口腔修復(fù)材料主要包括金屬、陶瓷和樹脂三大類。金屬的強度、硬度、耐磨性、耐久性和韌性等力學(xué)性能優(yōu)于陶瓷和樹脂材料，因而被廣泛地應(yīng)用于冠橋、嵌體及可摘局部義齒的支架等方面，是口腔修復(fù)體中應(yīng)用最多的材料。 在眾多金屬材料中，鈦及鈦合金以其優(yōu)良的生物相容性、耐腐蝕性和機械性能等優(yōu)點，被認為是理想的修復(fù)材料。目前純鈦主要用于制作可摘局部義齒的支架。鑄造支架式可摘局部義齒因設(shè)計靈活多樣，適應(yīng)范圍廣，是我國目前牙列缺損患者應(yīng)用較多的一種修復(fù)體。可摘局部義齒的支架以往多采用鈷鉻合金鑄造，但由于鈷鉻合金的耐腐蝕性較差，比重大，制作的義齒較重，患者異物感明顯，難以適應(yīng)，甚至有的患者在臨床應(yīng)用中還會出現(xiàn)口腔粘膜刺激和過敏的癥狀。純鈦制作的可摘局部義齒的支架很好地解決了上述問題，所以在70年代后期，純鈦被應(yīng)用于義齒修復(fù)中，并在80年代和90年代初得以迅速發(fā)展。
1．鈦的性能特點
(1) 純鈦是銀灰色金屬，比重小，密度為4.5g/cm3，為金合金(19.3g/cm3)的1/4，鈷鉻合金(8.5g/cm3)的1/2。因此，可摘局部義齒的純鈦支架比鈷鉻合金支架輕，重量僅為后者的1/2。
(2) 鈦的機械性能優(yōu)良。鈍鈦的硬度適中，介于牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)的硬度之間。延展性良好。1997年，美國學(xué)者Bridgeman JT等用鈷鉻合金、純鈦和鈦合金(Ti-6Al-4V)制作可摘局部義齒的卡環(huán)，模擬臨床使用3年，證明鈦和鈦合金制作的卡環(huán)可置于基牙觀測線以下0.75 mm，并且卡環(huán)固位力的降低、變形及折斷均明顯低于鈷鉻合金卡環(huán)，認為鈦和鈦合金更適合用于可摘局部義齒支架。
(3) 鈦具有具有良好的耐腐蝕性。鈦與氧有極強的親和性，鈦材切面在空氣中暴露1ms，表面即可形成10?厚度的氧化膜(TiO2)，被破壞后可以在幾納秒內(nèi)恢復(fù)。鈦表面的TiO2具有強耐腐蝕性及良好的防滲透性，對鈦有保護作用，可以抵御電化學(xué)侵蝕。
(4) 優(yōu)良的生物相容性是鈦廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要原因之一。鈦的生物相容性緣于它的強耐腐蝕性，與金、鉑等金屬不同，后者是因電化學(xué)惰性而具有耐腐蝕性。而鈦是由于表面的氧化膜，該層氧化膜與母體金屬結(jié)合緊密而牢固，使鈦不會被口腔唾液環(huán)境侵蝕。同時，純鈦的細胞毒性顯著低于鈷、鉻、鎳等金屬，不會引起局部或全身的不良反應(yīng)。因此，純鈦修復(fù)體與口腔組織無反應(yīng)，戴用適合性好，無過敏癥狀，無金屬味道，無顏色變化。鈦植入骨內(nèi)還能與骨組織形成骨整合。
(5) 鈦的熱傳導(dǎo)率為16.3～18w/m℃，低于金合金、鈷鉻合金和鎳鉻合金，為金合金的1/17。因此，純鈦修復(fù)體有保護牙髓組織免受冷熱刺激的優(yōu)點。
(6) 鈦對X射線呈半阻射性。X線片可以顯示鈦冠內(nèi)牙體組織的病變，便于臨床疾病的診斷和治療，這是其他牙科合金所不具備的優(yōu)點。同時可以對鈦鑄件進行X射線無損探傷檢查，尤其是檢查有無內(nèi)部氣孔，有助于對鈦修復(fù)體的質(zhì)量控制。
(7) 鈦的鑄造性能差。純鈦的熔點高達1677℃，是牙科鑄造金屬材料中熔點最高的一個。鈦在高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑，極易與氧、氮、氫等物質(zhì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，形成穩(wěn)定化合物，破壞了鈦的機械性能。因此，鈦的鑄造、焊接等熱加工操作需要在真空或惰性氣體環(huán)境下進行，且真空度要高于0.133×10- 3kPa，惰性氣體常用氬氣，其純度要高于99.99%。
2．鈦及鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀 鈦在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用形式主要有兩種，即鈍鈦和鈦合金。純鈦中也含有極少量的C、H、O、N、Si 和Fe等元素。市售的純鈦分4個等級(TA0 、TA1 、TA2 和TA3)，它們之間區(qū)別主要在于氧(0.15%-0.30%wt)和鐵(0.15%-0.40% wt)的含量。1995年，芬蘭學(xué)者Vallittu等用鈷鉻合金、純鈦、鈦合金(Ti-6Al-4V)和Ⅳ型金合金制作可摘局部義齒的卡環(huán)，進行彎曲疲勞實驗，得到鈦合金與鈷鉻合金的抗彎曲疲勞指數(shù)相近，高于純鈦。為了彌補純鈦應(yīng)用于口腔修復(fù)體中強度稍顯不足的問題，研制和開發(fā)彈性模量低、耐磨性強和機械性能優(yōu)異的鈦合金成為一個重要的發(fā)展方向。 1995年，日本學(xué)者Kobayshi E首先把鈦鋯合金引入了醫(yī)用領(lǐng)域。1999年，第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院張玉梅等在牙科鈦鋯(Ti-Zr)鑄造合金方面進行了較深入的研究，得到鈦鋯合金的抗拉強度為795MPa，屈服強度為657MPa，延伸率為22%，彈性模量為100GPa，硬度為249HK。口腔粘膜刺激試驗無異常組織學(xué)反應(yīng)，認為鈦鋯合金是一種有發(fā)展前景的口腔修復(fù)用鈦合金。 2006年，第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院劉金城等對鈦鈮鋯錫合金(Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn)鑄件的機械性能進行研究，得到鈦鈮鋯錫合金的抗拉強度為681.7MPa，屈服強度為410MPa，延伸率為6%，彈性模量為42.1GPa，維氏硬度為453Hv，證明鈦鈮鋯錫合金的機械性能能夠滿足制作口腔修復(fù)體的要求。 2006年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐麗娟等在純鈦中加入鉬元素制成二元Ti-Mo合金，得到維氏硬度為451 Hv，抗壓強度為1636MPa，壓縮率為22.5%，抗壓彈性模量為29.8GPa，抗彎強度為1432MPa，認為Ti-Mo合金的塑性較好，性能優(yōu)異，是一種有發(fā)展前景的口腔修復(fù)用鈦合金。 為了獲得良好的生物相容性，鈦合金的主要研究方向趨向于加入Nb、Zr、Ta、Sn、Pt等無毒元素，但上述鈦合金還未見臨床應(yīng)用的報道。目前最常用的鈦合金是Ti-6Al-4V，其中仍含有對人體有害的元素鋁和釩等，適用于可摘局部義齒支架的鈦合金還在不斷研制開發(fā)之中，因此臨床上仍以使用純鈦可摘局部義齒支架為主導(dǎo)。 1999年，北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院孫鳳等為50例牙列缺損和牙列缺失患者制作國產(chǎn)純鈦金屬的活動義齒63件，隨診1年，觀察義齒的使用狀況。對于上頜固位差的局部或全口義齒，純鈦義齒可以克服由于義齒自重產(chǎn)生的脫位，從而增加了義齒的固位力，特別是在全口義齒應(yīng)用中具有優(yōu)越性。 2005年，南京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院張潔等為100例無牙合患者制作鈦制腭托全口義齒，通過1～3年后的臨床療效觀察得知，鈦制腭托全口義齒固位好，異物感小，基托輕薄，沒有金屬味，抗折力強。以前曾戴用過聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基托的全口義齒的患者更換鈦制腭托全口義齒后感覺更舒適，滿意度達85%。 由此可見，純鈦修復(fù)體已經(jīng)在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出其突出的優(yōu)越性。
3．鈦的加工方法 自金屬材料應(yīng)用于口腔修復(fù)臨床以來，其成型方法有了長足的進步。鈦及鈦合金應(yīng)用最多的成型方法是鑄造(Casting)。其它的成型方法主要有超塑成型(Superplastic Forming)、粉末冶金(Powder metallurgy)、以及基于CAD/CAM的數(shù)控切削(Numerical Control Milling)和電火花加工(Electric Discharge Machining)等。
(1) 鈦的鑄造技術(shù) 鑄造是將熔融態(tài)的金屬澆注于特定型腔的鑄型中，凝固成形的一種工藝方法。與傳統(tǒng)鍛造技術(shù)相比，鑄造技術(shù)能夠制作出任意復(fù)雜形狀的鑄件，并且鑄件尺寸精度高，表面質(zhì)量好。牙科鑄造技術(shù)主要采用失蠟法熔模鑄造技術(shù)，隨著鑄造工藝的不斷發(fā)展，牙科鑄造精度有了很大提高，是目前口腔金屬修復(fù)體的主流成型方法。 熔模精密鑄造技術(shù)分為離模鑄造法和帶模鑄造法兩類。離模法是指在工作模型上快速制作熔模，然后將熔模從工作模型上取下安插鑄道，包埋制作鑄型鑄造。此方法主要用于冠、橋等小單位修復(fù)體。帶模法是指用石膏工作模型復(fù)制耐火材料模型，在該耐火材料模型上制作熔模，然后連同耐火模型及熔模一同包埋鑄造的成型方法。此方法主要用于制作可摘局部義齒支架。以純鈦可摘局部義齒支架為例，其主要制作過程如圖所示，可以看出鑄造技術(shù)工序繁瑣復(fù)雜，制作周期長，效率低。 由于鈦在高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑，極易與氧、氮、氫等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，增加了 鑄造的困難。以往用于鎳鉻合金、金合金的鑄造技術(shù)已不再適合鈦的鑄造，鈦必須采用特殊的鑄造方法，研制和開發(fā)專用鑄鈦機及鑄鈦包埋料。 純鈦鑄造支架主要制作過程 二十世紀七十年代末，Waterstrat等將真空裝置和氬弧溶解方式組合成牙科專用鑄鈦機，使牙科鑄鈦成為可能。目前用于牙科的鈦鑄造機主要有四種類型，即壓力鑄造機、離心鑄造機、全方位壓力鑄造機和離心-加壓-吸引鑄造機。鑄鈦機通常采用氬弧或高頻感應(yīng)方式熔化鈦材。因為鈦在高溫下的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，極易與氧、氫、氮等發(fā)生反應(yīng)，所以鈦及鈦合金的鑄造必須在真空中或氬氣保護的環(huán)境中進行。牙科鑄鈦機在熔化和澆注鈦材的過程中，形成和維持高真空度，并且能將氬氣充入鑄鈦機的熔化室和澆注室中，直至澆注完畢。澆注方式有離心澆注法和差壓鑄造法兩種。離心澆注時，一般認為離心機轉(zhuǎn)速應(yīng)達3000r/min，才能夠確保牙科鈦鑄件的完整。采用差壓方式鑄造時，在鑄型上方加壓，鑄模下方安裝吸注裝置。熔化方式采用水冷銅坩堝或碳化硼坩堝以防止鈦液與坩堝反應(yīng)。鑄鈦機是由集成電路控制，操作可達到自動化或半自動化水平。目前，世界上投放市場的鑄鈦機已接近20種。日本不僅是最早研制牙科鑄鈦機的國家，而且其產(chǎn)品種類齊全，性能先進，在牙科鈦精鑄設(shè)備、輔助器材和技術(shù)方面，居世界領(lǐng)先地位。早在1978年日本巖谷產(chǎn)業(yè)公司就已經(jīng)開始研制牙科專用鑄鈦機，并于1981年率先推出型號為CASTMATIC-SS型CM-330號牙科專用鈦鑄造機。我國也于1995年研制出第一臺離心-真空-壓力牙科鑄鈦機。但由于鈦的鑄造需要在真空或惰性氣體環(huán)境下進行，所以鑄鈦機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。 鑄鈦用包埋料被稱作超高溫包埋料，主要由耐火材料和結(jié)合劑兩大部分構(gòu)成，除了包埋料本身凝固膨脹和熱膨脹補償鑄鈦收縮的同時，還必須保證不與鈦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鑄件不受污染，鑄件的表面形狀完好。鑄鈦用包埋料主要有以下幾個系列：磷酸鹽系包埋料、氧化鎂系包埋料、氧化鋁系包埋料、氧化鋯基包埋料和氧化鈣系包埋料。 雖然鑄鈦技術(shù)不斷發(fā)展，但鈦的鑄造效果并不理想，鈦鑄件常常會出現(xiàn)鑄造缺陷，主要表現(xiàn)為：鑄件不完整、鑄件內(nèi)孔和鑄件表面粗糙。而且鑄件表面上觀察到的很小的缺陷，在鑄件內(nèi)部則呈蟻穴樣擴大。造成鑄造缺陷的原因有以下兩點：一是由于鈦的熔點高達1600℃以上，而鈦在高溫下化學(xué)性質(zhì)非常活潑，極易和氧、氫、氮、碳等元素以及包埋料中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物，造成污染；二是由于鈦的比重輕、慣性小、合金粘度大、熔化的流動性差，而鈦液的冷卻速度快，這樣容易在鑄型腔壁上形成殼層，使鈦液流動受阻，容易產(chǎn)生缺陷。加之鑄件的缺陷難以修補。因此鈦的鑄造缺陷目前仍難以克服，這影響了鈦在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。
(2) 超塑成型 超塑性(Superplasticity)是指材料在一定的組織條件(如晶粒形狀及尺寸，相變等)和變形條件下(如溫度、應(yīng)變速率等)，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能(例如大的延伸率)的現(xiàn)象。各種組織狀態(tài)的試樣經(jīng)超塑性拉伸后均為等軸晶組織。目前用途最廣泛的超塑性鈦合金為Ti-6Al-4V合金。高強度的Ti-6Al-4V合金在800～900℃時具有超塑性，用較小的壓力就可產(chǎn)生較大的變形。臨床上可利用這一特性來加工全口或局部活動義齒的基托。先用改性的磷酸鹽包埋料制作模型，取一塊大小適宜的Ti-6A1-4V合金片置于模型上，在850℃進行超塑性成形，制作Ti-6A1-4V合金基托。1997年，日本學(xué)者Wakabayashi將0.75mm的Ti-6Al-4V合金板加壓制作成義齒支架，戴用6個月～3年后，義齒適合性好，患者滿意。但是由于超塑性目前還只發(fā)現(xiàn)于Ti-6A1-4V合金中，限制了這種加工方法的應(yīng)用。
(3) 粉末冶金 粉末冶金(Powder metallurgy)是用金屬粉末為原料，經(jīng)過成型和燒結(jié)，制造金屬制品的工藝技術(shù)。成型是指將粉末制成一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強度。當金屬粉末顆粒被加熱到超過其熔點2/3 - 3/4的溫度時，顆粒間將會牢固地結(jié)合在一起，這種現(xiàn)象叫作燒結(jié)。其間粉末顆粒機械聚合體的壓坯發(fā)生了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使顆粒間變?yōu)榻饘俳〗Y(jié)合，壓坯變?yōu)橐粋€晶體結(jié)構(gòu)，從而使制成品具有一定的強度和密度。粉末冶金工藝的基本工序包括制粉、壓坯、燒結(jié)。粉末冶金法具有精度高、省時、省力和節(jié)約原材料等優(yōu)點，鈦合金粉末冶金技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的研究始于二十世紀八十年代中期。 1981年，日本學(xué)者Oda.Y等在鈦粉中添加的鋁粉和銅粉，通過檢測壓坯和燒結(jié)體的物理機械性能，提出了一種較為合理的制作冠橋的粉末配方：Ti 86.5wt%、A1 7.5wt %、Cu 6.0wt%，(其中Ti：2250目，Al：8～12μm，Cu：2350目)。Oda Y于1998年發(fā)表了鈦合金粉末燒結(jié)制作全口義齒基托的報告，其粉末配比為球形鈦粉(200目)5l.0wt%，粉碎鈦粉(350目)34.0wt%，銅粉(10μm)l0.0wt%，鋁粉(16-18um )5.0wt%，均采用等靜壓成型，真空燒結(jié)。 2000年，華西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院丁旭艷等采用真空燒結(jié)粉末冶金法制作鈦合金試件，證明鈦基金屬粉末的配方及成形壓力對燒結(jié)體的物理性能有影響，對鈦粉進行化學(xué)鍍銅鍍錫處理是改善鈦粉壓制性能、燒結(jié)性能、提高燒結(jié)體物理性能、減少燒結(jié)體孔隙度的理想方法。 目前燒結(jié)的鈦合金的延展性還不夠，可望通過優(yōu)化合金粉末的組成和粉末顆粒分布加以改善。目前的研究主要集中在合金粉末配比，燒結(jié)體的物理性能測試等，尚未見到應(yīng)用于臨床的報道。
(4) CAD/CAM加工方法 CAD/CAM技術(shù)是近二十年來迅速發(fā)展起來的一門新興的綜合性計算機應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)。其中CAD是指以計算機作為主要技術(shù)手段來生成和運用各種數(shù)字信息和圖形信息，以進行產(chǎn)品的設(shè)計。而CAM是指由計算機控制的數(shù)控加工設(shè)備對產(chǎn)品進行自動加工成型的制作技術(shù)。20世紀70年代初，法國牙醫(yī)Francois Dure教授開創(chuàng)性地將CAD/CAM引入口腔固定修復(fù)體的設(shè)計和制作過程中來，使自動化或半自動化制作修復(fù)體成為現(xiàn)實，被認為是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域革命性的突破。數(shù)控切削和電火花加工是CAD/CAM中較成熟的方法。
① 數(shù)控切削 金屬切削加工是指在機床上利用刀具，通過刀具與工件之間的相對運動，從工件上切下多余的余量，從而形成所需要的形狀的加工方法。在金屬切削過程中，刀具材料和刀具幾何參數(shù)，加工金屬材料的力學(xué)性能，金屬切削過程中的物理現(xiàn)象(切削變形、切削熱、刀具磨損等)都快速影響加工成本及加工質(zhì)量。切削加工方法可分為車削、鉆削、鏜削、銑削、刨削和磨削等。 1983年第一臺采用CAD/CAM技術(shù)制作修復(fù)體的樣機在問世，20多年后的今天，CAD/CAM系統(tǒng)已經(jīng)成功地制作出嵌體，貼面、冠、基底冠和固定橋等固定修復(fù)體。隨后出現(xiàn)了專門加工鈦及鈦合金的CAD/CAM系統(tǒng)，即Titan系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))，專門制作鈦基底冠。該系統(tǒng)切削裝置由旋轉(zhuǎn)切削工具和數(shù)控平臺兩部分構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)切削刀具可以調(diào)換不同形狀、不同直徑的刀具，刀具的轉(zhuǎn)速由計算機控制。加工鈦金屬的口腔修復(fù)CAD/CAM系統(tǒng)還有DentiCAD系統(tǒng)、Sopha系統(tǒng)和Everest系統(tǒng)等，這些CAD/CAM系統(tǒng)均采用數(shù)控切削的加工方法，需要預(yù)先制備出匹配的加工材料，且加工材料的體積必須大于切削成型的修復(fù)體的體積，因此加工過程中必然會導(dǎo)致材料的消耗。而且在加工切削的過程中，由于刀具自身的限制，不可能制作中空結(jié)構(gòu)的口腔修復(fù)體，只能制作比較小的修復(fù)體如冠橋、嵌體等，而像可摘局部義齒支架這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，目前無法通過切削的方法得到。
② 電火花加工 電火花加工亦稱電蝕加工(Spark Erosion)或放電加工，是利用脈沖放電的電蝕作用，精密加工金屬零件的方法。火花放電的頻率可達每秒25萬次，其加工精密度可達l0um。1982年電火花加工被首次引入到口腔修復(fù)體的加工領(lǐng)域，已經(jīng)用于制作精密附著體、套筒冠、全瓷冠、固定可摘修復(fù)體等，也可以用來糾正鑄造的缺陷，改善種植體上部結(jié)構(gòu)與支持結(jié)構(gòu)的適合性。目前已有口腔CAD/CAM系統(tǒng)將電火花加工與數(shù)控切削相結(jié)合制作鈦修復(fù)體，最典型的就是Procera系統(tǒng)。美國Michigan大學(xué)等六所大學(xué)采用(California Dental Association，CAD)質(zhì)量評價系統(tǒng)對Procera系統(tǒng)制作的鈦烤瓷冠橋進行臨床評佑，戴義齒后一個月與一年的隨訪評價結(jié)果顯示沒有顯著差別，證明Procera系統(tǒng)可以制作出高質(zhì)量的鈦烤瓷修復(fù)體。Procera系統(tǒng)是通過切削加工冠的外表面，電火花蝕刻加工冠的內(nèi)表面，從而避免了鈦的鑄造缺陷，但受自身條件的限制尚不能制作復(fù)雜修復(fù)體。 數(shù)控切削和電火花加工仍然是一種減法式的加工方法，即通過切、削、磨、銑等方式將預(yù)先制備好的材料加工成所需要的形狀，這種去材式的加工方法勢必會造成材料的浪費。同時受工具限制，只能制作形狀相對簡單的修復(fù)體，不能制作像可摘局部義齒i架這樣的中空或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的修復(fù)體。