能变化规律可表示如下:

弹性模量E(GPa)=15.55-0.0734(T℃)

比例极限PL(MPa)=198.2-0.8637(T℃)

弹能R(MJ/m3)=1.265-0.0051(T℃)

压缩强度CS(MPa)=298.4-1.0988(T℃)

牙本质力学性质发生下降趋势的原因可能是牙本质内胶原纤维的弹性模量随温度改变而发生可逆的下降,也可能由于温度的升高使胶原纤维与羟磷灰石晶体之间的结合强度减弱所致。

(2)力学性能测试中,牙体硬组织标本的选择(不同来源的牙、龋坏或正常牙等),标本储存方法(干燥或脱水、冷冻储存或常温储存等),标本的制备(牙体硬组织标本的部位与方向),测试的具体方法和操作过程都会影响测试结果。试验过程中,应尽量模拟口腔环境、口腔生物力学参数进行对牙体组织力学性能测试。

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