趙鵬 陳昕 王天璐 黃炎 姜春萍 王瑞林 余麗霞 楊征

石膏材料是目前臨床使用最廣泛及最常見的口腔模型材料。目前對于攪拌水溫、水粉比、添加劑、消毒劑、脫模時間、攪拌方式及速度等因素對石膏性能的影響都均有詳細研究[1-10]，但卻鮮有關(guān)于環(huán)境濕度(RH)和溫度因素(Temp)的研究，且多限于其對于石膏存儲的影響[11-13]，或是不夠量化具體[14-15]。但無論在理論上還是臨床實踐中，RH和Temp這兩個因素對石膏模型性能的影響都不容忽略[14-15]。因此，本實驗通過模擬臨床環(huán)境和石膏固化過程，定量分析環(huán)境溫度和濕度變化對于4 種臨床常用石膏材料性能的影響，為臨床更好地選擇和應(yīng)用石膏材料提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和儀器

實驗材料見表 1。實驗儀器如：萬能材料試驗機(英斯特朗公司，5565，美國)；恒溫恒溫箱SMC-150-CC(廣東三木科技有限公司)；數(shù)顯外徑千分尺、電數(shù)顯卡尺(桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司)；顯微硬度儀MMT-X(MATSUZAWA崧澤硬度計，日本)；石膏震蕩機(鄭州熙華醫(yī)療器械有限公司)；電子秤(500 g/0.01 g，上海犇利貿(mào)易有限公司)。

表 1 實驗材料

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗分組 通過查閱中國氣象網(wǎng)2016 年的氣象數(shù)據(jù)模擬臨床實際情況，參考北京、上海、成都3地月均氣溫和相對濕度，將溫度范圍限定在5～35 ℃，濕度范圍限定在10%～90%。 P、Y、H、C分別按照環(huán)境溫度和濕度分為8 組(Temp-RH)：5 ℃-50%，15 ℃-50%，25 ℃-50%，35 ℃-50%，25 ℃-10%，25 ℃-30%，25 ℃-70%，25 ℃-90%。每組分別制備固化膨脹試樣2 個、壓縮強度試樣4 個、表面硬度試樣3 個，并進行編號。

1.2.2 樣本制作 ①按圖 1尺寸制做3 種不銹鋼模型(±0.02 mm)[16]，翻制硅橡膠陰模；②按照水粉比，稱量4 種石膏粉和相應(yīng)的蒸餾水。裝袋，密封標記。硅橡膠模具噴蠟型清洗劑并吹干。將模具和稱量好的蒸餾水水、粉放入恒溫恒濕箱，在各組對應(yīng)的Temp-RH下放置15 min，進行預(yù)處理。預(yù)處理后調(diào)拌蒸餾水和石膏粉，調(diào)和時間40 s，調(diào)拌速度一致。將調(diào)拌好的石膏灌注到干燥的硅橡膠模具內(nèi)，震蕩灌注，排除氣泡；③恒溫恒濕箱處理40 min，脫模，然后繼續(xù)放置其中處理24 h。取出并標記后用密封袋進行密封。

1.2.3 固化膨脹的測量 采用數(shù)顯千分尺(精度0.001 mm)，測量試樣底部標記的2 條直徑長度。恒溫恒濕處理40 min脫模時的值記為L1，24 h后的值記為L2。每條直徑測3 次，取平均值。

固化膨脹=(L2-L1)/L1×100%

1.2.4 表面維氏硬度(HV)的測量 石膏試樣的底面用磨砂紙?zhí)荻却蚰ブ? 000 目，保證上下底面平行。采用顯微硬度儀測量試樣底面均勻分布的5 個點的表面硬度，分別進行0.49 N的壓力加壓15 s，讀取維氏硬度值，取平均值。

圖 1 實驗測試樣本的形態(tài)參數(shù)

1.2.5 壓縮強度的測量 將石膏試樣打磨至上下底面平行。采用萬能材料實驗機測量數(shù)據(jù)，加載面積為截面積S，加載速度為2 mm/min，記錄樣品碎裂時的峰值F。

壓縮強度(MPa)=F(N)/S(mm2)

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

2 結(jié) 果

2.1 石膏樣本在不同環(huán)境溫度和濕度條件下的固化膨脹

僅35 ℃-50%組有差異(P<0.05)，且P和H的固化膨脹較大。濕度相同時，在不同溫度下，P、H和C的固化膨脹有差異(P<0.05);溫度相同時，在不同濕度下，4 種石膏均有差異(P<0.05)(圖 2)。

圖 2 4 種石膏在不同測試溫度和濕度下的固化膨脹差異

Fig 2 The setting expansion of 4 types of gypsum at different RH and temperature

2.2 石膏樣本在不同環(huán)境溫度和濕度條件下的表面硬度

每種條件下4 種石膏的表面維氏硬度均有差異(P<0.05)，除了15 ℃-50%組和25 ℃-90%組Y和C最高(Y=76.56，C=77.45)，以及35 ℃-50%組Y最高(146.18)外，其他條件均為C的表面硬度最高，且P每種條件下均為最低。濕度相同時，在不同溫度下，除了P的表面硬度無顯著差異(P>0.05)外，H、Y和C均有差異(P<0.05)；溫度相同時，在不同濕度下，除了P的表面硬度無顯著差異(P>0.05)外，H、Y和C均有差異(P<0.05)(圖 3)。

2.3 石膏樣本在不同環(huán)境溫度和濕度條件下的壓縮強度

每種條件下4 種石膏的壓縮強度均有差異(P<0.05)，除5 ℃-50%組H(47.06MPa)最高外，其他條件下C最高，且P每種條件下均為最低。濕度相同時，在不同溫度下，除了P的壓縮強度無顯著差異(P>0.05)外，其余3 種石膏均有差異(P<0.05)；溫度相同時，在不同濕度下，4 種石膏均有差異(P<0.05)(圖 4)。

3 討 論

3.1 環(huán)境溫度和濕度對石膏固化膨脹的影響

圖 3 4 種石膏在不同測試溫度和濕度下的表面硬度差異

Fig 3 The surface hardness of 4 types of gypsum at different RH and temperature

圖 4 4 種石膏在不同測試溫度和濕度下的壓縮強度差異

Fig 4 The compressive strength of 4 types of gypsum at different RH and temperature

實驗結(jié)果表明，除硬質(zhì)石膏的固化膨脹不受溫度影響只受濕度影響外，其他石膏的固化膨脹均受環(huán)境溫度和濕度的影響。石膏固化膨脹源自于調(diào)拌時過多的水分所占據(jù)的空間以及石膏固化過程中形成的微空隙及氣泡[11]。微孔隙可能是生成的二水硫酸鈣晶體在生長時互相推擠形成的[17]。氣泡則是操作過程中人為帶入的。

本實驗發(fā)現(xiàn)在35 ℃下硬質(zhì)石膏和超硬石膏，以及10%、30%、90%相對濕度下的4 種石膏在24 h后的數(shù)據(jù)中均表現(xiàn)為收縮。在臨床實踐中，模型適當?shù)呐蛎浛梢匝a償金屬冠鑄造時的收縮，也可補償制作過程中模型的磨損，給粘接劑留出空間[18]。而模型的收縮會使得模型上的牙預(yù)備體小于口內(nèi)的牙預(yù)備體，使得按照模型制作出來的修復(fù)體難以在患者口內(nèi)就位[19]。模型的收縮可能與水分的散失以及同時發(fā)生的二水硫酸鈣晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨蛩徕}或無水硫酸鈣有關(guān)[20]。溫度的升高和濕度的降低也會加速石膏的收縮[14]。本實驗中，在高溫(35 ℃)、低濕度(10%、30%)的條件下，24 h后石膏模型便表現(xiàn)為收縮，與前述的文獻結(jié)論基本一致。但本實驗還發(fā)現(xiàn)在高濕度(90%)的情況下，石膏模型也很快表現(xiàn)出收縮，與石膏材料吸水膨脹的現(xiàn)象相悖[21]，有待進一步研究。

盡管環(huán)境溫度和濕度對于4 種石膏的固化膨脹均有影響，但均滿足YY0462-2003牙科石膏產(chǎn)品國家標準的性能要求。值得注意的是4種石膏在高溫度、低濕度及高濕度環(huán)境下的收縮現(xiàn)象，而南方城市(上海、成都)夏季常為高溫高濕天氣，冬季常為低濕度環(huán)境，提示此時在臨床使用中應(yīng)盡量避免模型暴露于室外空氣中，最好在陰涼處密封保存。

3.2 環(huán)境溫度和濕度對石膏表面硬度和壓縮強度的影響

在所有實驗條件下，普通石膏的壓縮強度和表面硬度均最低，且基本上超硬石膏的壓縮強度和表面硬度是最高的。石膏材料的表面硬度與其壓縮強度相關(guān)，一般來說高壓縮強度相應(yīng)的表面硬度也高[8]。這一點在濕度變化時，表現(xiàn)出較高的一致性，但在溫度變化時卻基本相反。這是因為壓縮強度主要由石膏中非結(jié)晶水的量決定，同時受微孔隙和氣泡的影響[2,8,22]。而高溫使得非結(jié)晶水蒸發(fā)加快，并且樣本表面干燥要比內(nèi)部快，但是低溫條件下晶體結(jié)晶更慢，形成的微孔隙更小[8]，所以硬質(zhì)石膏和混合石膏在高溫下的壓縮強度反而更小，而表面硬度更高。超硬石膏在35℃時壓縮強度最高，表面硬度最低，反映出其本身水分較少，顆粒細小，微孔隙較小的特點，但也可以看出高溫最終會破壞晶體結(jié)構(gòu)，降低表面硬度。 因此，為保證更高的表面硬度和壓縮強度，建議高溫、高濕天氣不要將模型置于室外及暴露于空氣中。

4 結(jié) 論

本實驗研究了以北京、上海、成都為代表的不同環(huán)境濕度和溫度條件對于4 種石膏材料的固化膨脹、表面硬度和壓縮強度的影響，得出以下結(jié)論：①環(huán)境溫度和濕度對于4 種石膏的固化膨脹均有影響，但是其最大值均在YY0462-2003牙科石膏產(chǎn)品國家標準的性能要求范圍之內(nèi)，對于臨床應(yīng)用并沒有實際影響；②4 種石膏在高溫度、低濕度及高濕度環(huán)境下均會發(fā)生收縮，并且為保證較高的表面硬度和壓縮強度，應(yīng)盡量避免模型暴露于高溫、高濕或低濕環(huán)境中；③幾乎所有實驗環(huán)境條件下的壓縮強度和表面硬度均有：普通石膏<混合石膏<硬質(zhì)石膏<超硬石膏，因此建議臨床使用石膏材料時優(yōu)先考慮超硬石膏，普通石膏僅適用于制作記存模型。