剪切測試模型的優(yōu)化及其在臨床材料篩選中的應用.pdf

1、粘結技術是現代口腔醫(yī)學的重要支柱，剪切測試則是評價其核心指標的測試方法。然而在該測試過程中表現出測試結果穩(wěn)定性差、數據變異大的不足，其標準差可高達20-50％（ISO數據）。因此，降低實驗誤差水平，提高實驗的鑒別能力成為一項非常迫切的任務。許多學者都在為致力于剪切測試的標準化工作而努力，以增進研究結果之間的穩(wěn)定性和可比性。目前的研究主要集中在牙齒的選擇、保存，牙本質的取材，試件的表面處理，粘結過程的設計，測試前的臨床環(huán)境模擬以及剪切加載

2、因素等方面?，F行國際標準對上述因素逐步進行了規(guī)范，然而對模型的設計及力學相關影響因素的關注尚不充分。而模型的設計對于測試中粘結界面的應力分布有著非常重要的影響，其意義甚至可能超出標本選擇和試件處理等因素。因而有必要通過力學分析對剪切測試的可能影響因素進行深入研究，為剪切測試方法的優(yōu)化提供理論基礎；并建立能夠被人們接受，且可以帶來穩(wěn)定測試結果的剪切強度測試模型。另外，我們嘗試利用剪切測試的標準模型探討臨床材料力學屬性對粘結界面應力分布的影

3、響規(guī)律，為材料的篩選和研究工作提供參考。本研究共分三個部分：
　　第一部分剪切測試中的力學影響因素分析：本部分擬探討幾種模型因素對剪切測試應力分布的影響，其將有助于理解剪切測試結果產生差異的原因，并為剪切測試標準的改進提供參考。
　　實驗一：針對粘結試件制作過程中可能出現的三種粘結劑邊界形態(tài)（邊緣缺陷型，規(guī)則界面和帶有菲邊的邊緣形貌），應用二維有限元法進行剪切加載條件下的應力分布和峰值對比研究。選擇具有代表意義的最大主應力和

4、剪應力指標進行結果的評價。結果發(fā)現帶有邊緣缺陷的剪切模型會在牙本質層內產生最高水平的應力集中，而規(guī)則界面最大主應力和剪應力峰值均出現在粘結劑上邊緣區(qū)域，應力的峰值也較高；帶有邊緣菲邊的模型最大主應力和剪應力峰值分布在粘結劑的菲邊上，應力的峰值水平最低。較大尺寸的菲邊牙本質層內的應力水平也較低；對于一般尺寸大于5μm的菲邊最大主應力的峰值位于菲邊基部，這可能會影響到測試界面斷裂的形式。邊緣缺陷模型的最大應力較邊緣菲邊模型可高出40％以上，

5、在試件的制作中避免或降低邊緣形態(tài)的差異性是提高測試穩(wěn)定性的一個重要因素。
　　實驗二：應用二維有限元法分析了試件中牙本質自由端厚度及其直徑大小對粘結界面最大主應力及剪應力水平的影響。結果發(fā)現模型中不同牙本質（自由端）厚度會對粘結界面的最大主應力峰值產生一定水平的影響（變化范圍<14％），其隨厚度增大敏感度逐漸下降。試件牙本質的直徑大小對于應力峰值的影響則非常明顯（變化范圍<274％），在牙本質直徑與粘結界面相等，實現平齊界面形式的

6、情況下應力集中現象基本消失，應力分布的模式變得均勻平滑，這主要歸功于這一極限模擬形式消除了界面形態(tài)的突變。這一界面分析的結果可以與臨床粘結界面形式相互借鑒。分析表明牙本質的厚度和大小在操作中應該予以規(guī)范。
　　實驗三：人們在拉伸測試實驗中發(fā)現粘結面積會對粘結強度產生影響，因而設計了現行尺寸的微拉伸實驗。然而對于剪切實驗粘結面積的報道說法并不一致。為此我們在保持模型形狀與加載比例的基礎上，設計了不同粘結面積剪切、（微）拉伸測試模型的

7、應力分析，以期揭示出現上述現象的力學機制。結果表明：減小模型粘結面積不會對模型的應力分布模式有明顯的優(yōu)化作用。減小微拉伸試件面積，反而使得粘結邊界上最大主應力水平升高，應力分布趨向不合理；減小模型面積對于剪切測試模型的影響很小（3％）；這從理論分析上來看是由于模型中相對較大的粘結劑厚度所致。微拉伸相對于普通拉伸測試所體現出的模型優(yōu)勢應歸因于試件形狀的改變。
　　實驗四：有研究發(fā)現，加載方式的微小變化可以引起剪切測試強度高達1.7倍

8、的差異性。為揭示這一現象發(fā)生的力學機制并探究適合剪切測試的最佳加載策略，我們利用Pro/E軟件建立了剪切測試的三維有限元模型，并在AnsysWorkbench中分別對該模型采用了點加載和線加載的方式進行對比研究。結果表明：線加載方式所獲得的應力分布模式要顯著優(yōu)于點加載的實驗模式，界面上的最大主應力和剪應力峰值也顯著降低。因而認為線加載方式更加有利于剪切測試結果的穩(wěn)定。
　　實驗五：由于圓形粘結面在剪切加載條件下，不可避免的使得最大

9、應力集中在圓形截面頂部的小范圍內，我們設想通過改變模型截面的設計，獲得有利于剪切測試結果穩(wěn)定的應力分布模式。在Pro/E軟件中分別建立圓形和方形兩種粘結截面形狀的模型，并導入AnsysWorkbench中進行加載分析。結果表明：方形截面模型的應力峰值水平較圓形截面有所降低，在應力分布模式上形成了沿方形截面邊緣平滑分布的連續(xù)應力區(qū)域，這有助于穩(wěn)定的呈現粘結界面的缺陷水平。
　　第二部分剪切測試模型的改進與優(yōu)化：本部分實驗中嘗試設計一

10、種改進的剪切測試模型，對其進行三維自適應建模和多變量優(yōu)化分析。進而設計相關模具、制作試件，對其檢測效能進行驗證。
　　實驗一：新設計的模型以方形樹脂端的參數為基礎，分別以相鄰接觸面為參考平面依次建立相同邊長的粘結劑層和牙本質層結構特征。將模型導入AnsysWorkbench中實現模型的自適應組裝。在相同表觀強度的剪切加載中發(fā)現：新建的方形均勻截面模型在應力分布上明顯優(yōu)于傳統的剪切測試模型，模型的上邊緣應力分布平滑連續(xù)且應力最大值位

11、于邊緣中央區(qū)域。局部最大主應力和剪應力峰值水平顯著下降約70％。
　　實驗二：利用大型軟件之間的無縫接口，定義最大主應力及其綜合加權指標為目標變量，對包括加載距離，牙本質厚度和粘結面邊長在內的多變量進行綜合分析。結果發(fā)現：牙本質自由端厚度范圍在0.5-1.5mm時對目標變量的影響很小。在這一結果基礎上將牙本質自由端厚度設為1.0mm，基于盡量應用較大粘結面邊長獲得穩(wěn)定粘結界面缺陷信息的原理，采用4.0mm的粘結面邊長；最后經過單變

12、量精確優(yōu)化分析，推薦加載距離為1.87mm。各變量對結果的影響敏感性排序為：粘結面邊長>加載距離>牙本質自由端厚度。
　　實驗三：按照實驗二的模型參數，設計相關金屬模具，加工制作方形試件。對試件四周進行打磨修整，使其達到金屬模具嚴格限定的尺寸（4.0mm）。按照推薦的加載距離進行加載并與傳統剪切測試模型的測試結果進行比較。結果表明：優(yōu)化后新模型的測試結果與傳統模型的測試結果之間有顯著性差異。新模型的結果穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統模型，標準

13、差由傳統模型的38.5％下降至5.9％。
　　第三部分剪切測試有限元模型在臨床材料篩選中的應用：實驗中我們嘗試利用標準剪切測試這一基本有限元模型對臨床上承受剪切載荷的條件下，不同臨床材料對粘結（或結合）界面的應力影響規(guī)律進行分析；以期對臨床醫(yī)生選擇修復材料的種類以及相關材料的研究工作提供幫助。
　　實驗一：在剪切力加載作用下，分析粘結劑彈性模量對粘結界面內應力大小和分布模式的影響。旨在反映剪切加載模式下粘結劑彈性模量影響粘結

14、界面應力水平的一般規(guī)律。研究發(fā)現：隨著粘結劑彈性模量的升高，牙本質和粘結劑層的總變形量逐漸減小，而兩者的平均應力以及最大主應力峰值卻迅速升高，尤其在低彈性模量范圍內（1-5.5GPa），應力變化更為迅速。因此，對于主要承受剪切載荷的臨床情況宜選擇彈性模量較低的粘結劑材料。實驗二：不同的修復材料，其物理力學屬性各不相同。那么材料所具有的不同力學屬性（彈性模量，泊松比）究竟對牙本質粘結界面的穩(wěn)定性影響如何呢？在本實驗研究中，我們對一定范圍內

15、的彈性模量和泊松比進行了模擬，結果表明：修復材料的彈性模量對粘結界面的應力水平影響顯著，而泊松比的作用微弱。并對臨床常用的多種材料在剪切載荷條件下粘結界面上的應力分布進行了對比，結果表明：在相同剪切載荷條件下，彈性模量較高的金屬和陶瓷材料可以在粘結界面的最薄弱部位，即牙本質-粘結劑界面上產生更低水平的破壞應力。
　　實驗三：針對目前鈦瓷結合效果欠佳的問題，本研究嘗試對不同彈性模量鈦合金表面烤瓷的受力情況進行分析，以期從機械力學角度

16、揭示低彈性模量鈦合金應用于改善鈦瓷界面應力水平的可能性。結果表明：低彈性模量鈦合金在剪切載荷模式下具有應力優(yōu)化作用；然而在彎曲載荷下低彈性模量鈦合金需要大于2mm的金屬層厚度才能在變形最大的中央部分獲得足夠的剛度效果。低彈性模量鈦合金在牙科烤瓷應用的綜合力學性能有待進一步深入研究。
　　小結本研究得出以下結論：
　　1多種力學因素對剪切測試模型的應力分布有著不同的影響規(guī)律，這在測試的標準化工作中應該予以考慮。
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