Лекція 2 основні властивості стоматологічних матеріалів
Лекція 2 Основні властивості СТОМАТОЛОГІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
Основні групи властивостей, їх значення для відновлювальної стоматології. Фізико-хімічні та фізико-механічні властивості. Порівняння властивостей відновлювальних матеріалів з властивостями натуральних тканин зубів. Поняття теоретичної міцності і концентрації напружень.
Головною метою стоматологічного матеріалознавства, про яку ми говорили в попередній лекції, є створення комплексу «ідеальних» матеріалів для відновлення зубів і зубощелепної системи. Саме на це спрямовано вивчення складу, будови і властивостей матеріалів для стоматології, а також закономірностей зміни цих властивостей під впливом фізичних, механічних і хімічних чинників. Основним методом і інструментом цього вивчення в стоматологічному матеріалознавстві є визначення комплексу властивостей матеріалів, що мають принципове значення для їх застосування в умовах порожнини рота.
Під діючими факторами порожнини рота маються на увазі: коливання температури, висока постійна вологість, присутність електролітній середовища. Перераховані фактори позначаються на змінах таких фізичних властивостей матеріалу, як теплопровідність, зміни розмірів і обсягу при підвищенні або зниженні температури, сорбція ротових рідин, можливість виникнення гальванічних струмів.
До фізичних властивостей відносяться і оптичні властивості матеріалів, що визначають естетичну якість відновлення зубів, які ми більш детально розглянемо в подальшому. Зміни, що відбуваються в матеріалі в результаті хімічної взаємодії, хімічних реакцій, відображають його хімічні властивості. Функціональні навантаження, що впливають на відновлювальні матеріали, висувають певні вимоги до їх механічними властивостями.
Результати вивчення властивостей стоматологічних матеріалів мають не тільки теоретичне, а й безпосередньо практичне значення, пов'язане з регулюванням властивостей шляхом зміни складу матеріалів і розробкою оптимальних методів і технологій застосування матеріалів в різних областях стоматології.
Які ж властивості матеріалів мають принципове значення для застосування в стоматології? Весь комплекс властивостей ми розіб'ємо на наступні: фізичні, механічні, хімічні, естетичні та «біологічні». Не слід забувати і про технологічні властивості матеріалів. Саме вони визначають можливість виготовлення з того чи іншого матеріалу пломби, зубний коронки або зубного протеза.
Строго розмежувати властивості матеріалів на фізичні, хімічні та механічні не завжди вдається, тому частіше користуються такими комплексними поняттями для характеристики різних матеріалів, як фізико-механічні та фізико-хімічні властивості. Слід зауважити, що не тільки естетичні властивості матеріалів, а й показники біосумісності пов'язані з їх фізичними і хімічними характеристиками.
До фізичних властивостей ми відносимо щільність, тепло- і електропровідність, а також реологічні і оптичні властивості матеріалів (схема 2.1)
Коефіцієнт теплопровідності вимірюють за кількістю тепла в калоріях в секунду, яке проходить через зразок матеріалу товщиною 1 см і площею поперечного перерізу 1 см 2. коли різниця температури на кінцях зразка становить 1 ° С. Чим вище цей показник, тим більше здатне речовина пропускати через себе теплову енергію, і навпаки. Коефіцієнт теплопровідності виражається в кал / см. с. град
Значення коефіцієнта теплопровідності (К) натуральних тканин в порівнянні з рядом відновлювальних матеріалів *
* На основі даних WJ. O'Brien «Dental Materials and Their Selection», Quintessence Publ. Co. Inc, 3 вид.
Значення коефіцієнта лінійного термічного розширення (α) для деяких стоматологічних матеріалів *
Механічні властивості матеріалів підпадають під дію законів механіки, тобто розділу фізики, що вивчає закономірності впливу енергії і сили на фізичні тіла. Жувальні і інші функціональні навантаження - сили, які діють на стоматологічні матеріали при заміщенні ними загублених натуральних тканин зубів або зубного ряду. Залежно від функцій, розжовування твердої або м'якої їжі, ковтання і від виду зуба (різці, ікла, премоляри, моляри) жувальної
* На основі даних W.J. O'Brien «Dental Materials and Their Selection», Quintessence Publ. Co. Inc, 3 вид.
ная навантаження коливається в діапазоні від 50 до 300 Н (іноді і до 500 Н). Найбільше навантаження припадає на жувальні (бічні) зуби. Механічні властивості визначають, як поведе себе матеріал під дією цих сил.
Слід пам'ятати, що сила - вектор, дія якої визначається чисельної величиною, напрямком і точкою докладання. З точки зору механічних властивостей відновлювальних матеріалів в стоматології не менш важливо час дії сили.
Механічні властивості твердих тіл - міцність на розтяг, стиск, вигин, крутіння, удар, твердість і ін. - характеризують опір матеріалів впливу різних навантажень і в значній мірі визначають область їх застосування при відновленні зубів (схема 2.2).
Під дією навантаження в твердому тілі відбуваються зміни (деформації) або воно руйнується. Розрізняють пружні, або оборотні, деформації (після зняття навантаження до твердого тіла повертається його початкова форма) і залишкові (необоротні або пластичні, після припинення дії навантаження форма і розміри тіла змінюються).
Матеріали за фізичними властивостями поділяють на:
• ізотропні (властивості матеріалу однакові в будь-яких напрямках, наприклад метали, каучук);
• анізотропні (властивості в різних напрямках не однакові, наприклад дерево, волокна, шаруваті пластики).
При деформації зразка матеріалу під дією сили або навантаження, крім зміни його розмірів в поздовжньому напрямку, спостерігається зміна розмірів і в поперечному. Так, при розтягуванні зразка матеріалу спостерігається, крім поздовжнього подовження, його поперечне звуження. Ставлення відносної поперечної деформації до відносної поздовжньої деформації називають коефіцієнтом поперечної деформації - коефіцієнтом Пуассона (ν - коефіцієнт Пуассона, характеризує пружні властивості матеріалу). Для більшості матеріалів ν = 1/4 - 1/3.
Міцність відновного матеріалу має принципове значення для вибору конструкції зубного протеза або будь-якого виду відновлення зубів і зубощелепної системи. Міцністю зазвичай називають здатність будь-якого предмета або вироби, в нашому випадку зубного протеза або пломби, протистояти прикладеним до них навантажень, не руйнуючись і не проявляючи зайву і необоротну деформацію.
Важливим показником, який визначає жорсткість матеріалу і його здатність витримувати прикладені навантаження без значних деформацій, є показник модуля Юнга - модуля пружності (еластичності). Його визначають, знаючи дані напруги і деформації, які виникають в зразку матеріалу під дією прикладеної сили, навантаження (рис. 2.1).
За даними літератури, показники модуля пружності емалі та дентину натуральних зубів коливаються в широкому діапазоні, в залежності від виду зуба і методу випробувань. Так, модуль пружності при стисканні емалі може досягати 46 000-48 000 МПа, а дентину - 11 000-18 000. Міцність при стисненні даних натуральних тканин може скласти в середньому до 300 МПа
З практичного досвіду відомо, що кераміка здатна руйнуватися миттєво і раптово без видимої деформації або течії. Метали здатні текти і подовжуватися до 120% від їх первісної довжини, перш ніж зруйнуватися. Полімери в основному не міцні і дуже еластичні в порівнянні з металами і керамікою. Знання складу і особливостей структури цих матеріалів дозволяє пояснити перераховані відмінності.
Існує можливість теоретично передбачити міцність матеріалу, виходячи з його будови, даних міцності міжмолекулярних і міжатомних зв'язків. Це так звана теоретична міцність матеріалу. Однак показники реальної міцності матеріалів, отримані з випробувань, у багато разів (10-100) нижче теоретичної розрахункової міцності. Реальні вироби або зразки, виготовлені з різних матеріалів, не мають ідеально гладкій поверхні. Більшість виробів в стоматології - пломби, штучні коронки, мостоподібні незнімні зубні протези і т.п. - мають неправильну геометричну форму з вигинами, кутами, надрізами, в яких будуть концентруватися напруги під дією жувальних навантажень. Такі ділянки виробів зазвичай називаються концентраторами напруги. Величина напруги навколо концентратора може у багато разів перевищувати середнє значення напруги в тілі або зразку. Причому зростання напруги навколо концентратора буде залежати від форми концентратора. Крихітні подряпини, практично завжди знаходяться на поверхні всіх матеріалів навіть після полірування, поводяться як тонкі і гострі надрізи, вершини яких настільки гострі і тонкі, що можуть потрапити в міжмолекулярні простору в структурі матеріалу. Таким чином, концентрація напруги в вершинах цих крихітних подряпин може призводити до напруг, що досягає значень теоретичної міцності даного матеріалу при відносно низькому значенні середньої напруги.
Коли концентратори діють в крихкому матеріалі, такому як кераміка, в ньому утворюється тріщина, яка миттєво распространяет-
ся за матеріалом, приводячи до його руйнування. Якщо такий концентратор напруги виник в пластичному металі, матеріал в зоні вершини концентратора напруги деформується під його впливом і перетворює гострий надріз в закруглену канавку. Через те, що вершина концентратора напруги стає закругленою, а не гострою, значення напруги в ній значно знижується. Саме так і відбувається в металах і металевих сплавах, що володіють ковкістю, інакше кажучи, пластичністю.
Низька міцність полімерів у порівнянні з керамікою і металами зрозуміла з особливостей молекулярної будови, згідно з яким існують сильні зв'язки всередині полімерних ланцюгів і слабкі - між ланцюгами. Слабкі вторинні зв'язку між полімерними ланцюгами дозволяють цим ланцюгах ковзати відносно один одного при напружених набагато нижче, ніж напруги, необхідні для руйнування зв'язків в самих ланцюгах.