于海 溫坤 劉一帆 王偉娜 馬瑞 秦晨 高勃

卡環(huán)是可摘局部義齒(Removable partial denture，RPD)的重要組成部分，是使用最廣泛的直接固位體;主要由進(jìn)入基牙的倒凹區(qū)的卡環(huán)比尖端提供固位力［1］。在義齒多次摘戴的過程中，卡環(huán)臂反復(fù)形變進(jìn)出基牙的倒凹區(qū)，義齒使用一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生固位力下降的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)卡環(huán)折斷。這些現(xiàn)象是由卡環(huán)的循環(huán)疲勞所致［2］。

選擇性激光熔覆(Selective laser melting，SLM)技術(shù)具有可以加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體，節(jié)約材料，成型件結(jié)構(gòu)致密、尺寸精度高和力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。自Richard Bibb等人于2006年首次使用該技術(shù)制作了1例鈷鉻合金RPD支架以來［3］，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者進(jìn)行了SLM制作RPD支架成型質(zhì)量的相關(guān)研究，認(rèn)為其加工精度、適合性與傳統(tǒng)方法相差無幾［4－7］。不過，目前國(guó)內(nèi)外少有SLM制作純鈦卡環(huán)的抗疲勞性研究報(bào)道。

Shimpo等［8］的研究表明，對(duì)于鑄造純鈦卡環(huán)而言，卡環(huán)臂尖端1/2進(jìn)入0.25 mm倒凹深度或卡環(huán)臂尖端1/3進(jìn)入0.50 mm倒凹深度方能滿足臨床固位力需求。因此本文擬對(duì)SLM制作的純鈦卡環(huán)在0.25 mm與0.50 mm位移條件下的抗疲勞性進(jìn)行研究，以期為該技術(shù)的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

金屬 3D 打印機(jī)(Concept Laser，Mlab cusing，德國(guó));純鈦粉末(Concept Laser，CL 42TI，德國(guó));樹脂打印機(jī)(Stratasys，EDEN350V，以色列)，純鈦(上海日進(jìn)齒科材料公司)，疲勞試驗(yàn)加載平臺(tái)(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院震動(dòng)與噪聲實(shí)驗(yàn)室組裝調(diào)試)。

1.2 方法

1.2.1 試件制作與分組 運(yùn)用3Shape齒科設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行總長(zhǎng)10 mm、尖端0.8 mm ×1.4 mm、體部1.3 mm×2.6 mm、橫截面為半圓形的卡環(huán)試件數(shù)字化設(shè)計(jì)。依據(jù)數(shù)字化設(shè)計(jì)運(yùn)用SLM技術(shù)制作按廠家操作手冊(cè)流程制作10個(gè)純鈦卡環(huán)試件作為實(shí)驗(yàn)組。依據(jù)數(shù)字化設(shè)計(jì)先用樹脂打印機(jī)制作鑄型，再用鑄型按臨床純鈦鑄造要求制作10個(gè)純鈦卡環(huán)試件作為對(duì)照組。測(cè)試之前，純鈦卡環(huán)試件均要經(jīng)過X射線檢查(50 kV，200 mA，63.0 mS)，排除有缺陷的試件(圖 1)。本研究中未對(duì)試件進(jìn)行打磨拋光，只用金剛砂車針小心去除試件表面的氧化膜［9］。經(jīng)過篩選，2種加工方式各得到了10個(gè)合格試件。

A:SLM組純鈦卡環(huán)試件;B:鑄造組純鈦卡環(huán)試件圖1 試件的X射線檢查A:Clasps prepared via SLM;B:Clasps prepared via dental castingFig 1 X-ray examination of the samples

1.2.2 抗疲勞性測(cè)試 本研究采用位移控制彎曲疲勞測(cè)試法。在距卡環(huán)尖端10 mm處將卡環(huán)固定在夾具上。加載載荷的支點(diǎn)位于距卡環(huán)尖端5 mm處。使用疲勞試驗(yàn)機(jī)于卡環(huán)尖端處加載載荷，加載方向由卡環(huán)的組織面向磨光面測(cè)彎曲，以模擬卡環(huán)摘戴時(shí)的反復(fù)變形。從2種不同加工方式組中各隨機(jī)選取5個(gè)試件，設(shè)置加載位移為0.25 mm，其余5個(gè)試件位移為0.50 mm。加載頻率為20 Hz直至試件斷裂。當(dāng)載荷衰減為小于初始載荷的15%時(shí)，認(rèn)為卡環(huán)已經(jīng)疲勞失效;儀器自動(dòng)記錄試件的初始載荷、疲勞失效時(shí)循環(huán)次數(shù)和斷裂時(shí)循環(huán)次數(shù)［10－11］(圖 2)。

圖2 位移控制彎曲疲勞測(cè)試原理圖Fig 2 Illustration of displacement controlled fatigue test

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用方差分析對(duì)2組試件在同一倒凹深度下的初始載荷、疲勞失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)和斷裂時(shí)循環(huán)次數(shù)進(jìn)行比較，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

當(dāng)彎曲位移為0.25 mm時(shí)，2組試件的初始載荷與疲勞失效循環(huán)次數(shù)無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.562，P=0.567);2組試件的斷裂循環(huán)次之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，實(shí)驗(yàn)組(SLM)明顯大于對(duì)照組(鑄造)(表 1)。

當(dāng)彎曲位移為0.50 mm時(shí)，2組試件的初始載荷與疲勞失效循環(huán)次數(shù)無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.744，P=0.692);2組試件的斷裂循環(huán)次之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，實(shí)驗(yàn)組(SLM)明顯大于對(duì)照組(鑄造)(表 1)。

3 討論

位移(應(yīng)變)一定的情況下，初始載荷(應(yīng)力)的大小與材料的楊氏彈性模量成反比。朱娟芳等［12］的研究發(fā)現(xiàn)激光快速成型純鈦的楊氏彈性模量(103.7 GPa)略低于TA2的彈性模量(108 GPa)，由此可得到推論位移相同的情況下快速成型純鈦的初始載荷應(yīng)當(dāng)略高于TA2的初始載荷。而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的初始載荷尚無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異?？ōh(huán)的固位力由卡環(huán)臂與基牙間的靜摩擦力提供。根據(jù)摩擦力公式Fmax=(最大靜摩擦力)=N(正壓力)×f(摩擦系數(shù))。Mori等［13］學(xué)者在研究純鈦材料的活動(dòng)義齒應(yīng)用時(shí)認(rèn)為，口腔唾液環(huán)境下純鈦卡環(huán)與牙釉質(zhì)之間的摩擦系數(shù)約為0.2。再將本研究中的初始載荷代入N(正壓力)，可估算出:在0.25 mm位移時(shí)SLM組可產(chǎn)生平均約2.96 N的固位力，鑄造組可產(chǎn)生平均約3.15 N的固位力;在0.50 mm位移時(shí)SLM組可產(chǎn)生平均約5.12 N的固位力，鑄造組可產(chǎn)生平均約5.33 N的固位力。在位移相同的情況下，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組所產(chǎn)生的固位力之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。由此可認(rèn)為SLM組卡環(huán)提供固位力的能力與傳統(tǒng)鑄造卡環(huán)相當(dāng)，能滿足臨床需求［8］。

表1 SLM組與鑄造組的初始載荷、疲勞失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)和斷裂時(shí)循環(huán)次數(shù)比較Tab 1 Comparison of the initial load，the cycle times of fatigue failure and the cycle times of fracture between groups

工程中一般把失效周數(shù)＜10 000次的疲勞問題列為低周疲勞問題，把失效周數(shù)＞10 000次的疲勞問題列為高周疲勞問題［14－15］。本研究中，當(dāng)載荷位移為0.25 mm時(shí)，兩種加工方式的純鈦卡環(huán)的疲勞失效循環(huán)次數(shù)均超過10 000次且組間無顯著差異，屬于高周疲勞。按照患者每日摘戴義齒4次來估算，可認(rèn)為每1 440次循環(huán)為1年的使用量［10］。依此估算SLM組的使用壽命約18.4年，鑄造組的使用壽命約19.8年。當(dāng)載荷位移為0.50 mm時(shí)，兩種加工方式的鑄造卡環(huán)的疲勞失效循環(huán)次數(shù)均未超過10 000次，屬于低周疲勞［15］。采用同樣的方式估算，SLM組的使用壽命約2.58年，鑄造組的使用壽命約2.75年。不能滿足臨床需求。因此，在固位力能滿足需求的前提下，純鈦卡環(huán)應(yīng)當(dāng)選擇0.25 mm倒凹而非0.50 mm以延長(zhǎng)義齒的壽命。這一結(jié)論對(duì)于SLM和鑄造加工的純鈦卡環(huán)都適用。

SLM組與鑄造組在斷裂循環(huán)次數(shù)上有顯著差異，且斷裂循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于失效循環(huán)次數(shù)。這一結(jié)果與先前的研究結(jié)果相一致。高勃等［16］于2004年對(duì)激光立體成形技術(shù)制造Ren95合金的研究發(fā)現(xiàn)，快速成型技術(shù)可以大大提高材料的機(jī)械性能。朱娟芳［12］研究發(fā)現(xiàn)激光快速成型純鈦的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均高于外科植入物用鈦的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 13810－1997)，室溫下的疲勞極限大于鍛材工業(yè)純鈦(TA1和TA2，BG/T 3620.1 －2007)。王曉波等［17］對(duì)純鈦試件的研究也發(fā)現(xiàn)，激光立體成型制備的純鈦試件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均大大高于TA2純鈦的標(biāo)準(zhǔn)。這種差別應(yīng)主要?dú)w因于2種不同的加工方法造成的試件組織結(jié)構(gòu)上的差異［18］。純鈦材料的疲勞性能與原始晶粒大小成負(fù)相關(guān);構(gòu)成試件組織結(jié)構(gòu)的網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)其抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于魏特曼體組織［19］。SLM組純鈦結(jié)構(gòu)中柱狀晶粒呈一定方向性排列，較為規(guī)則;而傳統(tǒng)鑄造組的試件晶粒較粗大［17］且排列相對(duì)不規(guī)則［20］，這主要是受凝固速度所限。晶粒內(nèi)部，SLM組表現(xiàn)為α相與β相互交織成網(wǎng)籃狀［12］，α相寬度在3～4μm左右;而鑄造組純鈦晶粒內(nèi)部則是粗大的魏特曼體結(jié)構(gòu)，其寬度在8～15μm［21］。造成這一組織結(jié)構(gòu)差異的原因可能是:SLM加工過程中，高能激光束迅速熔化金屬粉末原料，在局部形成高溫熔池;緊接著，保護(hù)氣體的強(qiáng)制快速冷卻 (＞103℃/s)，形成局部凝固區(qū)域［22］;因此試件的微觀組織結(jié)構(gòu)具備典型的快凝凝固特征:細(xì)小的晶粒與細(xì)密的網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)。所以SLM技術(shù)加工的材料相比傳統(tǒng)鑄造純鈦具有較高的機(jī)械性能［12］。另一方面，SLM加工過程中試件直接由鈦粉熔融堆積而成，與傳統(tǒng)鑄造相比不不易受到包埋材料的污染［23］。這一組織結(jié)構(gòu)上的差異在短期(疲勞失效之前)不足以給兩組試件的性能帶來顯著差異，在最終的斷裂循環(huán)次數(shù)上會(huì)造成顯著影響。

4 結(jié)論

選擇性激光熔覆技術(shù)制作的純鈦卡環(huán)相比傳統(tǒng)失蠟鑄造法制作的純鈦卡環(huán)具有更為優(yōu)異的抗疲勞性，這使得這種新型加工方式具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

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