使用数字图像相关法测量模拟牙体窝洞中牙科复合材料的收缩

摘要

为了理解牙科树脂复合材料充填体中聚合收缩应力的空间发展，采用数字图像相关技术，通过关联充填模型玻璃窝洞在聚合前后拍摄的图像，提供全场位移/应变测量结果。

摘要

牙科树脂复合材料的聚合收缩可能导致复合材料修复牙发生修复体脱粘或牙体组织开裂。为了理解此类修复牙中收缩应变和应力的发生位置及发展方式，采用数字图像相关法（DIC）全面展示了经历聚合收缩后模型修复体内部的位移和应变分布情况。

采用直径和长度均为10 mm的圆柱形玻璃棒制备带有模型窝洞的试件。每个试件上制备的近-𬌗-远（MOD）窝洞尺寸分别为3 mm（宽）和2 mm（深）。用树脂复合材料填充窝洞后，将待观察表面先喷涂一层薄的白色涂料，再喷上细的黑色炭粉，以形成高对比度的散斑图案。分别在固化前和固化5分钟后拍摄该表面的图像。最后，利用数字图像相关（DIC）软件对这两幅图像进行相关分析，以计算位移和应变分布。

树脂复合材料向窝洞底部垂直收缩，修复体顶部中心区域的向下位移最大。同时，材料沿其垂直中线水平向内收缩。复合材料的收缩拉伸了“牙体-修复体”界面附近的材料，导致牙尖发生偏转，并在修复体周围产生较高的拉应变。靠近窝洞壁或洞底的材料，其正应变主要垂直于界面方向。两个正应变分量的叠加结果显示，修复体周围应变分布相对均匀，其数值约等于材料的体积收缩应变。

引言

树脂复合材料因其优异的美观性和操作性能，被广泛应用于牙体修复。然而，尽管树脂复合材料能够与牙体组织形成粘接，其聚合收缩仍然是临床关注的问题，因为产生的收缩应力可能导致牙齿与修复体界面处发生脱粘^1-2。因此，细菌可能侵入并定植于粘接失效区域，导致继发性龋损。另一方面，若修复体与牙齿粘接良好，收缩应力则可能引起牙体组织开裂。上述任一种失效形式都将危及牙科修复体的使用寿命，而修复体在使用过程中需承受大量热循环和机械载荷的作用。

因此，聚合收缩应变和应力的测量在牙科树脂复合材料的开发与评价中变得不可或缺^3-4。目前已开发出多种测量技术或方法^5-11，其主要目的是提供一种简单可靠的装置，用于测量树脂复合材料的收缩行为。尽管这些方法所提供的测量结果可能足以比较不同材料的收缩行为，但它们无法帮助理解在实际修复牙齿中收缩应力是如何以及在何处产生的。具体而言，一个备受关注的问题是：窝洞壁如何限制复合材料的收缩，从而导致牙科修复体中产生收缩应力¹²。需要注意的是，要产生收缩应力，树脂复合材料的部分收缩应变必须转化为拉伸弹性应变。因此，若能测量修复体中这一应变组分将具有重要意义。近年来，光学全场应变测量技术——数字图像相关法（Digital Image Correlation, DIC）已被应用于树脂复合材料自由收缩以及牙科修复体中材料流动的测量^13-15。DIC的基本原理是追踪并关联样品表面在变形过程中连续拍摄图像中的可见图案，从而确定该表面的位移场和应变场。全场测量是DIC方法的主要优势之一，特别适用于观察非均匀变形和应变分布模式¹³。本研究采用DIC技术揭示牙科树脂复合材料修复体中的应变分布模式，旨在理解收缩应力的发展过程，并识别可能的脱粘部位。上述文献^14-15仅测量了因聚合收缩引起的修复体位移，尚无法直接提供此类信息。本研究使用模拟具有近中-咬合面-远中（mesial-occlusal-distal, MOD）窝洞牙齿的模型进行测量，以尝试复现真实牙科修复体中的应力或应变状态。尽管使用真实牙齿在解剖结构上更具代表性，但其缺点在于牙齿之间在解剖结构、力学性能、水合程度以及不可见的内部缺陷等方面存在显著的个体差异¹⁴，从而导致实验结果出现较大变异。为克服这一缺陷，一些研究尝试通过颊侧尺寸对牙齿样本进行分组以实现标准化¹⁶，或完全使用替代材料模型代替天然牙齿¹⁷。例如，在收缩应力测量中曾采用铝制模型（其杨氏模量与牙釉质相近，分别为69 GPa和83 GPa），并通过牙尖偏转程度来反映收缩应力水平¹⁷。本研究则选用二氧化硅玻璃模型（窝洞），因为该材料的杨氏模量（63 GPa）也与人牙釉质相近，且由于其透明特性，可方便地观察试样中是否发生脱粘或裂纹。

方案

注意：本研究使用玻璃空腔测试了三种牙科树脂复合材料：Z100、Z250 和 LS，详见材料列表。其中，LS 是一种低收缩率树脂复合材料，其体积收缩率约为 1.0%，远低于 Z250 和 Z100（分别约为 2% 和 2.5%）^18-19。本研究中使用的设备及其他材料也列于材料列表中。

1. 模型窝洞预备

1. 使用低速金刚石锯将直径为10 mm的长圆柱形玻璃棒切割成10 mm长的短棒。
2. 使用改装的低速金刚石锯，在每个样本上制备一个近中-咬合-远中（MOD）洞形（图 1），尺寸为3 mm（宽）× 2 mm（深）。
3. 将每个圆柱形样本抛光，形成一个垂直于洞形长度方向的平面，其尺寸如图 1所示。该平面可用于修复体上的精确聚焦和图像校准，此后称为观察面。
4. 为所测试的三种材料（Z100、Z250 和 LS）各自准备三个样本：参见 材料表。

2. 使用树脂复合材料填充窝洞

1. 使用毛刷将一层薄薄的陶瓷底涂剂涂于玻璃空腔的所有表面，以实现表面硅烷化。这有助于玻璃表面与树脂复合材料之间形成牢固结合。
2. 约1分钟后，再涂布一层薄薄的粘接剂。对于LS复合树脂，使用LS粘接系统；对于Z100和Z250复合树脂，则使用Adper Single Bond Plus粘接剂。
3. 根据制造商说明（材料表）使用光固化灯及相应照射时间（10–20秒）固化粘接剂。
4. 除观察面外，用黑色胶带覆盖修复体周围的所有玻璃表面，如图 2所示。目的是防止固化光线透过周围透明的玻璃区域照射到树脂复合材料，因为在真实牙齿中不会发生此类透光现象。
5. 采用大块充填法将树脂复合材料填入空腔，并刮除多余材料，使所有表面平整。

3. 表面染色

1. 在观察表面喷上一层薄薄的白色油漆，该表面现在包含部分树脂复合材料。
2. 立即在油漆上撒一些黑色细炭粉，以形成高对比度的斑点。这些斑点的不规则形状将有助于数字图像相关（DIC）软件识别并追踪其移动。

4. 样品安装、固化与拍摄

1. 参照图 2，将样品（E）放入夹具（C）中，并用螺丝（D）拧紧。然后将整个装置置于一根大型水平横梁的末端。
2. 将CCD相机和黄色照明LED光源固定在同一根横梁上，使其正对观察表面。
3. 使用带有可调节夹具的支架，将固化光源定位，使其尖端位于样品上方约1 mm处。
4. 在固化前拍摄样品图像，作为参考图像。
5. 对树脂复合材料进行20秒的固化。
6. 在固化后5分钟时再拍摄一张图像。
7. 将校准块放置在与观察表面相同的位置，并拍摄图像。该校准块包含一组圆形点阵，其尺寸和间距均精确已知。

5. 使用 DIC 软件进行图像分析

1. 将每个样品在固化前后拍摄的两张图片导入DIC软件中。
2. 使用校准块的图像对图像尺寸进行标定，并校正图像畸变。
3. 在观察面上定义用于分析的感兴趣区域。
4. 将第一次迭代的方形子区窗口大小定义为64 × 64像素，第二次迭代定义为32 × 32像素²⁰，重叠率定义为50%。
5. 将固化后拍摄的图像与固化前拍摄的参考图像进行关联，以计算位移和应变分布。

结果

每种材料测试了三个样本。每次测试后，通过肉眼或必要时使用显微镜对样本进行检查。在“牙齿-修复体”界面未发现明显的脱粘或开裂现象。

图像分辨率为1,600 × 1,180像素，像素大小为5.8 mm。当子集窗口大小为32像素时，位移分布的空间分辨率约为186 mm。

图3展示了使用Z250制备的固化修复体的典型位移矢量图。其他树脂复合材料的试样也产生了类似的位移图。可以看出，树脂复合材料向窝洞底部收缩，修复体顶部中心区域的向下位移最大。这种向下位移随着修复体深度的增加而逐渐减小。同时，树脂复合材料在水平方向上向修复体的垂直中线收缩，该处的水平位移为零。

水平应变图（图 4A）显示，在两个垂直的“牙体-修复体”界面处存在较高的拉伸应变集中。类似地，在图 4B中可见底部界面处存在垂直拉伸应变集中。在修复体内，应变分布并不均匀。图 4A显示，较高...

讨论

使用具有相同形状和尺寸的玻璃空腔进行收缩应变测量，旨在尽量减少因天然人牙在尺寸、解剖结构和材料特性方面的差异所导致的结果变异。此外，本研究中使用的熔融石英玻璃的杨氏模量与牙釉质相近，因此在力学行为方面，是一种适合模拟天然牙齿的替代材料^21-22。尽管在实际牙齿修复中，树脂复合材料主要与牙本质而非牙釉质粘接，且这两种牙体组织的刚度存在差异，但使用较软的牙齿模型所获得的应变分布模式预计不会有显著不同，尽管其数值可能有所差异。通过使用陶瓷底涂剂和适当的粘接剂，确保了树脂复合材料与玻璃空腔壁之间的牢固粘接，从而使试样内的收缩应力能够充分发展而不会发生修复体脱粘。事实上，玻璃与树脂复合材料之间的粘接强度被认为高于玻璃本身的断裂强度，因为在使用较大空腔时，一些主要填充Z100的玻璃试样中已观察到裂纹。其他研究者也曾报道过类似现象¹²。

喷涂在树脂复合材料表面的薄层涂料由于其有限的刚度，可能会阻碍材料的流动和收缩。因此，需特别注意避免在树脂复合材料表面过度涂覆。喷涂时应从上方保持一定距离轻柔喷洒...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
牙科复合材料 Z100	3M ESPE	N362979	体积收缩率 ~ 2.5%，杨氏模量 ~ 14 GPa
牙科复合材料 Z250	3M ESPE	N326080	体积收缩率 ~ 2.0%，杨氏模量 ~ 11 GPa
牙科复合材料 LS	3M ESPE	N240313	体积收缩率 ~ 1%，杨氏模量 ~ 10 GPa
陶瓷底涂剂	3M ESPE	N167818	Rely X
LS 系统粘接剂	3M ESPE	N391675	用于复合材料 LS 的粘接剂
Adper Single Bond Plus	3M ESPE	501757	用于复合材料 Z100 和 Z250 的粘接剂
玻璃棒	Corning Inc.	Pyrex 7740 硼硅酸盐玻璃
光固化灯	3M ESPE	Elipar S10
白色涂料	Krylon Product Group		室内外用，哑光白色
活性炭粉末	Sigma Aldrich, Co.	BCBH6518V	Fluka 活性炭
CCD 相机	Point Grey Research, Inc.	Point Grey Gras-20S4C-C