可摘局部義齒卡環(huán)疲勞性能測試方法及研究現(xiàn)狀

邊曉宇 李風蘭

第四次全國口腔流行病學調查結果顯示，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，26.3%的患者選擇固定義齒修復，而有20.4%的患者選擇可摘局部義齒修復[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)疲勞性能的研究結果，在臨床義齒的設計制作及材料選擇中有指導作用。本文將針對RPD 卡環(huán)循環(huán)疲勞的力學性質的研究方法，從測試方法、測試基牙和卡環(huán)的材料選擇和設計及測試環(huán)境進行綜述。

1.卡環(huán)循環(huán)疲勞的定義及對義齒的影響

疲勞是指材料在循環(huán)(交變)應力作用下材料損傷甚至斷裂的過程。疲勞斷裂是金屬結構失效形式里的一種主要形式，發(fā)生率約占結構斷裂的80%[3]。材料的疲勞是一個非常復雜的行為，金屬的疲勞可在反復加力的情況引起，在金屬內部結構不均勻的部位會產(chǎn)生細小裂紋，在持續(xù)力的作用下，最終導致材料的結構破壞?？ōh(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]，在上世紀七十年代中期首次被關注[5]，Morris[6]等通過對義齒卡環(huán)的應力分布進行研究，得出了疲勞破壞可能存在的結論。Vallittu 等[7]研究表明，金屬卡環(huán)鑄造后，卡環(huán)表面和內部的孔隙是引起卡環(huán)發(fā)生應力集中的常見原因。材料發(fā)生疲勞時的力，往往小于其拉伸強度，甚至小于其彈性極限，因此即使卡環(huán)進入的倒凹深度在其彈性形變限度內，未發(fā)生塑性變形，也會出現(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)疲勞測試的方法

2.1 重復就位脫位實驗

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體外天然牙是非常困難的，因此體外實驗常選取由天然牙復制的其他材質牙。之前常用的方法是選擇一個硬質標準樹脂牙，按臨床要求預備牙合支托凹及導平面，之后對其進行取模，采用失蠟鑄造法制備基牙。隨著計算機輔助設計和計算機輔助加工技術的發(fā)展，基牙還可以通過計算機設計模擬實際牙齒，構建代型數(shù)據(jù)并加工成型[9]?；赖闹谱鞑牧蠎哂心湍バ?，且應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)過數(shù)次模擬循環(huán)后逐漸增大，摩擦表面會發(fā)生變形。基牙變形會直接影響卡環(huán)的固位，因此，很多學者選擇鈷鉻合金作為基牙代型材料[12]。近年來，隨著材料學的進步，一些學者選擇了新的材料制作實驗基牙,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，選擇玻璃陶瓷作為測試基牙，閆海鑫[14]在模擬鈷鉻合金、純鈦和Vitallium 卡環(huán)3 年使用的實驗中選擇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，體外模擬摘戴過程中，基牙一旦磨損，固位力就會受到影響而減小[15]。

2.1.2 卡環(huán)臂的設計 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)學者選擇設計單個三臂卡環(huán)[13]或者聯(lián)合三臂卡環(huán)[17]進行試驗，但是三臂卡環(huán)中的對抗臂會干擾卡環(huán)的循環(huán)摘帶。近年來，一些學者[18,19]在實驗設計中簡化了卡環(huán)對抗臂，只設計一個固位臂來評估卡環(huán)的固位力，此種設計可以避免卡環(huán)對抗臂干擾循環(huán)摘戴過程。譚發(fā)兵[9]在研究鑄造、CNC 銑削及SLM 鈦卡環(huán)行為性能的實驗研究中，只設計了一個固位臂來評估各組RPD鈦卡環(huán)的固位力，評估5 年間卡環(huán)的固位力的循環(huán)變化情況，結果表明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 次時快速衰減，4000 次循環(huán)時卡環(huán)出現(xiàn)折斷，因此SLM Ti 卡環(huán)的疲勞固位力在應用于臨床前仍需進一步改善，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)的測試和測試環(huán)境的選擇 測試時先將卡環(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。固定好后進行卡環(huán)固位力的測試，待卡環(huán)與基牙間應力最小時，使卡環(huán)以恒定的速度垂直向脫位，卡環(huán)的固位力為脫位時的最大峰力值，接著實驗機模擬卡環(huán)摘戴，循環(huán)疲勞測試完成后，再次測試卡環(huán)固位力，方法同前[18]。正常天然基牙由于牙周膜的存在，有一定的動度，而體外實驗只能在剛性條件下模擬卡環(huán)摘戴，同時在口腔中，由于天然牙的解剖條件不同，可以有多種不同的摘戴路徑，然而受實驗儀器的限制，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可能改變摘戴路徑，對基牙產(chǎn)生更大的力，加速卡環(huán)疲勞，與臨床實際使用相比，這些因素導致測試的固位力值和循環(huán)次數(shù)增大，因此未來需要對該測試方法進行進一步改善。

在進行材料疲勞性能測試時，測試環(huán)境非常重要，目前，對于實驗環(huán)境對卡環(huán)固位力的影響尚無統(tǒng)一的觀點。早期許多實驗，選擇在體外干燥的條件下進行卡環(huán)疲勞循環(huán)的測試。Lassila L 等[20]研究表明，鈷鉻合金在唾液、去離子水中疲勞強度比在干燥條件下降低。摩擦系數(shù)也會影響卡環(huán)固位力[21]。國內學者江青松等[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，測試環(huán)境對卡環(huán)固位力的影響與卡環(huán)的類型有關，Akers 卡環(huán)和對半卡環(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)在濕潤環(huán)境下固位力顯著減小。當卡環(huán)處于去離子水、人工唾液等潮濕環(huán)境中時還會發(fā)生腐蝕，進一步降低金屬的抗疲勞性，在腐蝕疲勞過程中，口腔內液體的腐蝕作用與載荷相互協(xié)同，加速裂紋的擴展[22]?？谇荒p環(huán)境復雜多變，體外研究與實際有一定差別，沒有任何一種體外技術可以模擬類似口腔環(huán)境(體內)的PH 值和溫度變化，因此測試本身還需要進一步完善,才能對臨床作出正確評價。

2.2 位移控制彎曲疲勞測試

2.2.1 卡環(huán)樣本的制備 位移控制彎曲疲勞測試的卡環(huán)為起始端較粗并逐漸向末端變細的半圓形直卡環(huán)。Bates[24]和Morris[25]對鈷鉻合金的循環(huán)疲勞實驗中，采用了不同形狀半圓形直卡環(huán)的設計，發(fā)現(xiàn)起始端較粗并逐漸向末端變細的半圓形直卡環(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)長軸垂直，防止卡環(huán)受到扭力。制作完成的卡環(huán)，內表面不進行拋光，防止產(chǎn)生預應力導致應力集中，促使裂紋的形成和擴展，致使材料應力分布改變，使疲勞極限降低,進而影響構件的使用壽命。國內外學者[26-28]認為：經(jīng)過加熱處理，卡環(huán)鑄造過程中產(chǎn)生的殘余應力可以部分消除，使疲勞強度提高。測試前使用XRD 觀察試樣，確保試樣無鑄造缺陷[29]。

2.2.2 試樣測試 將卡環(huán)固定于材料試驗機上，在平面一側分別標記加載處和支撐處，對末端加力使之發(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次加載時停止[30]，計算機生成相應的載荷-位移曲線。Urano 等[31]在對Ce-TZP/ A 納米復合材料進行試驗時，設計加載處與支撐處的距離為12mm 模擬磨牙的軸向卡環(huán)，研究表明當錐度為0.6 時，應力集中最小，疲勞壽命最長。Kim 等[32]在研究不同加工方法對卡環(huán)疲勞性的影響時，加載處與支撐處的距離為10mm。

2.2.3 試驗的優(yōu)缺點 本實驗優(yōu)點在于簡化了卡環(huán)設計，不同于臨床的圓弧狀卡環(huán)，試樣設計為卡環(huán)尖至卡環(huán)底部成一定錐度的直形卡環(huán)。同時只需對卡環(huán)末端進行加載，使之發(fā)生一定的位移變形即可，可操作性強。

然而該實驗的不足之處是(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)的曲率會影響卡環(huán)的剛度和應力分布，卡環(huán)的內應力會導致卡環(huán)發(fā)生形變，降低疲勞強度[33]，因此，實驗所得結果可能大于臨床實際使用的卡環(huán)彈性形變限度。(2)不能真實模擬卡環(huán)的實際摘戴過程，導致其受力分布與臨床卡環(huán)實際存在差異。(3)排除了由于循環(huán)引起的永久形變和與摩擦有關的因素，實際臨床使用中所需要的不同的插入路徑可能會對基牙產(chǎn)生更大的負荷，導致卡環(huán)在短時間內永久變形，這些因素需要進一步研究，以證實磨損因素如何影響卡環(huán)固位力變化。該研究的結果在臨床設計鑄造卡環(huán)時具有參考意義。

2.3 三維有限元測試分析

2.3.1 三維有限元測試 三維有限元測試方法是一種通過對工程結構進行分析來解決連續(xù)介質力學問題的數(shù)值分析方法，它使用的數(shù)值分析原理將整個對象離散成多個點,然后借助彈性力學理論進行計算。三維有限元法已然成為醫(yī)學領域進行力學分析的一個常用手段[34]，所建立三維有限元模型的準確性是結果是否可信的重要因素[37]。

2.3.2 測試方法 首先建立幾何實體模型，掃描模型，輸入電腦后建立三維有限元模型，并對邊界進行處理，建立卡環(huán)有限元模型，將各結構的力學性能輸入分析軟件，模型中的材料和組織假定為各向同性、均質和線性彈性材料，加載點選擇卡環(huán)固位臂的中部，模擬臨床使用中卡環(huán)摘取過程[38]。為了使實驗模擬與臨床使用更為接近，卡環(huán)內表面與牙釉質的摩擦系數(shù)的設定至關重要，Tribst JPM等[37]在研究不同材料及倒凹深度對可摘局部義齒卡環(huán)固位力及應力分布的影響時將摩擦系數(shù)設定為0.45，而國內學者王淑英等[39]在研究摘取方式對鑄造三臂卡環(huán)固位臂應力影響的三維有限元分析時將摩擦系數(shù)設定為0.2。Naumann 等[40]認為負載逐漸增加的動態(tài)測試是模擬咀嚼的最佳方式。該種實驗方法的弊端為實驗在理想的條件下進行，實際的材料不可能是連續(xù)均勻、各向同性的線性彈性材料，不能真實反映臨床實際情況。同時該研究中，設定卡環(huán)在整個實驗過程中的最大力值不超過卡環(huán)材料的極限強度，而臨床實際使用中卡環(huán)的受力可能會超過材料的彈性極限，但該方法可以節(jié)省人力、物力，實驗結果可以指導體外實驗。

3.總結

隨著我國人口慢慢步入老齡化，RPD 對于一些口腔條件差、經(jīng)濟條件一般的患者來說，仍是一種較好的選擇。鑄造卡環(huán)的疲勞測試不僅對指導卡環(huán)的臨床設計和制作具有積極意義，同時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的不良后果，一直是困擾臨床實踐的核心問題，在今后的臨床工作中還需不斷改善，相信卡環(huán)疲勞問題隨著口腔材料學、口腔生物力學和義齒制作技術的發(fā)展最終將得到解決。