剪切測試模型的優(yōu)化及其在臨床材料篩選中的應(yīng)用.pdf

1、粘結(jié)技術(shù)是現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)的重要支柱，剪切測試則是評價其核心指標(biāo)的測試方法。然而在該測試過程中表現(xiàn)出測試結(jié)果穩(wěn)定性差、數(shù)據(jù)變異大的不足，其標(biāo)準(zhǔn)差可高達20-50％（ISO數(shù)據(jù)）。因此，降低實驗誤差水平，提高實驗的鑒別能力成為一項非常迫切的任務(wù)。許多學(xué)者都在為致力于剪切測試的標(biāo)準(zhǔn)化工作而努力，以增進研究結(jié)果之間的穩(wěn)定性和可比性。目前的研究主要集中在牙齒的選擇、保存，牙本質(zhì)的取材，試件的表面處理，粘結(jié)過程的設(shè)計，測試前的臨床環(huán)境模擬以及剪切加載

2、因素等方面?，F(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)對上述因素逐步進行了規(guī)范，然而對模型的設(shè)計及力學(xué)相關(guān)影響因素的關(guān)注尚不充分。而模型的設(shè)計對于測試中粘結(jié)界面的應(yīng)力分布有著非常重要的影響，其意義甚至可能超出標(biāo)本選擇和試件處理等因素。因而有必要通過力學(xué)分析對剪切測試的可能影響因素進行深入研究，為剪切測試方法的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)；并建立能夠被人們接受，且可以帶來穩(wěn)定測試結(jié)果的剪切強度測試模型。另外，我們嘗試利用剪切測試的標(biāo)準(zhǔn)模型探討臨床材料力學(xué)屬性對粘結(jié)界面應(yīng)力分布的影

3、響規(guī)律，為材料的篩選和研究工作提供參考。本研究共分三個部分：
　　第一部分剪切測試中的力學(xué)影響因素分析：本部分擬探討幾種模型因素對剪切測試應(yīng)力分布的影響，其將有助于理解剪切測試結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，并為剪切測試標(biāo)準(zhǔn)的改進提供參考。
　　實驗一：針對粘結(jié)試件制作過程中可能出現(xiàn)的三種粘結(jié)劑邊界形態(tài)（邊緣缺陷型，規(guī)則界面和帶有菲邊的邊緣形貌），應(yīng)用二維有限元法進行剪切加載條件下的應(yīng)力分布和峰值對比研究。選擇具有代表意義的最大主應(yīng)力和

4、剪應(yīng)力指標(biāo)進行結(jié)果的評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)帶有邊緣缺陷的剪切模型會在牙本質(zhì)層內(nèi)產(chǎn)生最高水平的應(yīng)力集中，而規(guī)則界面最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在粘結(jié)劑上邊緣區(qū)域，應(yīng)力的峰值也較高；帶有邊緣菲邊的模型最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力峰值分布在粘結(jié)劑的菲邊上，應(yīng)力的峰值水平最低。較大尺寸的菲邊牙本質(zhì)層內(nèi)的應(yīng)力水平也較低；對于一般尺寸大于5μm的菲邊最大主應(yīng)力的峰值位于菲邊基部，這可能會影響到測試界面斷裂的形式。邊緣缺陷模型的最大應(yīng)力較邊緣菲邊模型可高出40％以上，

5、在試件的制作中避免或降低邊緣形態(tài)的差異性是提高測試穩(wěn)定性的一個重要因素。
　　實驗二：應(yīng)用二維有限元法分析了試件中牙本質(zhì)自由端厚度及其直徑大小對粘結(jié)界面最大主應(yīng)力及剪應(yīng)力水平的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型中不同牙本質(zhì)（自由端）厚度會對粘結(jié)界面的最大主應(yīng)力峰值產(chǎn)生一定水平的影響（變化范圍<14％），其隨厚度增大敏感度逐漸下降。試件牙本質(zhì)的直徑大小對于應(yīng)力峰值的影響則非常明顯（變化范圍<274％），在牙本質(zhì)直徑與粘結(jié)界面相等，實現(xiàn)平齊界面形式的

6、情況下應(yīng)力集中現(xiàn)象基本消失，應(yīng)力分布的模式變得均勻平滑，這主要歸功于這一極限模擬形式消除了界面形態(tài)的突變。這一界面分析的結(jié)果可以與臨床粘結(jié)界面形式相互借鑒。分析表明牙本質(zhì)的厚度和大小在操作中應(yīng)該予以規(guī)范。
　　實驗三：人們在拉伸測試實驗中發(fā)現(xiàn)粘結(jié)面積會對粘結(jié)強度產(chǎn)生影響，因而設(shè)計了現(xiàn)行尺寸的微拉伸實驗。然而對于剪切實驗粘結(jié)面積的報道說法并不一致。為此我們在保持模型形狀與加載比例的基礎(chǔ)上，設(shè)計了不同粘結(jié)面積剪切、（微）拉伸測試模型的

7、應(yīng)力分析，以期揭示出現(xiàn)上述現(xiàn)象的力學(xué)機制。結(jié)果表明：減小模型粘結(jié)面積不會對模型的應(yīng)力分布模式有明顯的優(yōu)化作用。減小微拉伸試件面積，反而使得粘結(jié)邊界上最大主應(yīng)力水平升高，應(yīng)力分布趨向不合理；減小模型面積對于剪切測試模型的影響很?。?％）；這從理論分析上來看是由于模型中相對較大的粘結(jié)劑厚度所致。微拉伸相對于普通拉伸測試所體現(xiàn)出的模型優(yōu)勢應(yīng)歸因于試件形狀的改變。
　　實驗四：有研究發(fā)現(xiàn)，加載方式的微小變化可以引起剪切測試強度高達1.7倍

8、的差異性。為揭示這一現(xiàn)象發(fā)生的力學(xué)機制并探究適合剪切測試的最佳加載策略，我們利用Pro/E軟件建立了剪切測試的三維有限元模型，并在AnsysWorkbench中分別對該模型采用了點加載和線加載的方式進行對比研究。結(jié)果表明：線加載方式所獲得的應(yīng)力分布模式要顯著優(yōu)于點加載的實驗?zāi)Ｊ剑缑嫔系淖畲笾鲬?yīng)力和剪應(yīng)力峰值也顯著降低。因而認為線加載方式更加有利于剪切測試結(jié)果的穩(wěn)定。
　　實驗五：由于圓形粘結(jié)面在剪切加載條件下，不可避免的使得最大

9、應(yīng)力集中在圓形截面頂部的小范圍內(nèi)，我們設(shè)想通過改變模型截面的設(shè)計，獲得有利于剪切測試結(jié)果穩(wěn)定的應(yīng)力分布模式。在Pro/E軟件中分別建立圓形和方形兩種粘結(jié)截面形狀的模型，并導(dǎo)入AnsysWorkbench中進行加載分析。結(jié)果表明：方形截面模型的應(yīng)力峰值水平較圓形截面有所降低，在應(yīng)力分布模式上形成了沿方形截面邊緣平滑分布的連續(xù)應(yīng)力區(qū)域，這有助于穩(wěn)定的呈現(xiàn)粘結(jié)界面的缺陷水平。
　　第二部分剪切測試模型的改進與優(yōu)化：本部分實驗中嘗試設(shè)計一

10、種改進的剪切測試模型，對其進行三維自適應(yīng)建模和多變量優(yōu)化分析。進而設(shè)計相關(guān)模具、制作試件，對其檢測效能進行驗證。
　　實驗一：新設(shè)計的模型以方形樹脂端的參數(shù)為基礎(chǔ)，分別以相鄰接觸面為參考平面依次建立相同邊長的粘結(jié)劑層和牙本質(zhì)層結(jié)構(gòu)特征。將模型導(dǎo)入AnsysWorkbench中實現(xiàn)模型的自適應(yīng)組裝。在相同表觀強度的剪切加載中發(fā)現(xiàn)：新建的方形均勻截面模型在應(yīng)力分布上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的剪切測試模型，模型的上邊緣應(yīng)力分布平滑連續(xù)且應(yīng)力最大值位

11、于邊緣中央?yún)^(qū)域。局部最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力峰值水平顯著下降約70％。
　　實驗二：利用大型軟件之間的無縫接口，定義最大主應(yīng)力及其綜合加權(quán)指標(biāo)為目標(biāo)變量，對包括加載距離，牙本質(zhì)厚度和粘結(jié)面邊長在內(nèi)的多變量進行綜合分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：牙本質(zhì)自由端厚度范圍在0.5-1.5mm時對目標(biāo)變量的影響很小。在這一結(jié)果基礎(chǔ)上將牙本質(zhì)自由端厚度設(shè)為1.0mm，基于盡量應(yīng)用較大粘結(jié)面邊長獲得穩(wěn)定粘結(jié)界面缺陷信息的原理，采用4.0mm的粘結(jié)面邊長；最后經(jīng)過單變

12、量精確優(yōu)化分析，推薦加載距離為1.87mm。各變量對結(jié)果的影響敏感性排序為：粘結(jié)面邊長>加載距離>牙本質(zhì)自由端厚度。
　　實驗三：按照實驗二的模型參數(shù)，設(shè)計相關(guān)金屬模具，加工制作方形試件。對試件四周進行打磨修整，使其達到金屬模具嚴格限定的尺寸（4.0mm）。按照推薦的加載距離進行加載并與傳統(tǒng)剪切測試模型的測試結(jié)果進行比較。結(jié)果表明：優(yōu)化后新模型的測試結(jié)果與傳統(tǒng)模型的測試結(jié)果之間有顯著性差異。新模型的結(jié)果穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)模型，標(biāo)準(zhǔn)

13、差由傳統(tǒng)模型的38.5％下降至5.9％。
　　第三部分剪切測試有限元模型在臨床材料篩選中的應(yīng)用：實驗中我們嘗試利用標(biāo)準(zhǔn)剪切測試這一基本有限元模型對臨床上承受剪切載荷的條件下，不同臨床材料對粘結(jié)（或結(jié)合）界面的應(yīng)力影響規(guī)律進行分析；以期對臨床醫(yī)生選擇修復(fù)材料的種類以及相關(guān)材料的研究工作提供幫助。
　　實驗一：在剪切力加載作用下，分析粘結(jié)劑彈性模量對粘結(jié)界面內(nèi)應(yīng)力大小和分布模式的影響。旨在反映剪切加載模式下粘結(jié)劑彈性模量影響粘結(jié)

14、界面應(yīng)力水平的一般規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：隨著粘結(jié)劑彈性模量的升高，牙本質(zhì)和粘結(jié)劑層的總變形量逐漸減小，而兩者的平均應(yīng)力以及最大主應(yīng)力峰值卻迅速升高，尤其在低彈性模量范圍內(nèi)（1-5.5GPa），應(yīng)力變化更為迅速。因此，對于主要承受剪切載荷的臨床情況宜選擇彈性模量較低的粘結(jié)劑材料。實驗二：不同的修復(fù)材料，其物理力學(xué)屬性各不相同。那么材料所具有的不同力學(xué)屬性（彈性模量，泊松比）究竟對牙本質(zhì)粘結(jié)界面的穩(wěn)定性影響如何呢？在本實驗研究中，我們對一定范圍內(nèi)

15、的彈性模量和泊松比進行了模擬，結(jié)果表明：修復(fù)材料的彈性模量對粘結(jié)界面的應(yīng)力水平影響顯著，而泊松比的作用微弱。并對臨床常用的多種材料在剪切載荷條件下粘結(jié)界面上的應(yīng)力分布進行了對比，結(jié)果表明：在相同剪切載荷條件下，彈性模量較高的金屬和陶瓷材料可以在粘結(jié)界面的最薄弱部位，即牙本質(zhì)-粘結(jié)劑界面上產(chǎn)生更低水平的破壞應(yīng)力。
　　實驗三：針對目前鈦瓷結(jié)合效果欠佳的問題，本研究嘗試對不同彈性模量鈦合金表面烤瓷的受力情況進行分析，以期從機械力學(xué)角度

16、揭示低彈性模量鈦合金應(yīng)用于改善鈦瓷界面應(yīng)力水平的可能性。結(jié)果表明：低彈性模量鈦合金在剪切載荷模式下具有應(yīng)力優(yōu)化作用；然而在彎曲載荷下低彈性模量鈦合金需要大于2mm的金屬層厚度才能在變形最大的中央部分獲得足夠的剛度效果。低彈性模量鈦合金在牙科烤瓷應(yīng)用的綜合力學(xué)性能有待進一步深入研究。
　　小結(jié)本研究得出以下結(jié)論：
　　1多種力學(xué)因素對剪切測試模型的應(yīng)力分布有著不同的影響規(guī)律，這在測試的標(biāo)準(zhǔn)化工作中應(yīng)該予以考慮。
　　2新