义齿基托复合材料的弯曲力学性能测试

李丹曦 刘先锋 高晓平

(1.内蒙古工业大学轻工与纺织学院，呼和浩特，010080;2.西安工程大学纺织与材料学院，西安，710048)

以生命科学、材料科学为先导的新科技革命使新材料不断涌现，纺织复合材料作为一种高技术材料，性能良好，它的适用范围已从航空航天扩展到建筑交通、石油化工、生物医学等各个领域［1］。而生物医用复合材料将更新医用材料的概念，创立新的理论基础，建立新的研究领域，开辟新的医疗途径，具有非常诱人的前景。口腔修复材料日新月异，给口腔医疗技术带来了巨大的变化。1936年德国利用悬浮聚合方法成功制备了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，由于其具有性能优越、操作简单等优点，PMMA已经成为临床医学制作义齿基托的常用材料，但是PMMA义齿基托存在硬度低、易磨损、易老化等缺点，因此必须开发新型的用于制备义齿基托的材料。目前具有良好的韧性、强度、生物性能和力学性能的复合树脂基托材料已广泛应用于义齿修复中［2］。

1 义齿基托材料及其性能要求

基托是被义齿覆盖的牙槽嵴与黏膜(承托区)接触的部分。基托的作用是附着人工牙传导和分散力，将义齿的各个部分连接成一个功能整体，修复缺损的牙槽嵴硬组织和软组织，恢复外形和美观，加强义齿的固位和稳定，并有间接固位作用。义齿基托材料必须要满足一定的机械、物理、化学及生物性能［3］。基托的种类按材料的不同可以分为金属基托、塑料基托、金属塑料基托三种。

随着科学技术的发展，口腔修复及口腔美容医学也不断发展，关于义齿基托材料的研究越来越深，其力学性能、功能美观性、生物相容性的要求也不断提高。传统医用高分子材料及金属材料并不具备生物活性，不能够与组织牢固结合，植入后受生理环境的影响，金属离子或单体释放会对基体造成不良的影响［4］。临床上除了根据力学特性来指导临床设计工作以外，大多采用机械方法来提高义齿基托材料的强度，如局部埋入不锈钢丝、不锈钢管、尼龙丝网等物理措施。经研究发现，任何基托材料只要加入适量的金属纤维，弯曲强度和拉伸强度均能增加，但效果却不尽如人意［5］。

20世纪30年代末，纤维增强复合材料开始使用，由于其本身具有密度低、高强高模、耐腐蚀等优点，因而被广泛应用于航天、汽车等工业。将纤维用于添加义齿基托材料PMMA的增强研究开始于20世纪60年代，为口腔医用材料开辟了新的领域。通常纤维增强的树脂基质包括环氧树脂、Bis-GMA和复合树脂等口腔常用材料［6］。

虽然PMMA是一种比较理想的基托材料，但仍有一些地方并不那么完美，尤其是抗压强度和抗张强度并不能满足一些临床上的要求。然而，随着纤维等添加物的加入可弥补这些不足。

目前制造医用复合材料的纤维有：①碳纤维，机械强度高，模量大，无毒副作用［7］;②聚乙烯纤维，高强高模，具有良好的韧性，耐疲劳、耐高速冲击［8］;③芳纶，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、质量轻等优良性能［5］;④玻璃纤维，绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高，但性脆，耐磨性较差［9］;⑤玄武岩纤维，具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔声、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应各种环境下使用等优异性能［10］;⑥纳米材料，具有表面效应、小尺寸效应和量子隧道效应，在磁、光、电、敏感等方面显示出许多奇异的特性［11］。

2 试验部分

2.1 试验材料的制备

PMMA是制作义齿基托的常用材料，它是由甲基丙烯酸甲酯(MMA)加聚而成的一种高分子聚合物。PMMA因其性能优良而得到广泛应用。

义齿基托树脂一般由粉剂和液剂两部分组成，粉剂的商品名叫作牙托粉，它是决定基托树脂性能的主要成分。为了使制成的义齿基托具有与牙龈相似的色泽，需在牙托粉中加入一些颜料，如钛白粉、镉红、镉黄等，以达到美观的目的。

本试验以高强高模聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强体加入PMMA中。UHMWPE的密度是所有高性能纤维中最小的，同时由于其相对分子质量极高，主链结合好，取向度、结晶度高而具有最高的比强度，其模量为 88.2～97.0 N/tex，仅次于特级碳纤维而优于芳纶。UHMWPE纤维无细胞毒性，不引起急性溶血，无短期全身毒性，对口腔黏膜无刺激，具有良好的生物相容性。

采用22 tex UHMWPE纱线，分别织造平纹、斜纹、缎纹、纬平针组织的织物，如图1所示。织物经向和纬向密度都有高、中、低三种，经密分别为180、142 和 96 根/(10 cm)，纬密分别为 220、158和118根/(10 cm)，织物尺寸都为7 cm×5 cm。

图1 试验用织物

在PMMA树脂处于糊状时对UHMWPE复合材料进行制备。将PMMA倒入上下型盒的阴模中，当它达到糊状时将UHMWPE织物放入下型盒PMMA树脂上，将上下型盒闭合加压使PMMA进入面团期，并等待树脂凝固。当树脂自凝固化后，将型盒打开，取出试件，切割成50 mm×25 mm×2 mm和50 mm×25 mm×3 mm两种试样。

2.2 性能测试

2.2.1 测试原理

本试验测试试件的三点弯曲性能，选择了弯曲模量、弯曲强度，以及弯曲强度下弯曲应变和断裂弯曲应变4个项目进行记录。

本研究应用UTM5105型电子万能试验机对试件进行三点弯曲性能测试。参照GB/T1446—2005标准，试件尺寸为50 mm×25 mm×2 mm，分别测量每个试件的实际宽度、厚度。预先将试件编号，通过随机抽样方法，每次抽取几个试件进行试验，以降低组内及组间误差。

弯曲强度测试：试样用砂纸打磨抛光后，三点弯曲试验跨度为40 mm，压弯速度为10 mm/min，直至试样断裂，由计算机直接读出其弯曲强度。

弯曲模量测试：加载压头曲率半径为5 mm，加载速度为10 mm/mim，级差为破坏载荷的5%，直至破坏载荷的50%，由计算机直接读出其弯曲模量。

2.2.2 试验数据

第一组试验将纯PMMA树脂基材料和未经表面处理的高密织物复合的树脂基材料作对比，验证织物对基体的增强作用。每个试样检测5次，取平均值。试验数据见表1。

表1 纯PMMA树脂与复合树脂材料的性能对比

第二组试验是验证织物密度对树脂基义齿基托复合材料的影响。每个试样检测5次，取平均值。试验数据见表2、表3和表4。

表2 不同密度平纹织物增强义齿基托复合材料的性能测试

表3 不同密度斜纹织物增强义齿基托复合材料的性能测试

表4 不同密度缎纹织物增强义齿基托复合材料的性能测试

第三组试验是验证织物组织对树脂基义齿基托复合材料的影响。每个试样检测5次，取平均值。试验数据见表5和表6。

表5 不同组织的中密织物增强义齿基托复合材料的性能测试

表6 不同组织的低密织物增强义齿基托复合材料的性能测试

第四组试验是验证织物表面处理对树脂基义齿基托复合材料的影响。每个试样检测5次，取平均值。试验数据见表7、表8和表9。

表7 表面处理平纹织物义齿基托复合材料的性能测试

表8 表面处理斜纹织物义齿基托复合材料的性能测试

表9 表面处理缎纹织物义齿基托复合材料的性能测试

2.2.3 数据分析

试验数据的分析采用单因素方差分析方法。首先在单因素试验结果的基础上，由试验显著性水平a、试验批号b，求出总方差V、组内方差VW和组间方差VB，最后应用F统计量进行方差检验。

(1)由第一组的对比试验(表1)可以看出，添加织物的义齿基复合材料的弯曲强度和弯曲模量有明显的升高。

(2)对于第二组的织物密度对比试验数据(表2、表3 和表4)，取 a=2、b=5，则 F0.05=238.9，F0.01=5 982。分析结果见表10、表11和表12。

表10 不同密度的平纹织物复合材料方差分析

表11 不同密度的斜纹织物复合材料方差分析

经过方差分析，发现织物密度对义齿基托复合材料的弯曲强度和弯曲模量的增加有显著影响，在一定范围内织物密度越小，力学性能越好。

表12 不同密度的缎纹织物复合材料方差分析

(3)对于第三组的组织对比试验数据(表5和表6)，取 a=3、b=5，则 F0.05=19.41，F0.01=99.42。分析结果见表13和表14。

表13 不同组织的低密织物复合材料方差分析

表14 不同组织的中密织物复合材料方差分析

经过方差分析，发现不同的织物组织对义齿基托复合材料的性能同样有非常显著的影响。缎纹织物对PMMA树脂基的增强优于斜纹织物，更优于平纹织物;而针织物对树脂基的增强作用没有机织物明显。

(4)第四组则是经过偶联剂处理的织物与没有经过偶联剂处理的织物对义齿基托复合材料增强作用的对照试验(表7、表8和表9)，取 a=2、b=5，则 F0.05=238.9，F0.01=5 982。方差分析结果见表15、表16和表17。

表16 表面处理前后斜纹织物复合材料方差分析

表17 表面处理前后缎纹织物复合材料方差分析

由上述分析可知，经过表面处理的织物因为界面结合得更好，赋予了义齿基托复合材料更高的弯曲强度和弯曲模量，而且抗疲劳性能也明显增加。

3 结语

(1)经UHMWPE纤维织物加强的PMMA与试验对照组相比，加强的PMMA的弯曲强度明显提高。这说明UHMWPE纤维织物能够明显提高PMMA基托的弯曲强度，但同时又保持了PMMA的柔韧性。

(2)在一定范围内，与密度大的织物相比，密度小的织物对义齿基托复合材料的弯曲强度提高作用更加明显。可能是因为密度小的织物更加柔韧，界面结合较好。

(3)机织物比针织物的增强效果明显，可能是因为机织物的纤维含量较多;缎纹织物复合材料比斜纹织物复合材料的弯曲性能高，斜纹织物复合材料的弯曲性能则高于平纹织物复合材料。

(4)表面处理使纤维和树脂这两种不同的材料达到有效结合。对于PMMA基体来说，经过表面处理的UHMWPE纤维织物比没有经过处理的织物具有更明显的增强作用。

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