ТЕМА 1. Биоматериалы, биосовместимость
и биомеханика. Атомное строение веществ

 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1. Биоматериалы. Биосовместимость. Биомеханика. Клиническое значение. Введение. Этруски (1000-в.–до н.э.). Средние века. Первые зубные протезы. Викторианский век. Сохранение зубов. Коронки и мостовидные протезы. Пломбировочные материалы. Виды соединений атомов. Виды первичных связей (ковалентная, ионная, металлическая). Энергия связи. Образование твердого тела. Структурное расположение атомов в твердом теле.

 

Цель практического занятия

 

1.     Изучить основные свойства материалов, применяемых в стоматологической практике.

2.     Ориентироваться в основных терминах физических и механических свойств материалов.

3.     Понимать критерии выбора материалов в стоматологии.

4.     Знать о побочных эффектах стоматологических биоматериалов.

Содержание

 

Большое практическое значение при реставрации зубов композитными материалами, изготовлении зубных протезов, ортодонтических конструкций имеют свойства материалов (физические, механические, химические, технологические и биологические). В данной теме будут рассмотрены основные физические свойства стоматологических материалов: плотность, температура плавления и кипения, поверхностное натяжение, теплоемкость, теплопроводность, термические коэффициенты линейного и объемного расширения, цвет, фазовые превращения.

Все стоматологические биоматериалы должны соответствовать определенным критериям:

·   биосовместимость;

·   отсутствие токсичности;

·   эстетичный внешний вид;

·   твердость и прочность;

·   низкая растворимость;

·   простота работы с материалом;

·   длительный срок хранения;

·   простота лабораторной обработки;

·   долговечность;

·   быстрая установка.

 

I. Основные физические свойства
стоматологических материалов

 

1. Плотность вещества – это плотность однородного или равномерно неоднородного тела, состоящего из этого вещества.

Плотность – скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму.

Плотностью вещества называется количество вещества в единице объема – масса 1 см данного тела, выраженная в граммах. Существует прямо пропорциональная зависимость между массой и плотностью: чем больше плотность, тем больше масса вещества. Плотность у различных веществ разная. Например, плотность воды при температуре 4°С равна 1 г/см, плотность платины – 21,5 г/см, золота – 19,32 г/см.

2. Температура плавления – это температура, при которой нагретый материал из твердого состояния переходит в жидкое.

Каждый металл имеет свою постоянную температуру плавления. Сплавы металлов, воски и другие материалы, составленные из нескольких ингредиентов, могут плавиться при различных температурах в зависимости от соотношения в них последних. Зная температуру плавления материала, можно без труда подобрать источник расплавления, а также очередность расплавления веществ.

Под явлением плавления следует понимать изменения расположенных частиц (атомов, молекул) в веществе. При плавлении тело теряет постоянство формы, изменяется колебательное движение атомов, молекул, нарушается сила сцепления молекул. У твердого тела сила сцепления молекул значительно выше, чем у жидкого, поэтому, чтобы перевести тело из твердого состояния в жидкое, требуется энергия, тепло. Количество теплоты, затраченной на переход вещества из твердого состояния в жидкое, называется скрытой теплотой плавления.

Температура плавления всегда соответствует температуре отвердевания расплавленного вещества. У некоторых аморфных тел (воск, парафин, стекло и др.) нет определенной выраженной температуры плавления. При нагревании эти вещества вначале размягчаются, а при дальнейшем повышении температуры теряют вязкость и становятся жидкими. Преимущественное большинство твердых веществ, обладающих способностью плавиться, при плавлении расширяются, а при отвердевании сокращаются. Обратное явление наблюдается у чугуна, йода. Расширение и сокращение металлов при плавлении необходимо учитывать при литье деталей зубных протезов. Изучение физического явления температуры плавления металлов и других материалов имеет большое практическое значение в зубопротезной технике. Знание температуры плавления металлов и некоторых материалов позволяет подобрать нужный источник тепла для плавления. Например, для плавления золота можно использовать бензиновую горелку, а для плавления нержавеющей стали нужна вольтова дуга или электропечь, для плавления воска – обычная горелка. В зубопротезной технике для изготовления металлических коронок и других штампованных деталей протезов применяются различные легкоплавкие сплавы. Из легкоплавких сплавов приготовляют металлические штампы. Для составления таких сплавов берут определенные металлы (свинец, олово, висмут и др.), имеющие близкую точку температуры плавления. При составлении сплавов металлов, зная температуру плавления каждого металла, входящего в состав сплава, следует расплавлять металлы вначале с более высокой температурой плавления, а затем последовательно с более низкой. Для пайки деталей протезов сплав металлов, применяемый в качестве припоя, должен иметь более низкую температуру плавления, чем сплав металла, из которого изготовлен протез.

3. Температура кипения – момент, при котором дальнейшее нагревание вещества приведет к переходу из жидкого состояния в газообразное. Например, вода кипит при температуре 100°С.

У разных металлов температура кипения различна, но постоянна для каждого из них. Самая низкая температура кипения у кадмия (778°С). При нагревании кадмия или сплава, выше указанной температуры, происходит улетучивание металла с изменением свойств сплава. Пары кадмия ядовиты.

4. Поверхностное напряжение – сила притяжения, с которой каждый участок поверхностной пленки (свободной поверхности жидкости или же любой поверхности раздела двух фаз) действует на смежные части поверхности.

Строго говоря, всякое тело находится не в вакууме, а в какой-либо другой среде, например, в атмосфере. Поэтому следует говорить не просто о поверхности тел, а о поверхностях раздела двух сред. На поверхностях раздела жидкости и ее насыщенного пара, двух несмешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела возникают силы, обусловленные различным межмолекулярным взаимодействием граничащих сред: прежде всего водородными связями и более слабыми неполярными взаимодействиями.

Минимальное поверхностное натяжение имеет жидкий гелий на его границе со своим паром – всего лишь 3,5 мН/м (вблизи абсолютного нуля). У большинства веществ поверхностное натяжение колеблется от 10 до 2000 мН/м. Мембраны биологических клеток имеют σ = 100 мН/м. Величина поверхностного натяжения имеет диагностическое значение в клинике. Обычно поверхностное натяжение биологических жидкостей сравнивают с водой – 72,5 мН/м при комнатной температуре. Например, в норме величина σ плазмы крови, сыворотки и мочи человека составляет соответственно 72, 56 и 70 мН/м. Значит, поверхностное натяжение мочи и плазмы крови близко к воде, а сыворотки – меньше, чем у воды.

5. Теплоемкость – физическая величина, определяемая как количество теплоты, которое необходимо подвести к телу в данном процессе, чтобы его температура возросла на 1°К.

Для некоторых материалов начальное « ощущение холода » может быстро исчезнуть, поскольку материал начнет нагреваться сразу же после получения им тепловой энергии от источника нагрева. Насколько быстро начнет подниматься температура материала, зависит от его удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость – это энергия, которая требуется для повышения температуры единицы объема материала на 1°С. Для обозначения удельной теплоемкости используют символ С_т.

6. Теплопроводность – способность тела (вещества) передавать тепло при нагревании с одного конца на другой или с одной поверхности на другую. Передача теплоты происходит за счет увеличения движения атомов или молекул при нагревании. Если с одного конца тела производить нагревание, то частицы в этой части тела начинают двигаться быстрее, заставляют сильнее двигаться соседние частицы и т. д. Таким образом, с течением времени усилится движение атомов, молекул на другом конце, а следовательно, и здесь произойдет повышение температуры. Теплопроводность измеряется в калориях.

Теплопроводность определяется количеством теплоты, которое проходит в 1 секунду через 1 см вещества толщиной или длиной 1 см, когда по обе стороны имеется разность температур 1°С; эта величина и называется коэффициентом теплопроводности. Металлы являются хорошими проводниками тепла и обладают различной теплопроводностью. Условно принято считать, что теплопроводность серебра равна 100. Серебро обладает наиболее высокой теплопроводностью. Золото имеет теплопроводность 68.3, медь – 91,8, железо– 14,7, а висмут наименьшую – 2. Большое практическое значение в стоматологии имеют факторы теплопроводности металлов. При изготовлении металлических коронок, вкладок на зубы с живой пульпой должна учитываться теплопроводность металла. Для предупреждения неприятных температурных раздражений зуба от металлической вкладки подготовленную полость зуба изолируют цементной подкладкой. Цемент является материалом с низкой теплопроводностью.

7. Термические коэффициенты линейного и объемного расширения.

Коэффициент теплового расширения – физическая величина, характеризующая относительное изменение объёма или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1°К при постоянном давлении. Имеет размерность обратной температуры. Различают коэффициенты объёмного и линейного расширения.

Коэффициент линейного расширения – относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1°К при постоянном давлении.

Коэффициент объемного расширения - относительное изменение объёма тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1°К при постоянном давлении.

8. Цвет – качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Восприятие цвета определяется индивидуальностью человека, а также спектральным составом, цветовым и яркостным контрастом с окружающими источниками света, а также несветящимися объектами. Очень важны такие явления, как метамерия, индивидуальные наследственные особенности человеческого глаза (степень экспрессии полиморфных зрительных пигментов).

Восприятие цвета глубоко субъективно, поскольку представляет собой физиологическую реакцию на физический раздражитель. Например, если несколько человек попытаются выбрать цвет пломбировочного материала, соответствующий окраске натурального зуба, то их мнение может быть различным. Это происходит потому, что глаз недостаточно точно воспринимает свет, а за восприятием следует интерпретация в головном мозге отраженного или рассеянного материалом света. Этот процесс у разных людей различен.

Свет – это электромагнитное излучение, которое может быть воспринято человеческим глазом.

Основной цветовой тон представляет собой цвет (т.е. длину волн), преобладающий в спектре света от источника освещения. Примерами могут быть фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Три первичных цвета, из которых можно составить остальные цвета – это красный, зеленый и синий.

Насыщенность (плотность) цвета –  это сила цвета, или то, насколько живым выглядит цвет.

Светлота (степень светлоты) – это затемненность объекта, которая изменяется в пределах от черного до белого для рассеивающих или отражающих объектов; и от черного до прозрачного для просвечивающих (светопропускающих) объектов.

Специально для стоматологии была разработана более простая система, основанная на использовании шкалы расцветок. Наибольшее распространение получила шкала расцветок Вита, которая создана на базе трех цветовых параметров: основного цветового тона, цветовой насыщенности и степени светлоты цвета. В ней представлены 4 основных цветовых тона: группа А (красновато-коричневые цвета), группа В (красновато-желтые), группа С (серые) и группа D (красновато-серые).

Параметр светлоты представлен серой шкалой, и образцы расцветок располагаются в ней в последовательности, зависящей от того, насколько светлым (белым) или темным (черным) будет зуб. Третьим элементом шкалы расцветок Вита является цветовая насыщенность, отражающая глубину основного цветового тона и указанная номерами, расположенными возле обозначения группы: А1-А4, В1-В4, С1-С4 и D1-D4. Важно, чтобы выбранная шкала расцветок соответствовала цветам материала, который предполагается использовать для реставрации зубов. В идеале образцы шкалы расцветок должны быть изготовлены из того же материала, что и реставрация. Свойство изменения цвета объекта при попадании на него света от разных источников называют метамеризмом. Метамеризм можно наблюдать в тех случаях, когда цвета двух объектов с разными светоотражательными свойствами (с разными коэффициентами отражения) выглядят одинаково при определенном освещении и определенных условиях наблюдения, и начинают выглядеть по-разному, если поменять источник освещения или условия наблюдения.

9. Фазовые превращения – переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. С точки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и т.п.), фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы.

Рассмотрим далее механические свойства стоматологических материалов.

 

II. Механические свойства стоматологических материалов

 

1. Давление – это сила, приложенная на единицу площади поперечного сечения.

2. Прочность – величина, которую должна преодолеть нагрузка на материал, чтобы вызвать разрушение.

3. Предельная прочность – максимальная нагрузка, которая выдерживается без разрушения.

4. Пропорциональный предел – максимальная нагрузка, которую способен выдержать материал без отклонения от линейной пропорциональности сжатия – растяжения.

5. Предел упругости – максимальная нагрузка, которая не вызовет стойкой деформации.

6. Предел пластичности – давление, при котором возникает определенное отклонение от пропорциональности сжатия-растяжения, обычно 0,1 – 0,2 или 0,5% от постоянного растяжения.

7. Растяжение – отношение деформации к исходной длине.

8. Пластичность – относительное удлинение. Пластичные материалы обладают большим относительным удлинением, чем хрупкие, и могут выдерживать большую деформацию без разрушения.

9. Индекс полировки – возможность обработки или полировки материала в полости рта. Выражается в отношении процента удлинения к пределу пластичности.

10. Коэффициент Пуассона – величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению.

11. Модуль упругости – отношение сжатия к растяжению (табл.1).

12. Устойчивость – невосприимчивость к постоянной деформации.

13. Твердость – устойчивость к нарушению целостности; определяет стойкость к царапинам.

 

 

 

III. Побочные эффекты стоматологических биоматериалов

 

Биосовместимым называется материал, который не обладает отрицательным действием на биологические ткани. Важно помнить, что взаимодействие между материалами и биологической средой может проходить по двум направлениям. Одно из них – когда материал подвергается влиянию биологических тканей, а второе – когда на биологические ткани воздействует материал.

Взаимодействие между стоматологическим восстановительным материалом и биологической средой может проявляться в виде:

-  послеоперационной чувствительности;

-  признаков проявления токсичности;

-  коррозии материала;

-  гиперчувствительности/аллергии.

 

Вывод

Стоматологические материалы имеют физические и механические свойства, которые важно учитывать при выборе материала и использования в клинической практике. Врач-стоматолог несет полную ответственность за использование материалов, поэтому необходимо помнить о побочных эффектах, которые может вызвать стоматологический биоматериал.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные физические свойства стоматологических материалов.

2. Что относится к механическим свойствам стоматологических материалов?

3. Как называется способность материала оказывать нарастающее сопротивление деформирующим силам, изменять под их воздействием размеры и форму и возвращаться после снятия нагрузки к первоначальному состоянию?

4. Как называется способность материалов сопротивляться и быть устойчивым к действию механических сил?

5. Как называется сопротивление деформации на поверхности материала при установленном механическом воздействии на него другого, более твердого тела заданной формы и размера, не изменяемого во время испытаний?

6. Как называется способность материала вытягиваться под воздействием малоизменяющейся постоянной нагрузки?

7. Как называется переход кристаллического вещества из твердого состояния в жидкое?

 

Литература: [2. С. 10-16, 4. С. 188-189, 5. С.4-7, 6. С. 5-22, 7. С. 6-11].