ЛЕКЦИЯ 2 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Основные группы свойств, их значение для восстановительной стоматологии. Физико-химические и физико-механические свойства. Сравнение свойств восстановительных материалов со свойствами натуральных тканей зубов. Понятие теоретической прочности и концентрации напряжений.

Главной целью стоматологического материаловедения, о которой мы говорили в предыдущей лекции, является создание комплекса «идеальных» материалов для восстановления зубов и зубочелюстной системы. Именно на это направлено изучение состава, строения и свойств материалов для стоматологии, а также закономерностей изменения этих свойств под влиянием физических, механических и химических факторов. Основным методом и инструментом этого изучения в стоматологическом материаловедении является определение комплекса свойств материалов, имеющих принципиальное значение для их применения в условиях полости рта.

Под действующими факторами полости рта подразумеваются: колебания температуры, высокая постоянная влажность, присутствие электролитной среды. Перечисленные факторы отражаются на изменениях таких физических свойств материала, как теплопроводность, изменения размеров и объема при повышении или понижении температуры, сорбция ротовых жидкостей, возможность возникновения гальванических токов.

К физическим свойствам относятся и оптические свойства материалов, определяющие эстетическое качество восстановления зубов, которые мы более подробно рассмотрим в дальнейшем. Изменения, происходящие в материале в результате химического взаимодействия, химических реакций, отражают его химические свойства. Функциональные нагрузки, воздействующие на восстановительные материалы, предъявляют определенные требования к их механическим свойствам.

Результаты изучения свойств стоматологических материалов имеют не только теоретическое, но и непосредственно практическое значение, связанное с регулированием свойств путем изменения состава материалов и разработкой оптимальных методов и технологий применения материалов в различных областях стоматологии.

Какие же свойства материалов имеют принципиальное значение для применения в стоматологии? Весь комплекс свойств мы разобьем на следующие: физические, механические, химические, эстетические и «биологические». Не следует забывать и о технологических свойствах материалов. Именно они определяют возможность изготовления из того или иного материала пломбы, зубной коронки или зубного протеза.

Строго разграничить свойства материалов на физические, химические и механические не всегда удается, поэтому чаще пользуются такими комплексными понятиями для характеристики различных материалов, как физико-механические и физико-химические свойства. Следует заметить, что не только эстетические свойства материалов, но и показатели биосовместимости связаны с их физическими и химическими характеристиками.

К физическим свойствам мы относим плотность, тепло- и электропроводность, а также реологические и оптические свойства материалов (схема 2.1)

Схема 2.1. Физико-химические свойства стоматологических материалов

Коэффициент теплопроводности измеряют по количеству тепла в калориях в секунду, которое проходит через образец материала толщиной 1 см и площадью поперечного сечения 1 см², когда разница температуры на концах образца составляет 1 °С. Чем выше этот показатель, тем более способно вещество пропускать через себя тепловую энергию, и наоборот. Коэффициент теплопроводности выражается в кал/см ? с ? град

(табл. 2.1).

Таблица 2.1

Значения коэффициента теплопроводности (К) натуральных тканей в сравнении с рядом восстановительных материалов*

Важным физическим свойством материалов, связанным с их теплопроводностью, является линейный коэффициент теплового (термического) расширения (КТЛР). КТЛР показывает изменение относительной длины (линейное изменение, отнесенное к единице длины) образца данного материала, когда его температура возрастет или упадет на 1 °С. В табл. 2.2 приведены коэффициенты термического расширения некоторых веществ, представляющих интерес для стоматологии.

* На основе данных WJ. O'Brien «Dental Materials and Their Selection», Quintessence Publ. Co., Inc, 3 изд.

Таблица 2.2

Значения коэффициента линейного термического расширения (α) для некоторых стоматологических материалов*

К химическим относятся те свойства, которые проявляются при химическом взаимодействии материала или его компонентов с окружающей средой полости рта. Примером такого взаимодействия могут служить реакции между ионами фтора, кальция и фосфора, входящими в составы профилактических материалов, с твердыми тканями зуба. Другой пример химического или электрохимического взаимодействия - окисление некоторых материалов или их компонентов (сплавов, амальгамы) под действием среды полости рта или пищевых продуктов. С химическими свойствами материалов связаны такие важные для применения в стоматологии процессы, как твердение (отверждение) материалов, некоторые механизмы адгезионного взаимодействия восстановительного материала с окружающими тканями.

Механические свойства материалов подчиняются законам механики, т.е. раздела физики, изучающего закономерности влияния энергии и силы на физические тела. Жевательные и другие функциональные нагрузки - силы, которые действуют на стоматологические материалы при замещении ими утерянных натуральных тканей зубов или зубного ряда. В зависимости от функций, разжевывания твердой или мягкой пищи, глотания и от вида зуба (резцы, клыки, премоляры, моляры) жеватель-

* На основе данных W.J. O'Brien «Dental Materials and Their Selection», Quintessence Publ. Co., Inc, 3 изд.

ная нагрузка колеблется в диапазоне от 50 до 300 Н (иногда и до 500 Н). Наибольшая нагрузка приходится на жевательные (боковые) зубы. Механические свойства определяют, как поведет себя материал под действием этих сил.

Следует помнить, что сила - вектор, действие которой определяется численной величиной, направлением и точкой приложения. С точки зрения механических свойств восстановительных материалов в стоматологии не менее важно время действия силы.

Механические свойства твердых тел - прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, удар, твердость и др. - характеризуют сопротивление материалов воздействию различных нагрузок и в значительной мере определяют область их применения при восстановлении зубов (схема 2.2).

Схема 2.2. Физико-механические свойства стоматологических материалов

Под действием нагрузки в твердом теле происходят изменения (деформации) или оно разрушается. Различают упругие, или обратимые, деформации (после снятия нагрузки к твердому телу возвращается его первоначальная форма) и остаточные (необратимые или пластичные, после прекращения действия нагрузки форма и размеры тела изменяются).

Материалы по физическим свойствам разделяют на:

•  изотропные (свойства материала одинаковы в любых направлениях, например металлы, каучук);

•  анизотропные (свойства в различных направлениях не одинаковы, например дерево, волокна, слоистые пластики).

При деформировании образца материала под действием силы или нагрузки, помимо изменения его размеров в продольном направлении, наблюдается изменение размеров и в поперечном. Так, при растяжении образца материала наблюдается, помимо продольного удлинения, его поперечное сужение. Отношение относительной поперечной деформации к относительной продольной деформации называют коэффициентом поперечной деформации - коэффициентом Пуассона (ν - коэффициент Пуассона, характеризует упругие свойства материала). Для большинства материалов ν =1/4 - 1/3.

Прочность восстановительного материала имеет принципиальное значение для выбора конструкции зубного протеза или любого вида восстановления зубов и зубочелюстной системы. Прочностью обычно называют способность какого-либо предмета или изделия, в нашем случае зубного протеза или пломбы, противостоять приложенным к ним нагрузкам, не разрушаясь и не проявляя излишнюю и необратимую деформацию.

Важным показателем, определяющим жесткость материала и его способность выдерживать приложенные нагрузки без значительных деформаций, является показатель модуля Юнга - модуля упругости (эластичности). Его определяют, зная данные напряжения и деформации, которые возникают в образце материала под действием приложенной силы, нагрузки (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Основные параметры механических свойств материала при растяжении

По данным литературы, показатели модуля упругости эмали и дентина натуральных зубов колеблются в широком диапазоне, в зависимости от вида зуба и метода испытаний. Так, модуль упругости при сжатии эмали может достигать 46 000-48 000 МПа, а дентина - 11 000-18 000. Прочность при сжатии данных натуральных тканей может составить в среднем до 300 МПа

Из практического опыта известно, что керамика способна разрушаться мгновенно и внезапно без видимой деформации или течения. Металлы способны течь и удлиняться до 120% от их первоначальной длины, прежде чем разрушиться. Полимеры в основном не прочны и очень эластичны по сравнению с металлами и керамикой. Знание состава и особенностей структуры этих материалов позволяет объяснить перечисленные различия.

Существует возможность теоретически предсказать прочность материала, исходя из его строения, данных прочности межмолекулярных и межатомных связей. Это так называемая теоретическая прочность материала. Однако показатели реальной прочности материалов, полученные из испытаний, во много раз (10-100) ниже теоретической расчетной прочности. Реальные изделия или образцы, изготовленные из различных материалов, не имеют идеально гладкой поверхности. Большинство изделий в стоматологии - пломбы, искусственные коронки, мостовидные несъемные зубные протезы и т.п. - имеют неправильную геометрическую форму с изгибами, углами, надрезами, в которых будут концентрироваться напряжения под действием жевательных нагрузок. Такие участки изделий обычно называются концентраторами напряжения. Величина напряжения вокруг концентратора может во много раз превышать среднее значение напряжения в теле или образце. Причем рост напряжения вокруг концентратора будет зависеть от формы концентратора. Крошечные царапины, практически всегда находящиеся на поверхности всех материалов даже после полирования, ведут себя как тонкие и острые надрезы, вершины которых настолько остры и тонки, что могут попасть в межмолекулярные пространства в структуре материала. Таким образом, концентрация напряжения в вершинах этих крошечных царапин может приводить к напряжениям, достигающим значений теоретической прочности данного материала при относительно низком значении среднего напряжения.

Когда концентраторы действуют в хрупком материале, таком как керамика, в нем образуется трещина, которая мгновенно распространяет-

ся по материалу, приводя к его разрушению. Если такой концентратор напряжения возник в пластичном металле, материал в зоне вершины концентратора напряжения деформируется под его воздействием и превращает острый надрез в закругленную канавку. Из-за того, что вершина концентратора напряжения становится закругленной, а не острой, значение напряжения в ней значительно снижается. Именно так и происходит в металлах и металлических сплавах, обладающих ковкостью, иначе говоря, пластичностью.

Низкая прочность полимеров по сравнению с керамикой и металлами понятна из особенностей молекулярного строения, согласно которому существуют сильные связи внутри полимерных цепей и слабые - между цепями. Слабые вторичные связи между полимерными цепями позволяют этим цепям скользить относительно друг друга при напряжениях намного ниже, чем напряжения, требуемые для разрушения связей в самих цепях.