義齒基托復合材料的彎曲力學性能測試

李丹曦 劉先鋒 高曉平

(1.內蒙古工業大學輕工與紡織學院，呼和浩特，010080;2.西安工程大學紡織與材料學院，西安，710048)

以生命科學、材料科學為先導的新科技革命使新材料不斷涌現，紡織復合材料作為一種高技術材料，性能良好，它的適用范圍已從航空航天擴展到建筑交通、石油化工、生物醫學等各個領域［1］。而生物醫用復合材料將更新醫用材料的概念，創立新的理論基礎，建立新的研究領域，開辟新的醫療途徑，具有非常誘人的前景?？谇恍迯筒牧先招略庐?，給口腔醫療技術帶來了巨大的變化。1936年德國利用懸浮聚合方法成功制備了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，由于其具有性能優越、操作簡單等優點，PMMA已經成為臨床醫學制作義齒基托的常用材料，但是PMMA義齒基托存在硬度低、易磨損、易老化等缺點，因此必須開發新型的用于制備義齒基托的材料。目前具有良好的韌性、強度、生物性能和力學性能的復合樹脂基托材料已廣泛應用于義齒修復中［2］。

1 義齒基托材料及其性能要求

基托是被義齒覆蓋的牙槽嵴與黏膜(承托區)接觸的部分?；械淖饔檬歉街斯ぱ纻鲗Ш头稚⒘?，將義齒的各個部分連接成一個功能整體，修復缺損的牙槽嵴硬組織和軟組織，恢復外形和美觀，加強義齒的固位和穩定，并有間接固位作用。義齒基托材料必須要滿足一定的機械、物理、化學及生物性能［3］?；械姆N類按材料的不同可以分為金屬基托、塑料基托、金屬塑料基托三種。

隨著科學技術的發展，口腔修復及口腔美容醫學也不斷發展，關于義齒基托材料的研究越來越深，其力學性能、功能美觀性、生物相容性的要求也不斷提高。傳統醫用高分子材料及金屬材料并不具備生物活性，不能夠與組織牢固結合，植入后受生理環境的影響，金屬離子或單體釋放會對基體造成不良的影響［4］。臨床上除了根據力學特性來指導臨床設計工作以外，大多采用機械方法來提高義齒基托材料的強度，如局部埋入不銹鋼絲、不銹鋼管、尼龍絲網等物理措施。經研究發現，任何基托材料只要加入適量的金屬纖維，彎曲強度和拉伸強度均能增加，但效果卻不盡如人意［5］。

20世紀30年代末，纖維增強復合材料開始使用，由于其本身具有密度低、高強高模、耐腐蝕等優點，因而被廣泛應用于航天、汽車等工業。將纖維用于添加義齒基托材料PMMA的增強研究開始于20世紀60年代，為口腔醫用材料開辟了新的領域。通常纖維增強的樹脂基質包括環氧樹脂、Bis-GMA和復合樹脂等口腔常用材料［6］。

雖然PMMA是一種比較理想的基托材料，但仍有一些地方并不那么完美，尤其是抗壓強度和抗張強度并不能滿足一些臨床上的要求。然而，隨著纖維等添加物的加入可彌補這些不足。

目前制造醫用復合材料的纖維有：①碳纖維，機械強度高，模量大，無毒副作用［7］;②聚乙烯纖維，高強高模，具有良好的韌性，耐疲勞、耐高速沖擊［8］;③芳綸，具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、質量輕等優良性能［5］;④玻璃纖維，絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好、機械強度高，但性脆，耐磨性較差［9］;⑤玄武巖纖維，具有耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔聲、過濾性好、抗壓縮強度和剪切強度高、適應各種環境下使用等優異性能［10］;⑥納米材料，具有表面效應、小尺寸效應和量子隧道效應，在磁、光、電、敏感等方面顯示出許多奇異的特性［11］。

2 試驗部分

2.1 試驗材料的制備

PMMA是制作義齒基托的常用材料，它是由甲基丙烯酸甲酯(MMA)加聚而成的一種高分子聚合物。PMMA因其性能優良而得到廣泛應用。

義齒基托樹脂一般由粉劑和液劑兩部分組成，粉劑的商品名叫作牙托粉，它是決定基托樹脂性能的主要成分。為了使制成的義齒基托具有與牙齦相似的色澤，需在牙托粉中加入一些顏料，如鈦白粉、鎘紅、鎘黃等，以達到美觀的目的。

本試驗以高強高模聚乙烯(UHMWPE)纖維作為增強體加入PMMA中。UHMWPE的密度是所有高性能纖維中最小的，同時由于其相對分子質量極高，主鏈結合好，取向度、結晶度高而具有最高的比強度，其模量為 88.2～97.0 N/tex，僅次于特級碳纖維而優于芳綸。UHMWPE纖維無細胞毒性，不引起急性溶血，無短期全身毒性，對口腔黏膜無刺激，具有良好的生物相容性。

采用22 tex UHMWPE紗線，分別織造平紋、斜紋、緞紋、緯平針組織的織物，如圖1所示?？椢锝浵蚝途曄蛎芏榷加懈?、中、低三種，經密分別為180、142 和 96 根/(10 cm)，緯密分別為 220、158和118根/(10 cm)，織物尺寸都為7 cm×5 cm。

圖1 試驗用織物

在PMMA樹脂處于糊狀時對UHMWPE復合材料進行制備。將PMMA倒入上下型盒的陰模中，當它達到糊狀時將UHMWPE織物放入下型盒PMMA樹脂上，將上下型盒閉合加壓使PMMA進入面團期，并等待樹脂凝固。當樹脂自凝固化后，將型盒打開，取出試件，切割成50 mm×25 mm×2 mm和50 mm×25 mm×3 mm兩種試樣。

2.2 性能測試

2.2.1 測試原理

本試驗測試試件的三點彎曲性能，選擇了彎曲模量、彎曲強度，以及彎曲強度下彎曲應變和斷裂彎曲應變4個項目進行記錄。

本研究應用UTM5105型電子萬能試驗機對試件進行三點彎曲性能測試。參照GB/T1446—2005標準，試件尺寸為50 mm×25 mm×2 mm，分別測量每個試件的實際寬度、厚度。預先將試件編號，通過隨機抽樣方法，每次抽取幾個試件進行試驗，以降低組內及組間誤差。

彎曲強度測試：試樣用砂紙打磨拋光后，三點彎曲試驗跨度為40 mm，壓彎速度為10 mm/min，直至試樣斷裂，由計算機直接讀出其彎曲強度。

彎曲模量測試：加載壓頭曲率半徑為5 mm，加載速度為10 mm/mim，級差為破壞載荷的5%，直至破壞載荷的50%，由計算機直接讀出其彎曲模量。

2.2.2 試驗數據

第一組試驗將純PMMA樹脂基材料和未經表面處理的高密織物復合的樹脂基材料作對比，驗證織物對基體的增強作用。每個試樣檢測5次，取平均值。試驗數據見表1。

表1 純PMMA樹脂與復合樹脂材料的性能對比

第二組試驗是驗證織物密度對樹脂基義齒基托復合材料的影響。每個試樣檢測5次，取平均值。試驗數據見表2、表3和表4。

表2 不同密度平紋織物增強義齒基托復合材料的性能測試

表3 不同密度斜紋織物增強義齒基托復合材料的性能測試

表4 不同密度緞紋織物增強義齒基托復合材料的性能測試

第三組試驗是驗證織物組織對樹脂基義齒基托復合材料的影響。每個試樣檢測5次，取平均值。試驗數據見表5和表6。

表5 不同組織的中密織物增強義齒基托復合材料的性能測試

表6 不同組織的低密織物增強義齒基托復合材料的性能測試

第四組試驗是驗證織物表面處理對樹脂基義齒基托復合材料的影響。每個試樣檢測5次，取平均值。試驗數據見表7、表8和表9。

表7 表面處理平紋織物義齒基托復合材料的性能測試

表8 表面處理斜紋織物義齒基托復合材料的性能測試

表9 表面處理緞紋織物義齒基托復合材料的性能測試

2.2.3 數據分析

試驗數據的分析采用單因素方差分析方法。首先在單因素試驗結果的基礎上，由試驗顯著性水平a、試驗批號b，求出總方差V、組內方差VW和組間方差VB，最后應用F統計量進行方差檢驗。

(1)由第一組的對比試驗(表1)可以看出，添加織物的義齒基復合材料的彎曲強度和彎曲模量有明顯的升高。

(2)對于第二組的織物密度對比試驗數據(表2、表3 和表4)，取 a=2、b=5，則 F0.05=238.9，F0.01=5 982。分析結果見表10、表11和表12。

表10 不同密度的平紋織物復合材料方差分析

表11 不同密度的斜紋織物復合材料方差分析

經過方差分析，發現織物密度對義齒基托復合材料的彎曲強度和彎曲模量的增加有顯著影響，在一定范圍內織物密度越小，力學性能越好。

表12 不同密度的緞紋織物復合材料方差分析

(3)對于第三組的組織對比試驗數據(表5和表6)，取 a=3、b=5，則 F0.05=19.41，F0.01=99.42。分析結果見表13和表14。

表13 不同組織的低密織物復合材料方差分析

表14 不同組織的中密織物復合材料方差分析

經過方差分析，發現不同的織物組織對義齒基托復合材料的性能同樣有非常顯著的影響。緞紋織物對PMMA樹脂基的增強優于斜紋織物，更優于平紋織物;而針織物對樹脂基的增強作用沒有機織物明顯。

(4)第四組則是經過偶聯劑處理的織物與沒有經過偶聯劑處理的織物對義齒基托復合材料增強作用的對照試驗(表7、表8和表9)，取 a=2、b=5，則 F0.05=238.9，F0.01=5 982。方差分析結果見表15、表16和表17。

表16 表面處理前后斜紋織物復合材料方差分析

表17 表面處理前后緞紋織物復合材料方差分析

由上述分析可知，經過表面處理的織物因為界面結合得更好，賦予了義齒基托復合材料更高的彎曲強度和彎曲模量，而且抗疲勞性能也明顯增加。

3 結語

(1)經UHMWPE纖維織物加強的PMMA與試驗對照組相比，加強的PMMA的彎曲強度明顯提高。這說明UHMWPE纖維織物能夠明顯提高PMMA基托的彎曲強度，但同時又保持了PMMA的柔韌性。

(2)在一定范圍內，與密度大的織物相比，密度小的織物對義齒基托復合材料的彎曲強度提高作用更加明顯?？赡苁且驗槊芏刃〉目椢锔尤犴g，界面結合較好。

(3)機織物比針織物的增強效果明顯，可能是因為機織物的纖維含量較多;緞紋織物復合材料比斜紋織物復合材料的彎曲性能高，斜紋織物復合材料的彎曲性能則高于平紋織物復合材料。

(4)表面處理使纖維和樹脂這兩種不同的材料達到有效結合。對于PMMA基體來說，經過表面處理的UHMWPE纖維織物比沒有經過處理的織物具有更明顯的增強作用。

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