Лекция 2 основные свойства стоматологических материалов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время большинство практикующих стоматологов понимает, что без глубокого знания свойств материалов стоматологического назначения невозможно достигнуть функциональной полноценности, эстетичности и долговечности восстановления зубов, следовательно, невозможно оказать пациентам эффективную стоматологическую помощь. Намечая план оказания стоматологической помощи, стоматолог всегда стоит перед выбором наиболее подходящего материала для восстановления зубов конкретному пациенту. За последние 10-15 лет в нашей стране многократно возрос рынок стоматологической техники и материалов. Поэтому осуществить правильный выбор материала для стоматолога, пользуясь только своим опытом и интуицией, очень непросто.

Конец ХХ века и начало нынешнего ознаменовались бурным развитием восстановительных материалов для стоматологии, и, чтобы не отстать, стоматолог должен уметь оценить возможности новых разработок и новых методов применения материалов в клинике. Это потребует от него не просто поверхностных представлений о материалах стоматологического назначения, а глубокого понимания взаимосвязи их химической основы и свойств.

Знание основ материаловедения, различий свойств материалов в зависимости от химической природы и технологии применения позволит использовать в стоматологической практике научно-обоснованные критерии выбора материала.

ЛЕКЦИЯ 1 СТОМАТОЛОГИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ - ПРИКЛАДНАЯ НАУКА О МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ СТОМАТОЛОГИИ

Предмет стоматологического материаловедения. История возникновения и развития материаловедения в стоматологии. «Идеальный» стоматологический материал. Классификация стоматологических материалов и принципы ее построения.

Стоматологическое материаловедение - это наука, изучающая во взаимосвязи состав, строение, свойства, технологию производства и применения материалов для стоматологии, а также закономерности изменения свойств материалов под влиянием физических, механических и химических факторов. Речь идет о факторах, действующих в специфических условиях полости рта в процессе функционирования зубочелюстной системы. Они выделили стоматологическое материаловедение в отдельную область знаний.

Наука о стоматологических материалах имеет сравнительно короткую историю, около 300 лет, несмотря на то, что начало практического применения материалов в восстановительной стоматологии относят к временному периоду до нашей эры (около 2500 лет до н.э.). Возникновение стоматологического материаловедения как науки датируют 1728 г., когда увидела свет книга Пьера Фушара (Faucherd P., 1678-1761). В ней представлены все материалы того времени и способы их применения в стоматологии.

Несмотря на значительные достижения стоматологического материаловедения в последние годы, ни один из созданных материалов нельзя признать идеальным. Идеальный материал для восстановительной стоматологии должен полностью отвечать следующим требованиям:

• быть биосовместимым (это понятие будет раскрыто в последующих лекциях);

• противостоять всем возможным воздействиям среды полости рта;

• обеспечивать прочную и постоянную связь со структурой твердых тканей зуба;

• полностью воспроизводить их внешний вид;

• обладать комплексом физико-механических свойств, соответствующих свойствам восстанавливаемых натуральных тканей и, более того, способствовать их оздоровлению и регенерации.

Все стоматологические материалы разделяют на три основных класса в зависимости от химической природы:

1 - неорганические материалы или керамика;

2 - металлы;

3 - полимеры.

Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на типы, отличающиеся структурой и свойствами (схема 1.1).

Схема 1.1.Классификация стоматологических материалов по химической природе*

Каждый класс материалов, несмотря на фамильное сходство входящих в него многочисленных типов, характеризуется довольно широким спектром свойств. Например, входящие во второй класс металлы и сплавы обладают различными показателями прочности, температуры плавления, цветом, но для всех металлов характерна ковкость, электро- и термопроводность, типичный металлический блеск. Металлы имеют высокую прочность и жесткость (высокий модуль упругости). Поэтому

* На основе классификации WJ. O'Brien «Dental Materials and Their Selection», Quintessence Publ. Co., Inc, 3 изд., с. 1.

в восстановительной стоматологии их применяют в тех случаях, когда протез должен выдерживать значительные механические нагрузки. С другой стороны, металлы быстро проводят тепло и совсем непрозрачны (не эстетичны), это ограничивает их применение.

Керамика и полимеры - термоизоляторы, обладают светлым цветом и полупрозрачностью. Следовательно, их можно применять для защиты структур зуба от чрезмерного разогрева и охлаждения, а также для создания эстетичных пломб и протезов, воспроизводящих естественный вид натуральных зубов.

В стоматологии нередко используется комбинация материалов различной химической природы, так как ни один из материалов нельзя признать идеальным.

Многообразие стоматологических материалов заключается не только в различии их по химической природе, но также в особенностях их применения в стоматологии или в их назначении. Материалы, имеющие одинаковую химическую природу, но разное назначение, могут существенно отличаться по составу и свойствам. Для систематизации стоматологических материалов, чтобы было легче ориентироваться при выборе восстановительного материала и подборе вспомогательных и временных материалов, применяемых на этапах лечения и изготовления зубных протезов, большую помощь может оказать классификация материалов, построенная по принципу их назначения в стоматологии. Такой принцип классификации нельзя признать идеальным, так как некоторые материалы (например, цементы) имеют многочисленные виды применения в различных областях стоматологии. Но, несмотря на указанный недостаток, предложенная классификация позволяет разделять стоматологические материалы, исходя из основных требований, которые предъявляются к ним условиями применения в той или иной области стоматологии.

Классификация стоматологических материалов по назначению в настоящем курсе называется основной классификацией стоматологических материалов (схема 1.2).

Таким образом, построенный согласно этой классификации и предложенный вашему вниманию курс лекций не просто представляет составы и свойства материалов различной химической природы, а дает основные представления именно о стоматологическом материаловедении и материалах, свойства которых должны отвечать требованиям их назначения в той или иной области стоматологии.

Схема 1.2.Основная классификация стоматологических материалов по назначению

В начало настоящего курса помещены разделы, дающие основные сведения о предмете материаловедения, об основных свойствах материалов, имеющих значение для их применения в стоматологии. Дальнейшее изложение построено в соответствии с основной классификацией стоматологических материалов по назначению (см. схему 1.2).

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 свойстваммы 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 химическимотносятся 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 свойстваматериалов 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 называютсяконцентраторами 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.