Основные свойства стоматологических материалов
Главной целью стоматологического материаловедения является создание комплекса «идеальных» материалов для полости рта. Под действующими факторами полости рта подразумеваются: колебания температуры, высокая постоянная влажность, присутствие электролитной среды. Перечисленные факторы отражаются на свойствах материалов – физических, химических, технических, технологических, биологических эстетических.
Современное стоматологическое производство представляет собой промышленный комплекс, в котором используется множество технологических процессов: прессование, литье деталей определенной конструкции, паяние, нанесение керамических и пластмассовых покрытий и т.д., используются также различные аппараты: для штамповки, литья, вакуумные печи для обжига керамики и др.
Все это требует от врача-ортопеда не только знаний технологического процесса, но и влияния нарушения его на свойства материала и органы полости рта и организм в целом.
К физическим свойствам материалов относятся: плотность, температура плавления и кипения, теплоемкость, теплопроводность, термические коэффициенты линейного и объемного расширения, поверхностное напряжение, цвет, фазовые превращения и др.
В стоматологическом материаловедении используются разнообразные методы исследования и испытания, которые дают возможность установить природу материала, состав, свойства и, при необходимости, определить качество готовых стоматологических изделий.
Методы физического анализа: рентгенологический, рентгеноструктурный, магнитная и ультразвуковая дефектоскопии и дилатометрический.
Рентгенологический анализ дает возможность установить виды, типы и размеры кристаллических решеток металлов и сплавов.
Рентгеноструктурный анализ дает возможность установить даже микроскопические дефекты внутри материала.
Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностном слое (до 2 мм) металлических материалов.
Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективный контроль качества на большой глубине.
Дилатометрический метод основан на определении изменений объема, происходящих в материале при фазовых превращениях, применяется для определения кристаллических точек в твердых образцах.
Коэффициент теплопроводности измеряется по количеству тепла в калориях в секунду, которое проходит через образец материала толщиной в 1 см и площадью 1 см3, когда разница температуры на концах образца составляет 10С. Чем выше этот показатель, тем более способно вещество пропускать через себя тепловую энергию, и наоборот. Коэффициент теплопроводности выражается в кал/см·с·0С. (таблица 1).
Таблица 1
Значение коэффициента теплопроводности (К) натуральных тканей в сравнении с рядом восстановительных материалов
(по данным W. J. O'Brien)
| Наименование материала | К, кал/см·с·0С | Наименование материала | К, кал/см·с·0С |
| Эмаль | 0,95 | гидроксилапатит | 3,0 |
| Цемент | 1,45 | цинк-фосфат цемент | 3,1 |
| Кость | 1,4 | стеклополиалкенатный цемент | 1,5 |
| Вода | 1,42 | акриловый базисный материал | 0,37 |
| Гипс | 3,1 | сплав Au Ag Pb | |
| Амальгама |
Важным физическим свойством материалов является коэффициент термического линейного расширения (КТЛР). КТЛР показывает изменение относительной длины образца данного материала, когда его температура возрастет или упадет на 10С. В таблице 2 приведены коэффициенты термического расширения некоторых веществ, представляющих интерес для стоматологии.
Таблица 2
Значение коэффициента термического линейного расширения (α) для некоторых стоматологических материалов (по данным W. J. O'Brien)
| Наименование материала | а, (1/0С) х10-6 | Диапазон температур, 0С |
| Коронка зуба | 11,4 | 20-50 |
| Корень зуба | 8,3 | 20-50 |
| Акриловый базисный материал | 20-50 | |
| Амальгама | 6,2 | 20-50 |
| Цинкоксидэвгенольный цемент | 20-50 | |
| Гуттаперча | 54,9 | 25-38 |
К химическим относятся те свойства, которые проявляются при химическом взаимодействии материала с окружающей средой полости рта. Металлы и другие материалы в процессе отработки подвергаются действию кислот и растворов. Материалы, находящиеся в полости рта подвержены действию слюны, пищи, имеющих различную – кислую или щелочную среду.
Процессы выделения металлов из состава сплавов, окисление металлов при нагревании, полимеризация, взаимодействие между ионами фтора, кальция и фосфора, входящих в составы профилактических материалов, с твердыми тканями зубов, твердение материалов и др. представляют собой химические реакции.
Одним из требований, предъявляемым к конструктивным материалам, является их химическая инертность. Ряд металлов и сплавов не могут быть использованы для изготовления зубных конструкций из-за коррозионной неустойчивости, приводящей к разрушению металла. К химическим свойствам относят также окисляемость и растворимость. Для определения коррозионной стойкости в различных условиях используют метод испытаний в жидкости с полным погружением, в парах, в кипящем солевом растворе, в атмосфере, в лабораторных условиях.
Механические свойства характеризуют способность материалов сопро-тивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам отно-сят прочность, твёрдость, вязкость, упругость, пластичность, хрупкость. Механические свойства материалов подчиняются законам механики и изучаются в разделе физики, который отражает закономерности влияния энергии и силы на физическое тело. Жевательные и другие функциональные нагрузки – это силы, которые действуют на стоматологические материалы в условиях полости рта. В зависимости от функции различных групп зубов (резцы, клыки, премолляры, моляры) жевательная нагрузка колеблется от 50 до 30-500 Н (Ньютон), наибольшая приходится на жевательные зубы. Механические свойства определяют как поведет себя материал под действием этих сил.
Механические свойства твердых тел – прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, удар, твердость – характеризуют сопротивление материалов воздействию различных нагрузок и в значительной мере определяют область их применения при восстановлении зубов. Под действием нагрузки в твердом теле происходят изменения (деформации) или оно разрушается. Различают упругие (эластичные) или обратимые деформации (после снятия нагрузки к твердому телу возвращается первоначальная форма) и остаточные (пластичные) или необратимые (после прекращения действия нагрузки формы и размеры тела изменяются).
Материалы по различным свойствам разделяют на:
- изотропные (свойства материалов одинаковы в любых направлениях, например, металлы, каучук);
- анизотропные (свойства в различных направлениях не одинаковые, например, дерево, волокна, слоистые пластики).
Важным свойством материала является прочность.
Прочность – это способность материала без разрушения (деформации) противостоять действию внешних сил.
Деформация – это изменение размеров и формы тела под действием приложенных к нему сил.
Предел прочности – это степень деформации материала до наступления разрыва, определяется процентом вытяжения или сжатия материала под воздействием сил вытяжения или компрессии.
Теоретическая прочность материала исходит из его строения, межмолекулярных связей, может предсказать его прочность, но его реальная прочность в 10-100 раз ниже. Реальные изделия не имеют идеальных гладких поверхностей. Пломбы, искусственные коронки, мостовидные протезы имеют неправильную геометрическую форму с изгибами, углами, надрезами, в которых будут концентрироваться напряжения под действием жевательных нагрузок, их называют концентраторами напряжения. Если концентраторы действуют в хрупком материале, таком как керамика, в нем образуется трещина, которая мгновенно распространяется по материалу и приводит к разрушению, внезапно, без видимых деформаций.
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, что объясняется особенностями молекулярного строения: сильные связи внутри полимерных цепей и слабые – между цепями.
Технические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видам обработки. К ним относятся испытания на литье, ковкость, штамповку, прокатку, волочение, свариваемость, пайку и обработку режущими инструментами.
Под биологическими свойствами материалов понимают возможное воздействие их на биологическую среду, в которой они находятся. Все конструкционные и вспомогательные материалы не должны оказывать отрицательное влияние на ткани и жидкости, с которыми они контактируют, изменять микрофлору полости рта, нарушать митотический процесс, влиять на рН, нарушать кровообращение, чувствительность, тем более не вызывать воспаления и т.д.
Все конструкционные материалы проходят специальную проверку на животных и в биологических средах на биологическую инертность. Стоматологический материал должен отвечать определенным токсико-гигиеническим требованиям.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение стоматологического материаловедения как прикладной науки. Почему стоматологическое материаловедение выделено в отдельную область знаний?
2. Что такое «идеальный» стоматологический материал?
3. Существует ли универсальный «идеальный» стоматологический материал? Поясните свой ответ.
4. Как классифицируют стоматологические материалы? Назовите классификацию и поясните на каком принципе они основаны.
5. Расскажите о классификации стоматологических материалов по химической природе. Почему в стоматологии применяются материалы различной химической природы?
6. Расскажите об основной классификации стоматологических материалов. Какой принцип положен в основу этой классификации?
7. Какие свойства материалов определяют возможность их применения в различных областях стоматологии?
8. Какие показатели характеризуют физиологические свойства стоматологических материалов?
9. Методы физического анализа?
10. Какие показатели характеризуют химические свойства стоматологических материалов? Требования к конструкционным материалам по химическим показателям.
11. Какие показатели характеризуют механические свойства стоматологических материалов?
12. Что такое концентрация напряжения и концентратор напряжения? Опишите взаимосвязь между формой концентратора напряжения и величиной напряжения.
13. Сравните в общем виде стоматологические материалы различной химической природы: металлы, керамику, полимеры по их физико-механическим свойствам.
14. Что такое теоретическая и практическая прочность? Почему на практике невозможно создать материалы, обладающие прочностью, равной теоретической?
15. Почему необходимо проведение доклинических (технических, биологических) испытаний, и невозможно ограничиться только клиническими испытаниями (наблюдениями)?
16. На какие типы делят материалы, исходя из их способности воспринимать механические нагрузки?