不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的石英纖維樁對比
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1990年[1]碳纖維樁首次提出后，纖維樁因其良好的美學(xué)效果、耐腐蝕、彈性模量接近牙本質(zhì)、不影響磁共振成像和良好的生物學(xué)相容性而廣泛的應(yīng)用于臨床，但纖維樁仍存在一定的脫落率，直接影響到修復(fù)效果[2]。為提高纖維樁的固位力，部分廠家對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)進(jìn)行改進(jìn)，改變是否對機(jī)械性能造成影響，值得關(guān)注[3]。本文選擇兩種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)的石英纖維樁作為研究對象，通過測量其斷裂載荷、彎曲強(qiáng)度和彈性模量，采用掃描電鏡觀察其結(jié)構(gòu)特征和斷裂模式，探討結(jié)構(gòu)特征與機(jī)械性能的關(guān)系，以期為臨床纖維樁的選用提供參考。
1.材料和方法
1.1材料和儀器
D.T.Lightpost錐形石英纖維樁(2號，Bisco，美國)；Macro-Lockpost表面帶固位凹槽的錐形石英纖維樁(2號，RTD，法國)；600-3000目水磨砂紙(MATADOR,德國)；自凝塑料(上海齒科材料廠)；電子游標(biāo)卡尺(上海鶴工進(jìn)出口有限公司)；金相試樣拋光機(jī)(P-2，上海電機(jī)專用機(jī)械廠)；電子萬能測試機(jī)(AG-IS,Shi-madzu,日本)；硬組織切割機(jī)(SP1600,萊卡,德國)；掃描電鏡(S-3400N,Hitachi,日本)；ImageJ軟件(WayneRasband,NationalInstituteofMentalHealth,Bethesda,MD,美國)。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)
15根D.T.Lightpost2號錐形石英纖維樁為DT組、15根Maro-Lockpost2號表面帶固位凹槽的錐形石英纖維樁為ML組，每組隨機(jī)選取14根用做三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，根據(jù)ISO10477標(biāo)準(zhǔn)[4]：兩支點(diǎn)跨距10mm，加載頭直徑2mm，加載速度1.0mm/min。加載點(diǎn)取直徑1.50mm處，電子游標(biāo)卡尺測量精確到0.01mm。所有的纖維樁采用電子萬能測試機(jī)垂直加載至破壞，記錄纖維樁斷裂載荷，并根據(jù)以下公式[4]計(jì)算彎曲強(qiáng)度(σ)、彈性模量(E)：①σ=8FmaxL/πd3②E=4FL3/(3πd4D)。F為斷裂載荷，L為跨距，d為樁的直徑，D為加載位移。
1.2.2掃描電鏡觀察
每組剩余一根纖維樁用自凝塑料包埋，硬組織切割機(jī)垂直于樁長軸切割，制成標(biāo)準(zhǔn)試件。再依次按照600、1000、1500、2000、2500、3000目的順序打磨，金相試樣拋光機(jī)拋光，沖洗，干燥，噴金，掃描電鏡觀察。斷裂樁不打磨，電鏡下觀察加載后樁結(jié)構(gòu)的改變。
1.2.3圖片分析
采用ImageJ軟件分析電鏡圖片，隨機(jī)選擇多于20個(gè)獨(dú)立纖維存在的電鏡圖片，計(jì)算纖維的平均直徑、纖維含量，纖維含量=纖維所占面積和/圖片總面積。
1.3統(tǒng)計(jì)分析
采用SPSS13.0軟件對各組三點(diǎn)彎曲測試所得的結(jié)果進(jìn)行完全隨機(jī)t檢驗(yàn)(P<0.05)。
2.結(jié)果
2.1機(jī)械性能
DT組的斷裂載荷、彎曲強(qiáng)度和彈性模量皆比ML組高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，結(jié)果見表1。
2.2掃描電鏡觀察結(jié)果
掃描電鏡下可見兩組纖維樁石英纖維直徑、密度、分布皆有差異，DT組纖維直徑大小較均勻，ML組差異較大，見圖1。兩種樁加載后斷裂部位和模式亦有差異，DT組多在加載點(diǎn)處發(fā)生斷裂，ML組則易在固位凹槽處裂開，見圖2。兩組部分纖維和基質(zhì)中存在孔隙或氣泡，見圖3。
2.3ImageJ軟件分析
DT組纖維直徑為17.45±0.7um、纖維含量為73.47±2.27%，ML組則為16.90±2.2um、72.84±1.82%，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見表2。
3.討論
纖維樁是一種復(fù)合材料，由聚合基質(zhì)包埋高含量的連續(xù)加強(qiáng)纖維制成，聚合基質(zhì)多是高轉(zhuǎn)換率和高度交叉結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂聚合物。根據(jù)在基質(zhì)中包埋的纖維不同，可將纖維樁分為碳纖維樁、玻璃纖維樁、石英纖維樁以及聚乙烯纖維增強(qiáng)樹脂樁等。影響纖維樁機(jī)械性能的主要因素有：①樁的形態(tài)、直徑及完整性；②纖維的直徑、密度和分布；③纖維的類型；④纖維和樹脂基質(zhì)界面的結(jié)合強(qiáng)度等[5，6]。
本實(shí)驗(yàn)研究直徑相同且錐度一致的兩種錐形石英纖維樁，但ML表面帶固位凹槽，用以增加樁與粘接材料的粘接面積和機(jī)械鎖結(jié)作用，從而增加樁的固位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，樁受力后ML斷裂易從固位凹槽發(fā)生，DT組則多在加載點(diǎn)處發(fā)生斷裂，ML組的斷裂載荷亦比DT組低，說明這種設(shè)計(jì)雖增強(qiáng)了固位，但卻破壞了樁表面的完整性并削弱纖維樁整體的機(jī)械性能。Baran等[7，8]亦認(rèn)為纖維樁表面結(jié)構(gòu)的改變處是潛在的薄弱區(qū)，增加固位的凹槽并不利于樁的抗折性能，這與本文結(jié)果一致。彎曲強(qiáng)度來看，DT組明顯高于ML組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這與DT組石英纖維含量高于ML組有關(guān)。在纖維樁中，對比于樹脂基質(zhì)，纖維屬于剛性組，纖維/基質(zhì)比高的纖維樁，其彎曲強(qiáng)度、抗折性能優(yōu)于纖維/基質(zhì)比低的纖維樁[9]。有研究表明，石英纖維含量在53.28%-78.56%間時(shí)，纖維含量對強(qiáng)度有顯著影響，隨纖維含量的增加，材料彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和彈性模量也隨之增加[10]。Lassila等[4]通過比較同一纖維樁不同直徑的強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)度與樁的粗細(xì)相關(guān)，樁的直徑大彎曲強(qiáng)度大。ML纖維樁增加固位凹槽，使此處樁的直徑減小，從而影響彎曲強(qiáng)度。且DT組石英纖維的平均直徑高于ML組、纖維大小較ML組均勻，可傳遞應(yīng)力。
彈性模量是反映材料抵抗變形能力的參數(shù)。彈性模量與牙本質(zhì)接近的纖維樁可使應(yīng)力沿樁均勻分布；彈性模量過高，會在牙根-粘接劑-樁界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致樁核修復(fù)失敗甚至牙根折斷；彈性模量過低，在樁功能活動(dòng)中，由于樁邊緣的變形，粘固劑崩解，產(chǎn)生繼發(fā)齲[11]。因此，纖維樁除要求較高的彎曲強(qiáng)度外，彈性模量接近牙本質(zhì)也是一個(gè)重要方面。本實(shí)驗(yàn)中DT組平均彈性模量為25.07GPa，ML組為19.75GPa，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。ML組接近牙本質(zhì)的彈性模量(約18GPa)[12]。
掃描電鏡下可見DT、ML兩種纖維樁的部分基質(zhì)中均存在氣泡，斷裂纖維表面有孔隙。Grandini等[8，13]報(bào)道氣泡、孔隙等均能降低纖維樁的機(jī)械性能。這些缺陷的部分破壞纖維的完整性，易產(chǎn)生形變、空化或微裂隙，成為應(yīng)力薄弱點(diǎn)。同時(shí)有研究表明，氣泡的存在降低纖維基質(zhì)間的結(jié)合，使纖維束易分離，從而影響到纖維樁的機(jī)械性能[5]。石英纖維樁是由聚合物樹脂基質(zhì)包繞沿樁的長軸呈單一方向緊密排列的石英纖維組。石英纖維的主要成分是二氧化硅，多以晶體狀態(tài)存在，是低熱膨脹的惰性材料。石英纖維和樹脂基質(zhì)的彈性模量不同，當(dāng)受到加載力時(shí)，應(yīng)力可通過基質(zhì)傳遞到纖維，完整無缺的纖維和良好的纖維-基質(zhì)界面結(jié)合可確保加載力均勻傳遞，從而分散應(yīng)力，提高機(jī)械性能。在日常的咀嚼過程中，無論天然牙和修復(fù)體均受到一個(gè)循環(huán)的咀嚼力，在這種重復(fù)循環(huán)應(yīng)力下，破壞往往易從薄弱或缺陷的地方開始[14]，后沿薄弱點(diǎn)逐漸擴(kuò)大到整個(gè)牙齒或材料，最終導(dǎo)致牙齒的折裂或材料的斷裂。因此，如何消除纖維樁基質(zhì)中的氣泡及纖維表面孔隙，值得進(jìn)一步研究。
綜上所述，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明DT組的斷裂載荷、彎曲強(qiáng)度和彈性模量皆比ML組高，ML組固位凹槽的增加并不有益于機(jī)械性能的提高，結(jié)構(gòu)影響機(jī)械性能。