邊曉宇 李風(fēng)蘭

第四次全國(guó)口腔流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，在65～74 歲年齡段的牙列缺損患者中，有0.3%的患者選擇種植修復(fù)，26.3%的患者選擇固定義齒修復(fù)，而有20.4%的患者選擇可摘局部義齒修復(fù)[1]。由此可見可摘局部義齒(removable partial dentures，RPD)目前仍是牙列缺損的重要修復(fù)方式之一。疲勞是牙科材料常見的破壞形式之一。卡環(huán)是RPD起固位作用的重要組成部件，在義齒摘戴中不斷發(fā)生彎曲變形，最終固位力下降，甚至發(fā)生斷裂，影響義齒的正常使用[2]。因此，卡環(huán)疲勞性能的研究結(jié)果，在臨床義齒的設(shè)計(jì)制作及材料選擇中有指導(dǎo)作用。本文將針對(duì)RPD 卡環(huán)循環(huán)疲勞的力學(xué)性質(zhì)的研究方法，從測(cè)試方法、測(cè)試基牙和卡環(huán)的材料選擇和設(shè)計(jì)及測(cè)試環(huán)境進(jìn)行綜述。

1.卡環(huán)循環(huán)疲勞的定義及對(duì)義齒的影響

疲勞是指材料在循環(huán)(交變)應(yīng)力作用下材料損傷甚至斷裂的過(guò)程。疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效形式里的一種主要形式，發(fā)生率約占結(jié)構(gòu)斷裂的80%[3]。材料的疲勞是一個(gè)非常復(fù)雜的行為，金屬的疲勞可在反復(fù)加力的情況引起，在金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻的部位會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂紋，在持續(xù)力的作用下，最終導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)破壞。卡環(huán)疲勞失效是RPD 在使用5～6 年后不得不更換義齒的主要原因[4]，在上世紀(jì)七十年代中期首次被關(guān)注[5]，Morris[6]等通過(guò)對(duì)義齒卡環(huán)的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，得出了疲勞破壞可能存在的結(jié)論。Vallittu 等[7]研究表明，金屬卡環(huán)鑄造后，卡環(huán)表面和內(nèi)部的孔隙是引起卡環(huán)發(fā)生應(yīng)力集中的常見原因。材料發(fā)生疲勞時(shí)的力，往往小于其拉伸強(qiáng)度，甚至小于其彈性極限，因此即使卡環(huán)進(jìn)入的倒凹深度在其彈性形變限度內(nèi)，未發(fā)生塑性變形，也會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。Bate[8]在1963 年最早發(fā)現(xiàn)鈷鉻合金卡環(huán)在循環(huán)70000 次后發(fā)生疲勞斷裂。

2.卡環(huán)疲勞測(cè)試的方法

2.1 重復(fù)就位脫位實(shí)驗(yàn)

2.1.1 基牙的制備和材料的選擇 由于獲得完全相同的幾個(gè)體外天然牙是非常困難的，因此體外實(shí)驗(yàn)常選取由天然牙復(fù)制的其他材質(zhì)牙。之前常用的方法是選擇一個(gè)硬質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樹脂牙，按臨床要求預(yù)備牙合支托凹及導(dǎo)平面，之后對(duì)其進(jìn)行取模，采用失蠟鑄造法制備基牙。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助加工技術(shù)的發(fā)展，基牙還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模擬實(shí)際牙齒，構(gòu)建代型數(shù)據(jù)并加工成型[9]。基牙的制作材料應(yīng)具有耐磨性，且應(yīng)與天然牙具有相近的硬度，才能更好地模擬臨床。楊金林等[10]研究表明，鈦和鈦合金均耐磨性尚佳，但VandenBrink JP[11]的研究認(rèn)為鈦和鈦合金的初始摩擦系數(shù)較低，其摩擦系數(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)次模擬循環(huán)后逐漸增大，摩擦表面會(huì)發(fā)生變形?；雷冃螘?huì)直接影響卡環(huán)的固位，因此，很多學(xué)者選擇鈷鉻合金作為基牙代型材料[12]。近年來(lái)，隨著材料學(xué)的進(jìn)步，一些學(xué)者選擇了新的材料制作實(shí)驗(yàn)基牙,Ali Marie[13]在研究鈷鉻合金和芳基酮聚合物卡環(huán)的循環(huán)疲勞時(shí)，選擇玻璃陶瓷作為測(cè)試基牙，閆海鑫[14]在模擬鈷鉻合金、純鈦和Vitallium 卡環(huán)3 年使用的實(shí)驗(yàn)中選擇QT800-2 型球墨鑄鐵制作基牙，其原因是由于這兩種材料與牙釉質(zhì)的硬度相近，與卡環(huán)之間產(chǎn)生的磨損程度和天然牙與卡環(huán)之間相近。但是，體外模擬摘戴過(guò)程中，基牙一旦磨損，固位力就會(huì)受到影響而減小[15]。

2.1.2 卡環(huán)臂的設(shè)計(jì) 卡環(huán)是RPD 獲得固位、支持與穩(wěn)定的重要固位體，卡環(huán)的固位臂位于基牙的倒凹區(qū)以抵抗脫位力，和對(duì)抗臂共同決定義齒的固位力，影響義齒使用壽命[16]。三臂卡環(huán)是最為經(jīng)典的卡環(huán)形式，因此，多數(shù)學(xué)者選擇設(shè)計(jì)單個(gè)三臂卡環(huán)[13]或者聯(lián)合三臂卡環(huán)[17]進(jìn)行試驗(yàn)，但是三臂卡環(huán)中的對(duì)抗臂會(huì)干擾卡環(huán)的循環(huán)摘帶。近年來(lái)，一些學(xué)者[18,19]在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化了卡環(huán)對(duì)抗臂，只設(shè)計(jì)一個(gè)固位臂來(lái)評(píng)估卡環(huán)的固位力，此種設(shè)計(jì)可以避免卡環(huán)對(duì)抗臂干擾循環(huán)摘戴過(guò)程。譚發(fā)兵[9]在研究鑄造、CNC 銑削及SLM 鈦卡環(huán)行為性能的實(shí)驗(yàn)研究中，只設(shè)計(jì)了一個(gè)固位臂來(lái)評(píng)估各組RPD鈦卡環(huán)的固位力，評(píng)估5 年間卡環(huán)的固位力的循環(huán)變化情況，結(jié)果表明SLM Ti 卡環(huán)的初始固位力顯著高于鑄造和CNC 銑削鈦卡環(huán)，但其固位力至2000 次時(shí)快速衰減，4000 次循環(huán)時(shí)卡環(huán)出現(xiàn)折斷，因此SLM Ti 卡環(huán)的疲勞固位力在應(yīng)用于臨床前仍需進(jìn)一步改善，而鑄造和CNC 銑削鈦卡環(huán)的疲勞固位均能滿足臨床需求。

2.1.3 卡環(huán)的測(cè)試和測(cè)試環(huán)境的選擇 測(cè)試時(shí)先將卡環(huán)手工就位，在卡環(huán)就位狀態(tài)下，使用定制夾具將卡環(huán)和基牙分別固定。固定好后進(jìn)行卡環(huán)固位力的測(cè)試，待卡環(huán)與基牙間應(yīng)力最小時(shí)，使卡環(huán)以恒定的速度垂直向脫位，卡環(huán)的固位力為脫位時(shí)的最大峰力值，接著實(shí)驗(yàn)機(jī)模擬卡環(huán)摘戴，循環(huán)疲勞測(cè)試完成后，再次測(cè)試卡環(huán)固位力，方法同前[18]。正常天然基牙由于牙周膜的存在，有一定的動(dòng)度，而體外實(shí)驗(yàn)只能在剛性條件下模擬卡環(huán)摘戴，同時(shí)在口腔中，由于天然牙的解剖條件不同，可以有多種不同的摘戴路徑，然而受實(shí)驗(yàn)儀器的限制，該方法只能模擬垂直方向的就位與脫位，此外，患者在日常摘戴義齒時(shí)可能改變摘戴路徑，對(duì)基牙產(chǎn)生更大的力，加速卡環(huán)疲勞，與臨床實(shí)際使用相比，這些因素導(dǎo)致測(cè)試的固位力值和循環(huán)次數(shù)增大，因此未來(lái)需要對(duì)該測(cè)試方法進(jìn)行進(jìn)一步改善。

在進(jìn)行材料疲勞性能測(cè)試時(shí)，測(cè)試環(huán)境非常重要，目前，對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)卡環(huán)固位力的影響尚無(wú)統(tǒng)一的觀點(diǎn)。早期許多實(shí)驗(yàn)，選擇在體外干燥的條件下進(jìn)行卡環(huán)疲勞循環(huán)的測(cè)試。Lassila L 等[20]研究表明，鈷鉻合金在唾液、去離子水中疲勞強(qiáng)度比在干燥條件下降低。摩擦系數(shù)也會(huì)影響卡環(huán)固位力[21]。國(guó)內(nèi)學(xué)者江青松等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，在干燥狀態(tài)下，鈷鉻金屬卡環(huán)與牙釉質(zhì)表面的靜摩擦系數(shù)為0.254±0.016(99%可信區(qū)間)。Mourshed B 等[23]研究表明，測(cè)試環(huán)境對(duì)卡環(huán)固位力的影響與卡環(huán)的類型有關(guān)，Akers 卡環(huán)和對(duì)半卡環(huán)在干燥環(huán)境下和潮濕環(huán)境下的固位力沒有顯著差異，圈形卡環(huán)和RPA 卡環(huán)在濕潤(rùn)環(huán)境下固位力顯著減小。當(dāng)卡環(huán)處于去離子水、人工唾液等潮濕環(huán)境中時(shí)還會(huì)發(fā)生腐蝕，進(jìn)一步降低金屬的抗疲勞性，在腐蝕疲勞過(guò)程中，口腔內(nèi)液體的腐蝕作用與載荷相互協(xié)同，加速裂紋的擴(kuò)展[22]?？谇荒p環(huán)境復(fù)雜多變，體外研究與實(shí)際有一定差別，沒有任何一種體外技術(shù)可以模擬類似口腔環(huán)境(體內(nèi))的PH 值和溫度變化，因此測(cè)試本身還需要進(jìn)一步完善,才能對(duì)臨床作出正確評(píng)價(jià)。

2.2 位移控制彎曲疲勞測(cè)試

2.2.1 卡環(huán)樣本的制備 位移控制彎曲疲勞測(cè)試的卡環(huán)為起始端較粗并逐漸向末端變細(xì)的半圓形直卡環(huán)。Bates[24]和Morris[25]對(duì)鈷鉻合金的循環(huán)疲勞實(shí)驗(yàn)中，采用了不同形狀半圓形直卡環(huán)的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)起始端較粗并逐漸向末端變細(xì)的半圓形直卡環(huán)的靈活性和固位性最佳。直型卡環(huán)試樣便于控制力的加載方向，使之與卡環(huán)長(zhǎng)軸垂直，防止卡環(huán)受到扭力。制作完成的卡環(huán)，內(nèi)表面不進(jìn)行拋光，防止產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力集中，促使裂紋的形成和擴(kuò)展，致使材料應(yīng)力分布改變，使疲勞極限降低,進(jìn)而影響構(gòu)件的使用壽命。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[26-28]認(rèn)為：經(jīng)過(guò)加熱處理，卡環(huán)鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可以部分消除，使疲勞強(qiáng)度提高。測(cè)試前使用XRD 觀察試樣，確保試樣無(wú)鑄造缺陷[29]。

2.2.2 試樣測(cè)試 將卡環(huán)固定于材料試驗(yàn)機(jī)上，在平面一側(cè)分別標(biāo)記加載處和支撐處，對(duì)末端加力使之發(fā)生變形，模擬臨床使用中卡環(huán)的摘戴，至最大載荷下降到初始載荷的85%或完成106次加載時(shí)停止[30]，計(jì)算機(jī)生成相應(yīng)的載荷-位移曲線。Urano 等[31]在對(duì)Ce-TZP/ A 納米復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)加載處與支撐處的距離為12mm 模擬磨牙的軸向卡環(huán)，研究表明當(dāng)錐度為0.6 時(shí)，應(yīng)力集中最小，疲勞壽命最長(zhǎng)。Kim 等[32]在研究不同加工方法對(duì)卡環(huán)疲勞性的影響時(shí)，加載處與支撐處的距離為10mm。

2.2.3 試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn) 本實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了卡環(huán)設(shè)計(jì)，不同于臨床的圓弧狀卡環(huán)，試樣設(shè)計(jì)為卡環(huán)尖至卡環(huán)底部成一定錐度的直形卡環(huán)。同時(shí)只需對(duì)卡環(huán)末端進(jìn)行加載，使之發(fā)生一定的位移變形即可，可操作性強(qiáng)。

然而該實(shí)驗(yàn)的不足之處是(1)直形卡環(huán)沒有曲率，臨床的卡環(huán)由于基牙的外形有一定曲率，卡環(huán)的曲率會(huì)影響卡環(huán)的剛度和應(yīng)力分布，卡環(huán)的內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致卡環(huán)發(fā)生形變，降低疲勞強(qiáng)度[33]，因此，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果可能大于臨床實(shí)際使用的卡環(huán)彈性形變限度。(2)不能真實(shí)模擬卡環(huán)的實(shí)際摘戴過(guò)程，導(dǎo)致其受力分布與臨床卡環(huán)實(shí)際存在差異。(3)排除了由于循環(huán)引起的永久形變和與摩擦有關(guān)的因素，實(shí)際臨床使用中所需要的不同的插入路徑可能會(huì)對(duì)基牙產(chǎn)生更大的負(fù)荷，導(dǎo)致卡環(huán)在短時(shí)間內(nèi)永久變形，這些因素需要進(jìn)一步研究，以證實(shí)磨損因素如何影響卡環(huán)固位力變化。該研究的結(jié)果在臨床設(shè)計(jì)鑄造卡環(huán)時(shí)具有參考意義。

2.3 三維有限元測(cè)試分析

2.3.1 三維有限元測(cè)試 三維有限元測(cè)試方法是一種通過(guò)對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析來(lái)解決連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值分析方法，它使用的數(shù)值分析原理將整個(gè)對(duì)象離散成多個(gè)點(diǎn),然后借助彈性力學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算。三維有限元法已然成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行力學(xué)分析的一個(gè)常用手段[34]，所建立三維有限元模型的準(zhǔn)確性是結(jié)果是否可信的重要因素[37]。

2.3.2 測(cè)試方法 首先建立幾何實(shí)體模型，掃描模型，輸入電腦后建立三維有限元模型，并對(duì)邊界進(jìn)行處理，建立卡環(huán)有限元模型，將各結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能輸入分析軟件，模型中的材料和組織假定為各向同性、均質(zhì)和線性彈性材料，加載點(diǎn)選擇卡環(huán)固位臂的中部，模擬臨床使用中卡環(huán)摘取過(guò)程[38]。為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)M與臨床使用更為接近，卡環(huán)內(nèi)表面與牙釉質(zhì)的摩擦系數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要，Tribst JPM等[37]在研究不同材料及倒凹深度對(duì)可摘局部義齒卡環(huán)固位力及應(yīng)力分布的影響時(shí)將摩擦系數(shù)設(shè)定為0.45，而國(guó)內(nèi)學(xué)者王淑英等[39]在研究摘取方式對(duì)鑄造三臂卡環(huán)固位臂應(yīng)力影響的三維有限元分析時(shí)將摩擦系數(shù)設(shè)定為0.2。Naumann 等[40]認(rèn)為負(fù)載逐漸增加的動(dòng)態(tài)測(cè)試是模擬咀嚼的最佳方式。該種實(shí)驗(yàn)方法的弊端為實(shí)驗(yàn)在理想的條件下進(jìn)行，實(shí)際的材料不可能是連續(xù)均勻、各向同性的線性彈性材料，不能真實(shí)反映臨床實(shí)際情況。同時(shí)該研究中，設(shè)定卡環(huán)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大力值不超過(guò)卡環(huán)材料的極限強(qiáng)度，而臨床實(shí)際使用中卡環(huán)的受力可能會(huì)超過(guò)材料的彈性極限，但該方法可以節(jié)省人力、物力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以指導(dǎo)體外實(shí)驗(yàn)。

3.總結(jié)

隨著我國(guó)人口慢慢步入老齡化，RPD 對(duì)于一些口腔條件差、經(jīng)濟(jì)條件一般的患者來(lái)說(shuō)，仍是一種較好的選擇。鑄造卡環(huán)的疲勞測(cè)試不僅對(duì)指導(dǎo)卡環(huán)的臨床設(shè)計(jì)和制作具有積極意義，同時(shí)可以為臨床大夫根據(jù)不同的患者口腔狀況選擇合適的材料提供理論參考，為RPD 取得良好的固位，提供可靠的理論根據(jù)?？ōh(huán)作為RPD 最常用的直接固位體，其壽命長(zhǎng)短直接影響義齒的臨床壽命。如何盡可能提高材料的抗疲勞性能，減少材料疲勞所帶來(lái)的不良后果，一直是困擾臨床實(shí)踐的核心問(wèn)題，在今后的臨床工作中還需不斷改善，相信卡環(huán)疲勞問(wèn)題隨著口腔材料學(xué)、口腔生物力學(xué)和義齒制作技術(shù)的發(fā)展最終將得到解決。