不同內部結構的石英纖維樁對比

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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效果、耐腐蝕、彈性模量接近牙本質、不影響磁共振成像和良好的生物學相容性而廣泛的應用于臨床，但纖維樁仍存在一定的脫落率，直接影響到修復效果[2]。為提高纖維樁的固位力，部分廠家對其內部結構和表面形態進行改進，改變是否對機械性能造成影響，值得關注[3]。本文選擇兩種不同內部結構和表面形態的石英纖維樁作為研究對象，通過測量其斷裂載荷、彎曲強度和彈性模量，采用掃描電鏡觀察其結構特征和斷裂模式，探討結構特征與機械性能的關系，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)；電子游標卡尺(上海鶴工進出口有限公司)；金相試樣拋光機(P-2，上海電機專用機械廠)；電子萬能測試機(AG-IS,Shi-madzu,日本)；硬組織切割機(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實驗方法

1.2.1三點彎曲試驗

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，每組隨機選取14根用做三點彎曲試驗，根據ISO10477標準[4]：兩支點跨距10mm，加載頭直徑2mm，加載速度1.0mm/min。加載點取直徑1.50mm處，電子游標卡尺測量精確到0.01mm。所有的纖維樁采用電子萬能測試機垂直加載至破壞，記錄纖維樁斷裂載荷，并根據以下公式[4]計算彎曲強度(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，硬組織切割機垂直于樁長軸切割，制成標準試件。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構的改變。

1.2.3圖片分析

采用ImageJ軟件分析電鏡圖片，隨機選擇多于20個獨立纖維存在的電鏡圖片，計算纖維的平均直徑、纖維含量，纖維含量=纖維所占面積和/圖片總面積。

1.3統計分析

采用SPSS13.0軟件對各組三點彎曲測試所得的結果進行完全隨機t檢驗(P<0.05)。

2.結果

2.1機械性能

DT組的斷裂載荷、彎曲強度和彈性模量皆比ML組高，差異有統計學意義(P<0.05)，結果見表1。

2.2掃描電鏡觀察結果

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組多在加載點處發生斷裂，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%，統計分析結果顯示差異無統計學意義(P>0.05)，見表2。

3.討論

纖維樁是一種復合材料，由聚合基質包埋高含量的連續加強纖維制成，聚合基質多是高轉換率和高度交叉結構的環氧樹脂聚合物。根據在基質中包埋的纖維不同，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樹脂樁等。影響纖維樁機械性能的主要因素有：①樁的形態、直徑及完整性；②纖維的直徑、密度和分布；③纖維的類型；④纖維和樹脂基質界面的結合強度等[5，6]。

本實驗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械鎖結作用，從而增加樁的固位。實驗結果顯示，樁受力后ML斷裂易從固位凹槽發生，DT組則多在加載點處發生斷裂，ML組的斷裂載荷亦比DT組低，說明這種設計雖增強了固位，但卻破壞了樁表面的完整性并削弱纖維樁整體的機械性能。Baran等[7，8]亦認為纖維樁表面結構的改變處是潛在的薄弱區，增加固位的凹槽并不利于樁的抗折性能，這與本文結果一致。彎曲強度來看，DT組明顯高于ML組，差異有統計學意義。這與DT組石英纖維含量高于ML組有關。在纖維樁中，對比于樹脂基質，纖維屬于剛性組，纖維/基質比高的纖維樁，其彎曲強度、抗折性能優于纖維/基質比低的纖維樁[9]。有研究表明，石英纖維含量在53.28%-78.56%間時，纖維含量對強度有顯著影響，隨纖維含量的增加，材料彎曲強度、剪切強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度發現：強度與樁的粗細相關，樁的直徑大彎曲強度大。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，可傳遞應力。

彈性模量是反映材料抵抗變形能力的參數。彈性模量與牙本質接近的纖維樁可使應力沿樁均勻分布；彈性模量過高，會在牙根-粘接劑-樁界面產生應力集中，導致樁核修復失敗甚至牙根折斷；彈性模量過低，在樁功能活動中，由于樁邊緣的變形，粘固劑崩解，產生繼發齲[11]。因此，纖維樁除要求較高的彎曲強度外，彈性模量接近牙本質也是一個重要方面。本實驗中DT組平均彈性模量為25.07GPa，ML組為19.75GPa，兩者差異有統計學意義(P<0.05)。ML組接近牙本質的彈性模量(約18GPa)[12]。

掃描電鏡下可見DT、ML兩種纖維樁的部分基質中均存在氣泡，斷裂纖維表面有孔隙。Grandini等[8，13]報道氣泡、孔隙等均能降低纖維樁的機械性能。這些缺陷的部分破壞纖維的完整性，易產生形變、空化或微裂隙，成為應力薄弱點。同時有研究表明，氣泡的存在降低纖維基質間的結合，使纖維束易分離，從而影響到纖維樁的機械性能[5]。石英纖維樁是由聚合物樹脂基質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，多以晶體狀態存在，是低熱膨脹的惰性材料。石英纖維和樹脂基質的彈性模量不同，當受到加載力時，應力可通過基質傳遞到纖維，完整無缺的纖維和良好的纖維-基質界面結合可確保加載力均勻傳遞，從而分散應力，提高機械性能。在日常的咀嚼過程中，無論天然牙和修復體均受到一個循環的咀嚼力，在這種重復循環應力下，破壞往往易從薄弱或缺陷的地方開始[14]，后沿薄弱點逐漸擴大到整個牙齒或材料，最終導致牙齒的折裂或材料的斷裂。因此，如何消除纖維樁基質中的氣泡及纖維表面孔隙，值得進一步研究。

綜上所述，本實驗結果表明DT組的斷裂載荷、彎曲強度和彈性模量皆比ML組高，ML組固位凹槽的增加并不有益于機械性能的提高，結構影響機械性能。