口腔环境因素对树脂牙摩擦学特性的影响

【摘  要】  采用往复滑动摩擦磨损试验台，通过体外模拟口腔环境，考察了树脂牙同T A2钛球对摩时的摩擦磨损性能，探讨了几种口腔环境因素对树脂牙摩擦学性能的影响．结果表明：树脂牙在人工唾液介质中同钛球对摩时表现出较好的摩擦磨损性能；随着法向咬合力增加，树脂牙的主要磨损机制由轻微磨粒磨损转变为严重粘着磨损，耐磨性能变差；人工唾液和碳酸饮料长期浸泡处理对树脂牙摩擦磨损性能影响很小；而在温度O～6 O℃范围内经热循环老化预处理后树脂牙的耐磨性显著降低．

【关键词】  树脂牙   口腔环境   摩擦磨损性能

牙用高分子材料具有价格低廉、美观舒适和不磨损天然牙等优点，其中常用的拜尔牙、上齿牙和高丝磨牙等树脂牙，以及光固化树脂、自凝树脂和热凝树脂等修补材料已在我国得到了广泛的临床应用．但是，由于高分子材料易老化，牙用高分子材料在L I腔内受唾液、食物、温度变化及咀嚼力等多种因素的长期作用而产生一定程度的老化[1]，从而导致耐磨性能降低甚至引发失效．因此有必要研究L I腔环境因素对牙用高分子材料摩擦学特性的影响，以便为改进现有牙用高分子材料的耐磨性和临床适用性积累数据．鉴于目前国内外针对牙科修复材料在模拟L I腔环境中的摩擦磨损性能的研究报道较少[2]，且所采用的摩擦磨损性能评价装置多局限于销一盘摩擦磨损试验机[1“]，我们以上海齿科材料厂制造的树脂牙作为研

究对象，通过体外模拟L I腔内的加速老化条件，考察了咬合力、唾液、碳酸饮料以及温度等4种口腔环境因素对树脂牙摩擦学特性的影响．

1实验部分

在能够模拟L I颌系统咀嚼行为的可控气氛往复式摩擦磨损试验台上进行体#h-体磨损试验，图1示出了试验装置示意图，该试验装置的摩擦副接触方式为球一平面接触，由计算机控制全程记录试验过程中的摩擦力及位移随循环次数的变化情况．

试验所用平面试样均为上海齿科材料厂产树脂牙(简称上齿牙)，用自凝塑料包埋于特制的尺寸为

速凝固，然后研磨抛光至R一0．1 m，得到平面树脂牙试样；将树脂牙试样进行人工唾液或碳酸饮料浸泡及热循环预处理，即得到待测树脂牙试样，各待测试样的预处理方法及硬度列于表1，其中试样A为空白对照试样，试样B、C、D分别经人工唾液(人工唾液配方参见文献E 5 3)浸泡6个月、p H值为3．5的碳酸饮料浸泡1周和体外热循环温度老化等3种预处理．根据E l腔可能承受的温度变化范围确定待测树脂牙试

表I 4种平面试样的预处理方法及硬度样体外热循环试验程序为：6 O±1℃蒸馏水浸泡1 5 S、O～4。C蒸馏水浸泡1 5 S、循环浸泡次数1 0 0 0次．球形偶件为直径4 0 mm的T A 2钛球，其硬度为2 4 0，组成(质量分数计)为0．1 0％C、0．1 5％S i、≤0．0 2％H、0．2 0％O、0．0 5％N、0．3 0％F．选用钛作为偶件是因为其摩擦学性能接近人体天然牙，也是最具发展前景的人工义齿材料之一[6]．摩擦磨损试验条件为：常温、人工唾液润滑、往复位移D一1 mm、法向载荷(砝码加载)为4 N至4 O N(口腔内的正常咀嚼咬合力处于3～3 6 N以内[7)、频率厂一2 Hz、循环次数Ⅳ=5 0 0 0次．利用MVK—H1 2型显微硬度仪测定平面试样表面显微硬度(每个试样表面测1 O个值，取其平均值)；用激光共焦扫描显微镜[8(L C S M)观察分析磨斑形貌，测量磨损深度及长度(精度为0．0 0 1 b t m，每个磨痕测5次，每种试样进行3个样品的重复试验，取3个重复试验样品的磨损深度最大值的平均值作为该试样的最大磨损深度)．用P E公司的S P E C T R A—O NE付立叶红外光谱仪(F T I R)检测偶件钛球的磨损表面形貌．

2结果与讨论

由表1所示的经不同预处理的待测树脂牙试样的硬度数据可知，人工唾液或碳酸饮料浸泡处理及经热循环处理使得试样的硬度有所降低．图2示出了树脂牙试样同钛球对摩时的摩擦系数和磨痕深度随载荷变化的关系曲线．可以看出，在人工唾液润滑条件下，随着法向载荷的增加，摩擦系数在0．3 O～O．4 0之间变化[图2(a)]，比干摩擦条件下的摩擦系数(约为0．8 0[4])低得多．这是由于聚合物材料表面吸附水并形成屏蔽层所致[9]．另一方面，随着法向载荷(F)增加，树脂牙试样的磨痕深度增大[图2(b)]；当小于3 O N时，磨痕深度随F的增加而急剧增大(由0．5 3 2,u m增至3．6 7 5 m)；当F超过3 O N后，磨痕深度随法向载荷的增加缓慢增大．

图2树脂牙试样同钛球对摩时的摩擦系数和磨痕深度随载荷变化的关系曲线

图3示出了树脂牙试样磨痕形貌的C L S M照片．可以看出，当载荷较小(1 0 N)时，树脂牙试样的磨斑较小，呈现轻微磨粒磨损特征[见图3(a)]；随着载荷增加(2 0 N)，磨斑逐渐增大，磨痕表面犁削加剧，并出现了轻微粘着迹象[见图3(b)]；随着载荷的继续增加(3 0 N)，磨斑表面的犁削作用相对减弱，粘着迹象显著加剧[见图3(c)]，表明此时树脂牙试样的主要磨损机制已从磨粒磨损转变为粘着磨损；当F一4 0 N时，树脂牙试样的磨损表面呈现出明显的粘着磨损特征[见图3(d)]．

图4示出了在3 O N载荷下同树脂牙试样对摩的纯钛球磨损表面的F T I R图谱．可以看出，纯钛的磨痕表面在波数1 7 2 3 c m处出现了归属于树脂牙试样基本成分甲基丙烯酸甲酯的羰基特征峰，这表明在较大的法向载荷作用下，树脂牙试样向纯钛表面发生了粘着转移．

   图5示出了分别经唾液浸泡和碳酸饮料浸泡预处理的待测树脂牙试样在2 O N法向载荷下同钛球对摩时的摩擦系数随循环次数变化的关系曲线．可以看出，在人工唾液润滑条

件下，空白试样的摩擦系数初，

始值为0．1 9，经5 0次循环后到达峰值(约0．3 6)，然后缓慢减小，并在1 0 0 0次循环后稳定于0．3 0附近；树脂牙试样经唾液浸泡预处理后，摩擦系数初始值增大为0．2 8，经约5 0次循环后趋于平稳(约0．4 0)，当循环次数达到5 0 0次以后摩擦系数开始减小，并且在2 5 0 0次循环后稳定于0．3 0左右，采用共焦激光扫描显微镜观察磨痕及磨屑形貌发现，此时磨痕表面的犁削和粘着同空白试样相比略微加重；树脂牙试样经碳酸饮料浸泡预处理后，摩擦系数随循环次数增加的变化趋势及稳态摩擦系数同空白试样相似，仅滑动初期的摩擦系数略高，显微观测表明此时磨斑大小及形貌图5不同预处理条件下树脂牙试样摩擦系数随循环次数变化的关系曲线(一2 0 N)亦同空白试样的相近．

表2列出了经不同预处理的树脂牙试样的磨痕深度．可见，树脂牙试样在人工唾液润滑介质中的磨痕深度约为干摩擦下的5 0，经人工唾液或碳酸饮料浸泡处理后其磨痕深度有所增大，这可能是由于浸泡预处理导致树脂牙表面降解和显微硬度降低所致．但是，经热循环处理后，树脂牙试样的磨痕深度显著增大，相应试样在人工唾液润滑介质

中的磨痕深度同干摩擦下的相近．

     图6示出了法向载荷F一2 O N时，热循环老化图6热循环预处理前后树脂牙试样同钛球对摩时的摩擦系数随循环次数变化的关系曲线(一2 O N)预处理前后树脂牙试样同钛球对摩时的摩擦系数随循环次数变化的关系曲线．可以看出，热循环老化预处理对摩擦系数的影响较大．热循环老化预处理后的树脂牙试样的摩擦系数随循环次数增加而逐渐增大，经1 0 0次循环后摩擦系数增大到0．3 7，经2 5 5 0次循环后摩擦系数稳定于0．4 0附近，明显比空白试样的稳态摩擦系数(约0．3 2)高．图7示出了经热循环老化预处理后树脂牙试样磨痕形貌的C L S M照片．结合图3(b)、表2和图7可以看出，经热循环老化预处理后的树脂牙试样的磨痕斑明显较大且深，磨痕深度约为空白试样的2倍，磨损表面呈现严重犁削和大块剥落迹象，表现出磨粒磨损和粘着磨损共存的破坏特征．这可能是因为热循环老化处理导致树脂牙试样老化和机械强度降低所致．

3结论

a．树脂牙试样在人工唾液介质中同钛球对摩时表现出良好的摩擦磨损性能；当法向载荷较小

时，树脂牙试样呈现轻微磨粒磨损特征；当法向载荷较大时，树脂牙试样主要呈现粘着磨损特征．b．人工唾液和碳酸饮料浸泡预处理对树脂牙试样的摩擦磨损行为影响很小，而热循环老化处理使得树脂牙试样的摩擦磨损性能明显变差．