恒牙及乳牙釉质磨损性能的体外的对比分析
【摘要】 目的 探讨并比较各个年龄组人牙釉质磨损行为的异同。方法 采用老年恒牙、年轻恒牙及乳牙各8个釉质样本,经体外模拟摩擦试验测得其磨损量,通过测量硬度和断裂韧性以及分析磨斑形貌和釉质中Ca、P、Si元素含量等揭示釉质的摩擦磨损机制。帮写医学论文结果 老年恒牙、年轻恒牙、乳牙牙釉质磨损量分别为:(2·40±1·10)×10-12m3、(3·50±1·83)×10-12m3、(4·86±2·49)×10-12m3,其中老年恒牙磨损明显小于乳牙(P<0·05),年轻恒牙与乳牙、老年恒牙与年轻恒牙磨损量间差异无显著性(P>0·05),但三者在机械性能和磨损特征方面均有所不同。结论 各年龄组人牙釉质与陶瓷牙对摩时,主要发生磨粒磨损和断裂磨损,各类牙釉质超微结构的差异决定了其抗磨性能的不同。人牙釉质的硬度和断裂韧性测量值与磨损量无对应关系。
【关键词】 牙釉质 牙磨损 磨擦 牙乳 牙列 恒
人牙釉质是牙表层覆盖的一种组织,具有独特的结构、性能和组成。一般来说,乳牙釉质有机成分及水含量较高,但硬度和机械强度均较恒牙釉质低[1]。发育成熟的牙釉质也具有代谢行为,随着年龄增大,表现为矿化程度增高。我们设计利用体外模拟人牙咀嚼情况,通过硬度测量、微量元素分析、X线衍射分析等,对比考察发育成熟的乳牙、年轻恒牙及老年恒牙摩擦磨损行为,期望在丰富人牙摩擦学研究内容的同时,为针对不同人的牙体修复材料的研发及相关牙科疾病的诊断和治疗提供依据。
资料和方法
1·材料:选取牙体完整的同一地区>60岁、<18岁因牙周病或正畸要求拔除的恒牙和替牙期脱落乳牙,将釉面切割成5 mm×5 mm左右小块,于模具中用自凝型塑料包埋,砂纸依次磨平,Al2O3粉抛光,保留一定厚度釉质,清洗烘干后得到3组各8个试块。按以下配方配制人工唾液:NaCl 0·4 g,KCl 0·4 g,CaCl2·2H2O 0·795 g,Na2S·2H2O 0·005 g,NaH2PO4·2H2O 0·78 g,尿素1 g加水至1 000 ml。
2·方法(1)摩擦前用Everone MH-5型显微硬度计测量并计算每个试样的硬度及断裂韧性,测试载荷为100 g,保压时间5 min,取5次测量平均值(断裂韧性KIC= 0·016(E/H)1/2·P·C-3/2,其中E为弹性模量,H为显微硬度,P为载荷,C为自压痕角顶点起测得的裂纹长度)。并对待测试块进行X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析。(2)选用德国Optimol公司的SRV往复式微动摩擦磨损试验机模拟人牙的滑动摩擦,摩擦对偶采用上海齿科加工厂生产的同一型号及生产批号的标准人造瓷牙,属长石类陶瓷,主要成分为硅和铝的氧化物,采用特制夹具保证每次接触面的可重复性。试验在室温、人工唾液中进行,振幅0·5 mm,频率10 Hz,载荷10 N,循环次数6 000次。(3)试块经蒸馏水超声清洗并烘干后,用哈尔滨量具刃具厂生产的2201型表面粗糙度仪测得磨斑深度和横截面积,并计算得到磨损体积。磨损体积损失、硬度及韧性数据均经统计学处理。
摩擦磨损试验结束后收集各组残留润滑液,经离心、过滤、清洗和烘干,得到磨屑。用JSM-5600LV型低真空扫描电子显微镜观察磨斑和磨屑形貌和用X线能量色散谱(energy dispersive spectrum,EDS)仪进行Ca、P和Si元素含量分析。结果一、显微硬度及断裂韧性3组中老年恒牙组的显微硬度平均值最高,年轻恒牙组最低,乳牙组居中。乳牙组的断裂韧性最高,其次为年轻恒牙组和老年恒牙组(图1)。
二、磨损体积损失与分析3组人牙釉质的磨损体积及t检验结果见表1。结果显示,仅老年恒牙组的磨损体积显著小于乳牙组(P<0·05),老年恒牙组与年轻恒牙组、年轻恒牙组与乳牙组之间的磨损体积差异无显著性(P>0·05)。
三、3组人牙釉质的XRD分析图1 各组人牙釉质硬度、断裂韧性测量结果表1 3组人牙釉质磨损体积两两比较的t检验分析(×10-12m3,-x±s)组别磨损体积t值P值(双侧)老年恒牙/ 年轻恒牙2·40±1·10/3·50±1·83 -1·46 0·172 0年轻恒牙/ 乳牙3·50±1·83/4·86±2·49 -1·24 0·235 0老年恒牙/ 乳牙2·40±1·10/4·86±2·49 -2·55 0·022 9 根据XRD结果,3种釉质中含有基本相同的磷酸钙盐成分:羟磷灰石(hydroxyaptite,HA),磷酸三钙及透磷钙石等。此外钾、镁、氯、碳酸根及结晶水等会与不同磷酸钙盐形成复杂的化合物,它们的d值(晶面间距)不尽相同。乳牙、年轻恒牙与老年恒牙间一个重要差别在于前二者存在d=2·82峰,这与磷酸八钙(octacalium phosphate,OCP)有关,而OCP正是HA沉积过程中的一种前体[2]。其次,因为各主峰的衍射角和半峰宽都很接近,根据谢乐方程3种釉质晶粒尺寸差别不大[3]。四、磨斑形貌的SEM对比分析3种牙釉质在人工唾液中与陶瓷牙对摩后,主要表现出磨粒磨损和断裂剥脱特征,老年恒牙与年轻恒牙组间差异无显著性,而乳牙组磨痕的断裂磨损较前二者严重(图2,3)。高倍SEM照片显示,老年恒牙组塑性变形形成的犁沟较浅,磨损裂纹较少且未向深层延伸(图4)。年轻恒牙磨痕犁沟明显加深,出现了长短不一的断裂且深及表层以下,裂纹闭合形成磨屑脱落。乳牙磨斑中除较深的磨痕外,还可见大量锯齿形裂纹,这种深而密布的晶间断裂会造成大量釉质丧失(图5)。
五、EDS分析结果摩擦前测量3种釉质表面的Ca和P的质量分数并计算其Ca/P值,年轻恒牙的Ca/P值最低,其次为乳牙和老年恒牙。通过磨斑内外Si质量含量测定可知,3种牙釉质表面存在不同程度的对偶瓷牙摩擦转移现象,且乳牙中的这种转移较另二者明显增多。因人牙釉质中Si和瓷牙中Ca的含量均极低(<1%),所以可根据磨屑中这2种元素的相对含量近似计算出2种摩擦材料的组成比。由表2可见乳牙磨屑中釉质成分高于恒牙。表2 3种人牙釉质磨损前后能量色谱分析结果(%)组别Ca/P值磨斑内Si升高量磨屑中牙釉质成分含量老年恒牙1·99 1·16 58·2年轻恒牙1·80 1·00 60·8乳牙1·91 2·78 83·5讨论研究人牙釉质摩擦磨损行为不仅有利于揭示人牙磨耗等疾病的发病机制,还与牙科修复材料的研发及评估密切相关。近年来陶瓷类材料在口腔领域中的广泛应用也促进了这方面的研究[4,5]。本研究采用陶瓷人工牙作为体外模拟试验的摩擦偶件,既解决了摩擦对偶的标准化问题,从材质上也更接近于天然牙的摩擦情况。一般来说恒牙的硬度高于乳牙[6,7],本试验发现替牙期乳牙釉质显微硬度高于年轻恒牙而低于老年恒牙,这种趋势与三者的Ca和P含量比相吻合。我们认为这是由于组成釉质HA在釉质矿化过程中存在多种前体,而Ca/P可能在一定程度上反映了这种多相分布状态[8],高Ca/P值代表富含Ca及较成熟的磷酸盐。
初萌的年轻恒牙釉质HA的结晶程度可能低于替牙期脱落的乳牙,从而使整体硬度不及后者。断裂韧性是衡量材料抵抗裂纹扩展能力的参量,对许多陶瓷而言它与材料的晶体结构、晶粒大小、形状及第二相等多种因素有关[9],乳牙、年轻恒牙、老年恒牙釉质韧性依次递减,可能由于它们含有不同数量的有机成分,这些高分子物质在晶界和釉柱间起到粘接作用,具有较强的抗塑性变形能力,在静载荷下能阻断裂纹的扩展。必须指出,多晶陶瓷材料的硬度、断裂韧性等宏观测量值并不能直接代表微观结构中晶界、相界面的强度和抗断裂性能[10]。牙釉质存在着较之更为复杂的微观结构,因此在衡量其抗磨性能时,这些指标的参考价值值得商榷,本结果也证实它们之间无必然联系。比较3种牙釉质的磨损体积损失测量结果,虽然仅老年恒牙与乳牙间有统计学差异,但结合磨斑形貌SEM分析和磨屑元素组成的EDAX分析,可知它们之间,尤其是恒牙与乳牙之间存在不同,可能是样本数量的不足导致这种差异趋于不甚明显。Kong等[11]研究了几种常用陶瓷配对摩擦的摩擦磨损性能,观察到其主要形式是塑性变形,犁沟及断裂。这与本研究结果相同,体现了牙釉质作为一种生物陶瓷的摩擦学共性。试验采用的偶件氧化硅铝陶瓷的硬度高于牙釉质的硬度,故在摩擦过程中会在釉质表面形成犁沟,老年恒牙硬度较年轻恒牙和乳牙高,相应的犁沟也较浅。由于牙釉质的磨损主要是裂纹闭合形成磨屑脱落所致,因此断裂磨损机制成为分析釉质抗磨性差异的主要出发点。釉质裂纹的产生与发展不仅受组成它的HA晶体大小、形状、取向等影响,还与其显微结构中晶界、Retzius′线,柱间质,釉梭及釉丛等低矿化区密切相关。3组人牙釉质的无机盐晶体组成及晶粒大小无明显差别,所以我们认为造成它们抗磨性不同的主要原因是其微观结构的差异。乳牙有机物及水的含量都较恒牙的高,Bonte等[1]研究发现乳牙水含量是恒牙的3倍,这些成分又多集中于上述结构中[12]。由于它们与磷酸盐晶体的热膨胀系数不同,摩擦过程中局部的“闪温”会在界面上产生“残余应力”,易于断裂;此外周期性的摩擦应力也容易导致这些薄弱区发生疲劳断裂,并很快扩展。因此,乳牙的抗磨性能低于恒牙。通过对釉质磨斑表面瓷牙材料转移的分析可以间接证实:乳牙结构较疏松,偶件陶瓷的微突体及磨屑容易嵌入其中的缺陷,继而在剪切力作用下发生断裂脱落,随后被压入形成局部转移。从磨屑组成来看,同恒牙对摩的偶件磨损体积明显比同乳牙对摩的大,这是因为乳牙在摩擦过程中产生广泛的断裂、松动和脱落,从而减轻了偶件表面摩擦应力对结构的破坏,减轻了偶件的磨损。两种
