Биохимия. Н. А. Пономарёва материаловедение в стоматологии
 Скачать 3.47 Mb.
|
Одной из наиболее актуальных проблем ортопедической стоматологии является восстановление дефектов твердых тканей зубов съемными и несъемными конструкциями протезов. Качество изготавливаемых протезов зависит от правильного выбора современных стоматологических материалов, где особое место занимают металлы и их сплавы. 10.1. Металлы Металлы состоят из совокупности атомов, упорядоченно расположенных в кристаллической структуре. При затвердевании образуют структуру, состоящую из множества мелких кристаллов. Металлы характеризуются в обычных условиях высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим блеском», непрозрачностью и другими свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости. В технике металлы принято делить на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные). Свойства металлов объясняются особенностями их строения: расположением и характером движения электронов в атомах; расположением атомов, ионов и молекул в пространстве; размерами, формой и характером кристаллических образований. Особенности атомного строения определяют характер взаимодействия металлов, способность их давать различного рода соединения, в которые входят несколько металлов, металлы с неметаллами и т.д. При разных температурах некоторые химические элементы имеют два и более устойчивых типа кристаллических решеток. Существование одного металла в различных кристаллических формах (модификациях) при разных температурах называется полиморфизмом, или аллотропией, а переход из одного состояния в другое полиморфным (аллотропическим) превращением. Аллотропические формы, получающиеся в результате полиморфного превращения, обычно обозначают начальными буквами греческого алфавита. К таким полиморфным металлам относятся, например, кобальт (Co), олово (Sn), марганец (Mn), железо (Fe). В свою очередь, изменение строения кристаллической решетки вызывает изменение свойств – механических, химических и магнитных, электропроводности, теплопроводности, теплоемкости и др. К металлам, которые имеют только один тип кристаллической решетки и называются изоморфными, относятся алюминий (Al), медь (Cu), никель (Ni), хром (Cr), ванадий (W) и др. 137 Металлы используют во всех отраслях стоматологии, как ортопедической и ортодонтической стоматологии, так и в хирургической и терапевтической. Также, универсальность этой группы стоматологических материалов расширяется за счет возможности создания различных сплавов. Создание сплавов металлов различных составов позволяет подобрать материал непосредственно под каждую отдельно взятую задачу. В основном, сплавы применяются для изготовления литых металлических конструкций. Невозможно продуктивно выбирать методики ортопедического лечения без знаний физико-химических свойств металлов и их сплавов, и показаний к их применению на этапах изготовления съемных и несъемных конструкций протезов. Элементарные или чистые металлы редко используются из-за множества ограничений, связанных с их свойствами. Большинство широко используемых металлов представляют собой смесь двух или более металлических элементов, иногда с добавкой неметаллических компонентов и называются сплавами. 10.2. Сплавы Сплавы это материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, как минимум один из которых является металлом. Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Сплав может состоять из большого количества разных фаз, образование которых зависит от его состава и температуры плавления. Фаза это структурно однородная часть системы, которая отделена от других частей системы четко определенными физическими границами. Каждая фаза имеет свои собственные, отличающиеся от других фаз структуру и свойства (например, смесь воды и масла – смесь двух фаз). В каждой фазе может содержаться несколько компонентов (солевой раствор состоит из воды и растворенного в ней хлорида натрия). Аналогично фазы в металле могут представлять собой смеси различных металлов. Основой сплава выступает, как правило, один металл, а иные добавленные в сплав металлы (с целью улучшения свойств данного сплава) называются «лигирующими». В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы: механические смеси; химические соединения; твердые растворы; интерметаллические соединения. Механические смесиобразуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Образуются между элементами, 138 значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше, чем между разнородными. Входящие в сплав компоненты сохраняют свои кристаллические решетки Химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными. Образуется специфическая кристаллическая решетка сплава с правильным упорядоченным расположением атомов, отличающаяся от решеток элементов, входящих в химическое соединение. Твердые растворы – это смеси элементов на атомном уровне, подобно смеси жидкостей, растворенных одна в другой. Являются кристаллическими веществами, состоят из однородных зерен. Характерной особенностью твердых растворов является наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя. Существует два типа твердых растворов: твердые растворы замещения (когда атомы растворенного элемента могут заместить атомы растворителя в соответствующей ему кристаллической решетке) и твердые растворы внедрения (образуются в случаях, когда атомы растворимого вещества способны проникнуть в пространство между атомами растворителя). Интерметаллические соединенияобразуются при больших силах взаимодействия между атомами в жидком растворе двух или нескольких металлов,имеют сложную кристаллическую структуру, отличную от структур исходных металлов. Свойства интерметаллидов также существенно отличаются от свойств исходных компонентов. Требования к металлам (сплавам) применяемым в клинике ортопедической стоматологии: биологическая индифферентность и антикоррозийная стойкость к воздействию щелочей и кислот в малых концентрациях; высокие механические свойства (жесткость, ковкость, упругость, пластичность, высокое сопротивление износу); низкая температура плавления; небольшая усадка; малая плотность; хорошая текучесть при литье. Жесткостьзависит как от конструкции протеза, так и от модуля упругости сплава. Чем выше модуль упругости, тем жестче будет структура изделия той же формы. Это имеет большое значение для мостовидных протезов большой протяженности, частичных протезов, кламмеров и литых штифтов. Данные восстановительные конструкции будут испытывать большие нагрузки, и потому не должны давать постоянной деформации. Это означает, что сплав должен обладать высоким показателем прочности при растяжении или выдерживать нагрузки без существенного деформирования. Тем не менее, для 139 таких изделий, как кламмеры, высокую прочность необходимо сочетать с пластичностью, поскольку сплаву не следует быть настолько жестким, чтобы его было трудно изгибать под нужным углом и при этом не разломать ввиду излишней хрупкости. В случае с вкладками пластичность имеет даже большее значение. Сплавы для таких микропротезов должны быть весьма мягкими и пластичными, чтобы они не ломаться по тонкому краю под действием жевательной нагрузки. Легкость литья сплава имеет значение для зубного техника, которому следует знать, какова температура плавления и литья сплава, поскольку, чем выше данные показатели, тем больше возникнет проблем при работе со сплавом. Другая важная проблема качество прилегания протеза, которое зависит напрямую от усадки при литье и условий охлаждения сплава. Эти характеристики следует учитывать, чтобы отливка не оказалась меньшего размера. Чем выше усадка, тем больше возникнет проблем с изготовлением любой литой конструкции протеза. Плотность сплава также имеет значение. Чем она выше, тем легче выдавливается воздух из формы в центробежной литьевой машине, и форма полностью заполняется сплавом. Основные сплавы в ортопедической стоматологии: Сплавы на основе благородных и драгоценных металлов: – золотые (с высоким содержанием золота) – золото-палладиевые (со средним и низким содержанием золота) – серебряно-палладиевые Сплавы на основе неблагородных металлов: – кобальт-хромовый сплав – никель-хромовый сплав – сплавы титана – хромоникелевую (нержавеющую) сталь – сплав на основе свинца и олова, отличающийся легкоплавкостью Сплавы благородных металлов групп имеют лучшие литейные свойства и устойчивость к коррозии, однако по прочности они уступают сплавам неблагородных металлов. Драгоценными же металлами называются такие, что имеют высокую стоимость, но при этом не обязательно высокие свойства. Например, благородными металлами являются золото, платина, родий, рутений, осмий и иридий, в то время как серебро и палладий относятся к драгоценным металлам. Кроме того, благородные металлы сохраняют металлическую поверхность в полости рта без дополнительной обработки, что обеспечивает нормальное течения тканевых реакций, в то время как иные металлы выступают в роли сердцевины для металлических конструкций, а сверху покрыты защитным слоем оксидов. Для соединения частей конструкции из сплавов на основе благородных металлов используют паяние твердым припоем. Припой для золотосодержащих сплавов должен включать, по крайней мере, 45% золота для гарантии 140 получения достаточно низкой температуры плавления. Учитывая высокую стоимость золота, предпочтительнее применять серебряные припои. Стоматологические золотые сплавы имеют не менее 60% золота в своём составе, в пределах 21,6-14,4 карат или 600-900 пробы (чистое золото оценивается в 24 карата). Лигирующие элементы легко образуют твердые растворы с золотом. Самая большая фракция в таких сплавах золото с невысоким количеством серебра и меди. Некоторые составы содержат небольшое количество платины, палладия и цинка. Серебро укрепляет сплав и устраняет красный оттенок меди. Медь увеличивает прочность сплава и снижает температуру его плавления, увеличивает предел текучести (содержание более 16% меди, может привести к потускнению сплава и снижению его ковкости). Платина и палладий повышают температуру плавления, но, вместе с тем, увеличивают прочность сплава. Цинк предотвращает окисление сплава и повышает его текучесть. Иридий, рутений и рений также могут входить в состав золотых сплавов (не выше 5%). Они являются кристаллообразующими веществами, способствуют формированию тонкозернистой структуры сплава при затвердевании. Сплавы на основе золота легко полируются до получения гладкой поверхности, достаточно пластичны. Рекомендуются для изготовления всех типов вкладок, накладок, искусственных коронок, небольших по протяженности мостовидных протезов. Золото-палладиевые сплавы, это сплавы со средним (менее 60%) и чаще низким (до 2%) содержанием золота. Содержание в них серебра (40-60%) и палладия (до 40%) увеличено для компенсации пониженного содержания золота. Содержание меди находится в диапазоне 10-15%. Палладий добавляется для компенсации потускнения сплава с содержанием серебра и улучшения стойкости сплава к коррозии. Палладий, серебро и медь легко образуют твердые растворы замещения с золотом, придавая однофазную структуру сплаву. Иногда в таких сплавах может применяться индий вместо меди для улучшения его эстетических свойств (серебряно-палладиевые сплавы имеют «стальной» оттенок, в то время как индий добавляет золотоподобную желтизну). Применяются по тем же показаниями, что сплавы с высоким содержанием золота, однако они менее дорогостоящие, лучше подходят для изготовления протяженных протезов (только сплавы со средним содержанием золота) и могут использоваться для протезов с опорой на имплантаты, литых штифтов и основ под коронку. Имеют соответствующую биосовместимость и антикоррозийную стойкость, но их свойства менее стабильны и изменяются от сплава к сплаву. Серебряно-палладиевые сплавы содержат преобладающее количество серебра и палладия и небольшое количество лигирующих металлов (таких как цинк и медь). Такие сплавы иногда называют «белым золотом». 141 По физико-механическим свойствам они напоминают сплавы золота, но уступают им по коррозионной стойкости и темнеют в полости рта. Являются пластичными, ковкими. Имеется широкий диапазон таких сплавов с различными характеристиками. Одни сплавы применяются только для изготовления вкладок, подверженных малым нагрузкам ввиду низкой прочности, твердости и высокой пластичности; другие – в виду высоких механических свойств, для изготовления коронок, небольших по протяженности мостовидных протезов, штифтов и культевых вкладок под коронку. Сплавы обладают тенденцией к быстрому затвердеванию, что осложняет дополнительную подгонку и обработку. Кобальт-хромовые сплавы содержат кобальт (55-65%), хром (до 30%), и такие легирующие элементы как молибден (4-5%), и реже титан (до 5%). Хром обеспечивает антикоррозийную стойкость сплава (биосовместимость), потому содержится в максимальном количестве 30%. Именно такое предельное количество хрома может раствориться в кобальте (твёрдый раствор) без образования второй хрупкой фазы. Молибден вводится для образования мелкозернистой структуры материала путем создания большего количества центров кристаллизации в течение процесса затвердевания, даёт существенное упрочнение раствора. В небольших количествах в сплаве присутствует углерод, так как он сочетается с любым другим легирующим элементом с образованием карбидов, увеличивая тем самым прочность и твердость сплава, но даже незначительные изменения в количественном содержании углерода могут привести к образованию излишнего количества карбидов, и, как следствие, к чрезмерной хрупкости. Температура литья кобальт-хромовых сплавов в пределах 1500-1550°С, а связанная с ней литейная усадка достигает 2%. Данные сплавы активно применяются при изготовлении несъемных зубных конструкций, однако высокая усадка и сниженная точность литья (вследствие высокой температуры плавления) не позволяет их активно применять для изготовления съемных зубных протезов. В сравнении со сплавами из благородных металлов, кобальт-хромовые имеют меньшую пластичность и склонны образовывать поры при литье, что в совокупности может приводить к отломам кламмеров съемных протезов. Также они сложны в полировке из-за повышенной твёрдости. Однако имеют значительно большую упругость (250 ГПа, что более чем в два раза выше показателя упругости сплавов, рассмотренных ранее). Данный факт позволяет изготавливать протезы с более тонким поперечным сечением, сохраняя при этом необходимую жесткость, что ведет к снижению веса конструкции. Никель-хромовые сплавы во многом аналогичны кобальт-хромовым, однако в современной стоматологии уже практически не используются ввиду повышенной токсичности, канцерогенности и аллергенности никеля. 142 Титановые сплавы изготавливаются на основе титана. Однако титан может выступать и легирующим элементом в сплавах на основе других металлов. Титан –уникальный металл, поскольку является, пожалуй, наиболее биосовместимым материалом, очень прочным (прочность на разрыв 500 МПа), имея при этом, низкую плотность. Недаром из него изготавливают зубные имплантаты, искусственные суставы и иного рода ортопедические конструкции. Чистый титан белый блестящий металл, фактически является сплавом титана с кислородом (до 0,5%). При добавлении к титану алюминия (6%) и ванадия (4%), прочность сплава становится выше, чем у чистого титана. Путем такого легирования возможно получение широкого спектра механических свойств сплава, превосходящих свойства технически чистого титана (например, прочность при растяжении возрастает до 1030 МПа). Титан это один из самых устойчивых к коррозии металлов. В полной мере эти качества можно отнести и к его сплавам. Неудобства в использовании титана заключаются в том, что ввиду высокой реакционной способности металла, литье необходимо выполнять в условиях вакуума или в инертной среде, что требует использования специального оборудования. Кроме того, высокая температура плавления титана (1670°С), затрудняет компенсацию усадки при охлаждении. Титан в расплавленном состоянии крайне реакционен и вступает в реакцию с литейной формой из огнеупорного формовочного материала, образуя слой окалины на поверхности отливки, что снижает качество прилегания протеза. Потому используются и другие технологии для изготовления зубных протезов из титана, такие как CAD/САМ фрезерование в сочетании с прокаткой и методом искровой эрозии. Нержавеющая сталь в отличие от рассмотренных выше литейных сплавов, является ковким сплавом железа, углерода и хрома, в котором содержание углерода не превышает 2%, а содержание хрома превышает 11%. Ковкий сплав – это литейный сплав, сформированный в результате механической обработки, такой как прокатка, прессование или волочение для придания новой желаемой формы. Одной из особенностей стали является её способность изменять свойства в широком диапазоне при незначительных изменениях состава. Сталь имеет один из самых высоких показателей прочности среди металлов. Благодаря сочетанию таких свойств как высокая антикоррозийная стойкость, прочность на разрыв и дешевизна – нержавеющая сталь широко используется во всех сферах медицины, в том числе для изготовления инструментов, лезвий скальпеля, ортодонтических проволок, брекетов и ортодонтических дуг, несъемных зубных протезов (штампованных зубных коронок, штамповано-паянных мостовидных протезов) и кламмеров частичных протезов, эндодонтических штифтов и т.д. За антикоррозийную стойкость нержавеющей стали отвечает хром, который образовывает защитный слой из оксида хрома на её поверхности. 143 В стоматологии применяется три вида нержавеющей стали: o Ферритные стали для производства инструментов. o Аустенитные стали для изготовления ортодонтической проволоки, автоклавов, столешниц и т.д. Наиболее распространённый тип. Имеют в своём составе 8% никеля, 18% хрома, и 0,2% углерода. Очень пластичны, поэтому из них легко изготовить разнообразные формы изделий различного назначения. o Мартенситные стали используются в основном для изготовления режущих инструментов. Детали из нержавеющей стали обычно спаиваются твердым припоем в отличие от паяния мягким припоем, которое применяют для сплавов с низкой температурой плавления. Также, используется метод точечной сварки для большинства отдельных элементов несъемных аппаратов. Точечная сварка основа на локализованном воздействии высоких температур на соединяемые части конструкций, путем использования высокой силы тока при низком напряжении. Если, в то же самое время, приложить давление в точке соприкосновения двух частей, в этой области произойдет рекристаллизация, и две части соединятся. Легкоплавкие сплавы характеризуютсянизкой температурой плавления. Легкоплавкие сплавы широко применяются в зуботехнических лабораториях при изготовлении металлических коронок, капп для фиксации челюстей, штампованных деталей протезов, а также штампов, контрштампов и отливки комбинированных моделей. Состав самых распространенных легкоплавких сплавов приведен в таблице 1. Таблица 1 Состав самых распространенных сплавов Номер сплава Компоненты сплава (в % по массе) Температура висмут свинец олово кадмий 1 55.5 - 33.38 11.12 95 2 52.5 32.0 15.50 - 96 3 50.1 24.9 14.20 10.80 70 4 55.0 27.0 13.00 10.00 70 5 48.0 24.0 28.00 - 63 Сплав 2 известен как сплав Розе, а сплав 5 называют сплавом Меллота Требования к легкоплавким сплавам: состоять из совместимых между собой металлов с близкими друг к другу температурой плавления; иметь низкую температуру плавления; быть достаточно прочными и твердыми, и не деформироваться при нагрузке; иметь малый коэффициент усадки. 144 В основном, в состав таких сплавов входят такие легкоплавкие металлы как висмут, олово, кадмий, свинец, сурьма, цинк и медь. Наименьшей усадкой и большей твердостью обладают легкоплавкие сплавы, содержащие 50% висмута. 145 ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Какую температуру плавления должен иметь припой относительно температуры плавления спаиваемых частей? A. Выше B. Ниже C. Равную D. Значения не имеет 2. Какие металлы входят в состав серебряного припоя? A. Ag, Zn, Mn B. Ag, Cd, Ni C. Ag, Ni, Zn D. Ag, Cu, Zn E. Ag, Cd, Ni 3. Зубной техник проводит пайку мостовидного протеза. Какой состав припоя применяется для пайки на основе золота? A. Серебро, титан, медь, латунь B. Золото, серебро, медь, кадмий, латунь C. Золото, серебро, медь, латунь D. Серебро, платина, кадмий, медь E. Серебро, палладий, медь, латунь, кадмий 4. Почему для изготовления зубных протезов применяют сплавы, а не чистые металлы? A. Сплавы легче обрабатывать B. Чистые металлы недостаточно прочные C. Сплавы более стойкие к коррозии D. Чистые металлы не отвечают требованиям к конструкционным материалам E. Сплавы дешевле чистых металлов 5. Какие компоненты входят в состав нержавеющей стали? A. Железо, медь, марганец, хром, кобальт B. Железо, углерод, никель, хром, титан C. Железо, никель, марганец, серебро, хром D. Железо, никель, медь, титан, хром E. Железо, углерод, марганец, хром, серебро 6. Для чего применяют платину в зубном протезировании? A. Изменения цвета сплавов золота B. Экономии золота в сплаве C. Повышения механических свойств сплавов золота D. Снижения температуры плавления сплавов золота E. Повышения температуры плавления сплавов золота 146 7. Для чего применяются флюсы при паянии? A. Очищения спаиваемых поверхностей B. Уменьшения температуры плавления припоя C. Увеличения площади спаиваемых поверхностей D. Предотвращения образования пленки окислов E. Предварительного соединения спаиваемых деталей 8. К каким свойствам материала относят понятия «прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность»? A. Химическим B. Механическим C. Физическим D. Оптическим E. 9. Какую температуру плавления имеет легкоплавкий сплав Меллота? A. 70 B. 75 C. 60 D. 63 E. 90 10. Показания для применения легкоплавких сплавов: A. Получение коронок B. Изготовление штампов C. Спаивание деталей D. Штамповка коронок E. |