可摘局部义齿卡环疲劳性能测试方法及研究现状

边晓宇 李风兰

第四次全国口腔流行病学调查结果显示，在65～74 岁年龄段的牙列缺损患者中，有0.3%的患者选择种植修复，26.3%的患者选择固定义齿修复，而有20.4%的患者选择可摘局部义齿修复[1]。由此可见可摘局部义齿(removable partial dentures，RPD)目前仍是牙列缺损的重要修复方式之一。疲劳是牙科材料常见的破坏形式之一。卡环是RPD起固位作用的重要组成部件，在义齿摘戴中不断发生弯曲变形，最终固位力下降，甚至发生断裂，影响义齿的正常使用[2]。因此，卡环疲劳性能的研究结果，在临床义齿的设计制作及材料选择中有指导作用。本文将针对RPD 卡环循环疲劳的力学性质的研究方法，从测试方法、测试基牙和卡环的材料选择和设计及测试环境进行综述。

1.卡环循环疲劳的定义及对义齿的影响

疲劳是指材料在循环(交变)应力作用下材料损伤甚至断裂的过程。疲劳断裂是金属结构失效形式里的一种主要形式，发生率约占结构断裂的80%[3]。材料的疲劳是一个非常复杂的行为，金属的疲劳可在反复加力的情况引起，在金属内部结构不均匀的部位会产生细小裂纹，在持续力的作用下，最终导致材料的结构破坏。卡环疲劳失效是RPD 在使用5～6 年后不得不更换义齿的主要原因[4]，在上世纪七十年代中期首次被关注[5]，Morris[6]等通过对义齿卡环的应力分布进行研究，得出了疲劳破坏可能存在的结论。Vallittu 等[7]研究表明，金属卡环铸造后，卡环表面和内部的孔隙是引起卡环发生应力集中的常见原因。材料发生疲劳时的力，往往小于其拉伸强度，甚至小于其弹性极限，因此即使卡环进入的倒凹深度在其弹性形变限度内，未发生塑性变形，也会出现疲劳破坏。Bate[8]在1963 年最早发现钴铬合金卡环在循环70000 次后发生疲劳断裂。

2.卡环疲劳测试的方法

2.1 重复就位脱位实验

2.1.1 基牙的制备和材料的选择 由于获得完全相同的几个体外天然牙是非常困难的，因此体外实验常选取由天然牙复制的其他材质牙。之前常用的方法是选择一个硬质标准树脂牙，按临床要求预备牙合支托凹及导平面，之后对其进行取模，采用失蜡铸造法制备基牙。随着计算机辅助设计和计算机辅助加工技术的发展，基牙还可以通过计算机设计模拟实际牙齿，构建代型数据并加工成型[9]。基牙的制作材料应具有耐磨性，且应与天然牙具有相近的硬度，才能更好地模拟临床。杨金林等[10]研究表明，钛和钛合金均耐磨性尚佳，但VandenBrink JP[11]的研究认为钛和钛合金的初始摩擦系数较低，其摩擦系数经过数次模拟循环后逐渐增大，摩擦表面会发生变形。基牙变形会直接影响卡环的固位，因此，很多学者选择钴铬合金作为基牙代型材料[12]。近年来，随着材料学的进步，一些学者选择了新的材料制作实验基牙,Ali Marie[13]在研究钴铬合金和芳基酮聚合物卡环的循环疲劳时，选择玻璃陶瓷作为测试基牙，闫海鑫[14]在模拟钴铬合金、纯钛和Vitallium 卡环3 年使用的实验中选择QT800-2 型球墨铸铁制作基牙，其原因是由于这两种材料与牙釉质的硬度相近，与卡环之间产生的磨损程度和天然牙与卡环之间相近。但是，体外模拟摘戴过程中，基牙一旦磨损，固位力就会受到影响而减小[15]。

2.1.2 卡环臂的设计 卡环是RPD 获得固位、支持与稳定的重要固位体，卡环的固位臂位于基牙的倒凹区以抵抗脱位力，和对抗臂共同决定义齿的固位力，影响义齿使用寿命[16]。三臂卡环是最为经典的卡环形式，因此，多数学者选择设计单个三臂卡环[13]或者联合三臂卡环[17]进行试验，但是三臂卡环中的对抗臂会干扰卡环的循环摘带。近年来，一些学者[18,19]在实验设计中简化了卡环对抗臂，只设计一个固位臂来评估卡环的固位力，此种设计可以避免卡环对抗臂干扰循环摘戴过程。谭发兵[9]在研究铸造、CNC 铣削及SLM 钛卡环行为性能的实验研究中，只设计了一个固位臂来评估各组RPD钛卡环的固位力，评估5 年间卡环的固位力的循环变化情况，结果表明SLM Ti 卡环的初始固位力显著高于铸造和CNC 铣削钛卡环，但其固位力至2000 次时快速衰减，4000 次循环时卡环出现折断，因此SLM Ti 卡环的疲劳固位力在应用于临床前仍需进一步改善，而铸造和CNC 铣削钛卡环的疲劳固位均能满足临床需求。

2.1.3 卡环的测试和测试环境的选择 测试时先将卡环手工就位，在卡环就位状态下，使用定制夹具将卡环和基牙分别固定。固定好后进行卡环固位力的测试，待卡环与基牙间应力最小时，使卡环以恒定的速度垂直向脱位，卡环的固位力为脱位时的最大峰力值，接着实验机模拟卡环摘戴，循环疲劳测试完成后，再次测试卡环固位力，方法同前[18]。正常天然基牙由于牙周膜的存在，有一定的动度，而体外实验只能在刚性条件下模拟卡环摘戴，同时在口腔中，由于天然牙的解剖条件不同，可以有多种不同的摘戴路径，然而受实验仪器的限制，该方法只能模拟垂直方向的就位与脱位，此外，患者在日常摘戴义齿时可能改变摘戴路径，对基牙产生更大的力，加速卡环疲劳，与临床实际使用相比，这些因素导致测试的固位力值和循环次数增大，因此未来需要对该测试方法进行进一步改善。

在进行材料疲劳性能测试时，测试环境非常重要，目前，对于实验环境对卡环固位力的影响尚无统一的观点。早期许多实验，选择在体外干燥的条件下进行卡环疲劳循环的测试。Lassila L 等[20]研究表明，钴铬合金在唾液、去离子水中疲劳强度比在干燥条件下降低。摩擦系数也会影响卡环固位力[21]。国内学者江青松等[22]的研究发现，在干燥状态下，钴铬金属卡环与牙釉质表面的静摩擦系数为0.254±0.016(99%可信区间)。Mourshed B 等[23]研究表明，测试环境对卡环固位力的影响与卡环的类型有关，Akers 卡环和对半卡环在干燥环境下和潮湿环境下的固位力没有显著差异，圈形卡环和RPA 卡环在湿润环境下固位力显著减小。当卡环处于去离子水、人工唾液等潮湿环境中时还会发生腐蚀，进一步降低金属的抗疲劳性，在腐蚀疲劳过程中，口腔内液体的腐蚀作用与载荷相互协同，加速裂纹的扩展[22]。口腔磨损环境复杂多变，体外研究与实际有一定差别，没有任何一种体外技术可以模拟类似口腔环境(体内)的PH 值和温度变化，因此测试本身还需要进一步完善,才能对临床作出正确评价。

2.2 位移控制弯曲疲劳测试

2.2.1 卡环样本的制备 位移控制弯曲疲劳测试的卡环为起始端较粗并逐渐向末端变细的半圆形直卡环。Bates[24]和Morris[25]对钴铬合金的循环疲劳实验中，采用了不同形状半圆形直卡环的设计，发现起始端较粗并逐渐向末端变细的半圆形直卡环的灵活性和固位性最佳。直型卡环试样便于控制力的加载方向，使之与卡环长轴垂直，防止卡环受到扭力。制作完成的卡环，内表面不进行抛光，防止产生预应力导致应力集中，促使裂纹的形成和扩展，致使材料应力分布改变，使疲劳极限降低,进而影响构件的使用寿命。国内外学者[26-28]认为：经过加热处理，卡环铸造过程中产生的残余应力可以部分消除，使疲劳强度提高。测试前使用XRD 观察试样，确保试样无铸造缺陷[29]。

2.2.2 试样测试 将卡环固定于材料试验机上，在平面一侧分别标记加载处和支撑处，对末端加力使之发生变形，模拟临床使用中卡环的摘戴，至最大载荷下降到初始载荷的85%或完成106次加载时停止[30]，计算机生成相应的载荷-位移曲线。Urano 等[31]在对Ce-TZP/ A 纳米复合材料进行试验时，设计加载处与支撑处的距离为12mm 模拟磨牙的轴向卡环，研究表明当锥度为0.6 时，应力集中最小，疲劳寿命最长。Kim 等[32]在研究不同加工方法对卡环疲劳性的影响时，加载处与支撑处的距离为10mm。

2.2.3 试验的优缺点 本实验优点在于简化了卡环设计，不同于临床的圆弧状卡环，试样设计为卡环尖至卡环底部成一定锥度的直形卡环。同时只需对卡环末端进行加载，使之发生一定的位移变形即可，可操作性强。

然而该实验的不足之处是(1)直形卡环没有曲率，临床的卡环由于基牙的外形有一定曲率，卡环的曲率会影响卡环的刚度和应力分布，卡环的内应力会导致卡环发生形变，降低疲劳强度[33]，因此，实验所得结果可能大于临床实际使用的卡环弹性形变限度。(2)不能真实模拟卡环的实际摘戴过程，导致其受力分布与临床卡环实际存在差异。(3)排除了由于循环引起的永久形变和与摩擦有关的因素，实际临床使用中所需要的不同的插入路径可能会对基牙产生更大的负荷，导致卡环在短时间内永久变形，这些因素需要进一步研究，以证实磨损因素如何影响卡环固位力变化。该研究的结果在临床设计铸造卡环时具有参考意义。

2.3 三维有限元测试分析

2.3.1 三维有限元测试 三维有限元测试方法是一种通过对工程结构进行分析来解决连续介质力学问题的数值分析方法，它使用的数值分析原理将整个对象离散成多个点,然后借助弹性力学理论进行计算。三维有限元法已然成为医学领域进行力学分析的一个常用手段[34]，所建立三维有限元模型的准确性是结果是否可信的重要因素[37]。

2.3.2 测试方法 首先建立几何实体模型，扫描模型，输入电脑后建立三维有限元模型，并对边界进行处理，建立卡环有限元模型，将各结构的力学性能输入分析软件，模型中的材料和组织假定为各向同性、均质和线性弹性材料，加载点选择卡环固位臂的中部，模拟临床使用中卡环摘取过程[38]。为了使实验模拟与临床使用更为接近，卡环内表面与牙釉质的摩擦系数的设定至关重要，Tribst JPM等[37]在研究不同材料及倒凹深度对可摘局部义齿卡环固位力及应力分布的影响时将摩擦系数设定为0.45，而国内学者王淑英等[39]在研究摘取方式对铸造三臂卡环固位臂应力影响的三维有限元分析时将摩擦系数设定为0.2。Naumann 等[40]认为负载逐渐增加的动态测试是模拟咀嚼的最佳方式。该种实验方法的弊端为实验在理想的条件下进行，实际的材料不可能是连续均匀、各向同性的线性弹性材料，不能真实反映临床实际情况。同时该研究中，设定卡环在整个实验过程中的最大力值不超过卡环材料的极限强度，而临床实际使用中卡环的受力可能会超过材料的弹性极限，但该方法可以节省人力、物力，实验结果可以指导体外实验。

3.总结

随着我国人口慢慢步入老龄化，RPD 对于一些口腔条件差、经济条件一般的患者来说，仍是一种较好的选择。铸造卡环的疲劳测试不仅对指导卡环的临床设计和制作具有积极意义，同时可以为临床大夫根据不同的患者口腔状况选择合适的材料提供理论参考，为RPD 取得良好的固位，提供可靠的理论根据。卡环作为RPD 最常用的直接固位体，其寿命长短直接影响义齿的临床寿命。如何尽可能提高材料的抗疲劳性能，减少材料疲劳所带来的不良后果，一直是困扰临床实践的核心问题，在今后的临床工作中还需不断改善，相信卡环疲劳问题随着口腔材料学、口腔生物力学和义齿制作技术的发展最终将得到解决。