（材料学专业论文）人牙釉质三体磨粒磨损特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 摘要 人体天然牙的磨损是无法避免的。研究表明，食物颗粒的硬度 对于口颌系统发育有着重要的影响，食物颗粒硬度过小会导致咀嚼 功能下降，影响口颌系统结构和功能发育。目前，食物过于细软导 致牙列拥挤的人数正不断上升。因此，深入系统地研究食物颗粒特 性对牙齿摩擦磨损行为的影响，不仅可以丰富和发展生物摩擦学理 论，还可以为口颌系统正常发育及牙齿保健提供理论指导。 本论文选用高硬度的沙子和低硬度的荞麦颗粒作为模拟食物颗 粒，每种食物颗粒的粒度分为三个等级，在体外摩擦磨损试验机上 采用陶瓷球，牙釉质平面试样接触方式，考察了食物颗粒的粒度与硬 度对人牙釉质三体磨粒磨损特性的影响。主要结果和结论如下： 1 当食物颗粒硬度较高时，随着颗粒粒度减小，牙釉质的稳态 摩擦系数略有降低，磨损表面形貌逐渐由剥落为主转变为犁削效应； 当食物颗粒粒度较低时，随着粒度增加，牙釉质的稳态摩擦系数显 著降低，磨损表面形貌由犁削效应转变为轻微擦伤。 2 当食物颗粒粒度相同时，硬颗粒对应的牙釉质稳态摩擦系数 高于软颗粒，并且随着粒度减小，二者的差距增大；硬颗粒存在时， 牙釉质磨损表面形貌则以剥落和犁削效应为主，磨损严重，而软颗粒 对应的釉质磨损表面形貌以擦伤和划痕为主，磨损轻微。 3 和两体直接接触磨损相比，硬度低、粒度小的食物颗粒在摩 擦磨损过程中可能有一定的润滑作用，从而减缓人牙釉质的磨损；而 硬度高、粒度大的食物颗粒则会加剧人牙釉质的磨损。 关键词：人牙釉质；食物颗粒；粒度；硬度：三体磨损 西南交通大学硕士研究生学位论文 第i i 页 a b s t r a c t t h ew e a ro fh u m a nt e e t hi sa ni n e v i t a b l ep h y s i o l o g i c a lp r o c e s s c l i n i c a lp r o b i e m sd u et ot o o t hw e a rh a v eb e i n gi n c r e a s e db e c a u s e p e o p l ea r ek e e p i n gt h e i ro w nt e e t hf o rm o r ey e a r s u n d e r s t a n d i n go ft h e t h r e e - b o d yw e a ro fh u m a ne n a m e lw o u l dh e l pt h ec i i n i c a lt r e a t m e n tf o r e x c e s s i v ew e a ro ft e e t ha n dd e v e l o pn e wd e n t a lr e s t o r a t i v em a t e r i a l s 1 nt h i sp a p e r ，t h es a n da n db u c k w h 。a tw e r es e i e c t e da st h ef o o d p a r t i c l e s ，t h es i z eo fw h i c hw a sc l a s s i f i e di n t ot h r e eg r a d e s t h ee f f e c t o ft h es i z ea n dh a r d n e s so ff o o dp a r t i c l e so nt h et h r e e b o d yw e a ro f h u m a ne n a m e lw a si n v e s t i g a t e du n d e rb a l l o n - f l a t c o n f a c t u s i n g a r e c i p r o c a t i n ga p p a r a t u s t h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fs a m p l e sw e r e e x a m i n e db ym i c r o - h a r d n e s st e s t e r ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) a n dl a s e r c o n f o c a ls c a n n i n gm i c r o s c o p e ( l c s m ) m a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na s f o l l o w s ： 1 ，w h e nt h es a n dp a r t i c l e 3a c ta st h i r db o d y ，t h es t a b i ev a i u eo f f t i c t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e sa1 i t t l ew i t ht h ed e c r e a s ei nt h es i z eo ft h e p a r t i c l e s ，a n dt h em o r p h o l o g i e so ft h ee n a m e lw o r ns u r f a c e st r a n s f o r m f r o md e l a m i n a t i o nt o p l o u g h i n g i n a d d i t i o n ， w h e nt h eb u c k w h e a t p a n i c l e sa c t a st h i r db o d y ，t h es t a b i ef t i c t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e s r e m a r k a b l yw i t ht h ed e c r e a s ei nt h es i z eo ft h ep a r t 沁l e s ，m e a n w h i l e ， t h em o r p h o l o g i e so ft h ee n a m e lw o r ns u r f a c e st r a n s f o r m e df r o m p 】o u g h i n gt os 】王g h ts c r a t c h 2 w h e nt h es i z eo ff 0 0 dp a r t i c l e si ss i m i l a r ，t h es t a b l ef r i c t i o n c o e f f i c i e n ti sh i g h e ru n d e rt h ec o n d i t i o no fh a r dp a r t i c l e st h a nt h a t u n d e rt h ec o n d i t i o no fs o f t p a r t i c l e s ， w h i c hi sm o r ea n dm o r e s i g n i f i c a n t w i t ht h es i z eo f f b o d p a r t i c l e sd e c r e a s i n g t h ew o r n s u r f a c e so fe n a m e la r ec h a r a c t e r i z e dm a i n l yb yd e l a m i n a t i o na n d p l o u g h i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fh a r dp a r t i c l e s ，w h i i es l i g h ts c r a t c hi s d o m i n a n to nt h ew o r ns u r f a c e so fe n a m e lu n d e rt h ec o n d i t i o no fs o f 、 d a r t i c l e s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第i i j 页 3 c o m p a r e dw i t ht h et w o - b o d yw e a ro fe n a m e l ，t h ef o o dp a r t i c l e s w i t hl o wh a r d n e s sa n ds m a l ls i z e m a ya c t a ss o l i d1 u b r i c a n ta n d a l l e v i a t et h et h f e 宴- b o d yw e a ro fe n a m e l ， h o w e 审e r ，t h ef b o dp a r t i c l e s w i t hh i g hh a r d n e s sa n dl a r g es i z ec o u l da g g r a v a t et h et h r e e b o d yw e a r o fe n a m e l 1 ( e yw o r d s ： h u m a nt o o t he n a m e l ；f o o d p a r t i c l e s ；s i z e ；h a r d n e s s ； t h r e e - b o d yw e a r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 人体天然牙的组织结构 从外部观察，整个牙齿是由牙冠、牙根及牙颈三部分组成。平 时我们在口腔里能看到的部分就是牙冠，它是发挥咀嚼功能的主要 部分，依据咀嚼功能不同，形态各异。牙根是固定在牙槽窝内，它 是牙体的支持部分，其形态与数目也随功能的不同而有差异可分为 单根牙和多根牙。切牙和尖牙绝大部分是一个根。下颌前磨牙少数 为两个根，多数为一个根。上颌前磨牙多数为两个根，少数为一个 根。磨牙一般为2 3 个根。每一个牙根的末端有一个小孔，叫根尖孔。 牙冠与牙根交界处叫牙颈。如果我们把牙齿纵型剖开来观察，可见 到牙齿是由牙釉质( 俗称珐琅质) 、牙本质和牙骨质三层硬组织， 及最里层的一种牙髓软组织构成。图1 一l 示出了天然牙的组织结构。 图1 - 1 天然牙结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 1 )牙釉质它是牙冠外层的白色半透明的钙化程度最高的坚 硬组织，其硬度仅次于金刚石，对咀嚼磨耗有较大的抵抗力。硬化 完全的牙釉质仅含4 的有机物，而无机物则可高达9 6 ，一般说来， 它是没有感觉的活组织，其新陈代谢过程缓慢。牙釉质的基本结构 是釉柱。釉柱由拉长的扁六棱柱形磷灰石晶体择优排列而成，贯穿 牙釉质的整个厚度，与牙冠表面近似垂直。牙釉质在牙尖部位最厚， 约2 3 m m ，在牙颈部分最薄。报道称其性能比牙尖部的差。最新 的研究结果表明釉质的机械性能随着釉质在牙冠上的位置、局部化 学成分和釉柱取向的变化而变化【3 “ 。 ( 2 )牙本质它是构成牙齿的主体，位于牙釉质和牙骨质的内 层，也是牙髓腔及根管的侧壁，颜色淡黄，大约含有3 0 的有机物 和水，7 0 的无机物，无机相的主要成分也是磷灰石晶体，但其尺寸 小与牙釉质中的磷灰石晶体1 7j 。硬度低于牙釉质，有一定的弹性，当 牙釉质受力时，其变形可适当缓冲其咀嚼压力而不致破碎。若用显 微镜观察，可见到牙本质内有许多排列规则的细管，称为牙本质小 管，管内有神经纤维，具有良好的渗透能力，组织液和牙局部环境 中的许多液体介质和离子可经过牙本质。当牙本质暴露后，能感受 外界冷、热、酸、甜等刺激，而引起疼痛。牙釉质与牙本质的性能 及参数见表1 1 “。 表1 1 牙釉质及牙本质的性能参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 3 )牙骨质它包绕牙根的外层，较薄j 颜色较黄，大约有 4 5 5 0 的无机物，硬度类似于骨组织，具有不断新生的特点。 ( 4 )牙髓它位于髓腔及根管内，主要由结缔组织、血管和神 经构成，后两者通过根尖孔与身体的血液循环系统和神经系统相连 接。牙髓组织的功能是形成牙本质，具有营养、感觉、防御的能力。 牙髓神经对外界的刺激特别敏感，可产生难以忍受的剧烈的疼痛。 1 2 牙齿的摩擦学问题 1 2 1 磨损类型 口腔内的相关磨损机制和它们之间的相互作用如图1 2 所示。磨 牙( t h e g o s i s ) 是牙齿对牙齿的横向滑动，是一种基因遗传决定的运动 模式，最初用于磨尖牙齿【“l ，见图a 。夜磨牙( b r u x i s m ) 专指牙牙台面 没有食物存在时牙齿的病理性磨损行为，见图a 。咀嚼( m a s t i c a t i o n l 一般指上下对颌牙之间存在有食物颗粒时牙齿牙合面的咀嚼行为，可 分为两个阶段：第一阶段通常称为“开牙台阶段”，此时上下对颌牙表 面几乎无咬合力作用，悬浮在食物浆中的食物颗粒可以自由运动， 见图b ；第二阶段通常称为“闭牙合阶段”，咬合力开始作用在食物颗 ( a ) 磨牙夜磨牙( b ) 开牙台阶段 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 ( c ) 闭牙台咀嚼阶段 厂 b 吲 ll i 一 ( d ) 化学影响 图1 2 牙齿在口腔内的磨损机制 粒上，食物颗粒的运动被限制在上下对颌牙表面，见图c 。此外，口 腔内的化学环境也会影响牙齿的磨损，见图d 。 1 2 2 磨损工况 1 2 2 1 磨损参数 研究人员对人体口腔内咀嚼参数的测定结果表明1 12 。1 4 l ，咬合力 的数量级可以从几牛顿到几百牛顿，上下对颌牙的滑动距离约为 o 9 1 2m m 。在每天的正常咀嚼过程中，对颌矛间的咬合力一般介 于3 3 6 n ，在咬合力作用下的总接触行程大约1 0 0 m ，总接触时间大 约1 5 3 0m i n 。 严格说来，在摩擦磨损试验中以接触应力来定义负荷更具有科 学性。但是到目前为止。由于天然牙形状的复杂性和咀嚼运动的不 规则性，还没有获得有关天然牙接触应力的满意结果，关于接触应 力的报导也大不相同【”】。比如，j a h n m i r 【”】对天然牙咬合面的力学参 数进行的测量结果为：接触载荷1 7 0 0 n ( 咀嚼载荷为6 13 0 n ，接 触应力为2 0 0m p a ) ，加载频率为1 15 0 0c y c l e s d ，滑动距离3 0k m 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 y ( 0 5 1 0m m c y c l e ；0 6k m y ) ：d o w s o n 【l7 1 测得口腔内的正常咀嚼 咬合力则处于3 3 6n 以内；而h u 等18 1 采用的咀嚼应力值为0 8 1 7 5m p a ，并且认为天然牙咬合面的接触应力蛆线可大致以正弦函数 的正半周来描述，其周期为0 2 5 0 3 3s 。 1 2 2 2 磨损环境 口腔系统环境十分复杂，如唾液，人体摄取的食物浆质等诸多 因素会直接或间接地影响着牙齿的摩擦磨损。 人体口腔内的唾液主要起润滑口腔和成形食物浆的作用。另外， 对天然牙的修复物质也有表面弱化的作用。j a h n m i r 【j 测出的口腔唾 液p h 值为l 9 。研究发现，随着口腔中酸性物质的酸度增加( p h 值减 小) ，存在时间增长，牙釉质的硬度和弹性模量会显著减小 1 9 - 2 们。研 究表明，唾液在口腔内可以充当酸性腐蚀介质的缓冲剂。 在正常状态下，口腔内的化学介质是接近中性的唾液，随着咀 嚼运动的进行，唾液逐渐被食物浆取代。因此，食物特性会对牙釉 质的咀嚼磨损产生显著影响。文献综述显示，目前关于食物颗粒特 性对牙齿摩擦学特性影响的研究较为少见。 1 2 3 口腔介质对牙齿摩擦磨损行为的影响 口腔介质主要为唾液和食物。 1 2 3 1 唾液的影响 牙齿和其他口腔组织均处于唾液的包围中，可以将唾液看作促 成或防御牙病的重要的外在环境因素。唾液的情况对口腔健康的影 响有以下几种。“j ： ( 1 ) 防龋作用：唾液在口腔罩经常流动，可以起到机械清洗作用， 足以减少口腔内的污物和致病因子，达到保持牙齿和口腔的清洁， 利于防病。据有学者观察，凡唾液分泌量大的人，其患龋率较低， 而很多患龋率高的人，则常有唾液分泌量过低的现象。唾液的酸碱 度和含钙量的变化，既可影响牙周疾瘸的防御力( 因牙周的炎性细 菌适于在碱性溶液中滋生，而含钙量高，则能促成牙结石的沉积， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 从而增强了对牙周疾病的刺激作用) ，与此相反，唾液也可影响龋 病的防御力( 因酸度增强，使龋病因素更趋优势，导致牙齿脱矿加 重，而含钙量高，则又可促进牙齿脱矿区的再矿化) 。口腔经常存 在着大量细菌，但口腔内的伤口很少有感染。唾液不仅含有溶菌酶 的物质，能阻抑空气或水中的多种细菌的生长；而且也含有其他抗 菌因子，如唾液中的免疫球蛋白等物质，能阻止细菌的附着，抑制 其生长，甚至也有杀灭细菌的作用。有人观察到，狗的唾液抑制某 些细菌的能力比人的唾液强，并据此解释狗为什么不产生龋病的部 分原因。 ( 2 ) 润滑作用：研究结果表明在牙齿咀嚼食物的过程中，唾液能 起到良好的润滑作用，使得牙齿表面的摩擦系数和磨损率均有降低 旧“，便于吞咽食物。通常，千牙症、由于季节性出现的“秋燥”、地 域性导致的不周的饮食习惯等因素会影响口腔内的唾液流量1 2 4 也5 1 。 1 2 3 2 食物的影响 研究者曾对北京某中学5 1 0 名中学生牙列拥挤的情况进行调查 拉”，并以问卷的形式调查与拥挤发生有关的遗传因素和环境因素。 结果如表1 2 、1 3 、1 - 4 、l 一5 所示。可见：恒牙拥挤的患病率为4 5 5 。其中i 度最多见，占5 7 8 ；i i 度及i i i 度拥挤分别为2 3 3 和1 9 0 。下前牙区为拥挤的好发部位( 6 1 3 ) 。环境因素中以乳牙滞留 ( 5 8 1 ) 、口腔不良习惯( 5 1 3 ) 、食物过于细软( 3 5 0 ) 为主。 早在2 0 世纪3 0 年代，b e g g 在研究澳洲土著居民的头颅时就提出 了“磨耗牙台”理论。他认为现代人牙列拥挤是由食物较软较精细，牙 缺乏必要的磨耗，牙大小没有改变而牙列又存在近中漂移的趋势导 致的【2 7j 。食物对口颌系统的影响主要表现在： 表1 2 牙齿拥挤程度卣分比 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 表1 - 3 各牙区拥挤人数百分比 表1 4 各类牙列拥挤原因的人数及所占百分比 表1 5 各类环境占牙列拥挤学生的百分比 ( 1 ) 食物对颌部发育的影响：首先，食物软硬会影响下颁髁突。 髁突软骨属继发性软骨，生长受压力的影响。动物实验表明，食物 硬度的改变致咀嚼压力改变，传递至髁突表面的负荷也随之改变， 从而影响髁突软骨的改建1 2 “”】。其次，食物对咀嚼肌发育也有影响。 软食使咀嚼功能的需求减少，相应地咀嚼肌结构和收缩能力也发生 改变，如肌纤维类型改变和纤维变细。c o r r u c c i n i 【3 0 】比较城市和乡村 青年的咬合力时发现，乡村青年主要吃未经加工的传统粗食，咬合 力明显比吃精制食物的城市青年高。此外，食物对颌骨的影响也不 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 容忽视。上下颌骨( 髁突除外) 都是以膜内成骨的方式生长的。除遗传 因素外，局部后天因素和环境因素直接影响骨缝生长和骨膜生长， 从而影响膜内成骨。许多研究证实，骨缝的过早融合会使骨生长停 滞，使颅面部上份发育不足。咬合力可产生使骨缝分离的力，刺激 骨质沉积【3 1 。3 2 】。 ( 2 ) 食物对咀嚼功能的影晌：咀嚼功能的发育受诸多因素的影响， 尽管遗传因素仍起主导作用，但后天的环境因素，包括物理因素行 为因素等仍对其起重要影响。从母乳喂养到断奶、增加辅食，食物 的类型由流质到固体发生了巨大的转变，口颌系统功能也由吮吸向 咀嚼发生转变。g i s e l 【”】认为，食物的粗糙度明显影响咀嚼时间、咀 嚼循环次数两者之比率，从而影响咀嚼功能的发育。当乳磨牙建牙合 后，流质喂养易使孩子形成“颞肌咀嚼”，且咀嚼效率低；而固体食物 喂养则形成正常的“咬肌咀嚼”，咀嚼效率高，且可减少深覆牙合的发 生p “。动物实验甚至表明，食物的硬度对于大鼠和小鼠条件反射的 形成有影响”。这或许表明咀嚼硬食可提高大脑的血流灌注量，从 而有利于大脑功能的发育。但这是否也有利于婴幼儿大脑的发育， 更有利于控制咀嚼运动，则有待于证实。 可见，适当增加食物的硬度和粒度，能有效增强咀嚼肌的发育， 提高咀嚼功能，有效避免牙列拥挤情况的发生，因此有专家提出“干 嚼好处多”的建议1 26 】：通过适当的增加食物的硬度和粒度，从而增加 咀嚼肌的运动量，刺激唾液腺分泌更多的唾液，而唾液对细菌在口 腔中产生的酸有中和作用，可以以保护牙齿、防止龋齿；唾液含唾 液激素对骨和牙齿的发育、血及钙磷的代谢、蛋门质的合成都有一 定作用。过去一些有干嚼食物习惯的地区，虽然不常刷牙，牙齿却 很好。 不过，刷牙实验表明，过硬的牙膏磨粒可能导致牙齿磨损，其 中，磨损程度与牙膏磨粒的硬度和形状相关【3 “。 1 3 天然牙摩擦磨损行为研究现状 由于咬合功能的需求和口颌系统的生理，病理因素，牙齿磨损 是进行性的，不可逆的 ”42 1 。因此，深入研究天然牙及牙科材料的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 摩擦磨损行为有助于选择和开发新的生物及机械性能优异的口腔修 复材料。近年来，国内外学者对天然牙摩擦磨损行为的研究越来越 多。 1 3 1 研究方法 1 3 1 1 体内磨损试验 体内研究一般是依赖志愿者的支持【”j ，采取措施使试验工况尽 量一致，比如指定饮食制度，控制生活、工作环境和疾病等，尽可 能的避免各种有可能对试验结果产生影响的因素1 4 ”，但是，试验者 之间不可避免的个体差异，试验结果也不可避免的受到一定程度的 影响。此外，鉴于牙齿在口腔内的磨损是多种机制共同作用，因此， 体内试验无法把某个关键的影响因素孤立起来进行考察。现有的大 多数试验研究均采用精密度比较低的定性设备，试验误差较大，虽 然有报道称可以在体内定量测量牙釉质的磨损量【4 孓46 1 ，但需要借助 昂贵的仪器。 体内试验的评价方法一般有两种：大多数体内研究采用牙台表面 的磨损量来进行评价【47 。4 8 】；也有一些研究者结合临床治疗的需要进 行定性评估【4 ”。这两中评价方法均受试验者个体差异的影响，因此 也限制了它们在调查研究中的使用【5 0j 。 1 3 1 2 体外磨损试验 与体内磨损试验相比，体外磨损试验的最大优点是可以人为的 有选择性的制定试验参数，对磨损机制和主要影响因素进行深入研 究。体外磨损试验机主要有销环式、往复式、单向滑动式、球面接 触式、双盘式等。能够真实的模拟口腔环境和咀嚼模式的试验机是 体外试验研究的关键。目前，文献报道的大部分体外研究工作是在 不同的试验机上完成的，所用的载荷、速度、摩擦介质等都不同， 所以很难对这些研究结果作出比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 1 。3 2 研究现状 由于天然牙在口腔中一般要保持几十年，其潜在的磨损相当大， 因此，人牙的摩擦学研究逐渐成为临床医学中引人关注的问题。 根据牙组织和牙科材料的破坏原因分类，p o w e r s f 5 l l 等将牙科材 料的磨损分为生理性磨损( 重要的生理功能) 、病理性磨损( 疾病和异 常情况引起) 、预防性磨损( 预防措旌造成) 和修整过程中的磨损4 类。 同时m a i r l 52 】等也对此进行了阶段性总结，建议根据天然牙磨损的病 原进行分类。临床磨损的病原涉及磨损位置、磨损时间和磨损机理3 个方面。天然牙的磨损一般出现在上、下齿咬合面或非咬合面上。 一般情况下，咬合面上的磨损量大于非咬合面上的磨损量。这主要 是其不同磨损机理作用的结果。 郑靖等通过体外模拟天然牙在人工唾液润滑下与钛合金球对磨 时的两体直接接触磨损，考察了健康恒牙的摩擦磨损行为【钉l ，结果 显示：牙釉质比牙本质有更低的摩擦系数和更好的耐磨性，牙冠外 层釉质的摩擦学特性优于内层釉质，恒牙在牙含截面的耐磨性优于轴 向截面；在考察牙釉质在不同载荷作用下的摩擦磨损行为【2 3 】时发现 牙釉质摩擦系数随循环次数的变化趋势基本相同，但随着法向载荷 的增大，稳态摩擦系数反而降低，磨损体积随之增大。同时发现天 然牙摩擦磨损行为存在增龄性变化”，早期和中期恒牙的摩擦磨损 行为相似，中期恒牙的抗磨性能最佳，乳牙及晚期恒牙的抗磨性能 不佳。另外【5 ”：由于食物浆的润滑和应力分散作用，天然牙的摩擦 系数和磨损深度明显比两体磨损工况下的小。对比研究四环素牙的 摩擦磨损行为时发现【5 “，四环素牙的摩擦磨损行为与其着色程度相 关，随着染色程度的增加，其耐磨性降低。张杰等 57 】也发现牙釉质 的耐磨性明显高于牙本质。 邱宜农等【58 j 发现除了经p h = 4 o 的苹果酸、柠檬酸和乳酸处理后 人牙釉质的磨损率依次增大；而经p h = 2 o 的3 种酸处理后牙釉质的磨 损率相差不大。此外，酸处理后牙釉质的磨损形式以磨粒磨损和疲 劳断裂磨损为主，不同酸腐蚀对磨屑形成机理和尺寸咀及釉质表面 硬度影响不同。当酸性较强时，不同种类的酸对牙釉质磨损影响的 差别减弱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第“页 1 4 选题意义和研究内容 1 4 1 选题意义 牙齿摩擦副，在中枢神经支配下，以咀嚼肌为动力，牙合为程序， 周而复始地进行咀嚼循环，以完成复杂的咀嚼、语言、吞咽及表情 等功能，其磨损无法避免。文献调查和临床观察表明，食物的硬度 对于口颌系统发育有着重要的影响，食物颗粒硬度过小可导致咀嚼 功能下降，从而影响口颌系统结构和功能的发育担“。因此，深入系 统的研究食物特性对牙齿摩擦磨损行为的影响，不仅可以丰富和发 展生物摩擦学理论- ，还可以为口颌系统的正常发育及牙齿保健提供 理论指导。 1 4 2 研究内容 作为一个新的研究领域，国内关于牙齿的摩擦磨损行为的研究 起步比较晚，国外也只有约2 0 年左右的历史。随着人们生活水平的 普遍提高，导致饮食习惯的逐渐改变，各种各样的牙科疾病( 诸如 由于食物过于细软导致的青少年的牙列拥挤) 时常发生，越来越多 的研究者也开始关注天然牙和牙科修复材料的摩擦磨损问题。遗憾 的是，现阶段关于牙齿三体磨粒磨损的研究较少见，因此，很有必 要对此进行系统的研究。 本论文将选用高硬度的沙子和低硬度的荞麦颗粒作为模拟食物 颗粒，每种食物颗粒的粒度分为三个等级，系统的考察了食物颗粒 对人牙釉质三体磨粒磨损特性的影响： 第一部分及第二部分，分别考察了硬颗粒沙子与软颗粒养麦存在 时牙釉质三体磨粒磨损的摩擦学行为，对比牙釉质两体直接接触磨 损，分析了食物颗粒粒度及硬度对牙釉质三体磨粒磨损过程的摩擦 机理及磨损机理。 第三部分，综合分析了食物颗粒粒度与硬度对牙釉质三体磨粒 磨损特性的影响，并对比牙釉质两体直接接触磨损的摩擦磨损行为， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 分析了不同硬度、不同粒度的食物颗粒在人牙釉质三体磨粒磨损中 的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 1 试验装置 第二章试验方法 本论文全部采用体外模拟摩擦磨损试验【”j 。图2 一l 示出了摩擦 磨损试验装置示意图。试验台主要由摩擦力测试平台，三维传感器 测力装簧和计算机数据采集及处理系统三部分组成。测试平台由驱 动上摩擦副前后和上下运动的传动机构及下摩擦副的固定装置组 成，测试时上摩擦副在垂直于纸面方向作前后往复运动。上摩擦副 往复行程范围l 1 0m m ，频率变化范围02 5 3h z ，上摩擦副的上 下位移范围o 2 0 0m m 。三维力传感器装置连接在上摩擦副夹具与 传动机构之间，测试时与上摩擦副同时运动，可同时测量法向力与 摩擦力，测力范围0 l on ，精度0 5 ，该传感器可对法向力和摩 图2 一】摩擦磨损实验装置示意幽 陶2 1 摩擦磨损实验装置示意幽 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 擦力实时监测，计算机数据采集与处理系统以5 0 0 h z 的采样速率记 录法向力和摩擦力，通过计算得到摩擦系数。在牙釉质试样下面垫 上一块厚度均匀的棉花层充当缓冲机构，以保证试验过程中法向载 荷基本不变。 2 2 摩擦副的选择与制备 该试验选用球一平面接触模式。球试样为滑动件，平面试样为静 止件。如图2 2 所示。 ( a ) 两体磨损 2 2 1 球试样 ( b ) 三体磨损 图2 2 摩擦副接触模式示意图 瓷球 然牙 牙科陶瓷材料具有优越的生物相容性、耐磨损性，其独特的美 学性能是高分子材料和金属材料无法比拟的。瓷修复体质地致密、 耐磨，表面光洁，菌斑不易附着，有良好的生物相容性，使用安全。 因此，陶瓷是最常采用的制作牙齿的材料。氮化硅陶瓷化学稳定性 及热稳定性都较好，机械强度也高，现已成为一种很有发展潜力的 生物医用材料，研究发现氮化硅在髋关节里有优良的耐磨性。因此 本试验选用直径为1 2m m 氮化硅( s i 3 n 4 ) 陶瓷球作为摩擦副。陶瓷 球的主要化学成分和机械性能如表2 。1 、2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表2 1 陶瓷球s i 3 n 4 的化学成分( w t ) 表2 2 陶瓷球s i 3 n 4 的机械性能 2 2 2 平面试样 平面试样为人牙。采用新鲜拔除的磨牙，均无龋、无色泽异常、 无脱矿和发育不良。天然牙拔除后立即放入生理盐水中保存以防脱 水。在水冷却下将部分牙根切除，保留整个牙冠，用自凝塑料包埋 于l om m l om m 2 0m m 的钢制模具中制成试样热水加温快速凝固， 然后在水冷却下用1 8 0 拌，6 0 0 撑，8 0 0 撑，1 2 0 0 撑，1 5 0 0 撑金相砂纸间歇 打磨，暴露出试验所需的牙体组织表面，然后依次用1 0p m 、5 肛m 、 1 p m 、0 5p m 的金刚石抛光膏在水冷却下抛光至表面粗糙度r a = o 2 m ，整个制备过程在2h 内完成。每个试样的制备时间尽量相同。 所有球形试样和平面试样在试验前用无水乙醇( 分析纯) 反复 擦洗，去除表面污物。 2 3 磨粒的制备与表征 2 3 1 磨粒的制备 试验选用硬度具有显著性差异的两种模拟食物颗粒：软颗粒养 麦和硬颗粒沙子。试验前将其充分干燥，去除杂质后用打磨机打磨， 再用分样筛分别制成试验所需的食物颗粒待用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 3 2 粒度表征 取荞麦及沙子原料打磨一定时间后，依次通过网目为3 0 目( 孔 径，4 0 目( 孔径0 4 5m m ) ，7 0 目( 孔径，8 0 目( 孔径0 2m m ) ，13 0 目( 孑l 径0 1 lm m ) ，1 6 0 目( 孔径0 0 9 7m m ) 的分样筛，示意如图2 3 ， 充分摇摆各分样筛，取残留在4 0 目，8 0 目，1 6 0 目上的模拟食物颗 粒为试验所需的第三体。 2 3 2 硬度表征 图2 3 分样筛示意图 食物颗粒的硬度测定沿用小麦硬度的测定方法一抗粉碎指数法 ( p u i v e l l z i n gr e s i s t a n c ei n d e x ，简称p r i ) 1 ”j 。此方法通过建立食物颗 粒硬度和确定时间内食物颗粒样品被粉碎后穿过筛网的粉粒重量之 间的对应关系，用穿过筛网的粉粒重量占测试食物颗粒样品重量的 百分比表征食物颗粒的硬度。p r i 值越小，表明食物颗粒硬度越大。 耿粒度为4 0 目、8 0 目、1 6 0 目的沙子和养麦颗粒各3 5g ，用打磨机 分别打磨3 0 s ，然后用粒度为4 0 目、8 0 目、1 6 0 目的分样筛充分筛摇， 取通过4 0 目、8 0 目、1 6 0 目分样筛的沙子和荞麦颗粒分别秤重，求 得荞麦及沙子的p r i 值如表2 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表2 3 养麦及沙子的抗粉碎指数( p r i ) 2 4 试验参数 经过文献调查和参考郑靖进行牙齿摩擦磨损试验所采用的数据 【3 7 ，6 3 1 ，选取本试验所使用的摩擦磨损试验参数如下： 法向载荷( f 。) ：8 0 0g ； 往复位移( d ) ：1m m ： 频率( f ) ：2h z ； 循环次数( n ) ：1 00 0 0 次左右( 约1 0 0m i n ) ； 摩擦磨损试验分为连续往复滑动的两体直接接触磨损和间歇往 复滑动的三体磨粒磨损( 如图2 2 ) 。两体直接接触磨损作为三体磨 粒磨损试验的空白对照试验。间歇往复滑动试验方法如下：每2 4 0 0 次( 约2 0m i n ) 循环后中断试验并卸载，将球形试样与平面试样脱 离接触，间隔约5m i n 后在平面试样表面均匀覆盖模拟食物颗粒，然 后在同一接触位置重新加载继续进行试验。 试验温度为2 5 左右，相对湿度5 0 左右。试验装置由计算机 控制，可以全程记录试验过程中不同循环次数下的载荷和摩擦力变 化关系。 2 5 微观分析方法 ( 1 )显微硬度仪 利用m v k h 1 2 型显微硬度仪测定试样表面 维氏硬度，载荷5 0g ，保压15s ，温度2 5 。 ( 2 )光学显微镜( o m ) 采用带数码相机的o l y m p u sb 2 0 l 型光学显微镜观测磨损表面。 ( 3 )激光共聚焦扫描显微镜( l c s m )o l s l o o 型l c s m 对磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 损表面形貌进行分析，并测量磨损深度及长度，精度为o 0 0 1 扯m ， 每个磨痕测5 次，取最大值。每种试验迸行3 5 个样品的重复试验， 取重复试验样品磨损深度最大值的平均值作为该试样的最大磨损深 度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第三章硬颗粒存在时牙釉质的摩擦学特性 咀嚼磨损是牙齿摩擦磨损中较主要和常见的方式。在咀嚼磨损 的开牙台阶段，作用在上下对颌牙表面的咬合力很低，牙齿磨损非常 轻微。在咀嚼运动的闭颌阶段，由于咬合力作用，食物颗粒堆积在 牙牙合间充当第三体，牙釉质表面发生三体磨粒磨损。研究表明，充 当摩擦介质的食物的硬度对于口颌系统发育有着重要的影响，食物 颗粒硬度变小可导致咀嚼功能下降，从而影响口颌系统结构和功能 的发育怛“。同时，对北京某中学5 1 0 名中学生牙列拥挤的情况进行调 查发现，恒牙拥挤的患病率为4 5 5 ，而由于食物过于细软导致的牙 列拥挤在总拥挤学生的3 5 o i ”】。鉴于食物颗粒导致的天然三体磨粒 磨损的研究较少，系统考察不同硬度及粒度的食物颗粒对天然牙的 摩擦磨损的影响也显得十分重要。 本章及下章在往复滑动摩擦磨损试验台上考察了三体磨粒磨损 过程中不同硬度的食物颗粒的粒度对人牙釉质摩擦学特性的影响。 本章着重考察硬颗粒沙子对人牙釉质摩擦磨损行为的影响。 3 1 不同粒度沙子的形状与硬度 3 1 1 形状 在光学显微镜下分别观察不同粒度的沙子颗粒( 如图3 1 所示) 的微观形状，对比发现其形状无显著差异，均为多角型磨粒。 3 1 2 硬度 表2 3 中的p r i 值显示，不同粒度沙子的p r i 值无显著性差异 因此，可认为4 0 目、8 0 目、1 6 0 目沙子的硬度基本一致。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ( b ) 8 0 目沙子 ( a ) 4 0 目沙子 ( c ) 1 6 0 目沙子 图3 1 不同粒度沙子的o m 照片 3 2 摩擦磨损行为 3 2 1 摩擦行为 图3 2 a 示出了4 0 目沙子存在时牙釉质摩擦系数随循环次数变化 的关系曲线( 8 0 沙子及16 0 目沙子存在时牙釉质摩擦系数随循环次 数变化的关系曲线与此类似，在此不一一列出) 。可见，当沙子充当 第三体时，牙釉质的初始摩擦系数几乎为零，随着往复滑动次数增 加，摩擦系数迅速上升，经1 0 0 次循环后达到o 2 5 附近，此后摩擦 系数随循环次数增加缓慢增大并出现波动，约3 0 0 次循环后摩擦系 数稳定在0 3 5 附近。此外，每次停止试验后搅拌沙子并重新加载后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 相应的摩擦系数均低于前一次结束时的摩擦系数，这可能是由于每 次间歇期间重新添加沙子颗粒并搅拌均匀，一定程度上起到了分散 应力的作用。图3 2 b 给出了牙釉质陶瓷球两体直接接触磨损时摩擦 系数随循环次数变化的关系曲线。摩擦系数在接触初期随循环次数 增加迅速增大，3 0 0 次后摩擦系数随循环次数增加缓慢增大，约1 0 0 0 次循环后稳定在0 3 5 左右。显然，和两体磨损相比，沙子充当第三 体时牙釉质摩擦系数的变化趋势和稳态值均未见显著变化。 n u m b e r o f c ”l 鼎 n u m b e ro f c y c i e s ( a ) 三体磨粒磨损 ( b ) 两体接触磨损 图3 2 牙釉质摩擦系数随循环次数变化的关系曲线 图3 3 示出了牙釉质稳态摩擦系数随颗粒粒度变化的关系曲线。 图3 - 3 牙釉质稳态摩擦系数随颗粒粒度变化关系曲线 三-基弓薯誉。兽弓t j：0巷鼍菩o a翟ut_!i j、苫3u肇善。鲁鼍t函 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 可见，沙子粒度对牙釉质稳念摩擦系数的影响较小，随着沙子粒度 从4 0 目减小到1 6 0 目，稳态摩擦系数从o 3 6 下降到0 3 2 左右。和 三体磨损相比，两体磨损的稳态摩擦系数略低于4 0 目沙子对应的稳 态摩擦系数，而略高于8 0 目及1 6 0 目沙子对应的稳态摩擦系数。 3 2 2 磨损行为 图3 4 示出了天然牙釉质磨损表面形貌的o m 及l c s m 照片。 可见，当沙子粒度为4 0 目时，牙釉质磨损表面呈现显著剥落；当沙 子粒度减小到8 0 目时，牙釉质磨损表面的剥落减轻，出现犁削效应； 当沙子粒度为1 6 0 目时，牙釉质磨损表面形貌以擦伤为主，伴随轻 微剥落：在牙釉质两体磨损表面，磨损形貌主要以犁削效应为主， 并伴随擦伤及局部轻微剥落。就牙釉质表面磨损形貌而言，沙子充 ( a ) 两体磨损 ( b ) 4 0 目沙子 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 ( c ) 8 0 目沙子 ( d ) 1 6 0 目沙子 图3 4 牙釉质磨痕表面形貌o m l c s m 照片 当第三体时牙釉质的磨损等级高予两体磨损，其中，随着沙子的粒 度从4 0 目减小到1 6 0 目，磨斑面积减小，磨损程度减轻。 图3 5 示出了牙釉质表面的磨痕轮廓( 接近磨痕中心垂直于滑动 方向) 及磨损体积。可见，三体磨损表面轮廓线呈现显著波动，磨 损体积大于两体磨损；随着沙子粒度减小，牙釉质磨损体积显著减 小。 图3 6 示出了三体磨损时对偶件陶瓷球磨损表面l c s m 照片。 可见，当磨粒为4 0 目沙子时，陶瓷球磨损表面以剥落为主；当粒度 减小到8 0 目时，陶瓷球磨损表面呈现显著的犁削效应，若伴随剥落， 当粒度减小到1 6 0 目时，陶瓷球磨损表面里现为擦伤。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 ( a ) 磨痕轮廓 ( b ) 磨损体积 图3 5 牙釉质磨痕表面轮廓及磨损体积 ( b ) 8 0 目沙子 ( a ) 4 0 目沙子 ( c ) l6 0 目沙子 图3 - 6 对偶件陶瓷球磨痕表面形貌l c s m 照片 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 3 3 讨论 3 3 1 摩擦行为 在牙釉质三体磨粒磨损过程中，由于有第三体磨粒介质的存在， 对磨件和天然牙平面试样表面并没有直接接触，法向载荷被平均分 散在食物颗粒上。假定磨粒为锥状且陶瓷球与磨粒的接触面积一定 为，同时每颗磨粒的尺寸相同，由于每颗磨粒互不重叠且紧密排列， 当磨粒的粒度越大，参与牙釉质三体磨粒磨损的磨粒数目也就越少， 单颗磨粒所承受的压力就越大( 在本试验中，= 8 0 0 9 ，是一定值) ， 如图3 7 所示。另一方面，由于参与三体磨粒磨损的大磨粒数目小于 销小圆静嘴大 ( a ) 小磨粒( b ) 大磨粒 图3 7 接触界面磨粒分布示意图 小磨粒的数目，导致所有大磨粒与牙釉质表面的实际接触面积小于 小磨粒与牙釉质表面的实际接触面积。因此，当法向载荷一定时， 和小粒度的沙子，粒度较大的沙子更容易被压入牙釉质表面，从而 对往复滑动形成阻碍，导致釉质产生较大摩擦力。这也就从力学角 度解释了在法向载荷一定的情况下( 8 0 0 9 ) ，随着沙子粒度减小，牙 釉质的稳态摩擦系数降低。 摩擦系数的定义是，7 ( 厂是摩擦力，是法向载荷) ，影响摩擦 力或摩擦系数的因素很多，包括：摩擦副的材料参数如晶体结构、 晶粒度、层错能、弹性模量、材料强度及硬度等，系统的因素如接 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 触点的生长、表面膜、载荷、滑动速度等。固体之间的摩擦是一个 非常复杂的物理化学现象，一些简单的摩擦理论，只能解释局部个 别的现象，而且多数是单纯的从力学角度进行研究的，而没有考虑 到摩擦过程中可能产生的各种物理的、化学的、热学的等等现象， 因此都不能深入揭示摩擦的本质。但往往不同的摩擦现象，某一个 影响因素可能占主导地位，如果单纯的从某个片面的角度去解释， 可能会得出全面的结论。以下用近年发展起来的能量平衡的观点综 合分析摩擦过程，试图更深入和全面的探讨摩擦的本质问题。 h e i l m a n n 和r i g n e y 提出的能量模型【“】：假定摩擦副中一个材料 比另一个材料硬，则硬材料的变形可以忽略不计，在软材料的表面 会形成一层具有很细组织及很高取向度的高度变形层，在本试验中， 最外层牙釉质的莫氏硬度为6 7 ，沙子的莫氏硬度为7 ，沙子的硬 度略高于牙釉质，因此忽略沙子的变形，考虑牙釉质在法向载荷作 用下的变形。在摩擦过程中牙釉质消耗的变形功为： = jr y d y 盼= ， 式中f 代表表面剪应力，y 代表剪应力的增量，而为单个磨粒的摩擦 力，矿代表变形的体积，为单个磨粒的滑动距离。假定摩擦功w r 等于塑性变