不同倒凹條件下鈷鉻和鈦合金卡環(huán)的加工精度、固位力及永久變形量的研究

楊建波，王璐，譚發(fā)兵，周后祺，楊成偉

（1.重慶醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院修復科，重慶 400015；2.重慶醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院修復工藝科，重慶 400015；3.重慶晶美義齒制作有限公司，重慶 400015）

卡環(huán)作為可摘局部義齒（removable partial denture，RPD）的重要部件在口內(nèi)發(fā)揮支撐及固位作用［1］。RPD的取戴以及咀嚼過程中的反復運動將導致復雜而細長的卡環(huán)部件發(fā)生永久形變和疲勞折斷［2-4］。研究［5］發(fā)現(xiàn)，卡環(huán)折斷在RPD損傷中排首位，是造成50%的RPD在使用5～6年后需要更換的重要原因。因此，如何提高卡環(huán)的長期有效性一直是修復領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注點之一。

目前，鈷鉻合金（cobalt-chromium alloy，CoCr）和鈦或鈦合金（titanium alloy，Ti）仍是制作RPD卡環(huán)的主要材料。前者具有彎曲強度高、耐腐蝕性能好及成本低等優(yōu)勢［6-7］，后者因質(zhì)量輕、彈性模量低、生物相容性好受到臨床青睞［4］。以往鈷鉻或鈦金屬卡環(huán)主要以失蠟鑄造法制作，操作工序復雜且易形成鑄孔，從而增加卡環(huán)的失敗率。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于計算機輔助設(shè)計（computer-aided design，CAD）的選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）技術(shù)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)失蠟鑄造法用于制作RPD金屬支架［8］。本課題組前期研究［9］評估了較大倒凹條件對鑄造及SLM Ti卡環(huán)行為性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.75 mm倒凹下SLM Ti卡環(huán)經(jīng)4 000次循環(huán)戴入/取出后全部發(fā)生了折裂，認為SLM Ti卡環(huán)應(yīng)用于臨床前還需要進一步改進。然而，對于較小倒凹條件下（0.25 mm和0.50 mm）的SLM CoCr和Ti卡環(huán)的加工精度以及經(jīng)10 000次循環(huán)戴入/取出后的固位力和永久變形量變化尚缺乏詳細的研究數(shù)據(jù)。本研究擬在前期研究基礎(chǔ)上，評估0.25 mm和0.50 mm倒凹設(shè)計對10 000次循環(huán)戴入/取出后鑄造CoCr卡環(huán)、SLM CoCr和Ti卡環(huán)固位力及永久變形量的影響，為RPD金屬卡環(huán)的臨床應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

鑄造CoCr（洛陽北苑新材料技術(shù)有限公司，中國），CoCr粉末（南通金源智能技術(shù)有限公司，中國），Ti粉末（成都優(yōu)材科技有限公司，中國），不銹鋼棒材（Sandvik公司，瑞典）。6軸5聯(lián)動精密加工設(shè)備（Tsugami公司，日本），光學檢測儀（貴陽新天光電科技有限公司，中國），樹脂3D打印機（大族激光智能裝備集團有限公司，中國），真空鑄造機（西京醫(yī)療設(shè)備有限公司，中國），金屬激光打印機（Concept Laser公司，德國），E4結(jié)構(gòu)光掃描儀（3Shape公司，丹麥），動態(tài)疲勞試驗機（Instron公司，英國），Studio Wrap 2015軟件（Geomagic公司，德國）。

1.2 代型與卡環(huán)樣本制作

1.2.1 設(shè)計代型與卡環(huán)樣本數(shù)據(jù)：采用3D軟件參考第一磨牙設(shè)計不銹鋼代型數(shù)據(jù)［9-10］。參數(shù)如下：直徑10.0 mm，高度8.0 mm，曲率半徑7.5 mm。將代型數(shù)據(jù)導入Geomagic Freeform軟件，以代型頂端平面中點為圓點，設(shè)定卡環(huán)固位臂與對抗臂卡抱范圍均為120°，固位臂進入倒凹深度為0.25 mm和0.50 mm。兩臂內(nèi)表面與代型接觸面間隙距離設(shè)置為0。為保證實驗過程中代型和卡環(huán)定位準確，在卡環(huán)連接體與代型平臺接觸面各自設(shè)置定位標志。將代型與卡環(huán)參考數(shù)據(jù)以STL格式保存。見圖1。

圖1 卡環(huán)-代型聯(lián)合體模擬裝置及卡環(huán)臂形態(tài)Fig.1 Clasp-abutment union simulation device and the size of the clasp arm

1.2.2 代型實物制作：將代型數(shù)據(jù)導入6軸5聯(lián)動精密機床（設(shè)備X、Y、Z軸定位精度1 μm，重復定位精度＜5 μm），加工不銹鋼棒材得到代型實物。代型實物經(jīng)光學檢測儀JVB300C［測量分辨率0.50 μm，測量精度（3+L/200）μm）］進行加工精度檢測后用于后續(xù)固位力測試。

1.2.3 卡環(huán)樣本制作：以鑄造和SLM工藝將0.25 mm和0.50 mm倒凹的卡環(huán)參考數(shù)據(jù)加工為實物。

1.2.3.1 鑄造樣本 采用3D打印機將樹脂材料打印成卡環(huán)蠟型樣本。將蠟型樣本放入95%乙醇溶液中清洗干凈后，放入清水中，置于405 nm紫外線光固化爐中固化2 min備用。采用磷酸鹽包埋料按照100 g∶24 mL的粉液比完成包埋。焙燒（茂福爐中加熱到960 ℃，維持0.5 h，速度6 ℃/min）后，在智能鑄造機中將CoCr錠制作成卡環(huán)樣本（鑄造CoCr）。

1.2.3.2 SLM樣本 將卡環(huán)參考數(shù)據(jù)導入光纖激光3D打印設(shè)備Concept laser Mlab中，在氬氣環(huán)境下，分別打印CoCr合金粉和Ti粉制備卡環(huán)樣本。參數(shù)如下：樣本長軸與構(gòu)建板成90°；纖維激光器100 W；焦點直徑50 μm；波長1 070 nm；激光熔覆層厚為25 μm。打印完成后將CoCr卡環(huán)樣本放入退火爐（5 min內(nèi)溫度逐漸上升至1 000 ℃，維持10 min后降溫至300 ℃，取出樣本室溫下冷卻）中進行熱處理。Ti卡環(huán)樣本則按照操作說明在退火爐中抽取真空后5 min內(nèi)溫度逐漸上升至550 ℃，維持10 min后冷卻至室溫。然后采用線切割技術(shù)處理SLM樣本的支撐結(jié)構(gòu)。

所有卡環(huán)樣本表面均不進行拋光，僅清理明顯的結(jié)節(jié)與支撐，以保證卡環(huán)的均勻性。在0.25 mm/0.50 mm倒凹下，各樣本組的數(shù)量及分組如下：鑄造CoCr組（n=10），SLM CoCr組（n=10），SLM Ti組（n=10）。

1.3 無損檢測與加工精度分析

1.3.1 樣本無損檢測：實驗開始前，先采用X射線探測器對各組樣本進行無損檢測。設(shè)備設(shè)定如下：源圖像距離102 cm，高度220 cm，角度90°。拍攝條件：電流50 mA，電壓50 kV，曝光時間0.2 mAs/s。若樣本卡環(huán)臂存在孔隙或明顯缺失，則淘汰并補足。結(jié)果獲得卡環(huán)臂完整的60個樣本。

1.3.2 加工精度分析：采用E4掃描儀（ISO標準掃描精度為4 μm）掃描所有卡環(huán)樣本。根據(jù)設(shè)備操作流程，依次進行標記、初掃描、自適應(yīng)精掃描、細節(jié)化適應(yīng)掃描、掃描結(jié)果預(yù)覽等程序。最終得到60個完整掃描測試數(shù)據(jù)，存為STL格式。

將所有STL數(shù)據(jù)導入Geomagic Wrap軟件，將卡環(huán)臂分割為內(nèi)外表面兩部分，卡環(huán)內(nèi)表面、外表面與整體數(shù)據(jù)分別與卡環(huán)參考數(shù)據(jù)進行最佳擬合配準（此方法同樣用于后續(xù)樣本固位力測試后的永久變形量測量），得到顏色差異圖及配準差值（評估樣本之間加工精度一致性），見圖2。配準差值以均方根誤差（root mean square error，RMSE）表示。RMSE計算公式為：

圖2 卡環(huán)臂內(nèi)表面、外表面及整體的三維偏差分析過程Fig.2 Three dimensional deviation analysis process of inner surface，outer surface and whole of clasp arm

公式中x1，i為參考模上的測量點i，x2，i為測試模型上的測量點i，n為每個樣本上測量點對總數(shù)。

1.4 固位力及永久變形量分析

所有卡環(huán)組在完成加工精度測試后，加載循環(huán)戴入/取出測試。采用動態(tài)疲勞試驗機模擬臨床上患者取戴RPD過程以測量固位力變化，以卡環(huán)經(jīng)過導線離開不銹鋼磨牙代型時產(chǎn)生的拉伸力代表固位力（N）。

根據(jù)以往研究［9］方法，將代型與卡環(huán)安裝在設(shè)備中，先以50 mm/min的速度進行拉伸壓縮運動測試，重復15個循環(huán)，平均值定義為初始固位力（N）。然后調(diào)整頻率為950 mm/min重復進行循環(huán)，最多再進行10 000次循環(huán)［11］。經(jīng)歷500次循環(huán)后，采用相同方法測量卡環(huán)在不同循環(huán)次數(shù)后的固位力（N），即循環(huán)500～514，1 000～1 014，2 000～2 014，直到10 000～10 014。共得到12組固位力變化數(shù)據(jù)，表現(xiàn)了固位力隨循環(huán)次數(shù)的變化情況。實驗過程中，每組卡環(huán)樣本測試結(jié)束后，順時針旋轉(zhuǎn)30°再進行疲勞試驗，以避免代型磨損后影響固位力測試結(jié)果［9］。

所有卡環(huán)樣本固位力測試結(jié)束后，以相同的方法進行光學掃描和格式轉(zhuǎn)換獲取STL數(shù)據(jù)，并與各自固位力測試前的掃描數(shù)據(jù)進行最佳擬合配準（方法同加工精度分析），得到卡環(huán)的永久變形量變化。

1.5 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 25.00軟件進行統(tǒng)計學分析。經(jīng)正態(tài)性檢驗，所有數(shù)據(jù)為正態(tài)分布計量資料，采用表示。若數(shù)據(jù)方差齊性，2組獨立樣本比較采用t檢驗，多組獨立樣本比較采用單因素方差分析，總體均數(shù)不全相同時，再采用Tukey檢驗進行各組間兩兩比較。若數(shù)據(jù)方差不齊，則采用非參數(shù)秩和檢驗，其中2組獨立樣本數(shù)據(jù)采用Mann-WhitneyU檢驗，多組獨立樣本數(shù)據(jù)采用Kruskal-WallisH檢驗。檢驗水準α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 加工精度

所有樣本的內(nèi)表面加工精度無統(tǒng)計學差異（P＞0.05），偏差值介于38～45 μm。如表1所示，在0.25 mm倒凹條件下，SLM CoCr組與鑄造CoCr組、SLM Ti組外表面和整體加工精度有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。0.50 mm倒凹條件下，鑄造CoCr組與SLM Ti組、SLM CoCr組外表面和整體加工精度有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。0.25 mm/0.50 mm倒凹條件下，SLM CoCr組外表面及整體加工精度最高，SLM Ti組次之，鑄造CoCr組最低。

表1 3種卡環(huán)樣本內(nèi)表面、外表面及整體的加工精度（μm，n=10）Tab.1 Machining accuracy of inner surface，outer surface and whole of three clasp samples（μm，n=10）

2.2 循環(huán)戴入/取出后的固位力變化

如表2所示，3種卡環(huán)的初始、最大、最終固位力在0.50 mm倒凹均大于0.25 mm倒凹。0.25 mm/0.50 mm倒凹下，3種卡環(huán)的初始固位力為鑄造CoCr（8.13/10.00 N）＞SLM CoCr（6.07/7.35 N）＞SLM Ti（4.97/7.70 N）；最大固位力為鑄造CoCr（11.98/13.33 N）＞SLM CoCr（8.44/11.04 N）＞SLM Ti（6.02/9.69 N）；最終固位力為鑄造CoCr（11.25/11.71 N）＞SLM CoCr（7.51/9.55 N）＞SLM Ti（5.19/7.97 N）。0.25 mm/0.50 mm倒凹下，鑄造CoCr組、SLM CoCr組和SLM Ti組分別經(jīng)過6 000/4 000、6 000/4 000和5 000/3 000次循環(huán)后固位力出現(xiàn)顯著下降，然而在10 000次循環(huán)后所有卡環(huán)均未見折斷或失效。

表2 0.25 mm/0.50 mm倒凹下3種卡環(huán)循環(huán)戴入/取出測試中的固位力變化情況（N，n=10）Tab.2 Retentive force changes of three kinds of clasp in cycle insertion/removal test at 0.25 mm/0.50 mm undercut（N，n=10）

2.3 循環(huán)戴入/取出后的永久變形量

0.25 mm/0.50 mm倒凹下卡環(huán)樣本固位臂的形變從中份到卡環(huán)尖逐漸增大，在卡環(huán)尖達到最大，卡環(huán)肩及連接體部分均無明顯變形（圖3）。如表3所示，3種卡環(huán)樣本在0.50 mm倒凹條件下的永久變形量均大于0.25 mm倒凹（P＜0.01）。鑄造CoCr組與SLM CoCr組或SLM Ti組的永久變形量比較差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01），SLM CoCr組與SLM Ti組永久變形量相比無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。

表3 0.25 mm/0.50 mm倒凹下3種卡環(huán)循環(huán)戴入/取出后的永久變形量（μm，n=10）Tab.3 Permanent deformation of three kinds of clasp after cycle insertion/removal test at 0.25 mm/0.50 mm undercut（μm，n=10）

圖3 卡環(huán)樣本代表性的永久變形圖Fig.3 Representative permanent deformation diagram of clasp samples

3 討論

本研究選擇以軟件的“最佳擬合配準”方法來評估卡環(huán)樣本的加工精度及永久變形量情況。這不同于以往測定固位臂與對抗臂尖或相同卡環(huán)臂尖的位移距離的方法［12-14］。這種方法可以實現(xiàn)幾萬個點的數(shù)字運算，大量的樣本點能夠更全面、精確地分析卡環(huán)臂的加工精度以及永久變形量，避免了以往方法測量點有限、定點誤差較大且受人為因素影響較大的缺點。此外，本研究在以往研究基礎(chǔ)上改進了卡環(huán)臂設(shè)置，增加對抗臂，使循環(huán)取戴實驗?zāi)軌蚋玫啬MRPD在患者口內(nèi)取戴過程。同時無損檢測淘汰了卡環(huán)臂上有鑄孔或缺陷的樣本，并對卡環(huán)固位力和永久變形量影響至關(guān)重要的卡環(huán)臂內(nèi)表面進行了加工精度評估，確保了后續(xù)固位力和永久變形量檢測的可靠性和可比性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有卡環(huán)內(nèi)表面加工精度無統(tǒng)計學差異。還發(fā)現(xiàn)所有卡環(huán)組外表面或整體加工精度均各不相同，顯著低于內(nèi)表面，這與以往研究［9］結(jié)果一致，卡環(huán)外表面和整體的加工精度可能與卡環(huán)外表面設(shè)置的鑄道或支撐結(jié)構(gòu)的位置和形狀有關(guān)。

卡環(huán)的固位力主要受倒凹深度、彈性模量等影響［15-17］。本研究發(fā)現(xiàn)，0.25 mm倒凹下的3組卡環(huán)的固位力（包括初始固位力、最大固位力以及最終固位力）均小于0.50 mm倒凹下卡環(huán)組，這與臨床觀察到的實際情況一致。同時，0.25 mm或0.50 mm倒凹條件下鑄造CoCr、SLM CoCr以及SLM Ti 3組卡環(huán)的固位力（包括初始固位力、最大固位力以及最終固位力）與卡環(huán)材料的彈性模量大?。ㄨT造CoCr組200 GPa，SLM CoCr組170 GPa，SLM Ti組110 GPa）呈正相關(guān)，與以往的研究［18-19］結(jié)果一致。0.25 mm和0.50 mm倒凹的卡環(huán)均可觀察到循環(huán)初期的固位力有所增加，當循環(huán)達到一定次數(shù)后開始逐漸下降，也與以往研究［9，16］結(jié)果符合，這也許和堅硬的、缺乏緩沖的金屬代型相關(guān)。在固位力測試初期，卡環(huán)樣本未產(chǎn)生磨損乃至變形，摩擦力出現(xiàn)一定增大；當測試進行到一定時期，卡環(huán)樣本可能出現(xiàn)磨損乃至變形，摩擦力減小。但與之前研究0.75 mm倒凹下的SLM Ti卡環(huán)結(jié)果不同，本研究0.25 mm/0.50 mm倒凹條件下的所有卡環(huán)經(jīng)10 000次循環(huán)戴入/取出后均未觀察到卡環(huán)折斷或固位力失效現(xiàn)象。按照卡環(huán)每天有4個完整的取戴循環(huán)周期來計算（相當于在口內(nèi)有效使用了近7年），這遠超RPD的5年左右的更換周期［17］。本研究還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)10 000次循環(huán)戴入/取出測試后，0.25 mm和0.50 mm倒凹下各組卡環(huán)的最終固位力在5～12 N之間。以往的研究［20］認為，1個RPD擁有20 N的固位力就足以抵抗咀嚼黏性食物時脫位，且有利于患者順利取戴RPD。實驗環(huán)境與設(shè)備的不同將導致卡環(huán)固位力出現(xiàn)一定的變化，但多數(shù)研究［9，14，17］表明單個卡環(huán)的合適固位力應(yīng)是5～10 N。本研究中0.25 mm和0.50 mm倒凹下的3種卡環(huán)的最終固位力均在上述固位力的合適范圍內(nèi)，說明本研究中0.25 mm和0.50 mm倒凹條件下的3種卡環(huán)樣本在經(jīng)10 000次循環(huán)戴入/取出后的固位力均能滿足臨床需求。

在永久變形量方面，經(jīng)10 000次循環(huán)戴入/取出測試后，0.25 mm/0.50 mm倒凹下的各組卡環(huán)永久變形量與最終固位力之間并未呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即永久變形量越大，固位力下降越多。事實上，在卡環(huán)的反復取戴過程中，實際變形量越大，獲得的抗拉壓力（固位力）可能越大，實際變位量越小，卡環(huán)獲得的抗拉壓力可能越?。?2］。同時，卡環(huán)永久變形量越大將導致實際變位量越小，但這可以明顯延長卡環(huán)的疲勞壽命［12，20］。研究［11］發(fā)現(xiàn)，卡環(huán)尖、卡環(huán)臂和卡環(huán)支托的間隙距離分別為21～65 μm、42～60 μm、78.5 μm（匙型）和89.8 μm（碟型）。最近的研究［8-10］表明，滿足臨床使用的卡環(huán)與牙齒的間隙距離應(yīng)在120 μm范圍內(nèi)。本研究中，經(jīng)10 000次循環(huán)戴入/取出后，0.25 mm/0.50 mm倒凹下的3組卡環(huán)的永久變形量均＜65 μm（鑄造CoCr 49.25/62.24 μm，SLM CoCr 30.01/44.36 μm，SLM Ti 25.79/41.10 μm）。因此，在0.25 mm/0.50 mm倒凹下，本研究中的鑄造CoCr、SLM CoCr 以及SLM Ti 3組卡環(huán)的永久變形量均能滿足臨床需求。

本研究的固位力測試環(huán)境是干燥的空氣，與患者口腔唾液環(huán)境不同。未來將在去離子水中或人工唾液中對卡環(huán)重復取戴后固位力和永久變形量變化做進一步研究。此外，為了獲得卡環(huán)臂數(shù)據(jù)，本研究引入了光學掃描處理因素，盡管選擇的模型掃描儀掃描精度達到了4 μm，但仍可能在一定程度上影響卡環(huán)臂的加工精度和永久變形量的偏差數(shù)值。

綜上所述，本研究結(jié)果提示0.25 mm/0.50 mm倒凹下的鑄造CoCr、SLM CoCr及SLM Ti合金卡環(huán)內(nèi)表面的加工精度一致，但經(jīng)10 000次循環(huán)戴入/取出測試后，3種卡環(huán)的固位力和永久變形量變化情況均不相同；3組卡環(huán)在0.50 mm倒凹條件下的固位力和永久變形量均＞0.25 mm倒凹條件，但3組卡環(huán)在0.25 mm/0.50 mm倒凹下的固位力及永久變形量均在臨床可接受范圍內(nèi)。