不同内部结构的石英纤维桩对比

1990年[1]碳纤维桩首次提出后，纤维桩因其良好的美学效果、耐腐蚀、弹性模量接近牙本质、不影响磁共振成像和良好的生物学相容性而广泛的应用于临床，但纤维桩仍存在一定的脱落率，直接影响到修复效果[2]。为提高纤维桩的固位力，部分厂家对其内部结构和表面形态进行改进，改变是否对机械性能造成影响，值得关注[3]。本文选择两种不同内部结构和表面形态的石英纤维桩作为研究对象，通过测量其断裂载荷、弯曲强度和弹性模量，采用扫描电镜观察其结构特征和断裂模式，探讨结构特征与机械性能的关系，以期为临床纤维桩的选用提供参考。

1.材料和方法

1.1材料和仪器

D.T.Lightpost锥形石英纤维桩(2号，Bisco，美国)；Macro-Lockpost表面带固位凹槽的锥形石英纤维桩(2号，RTD，法国)；600-3000目水磨砂纸(MATADOR,德国)；自凝塑料(上海齿科材料厂)；电子游标卡尺(上海鹤工进出口有限公司)；金相试样抛光机(P-2，上海电机专用机械厂)；电子万能测试机(AG-IS,Shi-madzu,日本)；硬组织切割机(SP1600,莱卡,德国)；扫描电镜(S-3400N,Hitachi,日本)；ImageJ软件(WayneRasband,NationalInstituteofMentalHealth,Bethesda,MD,美国)。

1.2实验方法

1.2.1三点弯曲试验

15根D.T.Lightpost2号锥形石英纤维桩为DT组、15根Maro-Lockpost2号表面带固位凹槽的锥形石英纤维桩为ML组，每组随机选取14根用做三点弯曲试验，根据ISO10477标准[4]：两支点跨距10mm，加载头直径2mm，加载速度1.0mm/min。加载点取直径1.50mm处，电子游标卡尺测量精确到0.01mm。所有的纤维桩采用电子万能测试机垂直加载至破坏，记录纤维桩断裂载荷，并根据以下公式[4]计算弯曲强度(σ)、弹性模量(E)：①σ=8FmaxL/πd3②E=4FL3/(3πd4D)。F为断裂载荷，L为跨距，d为桩的直径，D为加载位移。

1.2.2扫描电镜观察

每组剩余一根纤维桩用自凝塑料包埋，硬组织切割机垂直于桩长轴切割，制成标准试件。再依次按照600、1000、1500、2000、2500、3000目的顺序打磨，金相试样抛光机抛光，冲洗，干燥，喷金，扫描电镜观察。断裂桩不打磨，电镜下观察加载后桩结构的改变。

1.2.3图片分析

采用ImageJ软件分析电镜图片，随机选择多于20个独立纤维存在的电镜图片，计算纤维的平均直径、纤维含量，纤维含量=纤维所占面积和/图片总面积。

1.3统计分析

采用SPSS13.0软件对各组三点弯曲测试所得的结果进行完全随机t检验(P<0.05)。

2.结果

2.1机械性能

DT组的断裂载荷、弯曲强度和弹性模量皆比ML组高，差异有统计学意义(P<0.05)，结果见表1。

2.2扫描电镜观察结果

扫描电镜下可见两组纤维桩石英纤维直径、密度、分布皆有差异，DT组纤维直径大小较均匀，ML组差异较大，见图1。两种桩加载后断裂部位和模式亦有差异，DT组多在加载点处发生断裂，ML组则易在固位凹槽处裂开，见图2。两组部分纤维和基质中存在孔隙或气泡，见图3。

2.3ImageJ软件分析

DT组纤维直径为17.45±0.7um、纤维含量为73.47±2.27%，ML组则为16.90±2.2um、72.84±1.82%，统计分析结果显示差异无统计学意义(P>0.05)，见表2。

3.讨论

纤维桩是一种复合材料，由聚合基质包埋高含量的连续加强纤维制成，聚合基质多是高转换率和高度交叉结构的环氧树脂聚合物。根据在基质中包埋的纤维不同，可将纤维桩分为碳纤维桩、玻璃纤维桩、石英纤维桩以及聚乙烯纤维增强树脂桩等。影响纤维桩机械性能的主要因素有：①桩的形态、直径及完整性；②纤维的直径、密度和分布；③纤维的类型；④纤维和树脂基质界面的结合强度等[5，6]。

本实验研究直径相同且锥度一致的两种锥形石英纤维桩，但ML表面带固位凹槽，用以增加桩与粘接材料的粘接面积和机械锁结作用，从而增加桩的固位。实验结果显示，桩受力后ML断裂易从固位凹槽发生，DT组则多在加载点处发生断裂，ML组的断裂载荷亦比DT组低，说明这种设计虽增强了固位，但却破坏了桩表面的完整性并削弱纤维桩整体的机械性能。Baran等[7，8]亦认为纤维桩表面结构的改变处是潜在的薄弱区，增加固位的凹槽并不利于桩的抗折性能，这与本文结果一致。弯曲强度来看，DT组明显高于ML组，差异有统计学意义。这与DT组石英纤维含量高于ML组有关。在纤维桩中，对比于树脂基质，纤维属于刚性组，纤维/基质比高的纤维桩，其弯曲强度、抗折性能优于纤维/基质比低的纤维桩[9]。有研究表明，石英纤维含量在53.28%-78.56%间时，纤维含量对强度有显著影响，随纤维含量的增加，材料弯曲强度、剪切强度和弹性模量也随之增加[10]。Lassila等[4]通过比较同一纤维桩不同直径的强度发现：强度与桩的粗细相关，桩的直径大弯曲强度大。ML纤维桩增加固位凹槽，使此处桩的直径减小，从而影响弯曲强度。且DT组石英纤维的平均直径高于ML组、纤维大小较ML组均匀，可传递应力。

弹性模量是反映材料抵抗变形能力的参数。弹性模量与牙本质接近的纤维桩可使应力沿桩均匀分布；弹性模量过高，会在牙根-粘接剂-桩界面产生应力集中，导致桩核修复失败甚至牙根折断；弹性模量过低，在桩功能活动中，由于桩边缘的变形，粘固剂崩解，产生继发龋[11]。因此，纤维桩除要求较高的弯曲强度外，弹性模量接近牙本质也是一个重要方面。本实验中DT组平均弹性模量为25.07GPa，ML组为19.75GPa，两者差异有统计学意义(P<0.05)。ML组接近牙本质的弹性模量(约18GPa)[12]。

扫描电镜下可见DT、ML两种纤维桩的部分基质中均存在气泡，断裂纤维表面有孔隙。Grandini等[8，13]报道气泡、孔隙等均能降低纤维桩的机械性能。这些缺陷的部分破坏纤维的完整性，易产生形变、空化或微裂隙，成为应力薄弱点。同时有研究表明，气泡的存在降低纤维基质间的结合，使纤维束易分离，从而影响到纤维桩的机械性能[5]。石英纤维桩是由聚合物树脂基质包绕沿桩的长轴呈单一方向紧密排列的石英纤维组。石英纤维的主要成分是二氧化硅，多以晶体状态存在，是低热膨胀的惰性材料。石英纤维和树脂基质的弹性模量不同，当受到加载力时，应力可通过基质传递到纤维，完整无缺的纤维和良好的纤维-基质界面结合可确保加载力均匀传递，从而分散应力，提高机械性能。在日常的咀嚼过程中，无论天然牙和修复体均受到一个循环的咀嚼力，在这种重复循环应力下，破坏往往易从薄弱或缺陷的地方开始[14]，后沿薄弱点逐渐扩大到整个牙齿或材料，最终导致牙齿的折裂或材料的断裂。因此，如何消除纤维桩基质中的气泡及纤维表面孔隙，值得进一步研究。

综上所述，本实验结果表明DT组的断裂载荷、弯曲强度和弹性模量皆比ML组高，ML组固位凹槽的增加并不有益于机械性能的提高，结构影响机械性能。