口腔材料学教学材料的性能

1、材料的性能,第 三 章,口腔材料学,材料的性能包括：,一 物理性能 二 力学性能 三 化学性能 四 生物性能,一、物理性能,(一) 尺寸变化 (二) 线胀系数 (三) 热导率(导热系数) (四) 流电性 (五) 表面张力和湿润现象 (六) 色彩性,意义: 表示材料制品在化学、物理、机械作用下产生的形变,一、物理性能,式中： 为尺寸变化,0 为原长,L 为变化后长度,1. 尺寸变化 dimensional change,意义：表示每1度温度变化引起的单位长度的材料在长度上的改变。,式中： L 温度为T时的线胀系数(K),1 温度为1时试样的长度（）,L2 温度为2时试样的长度（）,2. 线胀系数

2、 linear expansion coefficient,3.体胀系数 cubic expansion coefficient,式中： V 温度为T时的体胀系数(K-1),V 温度为T时式样的体积（mm3）,dV 物体体积的改变,dT 温度的变化,意义：表示单位体积材料受单位温度变化引起的体积上的改变。,4.热导率 thermal conductivity,=单位面积热流量/温度梯度,式中: 热导率（又称导热系数） 单位：瓦(特)每米开 (尔文)，W/(mK) 单位面积热流量=热流量/面积，瓦(特)每平方米，W/m-2 热流量：单位时间内通过一个面的热量，瓦(特)，W,意义：单位温度梯度下的

3、单位面积热流量,5.流电性 galvanism,在口腔环境中存在异种金属修复体相接触时，由于不同金属之间的电位不同，将会出现电位差，导致微电流产生。,- Zn,Cu +,H2SO4,原电池工作原理示意图,意义：避免在口腔内存在两种金属修复体相接触，以避免不适感、腐蚀和保护牙髓组织不受损伤,（四）表面张力与湿润现象,表面张力：扩张表面单位所需要的力， 单位： 每米牛(N/m) 润 湿 性：液体在固体表面扩散的趋势， 为液体对固体的润湿性， 用接触角（）表示其大小。 接 触 角：液体与固体表面接触作切线 与固、液界面之间的夹角。, 0 固体被液体完全润湿 90 液体的润湿性良好 90 液体的润湿性

4、差 180 液体完全不润湿,润湿与接触角的关系,意义: 接触角愈小、润湿性愈好、亲水亲组织性愈好,(五) 色彩性,色彩的本质 语言对色彩描述的局限性 引入实物和数字描述的必要,色彩的三个特性,色调hue ： 指颜色的名称 彩度chroma(饱和度):指颜色的纯度 明度value(明亮度):物体对光的反射性,（非彩色只有明度的区别）,几种常用的描述颜色方法 (1) 肉眼观察 (2) 色卡、色片、比色板比色 (3) 光谱、光电测定 (4) 孟塞尔色度系统 （5）CIE色度系统,孟塞尔色度系统,基于严格的人类受试者测量的视觉反应，在三度空间中确定颜色位置 中心轴代表明度，与中心轴距离代表彩度，围绕中

5、心轴的角度代表色相。 记录表示方法：色相+明度值/彩度 （HV/C ）。 如：5B 5/5，是中等明度（5），中色度（5）的蓝色（5B）,CIE（国际照明委员会）色度系统,三原色：RGB 红色：700.0nm 绿色：546.1nm 蓝色：435.8nm,CIE 色度系统的 L*a*b*色彩表示法,二、力学性能,(一) 应力与应变 (五)疲劳与疲劳强度 (二) 弹性与塑性 (六)延性与展性 (三) 应力-应变曲线 (七)硬度 (四) 回弹性与韧性 (八)蠕变,(一)应力与应变 stress and strain,应力: 指物体内部各点各个方向的力学 状态 = F / S 式中： F：外力（N）

6、S：受力面积（mm2） ：应力（MPa）,应力的形式：,拉应力：(tensile stress) 外力为拉力 压应力：(compressive stress) 外力为压力 切应力：(shear stress） 外力为剪切力 （旋转应力、综合应力）,F,F,F,F,F,F,应变：指材料在外力作用下形状 变化的量 =L/Lo 式中： 应变 L：长度增量（mm） Lo ： 指定参考状况下的长度(mm),（二）弹性变形与塑性变形,弹性变形阶段 比例极限 弹性极限（可逆） 塑性变形阶段 屈服强度 极限强度 断裂强度（不可逆）,（三）应力应变曲线,研究材料机械性能常用的方法是测定应力-应变曲线。 它是以应

7、力为纵坐标，应变为横坐标绘制的曲线。对材料施加拉力、压力、剪切力或弯曲力均可得到应力-应变曲线图 P：比例极限 E：弹性极限 Y：上屈服点 Y:下屈服点 A：极限强度 C：断裂强度 弹性模量：E = 应力/应变 （比例变形阶段）,O,（四）回弹性和韧性,材料在弹性阶段，单位体积所吸收的能量叫回弹，或回弹模量。 回弹性是材料抵抗永久变形的能力。 韧性是材料抵抗开裂的能力。,（五）疲劳与疲劳强度,疲劳：是指材料在循环（交变）应力作用下发生的破坏。所受应力远远小于极限强度，甚至小于弹性极限。 疲劳强度：指材料抵抗疲劳破坏的能力。它表示在交变应力作用下经过无数次循环而不发生破坏的能力。 在实际工作中，

8、常在工作应力低于屈服强度时发生断裂，疲劳断裂常产生于应力高度集中或强度低的部位。 常见的冲击疲劳，冷热疲劳、接触疲劳、腐蚀疲劳等。,（六）延性和展性,塑性：是材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力。 延性：材料受到拉力产生破坏之前的塑性变形能力，表示材料能够塑性伸长、拉丝的能力。 延伸率：拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比，是反应材料塑性变形的能力指标。一般低延伸率于5%为脆性材料；高于5%为塑性材料，或延展性材料。金合金为19%。 展性：压应力作用下产生塑性变形而不破坏的性能，反应被加工塑成薄片的能力。,(七) 硬度,硬度（hardness）:固体材料局部抵抗硬物压人其表面的能

9、力，代表材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力。 布氏硬度 静负荷试验 洛氏硬度 魏氏硬度 努普硬度 动负荷试验 肖氏硬度,负荷,（八）蠕变,蠕变：是在恒应力作用下，塑性应变随时间不断增加的现象。该应力远远小于屈服应力；如银汞合金、蜡 蠕变与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。,三、化学性能,（一）腐蚀和变色 （二）老化 （三）扩散和吸附 （四）化学性粘接,（一）腐蚀和变色,腐蚀 材料由于周围环境的生物和化学侵 蚀而造成的破坏或变质 变色 腐蚀开始发生的阶段，修复体表面 变色或失去光泽 （口腔用金属短期内将发生

10、变色和腐蚀）,均匀腐蚀：,局部腐蚀：腐蚀只发生在材 料表面某些部位,腐蚀的形态,腐蚀的类型,湿 腐 蚀：有水存在,干 腐 蚀：无水存在,物质受外界生物化学作用，迅速 产生全面腐蚀,7种局部腐蚀类型 孔蚀：表面小孔状局部腐蚀 缝隙腐蚀：发生在材料的缝隙内，隙缝内外离子或气体浓度差别造成 晶间腐蚀：发生于金属晶粒边界附近，金属热处理或冷加工不当造成,磨损腐蚀：金属表面同时受流体的磨损和腐蚀作用引起的破坏 应力腐蚀：当应力和腐蚀介质同时存在时发生 疲劳腐蚀: 周期应力与腐蚀的共同作用引起材料的破坏 选择性腐蚀：成分和结构不一的材料，一部分元素被腐蚀浸出，只剩其余组分构成海绵状物质,（二）老化,老化：

11、材料在加工、储存和使用过程中物理、 化学性质和机械性能下降和破坏的现象 在口腔环境中材料均会发生老化，以高分子材料较明显。,老化原因,外因,内因,物理、化学、生物,机械、加工成型,材料的组成和结构,（三）扩散和吸附,扩散：物体原子、分子向周围移动的现象 （主要表现为化学性溶解） 吸附：离子、原子或分子之间，借助于静 电力或分子间的范德华力所产生的 吸着现象 （主要表现为化学性沉积）,（四）化学性粘接,粘接： 两个固体借助于两者界面间力的作 用而产生结合的现象，包括物理、 机械和化学性结合 化学性粘接：粘接剂表面的原子或离子与 被粘体表面的原子或离子间的结合， 一般以共价键或离子键形式存在,四、

12、生物学性能,（一）生物相容性（biocompatibility） （二）生物安全性（biological safety） （三）生物有效性（effectiveness ） （四）生物功能活性（biofunctionability）,（一）生物相容性,概念 影响因素 范围 检测方法 表征 评价方法,1、生物相容性概念,指生物体和材料的相互接纳程度，即材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时所产生相互反应的能力。 生物相容性一方面是指材料在生物体内能耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥和破坏；另一方面指材料尽可能不引起宿主的异源性识别反应，并与宿主组织形成长期的良好结合。 材料-组

13、织界面是生物相容性的关键部位。,2、生物相容性的评价,生物相容性受多种因素的影响，评价材料生物相容性应从微观至宏观、从局部至整体、从静态至动态等反应过程的规律和结果进行体外和体内综合性评价，不能仅依靠单项指标。,生物相容性评价的层次,组织水平,细胞水平,分子水平,基因组学,蛋白组学,代谢组学,机体水平,分子水平三层次的评价不仅可以发现材料的微小生物学干扰，还可能揭示干扰的机制和过程,免疫学试验,植入试验,细胞学试验,3、生物相容性评价试验,体外试验揭示材料与组织之间的反应性质，了解材料与组织细胞的反应关系。如细胞学试验，遗传学试验，血液学试验，蛋白吸附试验，分子生物学试验等。 体内试验是为了进

14、一步对材料处于动态时的生物学行为进行生物相容性检测。如皮下、骨植入试验，免疫学试验、全身毒性试验等。,4、生物相容性的判断,生物体对材料的接纳程度可以通过生物体对材料在不同层次上的反应指标来判断。生物体对材料的反应程度小，说明接纳程度大，生物相容性佳，反之则差。 比如： 组织反应：材料周围的纤维包膜越薄，生物相容性越好；材料周围的炎性细胞越少，生物相容性越好。 细胞反应：对细胞生长，增殖影响越小，生物相容性越好；反之则差。,5、生物相容性的范围,生物相容性的概念范围不仅局限于材料与机体的生物学反应，还指材料与宿主产生相互作用时所涉及的生物物理学、生物化学，生物力学、生物电学等反应系统的影响。

15、比如： 机械性质：作为骨组织替代材料的生物材料，在材料比重，硬度，弹性模量等方面越接近天然骨越好。 电学性质：材料的电学性质与机体组织尽可能接近，在组织内不能产生原电池效应。,6、生物相容性的影响因素,1、材料自身的类型、形状、成分结构及其表面特性，材料的化学、物理机械和电性能。 2、材料与组织的接触部位、方式、状态与时间以及采用的方法。,（二）生物安全性,生物安全性：材料进入临床应用前具有安全使用的性质,分类,按接触性质分类,按接触时间分类,表面接触材料 外部接入材料 植入材料,短期接触 30d,口腔材料的生物安全性评价,1、体外试验 细胞毒性试验 采用体外组织细胞培养的方法，观察材料对细胞

16、增殖及形态的影响，评价材料的体外细胞毒性。 方法：铬释放法，分子过滤法，琼酯覆盖法等，简便快速灵敏,2、体内动物试验,检测材料对机体的全身毒性作用及局部组织反应,3、特殊试验,为口腔临床应用前试验，检测材料对拟使用部位的组织毒性作用,(三) 生物有效性,临床试验：评价材料对疾病治疗有效与否，同时 进一步观察体内对人体安全与否 材料检测：安全性评价，技术标准，动物试验 医疗机构：临床试验资质 伦理要求：知情权，保密义务，权益保障 试验方案：全面系统，目的明确（14项内容） 试验报告：全面记录，正反兼顾（10项内容） 全面考察材料对所治疗疾病的有效程度和毒副作用,（四）生物功能活性,概念 范围 性质,1、生物功能活性概念,生物功能活性是指材料与宿