冷热循环处理对纤维桩弯曲强度的影响

李 凌 李连生 孙志辉

由于纤维桩的弹性模量较金属桩更接近牙本质，被认为可以降低核桩修复后牙根折裂的发生率[1-4]。由于纤维桩具有金属桩无可比拟的美学效果，近年来在口腔修复中的应用越来越广泛[5]。纤维桩是由基质包裹高含量的连续纤维制成，基质通常是环氧树脂或其它具有高度转化率和高度交叉结合结构的聚合物[6，7]。目前，口腔修复中常用的纤维桩的成分主要为玻璃纤维和石英纤维。

纤维桩修复的效果与其力学性能，如弯曲强度、弹性模量等关系极为密切。纤维桩折断是其临床治疗失败的主要原因之一。我国医药行业标准中规定，对于纤维桩，其弯曲强度应不低于400MPa[8]。研究人员对影响纤维桩弯曲强度的因素进行了大量的研究，认为纤维桩中纤维的种类、用量、编织方式及纤维与树脂间结合效果等均会影响材料的弯曲强度[9-11]，但多数厂家不会公布其产品的制作细节，临床医生只能根据检测结果来了解纤维桩的性能。目前各项基础研究往往忽略修复体在患者口腔中要经历不同温度的食物。由于纤维桩是由纤维成分及树脂构成的复合材料，纤维与树脂具有不同的热膨胀系数，长期、频繁的冷热交替必然会造成复合材料的破坏。体外冷热循环实验能大致模拟口腔环境，是检验各种修复材料耐久性的常用方法之一[12]，目前尚未见到冷热循环实验对纤维桩弯曲强度影响的报道。

本文选取3 种不同品牌的纤维桩坯体，观察及测试其冷热循环实验前后的微观表面形貌及弯曲强度的变化，与未经处理的试件进行对比，对冷热循环处理对纤维桩弯曲强度的影响进行研究。

1. 材料与方法

1.1 实验材料与仪器 纤维桩坯体：实德隆，康特威尔登特和ITENA SAS，三种试件均为圆柱形，直径均为φ1.6mm，锥度为零；电子数显卡尺(0-150mm)精确度：0.001mm， 广陆数字测控股份有限公司(广西桂林)；电子万能材料实验机：Instron 3367(Instron Ltd，美国)；冷热循环仪：(苏州威尔实验用品有限公司)；扫描电子显微镜：(S4800，日立，日本)。

1.2 方法

1.2.1 分组与实验方法 将各品牌纤维桩坯体切割成长度为20mm 的试件。每种品牌纤维桩试件随机分成两组，每组10 根，一组作为对照组，不进行冷热循环实验，只进行表面形貌观察和弯曲强度实验；另一组作为实验组，先做表面形貌观察，再作冷热循环组，将试件在冷热循环仪中进行冷热循环处理，每循环1 次，试件在5℃和55℃的冷、热水槽中分别停留30s，共循环5000 次[13]。冷热循环实验完成后，再进行一次表面形貌观察，最后进行弯曲强度实验。

1.2.2 弯曲强度测试与计算 跨距10mm，支点及压头的曲率半径为1mm。在试样中央处做标记，并在相互垂直的两个方向上测量该处的直径(即与压头接触点的试样直径)，取两次测量的平均值，精确到0.01mm。将试样放置在弯曲实验装置上，压头对准中央标记，并保持试样轴线与支点圆柱轴线垂直，见图1。以1.0mm/ min 的速度进行加载，直至试样断裂，记录实验过程的数据并计算结果。

式中：

σ——弯曲强度，MPa；

F——施加的最大载荷，N；

L——两支点间的距离，mm；

d——与压头接触位置处试样的直径，mm。

图1 三点弯曲强度实验，试件，支点与压头

1.2.3 统计分析 用SPSS13.0 软件对每种纤维桩实验组与对照组弯曲强度测试结果先计算其95%可信区间，然后做独立样本t检验，最后对三种纤维桩的实验组数据做单因素方差分析，LSD检验进行组间比较，设显著性水平α=0.05。

2. 结果

2.1 弯曲强度 计算三种品牌纤维桩实验组与对照组的弯曲强度的95%可信区间，并列入表1。由测试结果可知，在三种品牌的纤维桩中，实德隆纤维桩的实验组与对照组的弯曲强度最大，ITENA SAS 纤维桩次之，康特威尔登特纤维桩最小。三种品牌纤维桩在经过冷热循环处理后，其弯曲强度均有所下降，但均大于400MPa。

2.2 统计分析 三种品牌纤维桩实验组与对照组弯曲强度独立样本t检验结果显示，实德隆组(t=3.196，P=0.091 ＞0.05) 与 ITENA SAS (t=3.694，P=0.071＞0.05)组没有显著性差异。康特威尔登特组有显著性差异(t=8.582，P=0.009＜0.05)。

三种品牌纤维桩实验组弯曲强度单因素方差分析结果：三组间全不相等，LSD 法检验结果显示，三组间两两比较均有显著性差异(F=3.495，P=0.045)。

2.3 SEM 分析 图2 为未经冷热循环处理的三种纤维桩SEM 照片。图3 为经过冷热循环处理后的SEM 照片。图2 和图3 显示，三种不同品牌的纤维桩经过冷热循环处理后，其表面附着的树脂颗粒均明显减少。

图2 未经温度循环处理的三种纤维桩SEM 照片

图3 经过温度循环处理的三种纤维桩SEM 照片

3. 讨论

三组试件独立样本t 检验结果显示，实德隆组与ITENA SAS 组的弯曲强度测试结果受温度循环实验影响没有显著性差异(P＞0.05)，而康特威尔登特组受温度变化影响具有显著性差异(P＜0.05)。虽然实德隆与ITENA SAS 纤维桩的实验组与对照组在统计上并没有表现出显著性差异，但两实验组弯曲强度平均值均有不同程度的下降，说明温度循环处理对这两种纤维桩存在影响；三种纤维桩实验组试件单因素方差分析结果显示，三组试件弯曲强度两两比较仍有显著性差异，说明经过温度循环实验后，三组试件之间弯曲强度仍有较大差异，可以将温度循环实验作为检测纤维桩质量的指标之一。

Sorensen 等[14]认为疲劳实验是评估和预测口腔环境对修复体影响的标准方法。目前检验各种修复材料耐疲劳性能的方法主要有循环加载实验和体外冷热循环实验，而温度循环实验被认为是一种疲劳实验，可以较好地模拟修复体在口腔中行使咀嚼功能的状态，通过改变周围环境温度的方法来对比纤维桩在常温状态下与外界温度频繁变换状态下弯曲强度的变化。

温度循环实验导致试件弯曲强度下降的主要原因在于纤维桩中的纤维成分与树脂基质的热膨胀系数不同，在冷热循环过程中，纤维桩中的纤维成分与树脂基质之间形成一定的热应力，从而造成界面脱粘，造成纤维成分与树脂基质的粘接强度下降，因此在一定程度上导致纤维桩的弯曲强度下降。由SEM 结果(图2 和图3)也可以发现，经冷热循环处理后的纤维桩表面附着的树脂颗粒明显减少，由此可以证明冷热循环实验的确可以造成材料在结构上的破坏。也有学者认为纤维桩中的纤维与基质的降解也可以导致纤维桩弯曲强度的下降[15]。

由于纤维桩弯曲强度主要来自于其中的纤维成分，各种品牌的纤维桩由于其纤维成分与树脂基质的比例存在差异，从而造成其在常温状态下以及在外界温度频繁变化状态下的弯曲强度的不同。本实验选择的三种品牌的纤维桩均为玻璃纤维桩，造成实验结果出现较大差异是由于纤维与基质间的结合缺陷，纤维成分与树脂基质的比例不同或是纤维的编织方式不同等等原因[9-11]。这就提示我们，在纤维桩的设计与制作过程中，改善其制作方式，可以较大限度地提高其抵抗温度变化的性能。

纤维桩在口腔实际应用时，是包裹在牙根和牙冠之中的，在通常情况下，它所经受的温度变化较实验条件相对温和，但对于某些习惯于边喝冷饮边吃热食的患者来说，纤维桩抵抗温度急速变化的性能就显得尤为重要。对于这类患者，本实验设定的实验条件并不十分严苛，而5000 次的温度循环也远远低于纤维桩在使用期限内所经历的温度变化次数。本实验提示口腔修复医师，频繁的温度变化会对纤维桩的弯曲强度造成影响。在临床修复过程中，应考虑纤维桩抵抗外界温度变化的性能。选择抵抗温度变化性能优良的纤维桩，将有助于制作出性能优良的修复体，本实验可为愿意做出这种考虑的口腔修复医师提供参考依据。

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