表面低摩擦力耐蝕口腔正畸弓絲及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物醫(yī)用材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種表面低摩擦力耐蝕 口腔正畸弓絲及其制備方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003] 在正畸固定矯治過(guò)程中，摩擦力伴隨著托槽與弓絲間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生，矯治器 施加的矯治力需克服摩擦力后才能作用于牙齒，通過(guò)牙周組織的吸收與改建而使牙齒移 動(dòng)。隨著滑動(dòng)機(jī)制在固定矯治中的普遍應(yīng)用，矯治過(guò)程中所產(chǎn)生的摩擦力就顯得尤為重要。 摩擦力越大，牙移位的實(shí)際矯治力比例就越小，進(jìn)而影響矯治器矯治的性能和效率。當(dāng)今正 畸學(xué)界普遍提倡的矯治理念是輕力矯治，想要達(dá)到輕力矯治的有效甚至高效，首要的就是 減小矯治系統(tǒng)的摩擦力，從而獲得最有效的牙移位及最適當(dāng)?shù)纳锝M織反應(yīng)?？谇徽t(yī) 師已逐漸認(rèn)識(shí)到摩擦力在矯治過(guò)程中的重要性，隨之對(duì)被矯治牙齒移動(dòng)時(shí)所需克服的摩擦 力的研究也逐漸增多，這不僅有利于臨床上合理選用托槽，弓絲和結(jié)扎方法，同時(shí)也可避免 一些不利因素的影響，對(duì)于提高牙移動(dòng)效率，降低支抗要求，縮短治療時(shí)間都有特殊的臨床 意義。
[0004] 目前，正畸臨床常用的弓絲材料有：不銹鋼（SS)、鈷鉻(Co-Cr )、鎳鈦(Ni-Ti)、β鈦 (ΤΜΑ)。有研究表明，不論是不銹鋼托槽還是陶瓷托槽，以上四種弓絲的摩擦力依次增高。實(shí) 驗(yàn)證實(shí)，弓絲的摩擦系數(shù)主要取決于其表面粗糙度、硬度和彈性模量。其中，表面粗糙度與 摩擦力成正相關(guān)關(guān)系，而弓絲的硬度及彈性模量則與摩擦力成負(fù)相關(guān)關(guān)系。同樣尺寸的方 絲，不銹鋼絲因其較高的剛度、表面光滑度，而更適用于滑動(dòng)關(guān)閉拔牙間隙，在口內(nèi)、外施加 牽引力量時(shí)，能更好的維持牙弓的穩(wěn)定。但在正畸臨床上應(yīng)用的奧氏體不銹鋼絲在性能方 面也存在一定的缺陷：（1)矯治過(guò)程中，弓絲與托槽之間的相對(duì)滑動(dòng)將導(dǎo)致不銹鋼絲表面出 現(xiàn)明顯的劃痕，表面粗糙度的不斷增加將增大弓絲的摩擦力，繼而影響牙齒移動(dòng)的效率； (2)奧氏體不銹鋼絲合金成分中含有一定比例的鎳元素，在人體口腔環(huán)境下析出的鎳離子 雖低于正常人的每日飲食攝入水平，也有可能引起極少數(shù)人過(guò)敏反應(yīng)；（3)奧氏體不銹鋼弓 絲在發(fā)揮作用時(shí)，多是處于口腔這一特定的復(fù)雜環(huán)境中，如同其他正畸合金一樣，不管其冶 金結(jié)構(gòu)如何，都會(huì)發(fā)生腐蝕，主要為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種。而腐蝕類型可分為均勻腐 蝕和局部腐蝕，其中局部腐蝕又劃分為孔蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、流電腐蝕、磨損腐蝕、疲 勞腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。腐蝕可使不銹鋼弓絲機(jī)械性能降低，特別是弓絲與托槽或頰管交界處 的縫隙腐蝕，易致弓絲折斷。同時(shí)腐蝕也會(huì)降低不銹鋼弓絲表面光潔度，是不銹鋼弓絲表面 粗糙度及表面摩擦系數(shù)增加，從而增加滑動(dòng)法移動(dòng)牙齒過(guò)程中的摩擦阻力。因此，如何通過(guò) 技術(shù)工藝處理降低正畸不銹鋼絲的摩擦系數(shù)，同時(shí)補(bǔ)償其性能方面的不足，從而提高臨床 治療效率已成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。伴隨生物醫(yī)學(xué)工程的飛速發(fā)展，人們?cè)噲D用 多種方法對(duì)各種醫(yī)用金屬材料進(jìn)行表面改性，以期進(jìn)一步提高生物醫(yī)用材料的綜合性能、 生物相容性和使用壽命，如材料的疲勞、腐蝕、摩擦磨損等。
[0005] 為了改善正畸弓絲的各項(xiàng)性能以滿足臨床醫(yī)師的需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試運(yùn)用多樣 化的材料表面處理工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)弓絲的表面改性，以期降低正畸弓絲的摩擦系數(shù)從而提高臨 床治療效率，同時(shí)賦予弓絲表面良好的耐腐蝕性、生物相容性以及美學(xué)性能。Rapiejko等的 研究表明，氮化硅(SiN)和碳化硅(SiC)薄膜能明顯減輕托槽-弓絲接觸界面的磨損。遺憾的 是，SiN和SiC薄膜卻明顯增大了托槽-弓絲間的摩擦系數(shù)，摩擦力越大，牙移位的實(shí)際矯 治力比例就越小，進(jìn)而影響矯治器矯治的性能和效率。另有研究顯示，氮化鈦(TiN)薄膜提 高了托槽、弓絲的抗腐蝕能力，但同時(shí)也增大了托槽-弓絲間摩擦力。因此，對(duì)應(yīng)用于正畸固 定矯治器，這些都不是理想薄膜。早在2002年Husmann等就已經(jīng)研制出聚四氟乙烯(Teflon) 涂層不銹鋼弓絲，顏色相近于牙本色，且具有極低的摩擦系數(shù)、優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能和良 好的生物相容性，然而在臨床使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于Teflon涂層本身硬度不高、耐磨性能很 差，涂層容易產(chǎn)生裂隙并剝脫，長(zhǎng)期使用于口腔環(huán)境時(shí)，不銹鋼弓絲的腐蝕仍然會(huì)發(fā)生。類 金剛石膜(DLC)因其超硬晶體結(jié)構(gòu)、低摩擦系數(shù)、高耐磨性、良好的生物相容性等杰出特性 也受到了廣泛的關(guān)注。自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，許多學(xué)者通過(guò)各種鍍膜制備技術(shù)在不銹鋼 方絲、β-鈦絲以及含銅鎳鈦絲鍍以DLC膜，研究發(fā)現(xiàn)類金剛石膜不銹鋼弓絲可明顯降低摩擦 系數(shù)并減輕磨損，對(duì)人牙周膜細(xì)胞具有良好生物相容性，并表現(xiàn)出抵抗變形鏈球菌粘附的 能力，然而類金剛石膜的主要缺點(diǎn)在于制備過(guò)程中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力是膜基結(jié)合較差，嚴(yán) 重影響了薄膜的實(shí)用化。因此在實(shí)現(xiàn)類金剛石膜的全方位、大面積、均勻沉積以及獲得良好 的膜基結(jié)合力方面還有許多工作要做。
[0006] 近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，納米二氧化硅涂層作為一種新型表面 改性材料，也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。大量研究表明，其具有高熔點(diǎn)、強(qiáng)抗腐蝕性、高穩(wěn)定 性，高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，在微電子器件和集成器件、光學(xué)薄膜器件和傳感器等領(lǐng)域得到了很好 的應(yīng)用。作為一種較好的耐磨減摩材料，納米二氧化硅膜在生物醫(yī)學(xué)方面的特性亦引起人 們的關(guān)注研究。而在口腔醫(yī)學(xué)中已成功應(yīng)用于牙體修復(fù)材料納米充填樹(shù)脂，以及義齒修復(fù) 中陶瓷冠修復(fù)并在臨床實(shí)踐中取得了比較好的效果。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]解決的技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的是提供一種表面覆有納米二氧化硅涂層的表面低 摩擦力耐蝕口腔正畸弓絲及其制備方法，該弓絲機(jī)械化學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕、滿足臨床口腔 應(yīng)用要求。
[0009] 技術(shù)方案:表面低摩擦力耐蝕口腔正畸弓絲，由以下方法制得:表面低摩擦力耐蝕 口腔正畸弓絲，由以下方法制得：奧氏體不銹鋼弓絲表面覆蓋有采用非平衡磁控濺射法沉 積的納米二氧化硅涂層，工藝參數(shù)為:靶材二氧化硅，純度優(yōu)于99.99%，濺射功率200 w，稀 釋氣體Ar流量50 SCCM，工作氣壓2.0 Pa，沉積時(shí)間100 min。
[0010] 所述奧氏體不銹鋼弓絲表面與納米二氧化硅涂層之間涂覆復(fù)合涂層，所述復(fù)合涂 層由水性聚氨酯乳液、聚四氟乙烯、納米二氧化硅、鈦酸四丁酯按質(zhì)量比25:14:4:3制得。 [0011 ] 納米二氧化娃涂層中納米顆粒的直徑不超過(guò)100nm。
[0012] 納米二氧化硅涂層厚度為1微米。
[0013] 表面低摩擦力耐蝕口腔正畸弓絲的制備方法，包括以下步驟：以?shī)W氏體不銹鋼弓 絲為基材，在其表面采用非平衡磁控濺射法沉積制備納米二氧化硅涂層，沉積的工藝參數(shù) 為:靶材二氧化硅，純度優(yōu)于99.99%，濺射功率200 w，稀釋氣體Ar流量50 SCCM，工作氣壓 2.0 Pa，沉積時(shí)間 100 min。
[0014] 奧氏體不銹鋼弓絲沉積涂層前進(jìn)行以下處理： a. 熱處理:將奧氏體不銹鋼弓絲加熱到930~950°C，保溫時(shí)間2.0~2.4分鐘/毫米，浸入 淬火劑中直接淬冷，淬冷到180~200°C結(jié)束淬冷處理;然后回火處理，回火加熱溫度為550~ 570°C，保溫時(shí)間2.2~2.4分鐘/毫米，油冷< 55°C后;在-70~-80°C的溫度下冷處理30min后 恢復(fù)至室溫;對(duì)冷處理之后進(jìn)行280~320°C的低溫回火，低溫回火保溫時(shí)間2.3~2.7分鐘/ 毫米，空冷； b. 酸洗處理:將熱處理后的弓絲浸沒(méi)于酸洗液中浸泡30~40min，酸液溫度