（机械设计及理论专业论文）人牙釉质内有机物和水分对其微摩擦磨损行为的影响研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 牙齿是人体消化系统中的重要器官，优异的摩擦学特性是其行使生理功能 的保证。牙齿主要由牙釉质、牙本质和牙髓腔构成，其中，外层的牙釉质是人 体内最硬的组织，对咀嚼磨耗有较大的抵抗力。牙釉质由占总重量9 6 - 9 7 的 无机物以及1 2 有机物和3 - - 4 水所组成。人牙釉质是目前尚无法人工复制 的一种天然生物材料，研究釉质化学组成及其内部独特的天然微结构对其摩擦 磨损行为的影响，不仅可以深化对天然生物材料的科学认识，而且可以丰富生 物摩擦学和仿生摩擦学的基础知识，为牙科修复材料的仿生设计提供理论基础。 本论文采用纳米划痕、纳米压痕等微纳米摩擦学测试手段，研究了人牙釉 质内有机物和水分含量对其微摩擦磨损行为的影响，旨在分析人牙釉质中有机 物和水分与其摩擦磨损机制的关系。研究取得的主要结果和结论如下： 1 、经次氯酸钠水溶液萃取表层有机物后，人牙釉质表面的纳米压痕硬度无 明显变化：在萃取初期，人牙釉质表面的弹性模量迅速减小，随后减小速度明 显变缓，最后趋于稳定。纳米划痕测试结果显示，人牙釉质表面的摩擦系数随 萃取时间增长略有减小，波动加剧；人牙釉质表面的划痕深度随萃取时间增长 而增大，釉质磨损加剧。通过s e m 图可以看出，次氯酸钠萃取有机相时间的 增长，表面出现隆起，逐渐呈现明显的磨屑及材料去除现象，由划痕沟槽内往 沟槽外扩展堆积。进一步的微观分析结果还显示，经次氯酸钠水溶液萃取表层 有机物后，釉质内的羟基磷灰石颗粒尺寸变大。 2 、人牙釉质表层的含水量对其纳米力学性能和微摩擦磨损行为存在显著影 响。随着干燥时间增长，牙釉质表面的弹性模量减小，纳米压痕硬度增大。纳 米划痕实验结果显示，随着干燥时间增长，牙釉质表面摩擦系数增大，且呈现 显著波动，划痕深度增加，磨损加剧。微观分析结果显示，经干燥脱水处理后， 人牙釉质表层局部出现空隙，干燥时间越长，空隙越明显。可见，人牙釉质内 的水分对其具有明显的润滑作用，可以减小釉质表面的摩擦磨损。脱水干燥的 人牙釉质试样经浸水处理后，其表层的摩擦磨损性能可以得到一定程度的恢复， 摩擦系数和磨损量均呈现明显降低。这可能是由于溶液中的水分通过吸附在釉 质表面，与釉质表层的羟基磷灰石晶体结合，构成晶体的水合外层，使得牙齿 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 的摩擦磨损性能得以恢复。 关键词：人牙釉质；微摩擦磨损；有机物；水分 a b s t r a c t a sa n i m p o t a n tm a s t i c a t i o no r g a n ，g o o dt r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s a r et h e g u a r a n t e eo fn o r m a lf u n c t i o no gh u a m nt e e t h h u m a nt e e t h p o s s e s sau n i q u e s t r u c t u r e c o m p o s i n go fe n a m e l ，d e n t i na n dp u l p e n a m e l ，t h eh a r d e s tt i s s u ei n h u m a nb o d y , h a se x c e l l e n ta n t i w e a rp r o p e r t i e s i t c o m p r i s e s9 6 9 7 i n o r g a n i c s u b s t a n c e s ，1 - 2 o r g a n i cm a t e r i a l s ，a n d2 - 3 w a t e rb yw e i g h t i ts h o u l db en o t e d t h a th u m a nt o o t he n a m e li so n eo ft h o s eu n i q u en a t u r a l s u b s t a n c e sw h i c hs t 订l c a n n o tb es u b s t i t u t e d e f f e c t i v e l yb y a r t i f i c i a lr e s t o r a t i v e m a t e r i a l s h e n c e u n d e r s t a n d i n go ft h ee f f e c t so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r e o f e n a m e l o ni t sf r i c t i o n a n dw e a rb e h a v i o rw o u l d h e l pd e e p e n t h es c i e n t i f f c u n d e r s t a n d i n go ft r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro fn a t u r a lb i o l o g i c a lf r i c t i o np a i r ，p r o v i d e i m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sa n dk e yt e c h n i c a ls u p p o r tf o rb i o n i ct r i b o l o g i c a ld e s i g n ， a n dt h e nd e v e l o pb i o n i cd e n t a lr e s t o r a t i v em a t e r i a l s i nt h i s p a p e r ，t h ee f f e c to fi n t e r n a l o r g a n i cm a t t e r sa n dw a t e ro nt h e m i c r o f r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fh u m a nt o o t he n a m e lh a sb e e ns t u d i e du s i n ga n a n o - i n d e n t a t i o n s c r a t c ht e s t e r t h e m a i n o b j e c t i v ew a st o e x p l o r i n g t h e c o n t r i b u t i o no fo r g a n i cm a t t e r sa n dw a t e rt ot h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fh u m a n t o o t he n a m e l m a i nc o n c l u s i o n sw e r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 a f t e rt h ee x t r a c t i o no fo r g a n i cm a t t e r b ys o d i u mh y p o c h l o r i t e ，t h e n a n o i n d e n t a t i o nh a r d n e s so fh u m a nt o o t he n a m e ld i d n o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y d u r i n gt h ep r o c e s so fe x t r a c t i o n ，t h ee l a s t i cm o d u l u so fe n a m e lr a p i d l yd e c r e a s e d i n i t i a l l y ，a n dt h e nd e c r e a s e ds l o w l y f i n a l l y ，t h ee l a s t i cm o d u l u sk e p ts t a b l e w i t h t h ee x t r a c t i o nt i m ei n c r e a s i n g ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fe n a m e ld e c r e a s e dal i t t l e b u tt h es c r a t c hd e p t ha n dt h ew e a rl o s so nt h es u r f a c eo fe n a m e l i n c r e a s e d f u n h e r m i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o n ss h o w e dt h a tt h es i z eo fh y d r o x y a p a t i t ep a r t i c l e sw i t h i n t h ee n a m e li n c r e a s e da f t e rt h es o d i u mh y p o c h l o r i t ee x t r a c t i o n 2 w a t e rc o n t e n tw i t h i nh u m a nt o o t he n a m e lh a da s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e m i c r o - f r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fe n a m e l w i t ht h e d r y i n gt i m ei n c r e a s i n g ，t h e e l a s t i cm o d u l u so fe n a m e ld e c r e a s e d ，b u ti t sh a r d n e s si n c r e a s e d f u r t h e r m o r e ，a s t h ed r y i n gt i m ei n c r e a s e d ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fe n a m e ls u r f a c ei n c r e a s e d a c c o m p a n i e dw i t ho b v i o u sf l u c t u a t i o n ，a n dt h es c r a t c hd e p t ho nt h es u r f a c eo f i n c r e a s e d ，r e s u l t i n gi nm o r ew e a r a l s of o u n dw a st h a ts o m ev o i d sa p p e a r e do nt h e s u r f a c eo fe n a m e la f t e rt h ed r y i n gp r o c e s s ，a n dt h ev o i d sb e c a m em o r ea n dm o r e o b v i o u sw i t ht h ei n c r e a s eo fd r y i n gt i m e o b v i o u s l y ，t h ew a t e rw i t h i ne n a m e lc o u l d p r o v i d eal u b r i c a t i n ge f f e c ta n dt h e nr e d u c et h ef r i c t i o na n dw e a ro ft h ee n a m e l i n a d d i t i o n ，t h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft h ed r i e de n a m e lw e r ef o u n dt or e c o v e r t oac e r t a i nd e g r e eb yb e i n gi m m e r s e di nw a t e r i tc o u l db ei n f e r r e dt h a tw h e nt h e d r i e de n a m e lw a si m m e r s e di nw a t e r ，t h ew a t e ra t t a c h e dt oe n a m e ls u r f a c ec o u l d c o m b i n ew i t ht h e h y d r o x y a p a t i t ec r y s t a l sw i t h i nt h es u r f a c el a y e ro fe n a m e l ， f o r m i n gh y d r o x y a p a t i t eh y d r a t e a sar e s u l t ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n dt r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so ft h ed r i e de n a m e lw a sr e s t o r e di ns o m ed e g r e e k e yw o r d ：h u m a nt o o t he n a m e l ；m i c r o f r i c t i o na n dw e a r ；o r g a n i cm a t t e r ；w a t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 概述 1 1 1 摩擦学 第1 章绪论 两个相互接触的物体沿着其接触表面发生相对运动或者有相对运动趋势时，有一种 阻碍相对运动的作用力被称为摩擦力【l 】，而研究摩擦力及其相关理论与实践的学科就是 摩擦学( t r i b o l o g y ) 。传统的摩擦学是研究机械系统中两个相互接触表面的摩擦、磨损、 润滑的现象、规律和技术的工程科学，是机械学科的重要组成部分。它的研究对象主要 是表面( 界面) 上发生的各种现象。 摩擦学的产生主要是以节能减排、提高效益等近现代实用性很强的课题为背景。然 而它的应用范围却超出了机械行业，在整个工业体系都有着广泛的应用，从而诞生了生 物摩擦学、地质摩擦学和生态摩擦学等新的学科【2 】。 摩擦学的分类多种多样，其中传统的分类主要根据摩擦副不同的运动方式、运动状 态和润滑状态等来分类。随着科技的发展，尤其是人类对摩擦学的研究也日渐深入，摩 擦学的分类也出现了新的变化。目前主流的分类主要包括纳米摩擦学，生物摩擦学、纳 动摩擦学、微动摩擦学和仿生摩擦学等等【叽。研究摩擦学有利于解决我国国民经济、社 会发展和国家安全中出现的许多重要的技术问题。 1 1 2 生物摩擦学 生物摩擦学( b i o - t r i b o l o g y ) 是d o w s o n 在1 9 7 3 年提出的，定义为：研究与生物系 统相关的所有摩擦学问题【3 ，4 】。生物摩擦学是一个涵盖数学、物理、化学、医学、材料学、 生物学、摩擦学等多学科交叉的学科，其主要研究内容是在天然生物体内的摩擦行为及 其结构并寻找其人工替代物即仿生材料的摩擦学问题【卜3 】。近几年来，生物摩擦学问题的 研究引起了人们很大的关注，在医学和摩擦学工作者共同努力下得到迅速发展【4 1 。人体 生物摩擦学的特点在于由人体各个器官作为摩擦副，在日常生活中不自觉的产生摩擦学 行为，摩擦副具有感知和自适应能力，摩擦磨损行为受到生命物质的影响，磨损产物会 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 引起体内一连串的生物反应和生理反应。正因为如此，人体生物摩擦学不仅涉及摩擦学 问题，还涉及生物材料、生物力学、生物学及医学等问题，比机械摩擦学更具有复杂性 和挑战性。机械摩擦副发生摩擦磨损，其磨损机理和失效过程是可以直接人为监测，相 应的磨屑对摩擦副摩擦磨损性能的影响很小，对其摩擦学行为的研究也较为成熟。然而 生物摩擦学行为则是在生命介质中发生摩擦磨损的，其磨损失效行为无法直接观察和测 量，磨屑与周围组织产生反应也是很难被检测的【5 1 。但是，随着科技的发展，人体生物 摩擦学取得了较大的发展，国内外一些专家学者对人工关节、心血管系统、人体皮肤和 牙齿等等的摩擦学问题进行了研究，而这些研究都与人们的日常生活密切相关，它有助 于提高人类健康和生命质量，促进生物材料与生物医学工程技术的发展以及将生物科技 引入到机械工程中都很有意义。生物摩擦学的研究方法跟传统的摩擦学的研究方法比， 出现了很多的差异，就以人体生物摩擦学为例，其主要研究方法有：体内临床观察、体 外磨损试验、生物力学分析及建模等1 6 1 。 生物摩擦学与一般摩擦学问题相比，主要有以下几个特点【3 - 5 】： 1 ) 存在的普遍性，涉及到整个生物界的摩擦学问题，包括人工关节植入部位的松动 问题、人体天然牙的摩擦磨损问题、鱼类游动时与水的摩擦问题等； 2 ) 生物活性和生物学反应，如体内的关节液在各种微循环和交换中保持优良的润滑 特性、人牙在唾液的辅助作用下具有优良的摩擦磨损特性、鱼类和土壤类动物的肌肤表 面可以分泌特殊的体液起到降附减阻的作用等； 3 ) 独特的材料显微组织和结构，如天然牙由较硬的牙釉质和较软的牙本质和牙髓组 成，这种外硬内软的结构使牙不仅具有良好的耐磨性，而且具有减缓冲击的作用等； 4 ) 奇异的表面形貌，许多动物如土壤动物的表面为几何非光滑结构或具有协同柔性 变形的能力，以起到减少粘着、降低阻力的作用，加上生物活性、独特的显微组织、结 构和表面形貌等特性，使生物体内摩擦副或集体表面表现出极好的表面摩擦学特性【7 1 4 1 。 1 1 3 仿生摩擦学 仿生摩擦学也被称为摩擦学仿生，其研究内容包括生物学、摩擦学以及其他相关学 科的交叉渗透，具有学科前沿性、广泛实用性及多学科交叉的特点。仿生摩擦学从研究 内容来看，通过对生物体系的减摩、抗粘附、增摩、抗磨损及高效润滑机制的研究，从 几何、物理、材料和控制等角度借鉴生物体的成功经验和创成规律，研究、发展和提升 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 工程摩擦副的性能。从研究对象来看，其涉及到固固表面、固液界面和固气界面间的 相互摩擦作用以及由此产生的磨损【1 5 一。 摩擦学仿生包括材料仿生和表面形态仿生，材料仿生包括仿生复合材料、仿生涂层 和仿生润滑材料等等，通过模拟天然生物体材料，进而发展新的摩擦学技术或研制摩擦 学新材料；表面形态仿生主要包括非光滑几何表面形态仿生、柔性非光滑仿生及仿生耐 磨形态等，通过研究不同生物的表面质构以及其与环境的相互关系，并获得新的摩擦学 设计【5 】。从摩擦学功能来看，还可以将摩擦学仿生划分为减摩仿生、耐磨仿生及防粘仿 生等。仿生的基本理念是从自然体系获得灵感，用于技术创新【1 5 1 。随着仿生科技的发展， 在生物摩擦学研究领域也得到极大的发展，其研究目标也跨越了医学、生命科学等学科， 人们试图将生物体的结构、材料和作用机理通过仿生学方法引入到其它领域，由此引出 了仿生摩擦学的研究思想【1 6 1 。 1 2 人体天然牙的生理功能与结构 1 2 1 牙齿的功能 牙齿是人体口腔中最主要的摩擦副，是人体消化系统起始点，直接对人体健康和生 命质量造成影响。牙齿可以完成复杂的咀嚼、语言、吞咽、表情等功能【1 7 , i s 。 ( 1 ) 咀嚼：食物进入口腔后，经过牙的切割、撕裂、捣碎和磨细等一系列机械加工过 程，并与唾液混合，唾液中的消化酶对食物起部分消化作用。咀嚼力通过牙根传至颌骨， 可刺激颌骨的正常发育，咀嚼的生理性刺激，还可增进牙周组织的健康。 ( 2 ) 语言：牙齿的位置限定了发音时舌的活动范围和唇舌之间的位置关系，对发音有 辅助和限制作用，对发音的准确性和言语的清晰程度有着重要的影响。 ( 3 ) 美观：由于牙齿和牙槽骨的支持，牙弓形态和咬合关系的正常，才会使人的面部 和唇颊部显得丰满。而当人们讲话和微笑时，露出整齐而又洁白的牙齿，更能显现人的 健康和美丽。相反，如果牙弓发育不正常，牙齿排列紊乱，参差不齐，面容就会显得不 协调。如果牙齿缺失太多，唇颊部失去支持而凹陷，就会使人的面容显得苍老、消瘦【1 9 1 。 1 2 2 牙齿的结构 成年人有2 8 - 3 2 颗恒牙，牙齿在口腔内紧密邻接，排成上下对颌的两排1 1 7 1 ，图1 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 给出了人体牙列示意图。 图1 1 人体天然牙列示意图 图1 2 给出了人体天然牙的结构图。从外观结构来看，整个健康的牙齿是由牙冠、 牙根及牙颈三部分组成。可以看到牙冠是牙齿的上半部分，是参与咀嚼功能主要部分， 也是研究的重点，牙根则深入颌骨，具有固定牙齿的作用。人体天然牙根据组织结构的 不同可以分成牙釉质、牙本质、牙骨质和牙髓【2 0 1 。 图1 2 人体天然牙结构示意图 _ 一 零韵盘 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) 牙釉质覆盖于牙冠部表面，呈乳白色，具有定的透明度，其矿化程度越高越 透明，是由占总重量9 6 - - 9 7 的无机物以及少量有机物和水组成，是人体内钙化程度最 高、硬度最大的组织【1 7 , 1 8 2 1 1 。不同区域位置的釉质，其厚度也不相同。牙釉质的机械性 能优良，其硬度在3 5g p a 之间，弹性模量在7 0 - , 1 4 0g p a 之间阎 牙釉质中按体积来算，无机物大约占总体积的8 6 ，有机物占2 ，水占1 2 。无 机成分主要由含钙、磷离子的羟基磷灰石晶体( h y d r o x y a p a t i t ec 巧s t a l ，简称h a ) ，分子 式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，相对分子质量是1 0 0 4 8 ，密度为3 1 6 c m 3 。还有少量的其 他磷酸盐晶体。釉质的磷灰石晶体并非化学纯的羟基磷灰石晶体，而是含有较多h c o ；的 生物磷灰石晶体t 2 0 , 2 1 1 。 牙中釉质有机物主要为蛋白质和脂类，其中蛋白质主要有釉原蛋白、非釉原蛋白和 蛋白酶三大类。牙釉质中的水分主要以结合水的形式存在，还有少量的游离水【2 l 】。 图1 3 给出了人牙釉质的横剖面微观形貌图( a f m 形貌图) 。牙釉质主要由釉柱和釉间 质构成，而根据形状来分，釉柱又可以分成釉柱头部和釉柱尾部。釉柱是一种细长的柱 状结构，是釉质最主要的组成结构。从横剖面图来看，釉柱的截面类似球拍状，由一个 较大的圆形头部和细长的尾部组成，釉柱平均直径大约4 8g m 之间，釉间质则是环绕 在釉柱周围，其宽度大约为1g m 。在不同区域的釉柱微观结构不同，其力学性能也不同， 外层的釉质硬度大于内层的釉质，而最外层的釉质硬度最大，且又因为其直接参与咀嚼 行为，故研究最外层的釉质是相当重要的。釉柱内的羟基磷灰石晶体呈扁六棱柱状，在 釉柱的头部中心区域晶体的长轴方向与釉柱长轴方向平行 2 4 - 2 6 ，随着远离头部区域向釉 柱尾部过渡，晶体长轴方向逐渐偏转，与釉柱长轴形成一定夹角【1 4 1 。从图1 3 可以观察 到相毗邻的两个釉柱基本按照首尾相间排列。在釉间质中，羟基磷灰石晶体的长度方向 与相邻的釉柱的中心轴成一定的夹角，夹角的大小约为4 5 0 【2 7 。1 1 。牙釉质中水分和有机 物主要是集中分布在釉间质1 2 9 。3 2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 幽1 - 3 人才釉质微观结构不意图 ( 2 ) 牙本质分布在牙冠内层和牙根部，呈淡黄色，牙本质的无机成分主要也是羟基 磷灰石，但是牙本质中的羟基磷灰石晶体的矿化程度小于牙釉质中的羟基磷灰石晶体。 在牙本质的不同区域，羟基磷灰石的分布差异很大。由于牙本质的缓冲作用，当牙釉质 咀嚼过程中受到外力的冲击时不易遭受破坏。 ( 3 ) 牙骨质主要分布在牙根部，覆盖在牙本质的表面，其硬度小于牙釉质和牙本质， 呈淡黄色。牙骨质是人体中氟含量最高的组织，而且其氟的含量随着年龄的增大而增多。 ( 4 ) 牙髓是一种疏松的结缔组织，位于牙齿中央的牙髓腔中，内部的神经纤维和血 管通过根尖孔与牙周组织内连接，能够对外界刺激和细菌感染产生防御性炎症反应【6 】。 1 3 牙科摩擦学的研究现状 1 3 1 研究概况 牙齿是人体口腔和消化系统的重要组成部分，对牙齿的摩擦学特性进行系统研究不 仅可以丰富生物摩擦学和仿生摩擦学的基础知识，也可以为牙科修复材料的设计提供理 论基础。国内外对人类牙齿摩擦学性能的研究已开展很多年了，并取得了许多成就。这 些研究主要涉及到摩擦磨损研究【2 4 - 2 9 1 、力学性能【3 0 3 6 1 、再矿化研究1 3 7 - 4 0 1 等方面，其影 响因素包括不同位置区域、生理因素、病理因素等。 在人牙的摩擦磨损研究方面，人们做了大量的工作。人体天然牙的摩擦磨损研究丰 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 要通过牙釉质的摩擦系数、磨损量和摩损形貌的变化来表征。力学的研究主要是通过硬 度与弹性模量来表征，其研究包括牙齿不同位置处的力学性能不同( 即各向异性) 3 0 - 3 2 】， 对牙齿表面进行不同的处理时的力学性能的变化 3 3 - 3 6 。再矿化研究，即是牙齿表面在口 腔唾液或人工唾液中再矿化的研究，由于其具有现实意义，逐渐引起人们的注意。g a o 和l i p p e r t 等a 3 7 3 9 1 先对牙釉质进行酸蚀处理，然后将样品浸入到人工唾液中进行再矿 化，比较酸蚀与再矿化后牙釉质硬度的变化情况，g a o 的结果表明通过再矿化处理可以 显著提高酸蚀后牙釉质的硬度；c a r e t 等人 4 0 1 研究了矿化液中氟化物含量对再矿化效果 的影响，结果表明在一定范围内，提高氟化物的含量将使再矿化效果更加明显。 1 3 2 研究方法 文献综述显示，现阶段关于牙齿摩擦学的相关研究通常采用临床观察和体外模拟试 验研究两种方法【4 l 】。临床观察的主要优势是可以观察和得到真实口腔环境下的牙齿摩擦 学特性，临床医师多采用这种方法考察相关人体摩擦副的临床病理性变化、影响因素、 磨损等级等。临床观察严重依赖志愿者的支持，比如，s a l e s p e r e s 等人1 4 2 就曾通过志愿 者来模拟人体天然牙在口腔环境中的工作情况，所测得的试验数据对临床医学研究具有 重要参考价值。但是，临床观察存在着很多缺点，首先由于人体口腔环境复杂，研究者 很难推断出是否是单一因素对牙齿的作用，其次，对人牙磨损量的在体评价【4 3 一】也存在 一定难度，测量人体天然牙的磨损量【4 5 阐需要借助昂贵的仪器，另外，由于试验者存在 个体差异，定性评估【明和调查研究也受到极大地限制 4 s j 。与体内试验研究相比，体外试 验研究的最大优点就是可以有选择性的制定试验参数，可以深入研究人牙的磨损机制。 大多数体外研究是将牙齿试样放置在模拟的口腔环境中，利用高精度的测量仪器来对试 样的某些性能进行研究。 1 3 3 存在的问题 牙齿是人体口腔的重要组成部分，也是人体消化系统的重要摩擦副，对人体健康有 着十分重要的作用。由于生理功能的需要，人牙磨损不可避免，但是，牙齿过度磨损会 引发各种口腔疾病，甚至全身疾病，因此，研究人体天然牙的摩擦磨损行为具有十分重 要的意义。随着人类平均寿命和生活水平的日益提高，牙齿磨损问题愈发受到人们的关 注，愈来愈多的专家学者开始研究牙科摩擦学问题，并取得了一些研究成果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 目前，关于人牙摩擦磨损行为的研究多为宏观磨损实验研究，这些研究多关注口腔 环境因素对牙齿磨损的影响及其作用机制，关于牙齿化学组成及其内部独特的天然微结 构对其摩擦磨损行为的研究则很少。牙釉质优异的力学性能和耐磨性与其微结构有密切 关系，在微纳米尺度下的摩擦学测试手段来探讨牙釉质的微摩擦磨损行为，并研究牙釉 质的化学组成及其内部独特的天然微结构对牙釉质摩擦磨损性能的影响，更有助于揭示 牙釉质摩擦磨损的微观本质，因此，有必要研究人牙釉质的微摩擦磨损行为。 1 4 选题意义和研究内容 1 4 1 选题意义 口腔是消化系统的重要器官之一，是维系和提高生命质量的重要因素，对人体健康 起到十分重要的作用，它不仅关系到我们的口腔健康，而且会影响到我们的生命质量和 生活质量。牙齿摩擦副，在中枢神经支配下，以咀嚼肌为动力，震沩程序，周而复始地 进行咀嚼循环，完成复杂的咀嚼、语言、吞咽及表情等功能，其磨损无法避免。既然牙 齿磨损无法避免，人们寻求减轻这种磨损的途径便具有很重要的现实意义，通过对牙齿 本身的微观结构和摩擦磨损的研究，能够为牙科疾病的临床治疗和牙科修复提供重要依 据。 理想的修复材料应该具有和牙体组织相近的硬度，韧性和耐磨性，同时应该具有较 好的生物相容性和物理化学稳定性。而遗憾的是，目前还很难有完全符合这些特性的修 复材料问世。对天然牙微观结构、力学性能等的研究，有助于研制开发仿生牙科修复材 料，使其接近天然牙的特性。另一方面，目前天然牙的体外试验难以模拟口腔内牙齿复杂 的受力情况，因此建立天然牙的力学模型有利于更好的模拟口腔内咀嚼工况，为牙齿磨 损的体外试验提供实际的工况参数，从这个意义出发研究牙釉质的微结构力学特性，能 够为牙齿力学模型的建立提供可供参考的力学参数。 牙齿是重要的人体生物摩擦副，优异的摩擦学特性是其行使生理功能的保证。牙齿 主要由牙釉质、牙本质和牙髓腔构成，其中，外层的牙釉质是人体内最硬的组织，对咀 嚼磨耗有较大的抵抗力。牙釉质由占总重量9 6 - 9 7 的无机物以及l 2 有机物和3 4 水所组成。人牙釉质是目前尚无法人工复制的一种天然生物材料，研究釉质化学组成 及其内部独特的天然微结构对其摩擦磨损行为的影响，不仪可以深化对天然生物材料的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 科学认识，而且可以丰富生物摩擦学和仿生摩擦学的基础知识，为牙科修复材料的仿生 设计提供理论基础。 1 4 2 研究内容 牙釉质由占总重量9 6 - 9 7 的无机物以及1 - 2 有机物和3 4 水组成的，如果按 体积来算，无机物大约占总体积的8 6 ，有机物占2 ，水占1 2 。本论文采用纳米划 痕、纳米压痕等微纳米摩擦学测试手段，研究了人牙釉质内有机物和水分含量对其微摩 擦磨损行为的影响，初步分析人牙釉质内有机物和水分与其摩擦磨损机制的关系。 本论文研究分为两个部分： 第一部分，采用次氯酸钠水溶液萃取人牙釉质表层的有机物后，通过考察釉质表面 经萃取处理前后的纳米力学性能和微摩擦磨损行为，结合磨损表面的形貌分析，初步探 索了人牙釉质内有机物对其摩擦磨损行为的影响。 第二部分，对人牙釉质进行干燥脱水处理，通过考察釉质表面经不同脱水时间处理 后的纳米力学性能和微摩擦磨损行为，研究人牙釉质表层含水量对其纳米力学性能和微 摩擦磨损行为的影响。在此基础上，进一步考察了浸水处理对人牙釉质微摩擦磨损性能 的恢复作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章试验方法 2 1 试验材料选取与制备 2 1 1 人牙试样的选取与制备 试验所用材料为人体天然牙，取自中青年患者( 年龄1 8 3 5 岁) 拔除的正畸牙或阻 生牙，牙体保存完整，从口腔中拔出后先用医用酒精进行消毒。为了防止脱水，牙齿在 制样前存放在在o 4 的冰箱中。 人牙釉质平面试样制作方法：在水冷却条件下，用金刚砂片将消毒后的人体天然牙 ( 第一磨牙) 切割成若干小块( 同组实验采用同一颗牙齿，尽量减少个体差异性) 。人 牙先切除牙根，再用砂纸把牙根磨平( 牙根应与咬合面保持平行，保证釉柱与试验面垂 直) ，保留牙冠部分，牙体剩余部分高度应该在7 - - - , 8m m 。样品切好后垂直放置于尺寸 为1 0m m 1 0m m 2 0i n l n 的钢制模具中，咬合面朝上，将样品用自凝塑料包埋。包埋塑 料完全凝固后，将试样从模具中取出，先在装有8 0 0 # 砂纸的打磨机上打磨，当牙牙合 面露出立刻停止，然后转到l2 0 0 # 、15 0 0 # 、3 0 0 0 # 的砂纸在水冷却条件下进行手工打磨， 应尽量保证打磨后上下平面平行，试验所需部分是位于牙冠最外层的牙釉质。水作为冷 却介质，依次用2 5 a m 、1 5i n n 、1l a n 、0 5l a i n 的金刚石抛光膏，将样品试验表面抛光 至表面粗糙度尺。= o 1 a m 。试样在实验前均用超声清洗，以清除表面污物。 2 1 2 人牙釉质的次氯酸钠萃取处理 本论文采用自配的次氯酸钠水溶液对人牙釉质试样进行不同时间的浸泡处理，以萃 取釉质表层的有机物。 工业品次氯酸钠为无色或淡黄色的液体，以有效氯含量作为量化标准，工业品次氯 酸钠溶液的活性氯浓度为1 0 5 1 4 9 1 。工业品次氯酸钠制作工艺是将氯气溶于冷而且稀的 氢氧化钠溶液，产生次氯酸钠、氯化钠及水： c 1 2 + 2 n a o h n a c l 0 + n a c i + h 2 0 次氯酸钠( n a c i o ) 属于强碱弱酸盐，常用来去除有机物，次氯酸钠溶液浓度越高， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 其溶解坏死有机物的能力越强。次氯酸钠溶液因具有较强的抗菌性和组织溶解能力而成 为临床上使用最为广泛的冲洗剂，其组织溶解作用的可能机制是：n a c l 0 溶于水后形成 的n a o h 与牙釉质内有机组织中的脂肪酸和脂质发生皂化反应使之降解形成脂肪酸和甘 油，使细胞膜裂解，发挥溶解组织作用；n a c l 0 液中的n a o h 、h c l 0 还分别与牙釉质中 的氨基酸发生中和反应和氯化反应，使氨基酸水解和降解p 。 本论文所用的次氯酸钠水溶液是取2 5m 1 的工业品次氯酸钠溶液和2 5m l 的蒸馏水 混合并搅拌均匀后，则得到活性氯浓度为5 2 5 的试验所用的次氯酸钠溶液，装入试剂 瓶放置在阴暗的环境中。每做完一组试验，次氯酸钠溶液都应重新配制。由于次氯酸钠 溶液具有见光易分解的特性，所以配制次氯酸钠溶液溶液和萃取人体天然牙的过程都必 须在阴暗条件下进行。 萃取处理过程如下：将人牙釉质试样浸泡在新鲜配制的次氯酸钠水溶液中，将测试 表面朝上，并轻轻搅拌溶液以使其萃取均匀：待萃取1h o u r 后从溶液中取出，立即用蒸 馏水反复冲洗试样表面，随后完成纳米压痕划痕等各种测试分析；待实验完成后，重新 将人牙釉质试样浸泡在上述溶液中，继续浸泡1h o u r ，即得到总萃取时间为2h o u r 的试 样；依此类推完成不同的萃取时间及相应的测试。按照这种方法，即可在同一人牙釉质 试样上进行不同时间的萃取处理，从而最大限度的减少个体差异对实验结果的影响。 2 1 3 人牙釉质的干燥与浸水处理 人牙釉质试样采用真空干燥箱( d z f 6 0 5 0 型) 进行干燥脱水处理。操作过程如下： 1 ) 将试样放入真空干燥箱内，把箱门关上，并关闭放气阀，开启真空阀进行抽气使箱内 真空度达到0 1 m p a ；2 ) 关闭真空阀，温度设置为3 5 ，进行干燥处理；3 ) 待试样达 到预定的干燥时间后，旋动放气阀，解除箱内真空状态，打开箱门取出试样。 每个人牙釉质试样的干燥脱水时间均采用累加形式，以干燥2 0 分钟为例：干燥1 0 m i n 后，取出做人牙釉质试样，进行各种微观分析测试，然后再放入真空干燥箱内干燥 1 0m i n ，即得到总干燥时间为2 0m i n 。依此类推，即可在同一人牙釉质试样上进行不同 时间的干燥脱水处理，从而最大限度的减少个体差异对实验结果的影响。 人牙釉质试样的浸水处理采用如下方法进行操作：将脱水干燥后的试样浸泡在装有 蒸馏水的试剂瓶中，水面高于试样高度，使试样完全浸泡在蒸馏水中，达到预定的浸泡 时间后立即取出，用洗耳球吹干。采用这种方法，即可保证脱水和浸水处理均在同一颗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 人牙釉质试样上进行，从而避免个体差异的影响。 2 2 试验装置 本论文采用纳米压戌0 痕实验，研究人体天然牙表面的微摩擦磨损行为。实验均是在 瑞士c s m 公司生产的纳米压痕剧痕试验仪( n a n o h a r d n e s s s c r a t c ht e s t e r ) 上进行的。 实验装置如图2 1 所示。 纳米压痕戈0 痕仪是目前测试材料纳米力学性能和微摩擦磨损性能的常用仪器。纳米 划压痕仪的基本组成主要包括四部分：特殊几何形状的针尖、加载的施力马达、精确测 量位移的传感器和计算机控制系统。纳米划痕仪可以测试材料表面的摩擦系数、划痕的 宽度和深度、粘弹性恢复、表面膜结合强度等性能。纳米压痕仪可以测试材料表面的硬 度和弹性模量等力学性能参数。在进行纳米压痕例痕测试时，首先用胶水将试样固定在 载玻片上，再把载玻片放置在载物台上，然后将试样表面需要测试的区域移动到显微镜 视野中心，再用两个压卡扣将载玻片固定于样品台上，这样可以防止样品在移动时出现 滑移。根据不同的实验需要，可选择不同形状的针尖。本论文研究涉及的纳米压痕划痕 试验均采用金刚石针尖，其中，纳米压痕实验所用针尖为三棱锥状的b e r k o v i c h 金刚石 压头，纳米划痕实验所用针尖为球形金刚石针尖，曲率半径为8g m 。 图2 1 纳米压戌0 痕仪外观图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 试验方法及参数选择 2 3 1 纳米压痕测试方法 在待做纳米压痕试验区域制作标记点：利用维氏硬度仪( m v k h 1 2 ，j a p a n ) 在人牙 釉质表面作标记点。纳米压痕实验时，牙釉质的釉柱直径约5 71 t r n ，设定载荷时应使对 应的压痕面积必须大于一个釉柱，又由于样品表面粗糙度的缘故，故选载荷为1 0m n 作 为试验载荷参数。以标记点作为参考坐标，在标记点的左边8 0l x r n 左右处，进行纳米压 痕试验。每个载荷均取2 5 个点( 5 5 点阵) ，并取平均值为测量值。为了确保相邻两测 试点之间不相互影响，每个压痕点之间应保持一定间隔，本论文试验的压痕间距为1 5 i t m 。由于人牙存在个体差异，单一的实验结果并不能真实地反映样品的性能，故本文在 进行摩擦学性能测试时，试验材料即人体天然牙分别选自5 个不同成年个体来进行重复 试验，检测试验结果的可重复性和规律性。 2 3 1 1 人牙釉质内有机物对其力学性能的影响 纳米压痕试验参数： 试验时间：萃取时间分别为1h o u r 、2h o u r 、3h o u r 、4h o u r 、5h o u r ，将未进行任何 处理的原始表面( 即0r a i n ) 设为空白对照组。 试验环境：大气环境( 湿度5 5 r h ，室温2 5 ) 。 2 3 1 2 人牙釉质内水分对其力学性能的影响 纳米压痕试验参数： 试验时间：干燥1 0m i n 、2 0m i n 、3 0m i n 、6 0m i n 、1 2 0m i n 、2 4 0m i n 、4 8 0m i n ， 将未进行任何处理的原始表面( 即0r a i n ) 设为空白对照组。 试验环境：大气环境( 湿度4 5 r h ，室温2 5 ) 。 2 3 2 纳米划痕测试方法 在待做纳米划痕试验的区域制作标记点：为了确定纳米划痕起始位置和纳米划痕方 向，利用维氏硬度仪( m v k h 1 2 ，j a p a n ) 在牙釉质表面作标记点。以标记点作为参考坐 标，在标记点的左边8 0 岬左右处，进行纳米划痕试验，划痕方向与标记点平行。为了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 研究牙釉质的摩擦磨损性能，先进行变载测试，然后根据变载试验结果再确定恒载的法 向载荷。选取曲率半径为8 t i n 的金刚石针尖，针尖的划动速度均设为2 0 0l x m m i n ，选 取划痕长度为2 0 0l a i n ，每两条相邻划痕之间的距离设定5 0l a i n ，以此确保划痕之间不会 互相干扰。 2 3 2 1 牙釉质内有机物对其微摩擦磨损性能的影响 纳米划痕试验参数： 变载试验：载荷：o 8 0m n ； 试验时间：次氯酸钠水溶液萃取试样时间为0h o u r 、5h o u r ： 恒载试验：载荷：5 0 m n ； 试验时间：次氯酸钠水溶液萃取试样时间0h o u r 、1h o u r 、2h o u r 、5h o u r 。 试验环境：大气环境( 湿度5 5 r h ，室温2 5 ) 。 2 3 2 2 水分对牙釉质微摩擦磨损性能的影响 纳米划痕试验参数： ( 1 ) 干燥处理： 变载：载荷：变载0 8 0 m n ， 试验时间：原始空白对照组和干燥6h o u r ； 恒载：载荷：2 0m n ； 试验时间：原始空白对照组、1 0m i n 、6 0m i n 、1 2 0 m i n 、3 0 0m i r a ( 2 ) 浸水处理： 载荷：2 0 m n ； 试验时间：原始空白对照组、干燥8h o u r 、浸水8h o u r 。 试验环境：大气环境( 湿度4 5 r h ，室温2 5 。c ) 。 2 4 微观分析方法 ( 1 ) x 射线衍射分析( x l m ) ：x r d 分析在生物材料研究中的应用主要是无机材料 晶型的确定以及结晶度、微晶尺寸和晶体取向的测定等。利用b e d e d 1 型射线仪获得了 人牙釉质的x 射线衍射图谱。使用c u k a 射线对釉质进行微区测量，扫描角度( 2 e ) 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 0 0 “o o ，工作电流和电压分别为4 0m a 和4 0k v ，测角仪半径为2 4 0 m m ，步长( 2 e ) ： 0 0 3 3 0 。 ( 2 ) 扫描电子显微镜