吸湿作用对牙齿充填材料的损伤数值分析

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1、http://www.paper.edu.cn吸湿作用对牙齿充填材料的损伤数值分析樊建平，朱水文华中科技大学土木工程与力学学院，武汉（430074）摘要：通过建立三维有限元单胞模型，考虑界面脱胶损伤效应，对羟基磷灰石颗粒增强1Bis-GMA/TEGDMA聚合物（HA/Bis-GMA/TEGDMA）在吸湿作用下的损伤场进行了研究。文中建立了三种不同的单胞模型，分别用来研究不同的颗粒含量、粘结强度和吸湿率对界面脱胶损伤的影响，研究了应力分布形式和应力传递方式。采用考虑损伤和不计损伤模型预测了Bis-GMA/TEGDMA复合材料的杨氏模量和断裂强度，结果显示考虑脱胶损伤时，其结果

2、与现有的实验数据相吻合。本文还就应力传递屏蔽作用进行了对比研究，并将FCC单胞模型推广，用于预测承受三点弯曲测试的临界载荷。关键词：吸湿率；牙齿充填材料；界面脱胶损伤；有限元方法（FEM）；单胞模型中图分类号：R781.引言在牙齿修复研究与应用领域，越来越多地使用有机聚合物作为填充材料以取代传统的汞银合金。充填材料是一种颗粒增强复合材料，通常以聚甲基丙烯酸酯为基体，以硅烷无机颗[1]粒，如HA为增强相。其典型优点为：无毒无害，在有氧和水的情况下，能发生快速聚合[2]反应，与天然牙之间具有良好的粘结能力。该材料在人体口腔环境中具有一定的耐久性，包括抵抗腐蚀和磨损的能力。由于它

3、半透明性，具有和各种色泽的自然牙齿协调的颜色，以及色泽稳定能力，在美学上体现极大的诱惑力。尽管如此，在一定湿度条件下，聚合物有吸水吸湿特性，水分比的变化将会改变材料的应力状态，同时影响材料的物理性能。现有的研究显示水的扩散主要在树脂内进行，并受树[3,4]脂组织结构的影响。由于基体材料和增强颗粒之间体积膨胀不匹配导致局部应力场和应[5]变场的变化。当应力超过了界面强度时，基体和颗粒发生界面脱胶，最终对牙齿材料造成不可逆损伤。通常为了确定吸湿率对复合材料性质的影响，需要做很多繁琐的实验工作，以使牙齿充[1,2,6-8]填材料满足临床应用需要。实验研究有时需要一年甚至更长时间才

4、能得到有价值的数据。显而易见，如果能够成功应用数值预测模型，将会节省大量的时间和资源，并对牙齿充填材料产业产生积极有益的作用，进一步促进聚合物牙齿充填材料的广泛应用。有限元方法在生物力学领域已经得到了广泛的应用，成功应用于评估生物材料或植入物[9,10]和天然组织之间的界面性能。Ensaff等人用有限元方法，通过改变界面厚度和刚度，研[11]究了经充填修复后的牙齿结构中应力场和位移场。由于牙齿的几何形状很复杂，并且承受聚合收缩和咬合载荷双重作用，尽管已有研究者用有限元方法分析其应力分布和应变分布[12-14]规律。但是，还未发现有研究文章考虑由聚合收缩的损伤效应。本论研究吸

5、湿率对牙齿充填材料的力学行为，采用通用有限元软件ABAQUS，并结合用户子程序，进行数值模拟，研究了由于材料性能不匹配而引起的界面脱胶损伤。数值模拟采用了三种单胞模型，分别为简单立方（SC）、体心立方（BCC）和面心立方（FCC），每种模型都包括颗粒、界面层与基体三种材料，用移走单元技术模拟层间脱胶。本研究的结果对于理解牙齿充填材料，包括HA颗粒和聚甲基丙烯酸酯树脂的力学行为很有帮助，同样可1本课题得到教育部博士学科点专项科研基金支助项目（20070487066）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn以用于改进现有的商业口腔材料或发展更好的复合材料树脂

6、。2.材料和方法2.1材料作为现有商业牙齿充填材料的组成相，Bis-GMA是一种常见二甲基单体。它是双酚A和甘油酯甲基丙烯酸酯（GMA）的反应物。因为它的低挥发性和扩散性，相比其它中小[15]型牙科材料单体，Bis-GMA的优势在于低收缩率，高模量和无毒性。但由于Bis-GMA的强度、刚度不足，加入陶瓷颗粒能够有效改善其力学性能，并降低固化收缩和热膨胀系数。由于Bis-GMA本身的高粘度，限制了添加颗粒的数量。通常需加入稀释剂单体，如三甘醇二甲基（TEGDMA）等。然而，TEGDMA增加了材料的吸湿率和固化收缩时间，对牙齿[16]充填材料的性质产生不利的影响。牙本质是一种优

7、良的天然复合材料，由主要含有胶原蛋白再加上少量柠檬酸等有机基体和无机填料，主要包括纳米尺寸的(10～100nm)hydrox-yapatite（HA）颗粒构成的。原则上，[17,18]对于牙齿组织来说，采用颗粒HA增强的有机树脂是一种很好的修复材料。因为合成HA颗粒具有类似于天然牙齿的硬度，使用HA来修复牙齿具有显著的优势，比如：内在的不透光反应，色泽稳定，优良的抗磨损性。同时这种材料还比大部分常用的填充物（例如钡，[18,19]锌玻璃，石英，氧化锆，硅，氧化铝）便宜。与那些常用于牙齿修复的高活性聚合物相[20]比