口腔正畸弓絲表面鹽浴氮碳共滲改性方法
【專利摘要】口腔正畸弓絲表面鹽浴氮碳共滲改性方法，方法步驟為：弓絲表面預(yù)處理：依次在乙醇、丙酮、蒸餾水中進(jìn)行超聲清洗10min，去除油漬；將預(yù)處理后的弓絲采用奧氏體不銹鋼專用滲劑進(jìn)行鹽浴氮碳共滲，鹽浴溫度565℃，處理時間10～30min；氮碳共滲處理后的弓絲在室溫下冷卻30min，再依次用乙醇、丙酮超聲清洗，即獲得表面低摩擦力不銹鋼弓絲。通過本發(fā)明所述技術(shù)方案制備的不銹鋼弓絲在表面摩擦性能、耐腐蝕性方面有所提高，且具有良好的生物相容性，滿足正畸矯形弓絲表面改性和臨床應(yīng)用的需要。
【專利說明】口腔正畸弓絲表面鹽浴氮碳共滲改性方法
【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】，特別提供了一種口腔正畸弓絲表面鹽浴氮碳共滲改性方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在正畸固定矯治過程中，摩擦力伴隨著托槽與弓絲間的相對運(yùn)動而產(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，通過牙周組織的吸收與改建而使牙齒移動。隨著滑動機(jī)制在固定矯治中的普遍應(yīng)用，矯治過程中所產(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)識到摩擦力在矯治過程中的重要性，隨之對被矯治牙齒移動時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，同時也可避免一些不利因素的影響，對于提高牙移動效率，降低支抗要求，縮短治療時間都有特殊的臨床意義。
[0003]目前，正畸臨床常用的弓絲材料有:不銹鋼(SS)、鈷鉻(Co-Cr)、鎳鈦(N1-Ti)、^鈦(TMA)。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，而更適用于滑動關(guān)閉拔牙間隙，在口內(nèi)、外施加牽引力量時，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，例如矯治過程中，弓絲與托槽之間的相對滑動將導(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，繼而影響牙齒移動的效率。因此，如何通過技術(shù)工藝處理降低正畸不銹鋼絲的摩擦系數(shù)，同時補(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科學(xué)家競相研究的熱點(diǎn)。
[0004]伴隨生物醫(yī)學(xué)工程的飛速發(fā)展，人們試圖用多種方法對各種醫(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。奧氏體不銹鋼表面硬化技術(shù)包括滲氮、滲碳、碳氮共滲等等，通過這些處理，可在保持不銹鋼原有耐蝕性的前提下，提高其表面硬度及耐磨性。其中，氮碳共滲是以滲氮為主的低溫處理工藝。氮碳共滲層的硬度雖比滲氮層稍低，但仍有較高的硬度耐磨性及疲勞強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料氮碳共滲的方法有氣體等離子體法和鹽浴法，后者具有設(shè)備簡單、成本低、處理溫度均勻穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用一種較為環(huán)保的滲劑實(shí)現(xiàn)了奧氏體不銹鋼的低溫鹽浴氮碳共滲，該工藝具有較好的應(yīng)用前景。
[0005]在達(dá)到正畸矯治效果的同時縮短矯治療程、降低矯治風(fēng)險是正畸臨床醫(yī)師和患者共同追求的目標(biāo)，這就激發(fā)了對口腔正畸材料的不斷創(chuàng)新改良。近來研究表明醫(yī)用鈦合金表面氮碳共滲能顯著提高合金的耐磨性，但還沒有關(guān)于鹽浴氮碳共滲技術(shù)用于口腔正畸用奧氏體不銹鋼弓絲表面改性方面的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]解決的技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種尤其適用于改善口腔正畸弓絲表面摩擦性能的表面鹽浴氮碳共滲改性方法，致力于研究和開發(fā)一種新型、機(jī)械化學(xué)性能優(yōu)異、滿足臨床口腔應(yīng)用要求的正畸用表面低摩擦力弓絲。[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的:
[0008]口腔正畸弓絲表面鹽浴氮碳共滲改性方法，方法步驟為:
[0009]a.弓絲表面預(yù)處理:依次在乙醇、丙酮、蒸餾水中進(jìn)行超聲清洗lOmin，去除油潰；
[0010]b.將預(yù)處理后的弓絲采用奧氏體不銹鋼專用滲劑進(jìn)行鹽浴氮碳共滲，鹽浴溫度565°C，處理時間10~30min ；
[0011]C.氮碳共滲處理后的弓絲在室溫下冷卻30min，再依次用乙醇、丙酮超聲清洗，即獲得表面低摩擦力不銹鋼弓絲。
[0012]所述正畸弓絲為奧氏體不銹鋼正畸弓絲，弓絲尺寸為0.019X0.025英尺。
[0013]所述奧氏體不銹鋼專用滲劑含有16%wt K2CO3>24%wt KCl和60%wt尿素，滲劑中CNO-的摩爾分?jǐn)?shù)控制在40%。
[0014]有益效果:通過本發(fā)明所述技術(shù)方案制備的不銹鋼弓絲在表面摩擦性能、耐腐蝕性方面有所提高，且具有良好的生物相容性，滿足正畸矯形弓絲表面改性和臨床應(yīng)用的需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為鹽浴氮碳共滲爐示意圖；圖中I熱電偶，2電阻爐，3坩堝，4電爐絲，5溫度控制儀；
[0016]圖2為改性弓絲及基材SEM表面結(jié)構(gòu)形貌；
[0017]圖3為改性弓絲及基材的顯微硬度值比較；
[0018]圖4為改性弓絲及基材的摩擦性能測試結(jié)果；
[0019]圖5為改性弓絲及基材在37°C人工唾液中的循環(huán)極化曲線；
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0021]實(shí)施例1
[0022]本發(fā)明通過以下步驟實(shí)現(xiàn):(一)弓絲表面預(yù)處理，依次在乙醇、丙酮、蒸餾水中進(jìn)行超聲清洗lOmin，去除油潰；(二)將預(yù)處理后的弓絲采用奧氏體不銹鋼專用滲劑進(jìn)行鹽浴氮碳共滲，鹽浴溫度565°C，處理時間IOmin ;(三)氮碳共滲處理后的弓絲在室溫下冷卻30min，再依次用乙醇、丙酮超聲清洗，即獲得表面低摩擦力不銹鋼弓絲。所述正畸弓絲為奧氏體不銹鋼正畸弓絲，弓絲尺寸為0.019X0.025英尺(0.48X0.64mm)。其中步驟(二)所述奧氏體不銹鋼專用滲劑含有16%wtK2C03、24%wtKCl和60%wt尿素，滲劑中CNO_的摩爾分?jǐn)?shù)控制在40%。
[0023]圖1為鹽浴氮碳共滲爐示意圖，實(shí)驗(yàn)所用的鹽浴爐為功率為IOkw的外熱式電阻爐2，電阻爐2內(nèi)壁設(shè)有電爐絲4，爐內(nèi)溫度由熱電偶I連接的溫度控制儀5控制，坩堝3內(nèi)盛有奧氏體不銹鋼鹽浴滲劑，成分為16%wt K2CO3>24%wt KCl和60%wt尿素，滲劑中的CN0_的摩爾分?jǐn)?shù)控制在40%。低溫不銹鋼氮碳共滲處理所用的滲劑采用碳酸鉀、氯化鉀和尿素按一定比例配制而成。在工作過程中氰酸鹽發(fā)生氧化及分解，提供出活性氮原子和活性碳原子。由于實(shí)驗(yàn)所用鹽浴中的CNO—具有較強(qiáng)的還原勢，可以有效地去除不銹鋼表面的鈍化膜，所以在本實(shí)驗(yàn)中不需要專門的去鈍預(yù)處理就能使N和C原子無阻礙地滲入不銹鋼的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)不銹鋼的表面硬化處理。 [0024]圖2分別為改性弓絲及基材SEM表面結(jié)構(gòu)形貌，可見，改性弓絲表面呈灰黑色，由于鹽浴氮碳共滲沒有離子刻蝕作用，其表面較為平滑，這對其摩擦學(xué)性能是有利的。
[0025]實(shí)驗(yàn)采用DHV-1000型顯微維氏硬度儀進(jìn)行測定，法向載荷為1.96N，載荷施加15s，每個樣品表面分散5個點(diǎn)，彼此至少遠(yuǎn)離1_。在光鏡下測量壓痕對角線的長度，記錄相應(yīng)的維氏硬度值并計算其均值作為材料的顯微硬度值。圖3為改性弓絲及不銹鋼弓絲基材的顯微硬度值比較。研究表明，不銹鋼基材的硬度值為468.42Hv，改性弓絲的硬度值為1119.58Hv，改性后弓絲的表面硬度提高了近2.5倍。氮碳共滲提高不銹鋼硬度的機(jī)理主要為固溶強(qiáng)化，即氮碳原子固溶進(jìn)入奧氏體晶格，引起晶格畸變，并阻礙了位錯運(yùn)動，引起強(qiáng)化氮碳原子的固溶還在滲層中引入了殘余壓應(yīng)力，這也可提高滲層的硬度。弓絲表面的高硬度有利于提高材料的摩擦磨損性能。
[0026]在正畸治療中，矯治器加力時，初始要克服托槽與弓絲之間的最大靜摩擦力以使牙移動。牙移動一段時間后，變形的牙周組織抵抗力合并滑動摩擦力抵消了施加的外力，導(dǎo)致牙移動停止。隨后由于牙周組織的改建，同時由于咬合弓絲回彈及咀嚼運(yùn)動改變了弓絲與托槽的壓力，牙又開始移動，如此循環(huán)往復(fù)。有學(xué)者認(rèn)為靜摩擦力是牙齒開始移動所需的力，而滑動摩擦力是牙齒一旦移動所需的維持其移動的力。本發(fā)明采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)Instron 3365檢測弓絲和托槽間的摩擦力以研究改性弓絲的摩擦性能。選用右上第一前磨牙傳統(tǒng)直絲弓托槽(Victory Series, 3M Unitek,美國)。托槽用502膠固定于支座上，使托槽槽溝方向與拉伸方向相同。將弓絲置于托槽槽溝內(nèi)，采用透明結(jié)扎圈固定弓絲。調(diào)節(jié)上夾具夾住弓絲，儀器夾頭移動速度10mm/min,移動距離20mm,每秒記錄5次數(shù)據(jù)，由儀器記錄弓絲和托槽組合的摩擦力-位移曲線，計算最大靜摩擦力、平均動摩擦力、靜摩擦系數(shù)以及動摩擦系數(shù)。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性弓絲的最大靜摩擦力與原弓絲相比減少了 22.2%，平均動摩擦力與原弓絲相比減少了 6.9%，靜摩擦系數(shù)與原弓絲相比減少了15.2%。本發(fā)明采用的表面改性方法可使不銹鋼弓絲表面的摩擦性能顯著改善，這與改性弓絲表面粗糙度降低，表面硬度增高有一定關(guān)系。
[0027]口腔內(nèi)適宜的溫度及唾液中各種化學(xué)物質(zhì)會使合金表面失去光澤，發(fā)生腐蝕反應(yīng)。腐蝕不僅降低合金的強(qiáng)度，腐蝕產(chǎn)物(如合金析出的有害金屬離子等)還會對機(jī)體產(chǎn)生不良反應(yīng)，如過敏反應(yīng)，牙齒著色及毒性作用等。因而，對于應(yīng)用于口腔內(nèi)的正畸弓絲的耐腐蝕性研究顯得尤為重要?？谇粌?nèi)合金弓絲及托槽材料的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕,測試合金材料腐蝕的方法很多，其中循環(huán)極化曲線法與析出離子濃度測試法更適合于比較牙科合金材料的腐蝕性。實(shí)驗(yàn)采用CHI760D電化學(xué)工作站測定改性不銹鋼弓絲基材及改性樣品的電化學(xué)腐蝕性能。電化學(xué)測試采用三電極體系，所用介質(zhì)為37°C人工唾液，以待測樣品為工作電極，鉬片作為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極。采用電化學(xué)工作站的線性電位掃描方法，測量Tafel曲線，電位掃描速度為0.01V/s，測量范圍±0.5V，取樣間隔為0.001V。圖5不銹鋼弓絲基材及改性樣品在37°C人工唾液中的循環(huán)極化曲線，研究表明不銹鋼弓絲基材的腐蝕電位為1.255V，腐蝕電流為3.38e-5，而改性弓絲的腐蝕電位為-0.838V，腐蝕電流為1.09e-6，其極化電流密度數(shù)量級下降了 I個。腐蝕速率與腐蝕電流密度成正比關(guān)系，由此可知經(jīng)鹽浴氮碳共滲的改性弓絲的耐腐蝕性能有所提高。
[0028]隨著生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展，許多新型生物材料不斷涌現(xiàn)，為了確保人體健康，一種新的生物材料在進(jìn)入臨床之前必須進(jìn)行生物相容性的評價。完整的生物學(xué)評價應(yīng)包括初級急性毒性篩選、動物體內(nèi)應(yīng)用和臨床試用級試驗(yàn)。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)是初級急性毒性篩選的一個重要方面，是一種快速、簡便、重復(fù)性好又廉價的檢測材料生物相容性方法，在評價材料生物相容性方面的地位已得到公認(rèn)。實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB-T16886-1.1997，應(yīng)用四甲基偶氮唑鹽(MTT)比色法對改性弓絲的體外細(xì)胞毒性進(jìn)行評價，通過將人牙齦成纖維細(xì)胞(HGF)與弓絲浸潰液在含10%小牛血清的DMEM培養(yǎng)液中接觸培養(yǎng)，培養(yǎng)24、48和72h后分別取出I板用酶聯(lián)檢測儀測其光密度值(0D值)，實(shí)驗(yàn)波長為490nm，取均值，計算細(xì)胞增殖率(P/%)，P=各濃度組OD均值/陰性對照組OD均值。按毒性分級法評分:P為~100時0級、~80時為I級、~60時為2級、~40時為3級，~20時為4級。表1為改性弓絲及不銹鋼弓絲基材的MTT細(xì)胞毒性測試結(jié)果。研究表明，在細(xì)胞培養(yǎng)24h、48h、72h的不同時相用倒置顯微鏡觀察，改性組與基材組相似，細(xì)胞數(shù)量明顯增加，生長良好。MTT比色法檢測，改性組和基材組在24、48、72h內(nèi)的細(xì)胞相對增殖率在84.69%到110.11%之間，其毒性評級均為0級，無明顯的細(xì)胞毒性。由此可見，經(jīng)鹽浴氮碳共滲改性后的弓絲在人體環(huán)境下是安全的，符合臨床應(yīng)用要求。
[0029]表1改性弓絲及基材的MTT細(xì)胞毒性測試結(jié)果
[0030]
【權(quán)利要求】
1.口腔正畸弓絲表面鹽浴氮碳共滲改性方法，其特征是方法步驟為: a.弓絲表面預(yù)處理:依次在乙醇、丙酮、蒸餾水中進(jìn)行超聲清洗lOmin，去除油潰； b.將預(yù)處理后的弓絲采用奧氏體不銹鋼專用滲劑進(jìn)行鹽浴氮碳共滲，鹽浴溫度565°C，處理時間10~30min ； c.氮碳共滲處理后的弓絲在室溫下冷卻30min，再依次用乙醇、丙酮超聲清洗，即獲得表面低摩擦力不銹鋼弓絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的口腔正畸弓絲表面鹽浴氮碳共滲改性方法，其特征在于所述正畸弓絲為奧氏體不銹鋼正畸弓絲，弓絲尺寸為0.019X0.025英尺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的口腔正畸弓絲表面鹽浴氮碳共滲改性方法，其特征在于所述奧氏體不銹鋼專用滲劑含有16%wt K2CO3>24%wt KCl和60%wt尿素，滲劑中CNO—的摩爾分?jǐn)?shù)控制在40%。
【文檔編號】C23C8/56GK103572200SQ201310563070
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】馬俊青, 王林, 張昊, 倪潔麗, 郭舒瑜 申請人:南京醫(yī)科大學(xué)