不同灭菌法对齿科高速裂钻力学性能的影响

【摘要】   目的 研究齿科常用的3种灭菌方法(干热法、湿热法、化学浸泡法)对牙科高速裂钻力学性能的影响。
                        方法 将200根全新的钨钢高速裂钻随机分为10组。分别通过弯曲实验和扭转实验观察高速裂钻在不同灭菌方法处理后弯曲强度、弹性模量和扭转强度等力学指标的改变。
                        结果 干热灭菌法、化学浸泡法和湿热灭菌法对裂钻的力学性能均有影响,随着灭菌次数的增加,裂钻的弯曲强度、弹性模量和扭转强度均相应减弱。3种灭菌方法比较发现,湿热处理引起裂钻的力学性能降低最明显,而化学浸泡和干热处理引起的变化相似,且较小。
                        结论 不同灭菌方法对高速裂钻产生一定的作用,影响大小排列依次为:湿热法、化学浸泡法、干热法。鉴于干热灭菌腐蚀作用最弱,建议齿科常用的小型器械可使用干热灭菌法进行灭菌。

【关键词】  干热灭菌 高温高压灭菌 化学灭菌 腐蚀

  Effects of different sterilization methods on mechanical properties of dental fissure bur DONG Gang, REN Li-bin, Lv Yun-yi, YE Ling, LI Ji-yao, TAN Hong. (State Key Laboratory of Oral Diseases, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

  [Abstract] Objective The purpose was to analyze the effects of three sterilization methods(dry heat sterilization,steam sterilization, and chemical sterilization) on the corrosion of dental fissure bur. Methods 200 dental fissure burs were distributed to 10 groups. Bending strength, elastic modulus, and torsional strength were measured by bending and torsional instrument and calculated with special designed software. Among the three sterilization methods, the steam sterilization group showed the most evident. Results The corrosion was most severe in steam sterilization group, followed by chemical sterilization, dry heat sterilization. With the sterilization time increased, bending strength, elastic modulus, and torsional strength decreased respectively. Of the three sterilization methods, the mechanical properties were decreased most evidently by steam sterilization, followed by chemical sterilization and dry heat sterilization. Conclusion It is proved that the bending strength, elastic modulus and torsional strength have a tight relationship with the corrosion of dental fissure burs. The corrosion was most severe in steam sterilization group, followed by chemical sterilization, dry heat sterilization. In regards of the corrosive effect, the dry heat sterilization might be the best way to sterilize the dental fissure burs.

  [Key words] dry heat sterilization; steam sterilization; chemical sterilization; corrosion

  灭菌处理后的裂钻表面常可见有色腐蚀物,而且灭菌后的高速裂钻易断裂,其主要原因是因为高速裂钻中的合金元素W、Cr、Fe、Co、Ni在潮湿有氧的环境中会发生氧化反应而导致其腐蚀 [1-2] ,通过对比灭菌前后高速裂钻相关的力学指标可以更加客观地反映不同灭菌法对齿科裂钻的腐蚀作用。本实验通过测量抗弯和抗扭强度,从力学性能上定量比较3种灭菌方法及不同灭菌次数对高速裂钻腐蚀作用的差异。

  1 材料和方法

  1.1 实验材料与设备

  全新钨钢高速裂钻200根(SSW-FG700型,SSWhite公司,美国),高温高压灭菌器(Melag24b型,德国美格公司),玻璃珠灭菌器Pioneer公司,日本),万能实验机(AG-IS型,日本岛津公司),夹具(本课题组自制)。

  1.2 实验分组及处理

  将200根裂钻编号并随机分为10组,每组20根。随机抽出1组为对照组,不进行灭菌处理;另外9组为实验组,分成3大组,分别经湿热灭菌法、干热灭菌法、化学浸泡法处理,每组再分成处理5、10、15次3个小组。消毒完成后,在每小组的20根高速裂钻中随机挑出10根进行弯曲实验,另外10根则进行扭转实验。

  灭菌条件如下:湿热灭菌组,用高温高压灭菌器(135 ℃,212.8 kPa)处理25 min [3] 。干热灭菌组,用玻璃珠灭菌器(235~238 ℃)灭菌,维持30 s [4] 。化学浸泡组,2%碱性戊二醛浸泡10 h,蒸馏水清洗去除器械表面残存的戊二醛,空气中干燥 [3] 。

  1.3 实验检测

  在AG-IS型万能实验机上检测经处理过后的裂钻的力学指标,分成2部分。

  弯曲实验:采用三点弯曲法,加力点置于裂钻的刃部与柄部相交的部分,加载方向与裂钻垂直,跨距8 mm,测试时加载速度0.5 mm/min,记录P值(断裂点载荷)和f值(断裂点位移),按公式计算弯曲强度和弹性模量。

  弯曲强度公式为:σ=8PL/πd 3 [5] 。其中σ为弯曲强度(MPa),P为最大破坏载荷(N),L为跨距(mm),d为裂钻刃部末端的直径(mm)。

  弹性模量公式如下:E=4PL3/3fπd 4 [5] 。其中E为弹性模量(GPa),P为最大破坏载荷(N),L为跨距(mm),d为裂钻刃部末端的直径(mm),f为断裂点位移(mm)。

  抗扭转实验:用2个自制的夹具分别夹持裂钻的整个刃部和末端,置于AG-IS型万能实验机的传感器上,逆时针旋转夹具,直至裂钻断裂,记录裂钻断裂时的扭矩(N•m),按公式计算扭转强度 [6] 。

  扭转强度的计算公式:τ=16Mn/πd 3[5] 。其中τ为最大剪应力,即扭转强度(MPa),Mn为裂钻断裂时的扭矩(N•m),d为裂钻刃部末端的直径(m)。

  1.4 统计方法

  运用SPSS 11.5软件包进行统计分析,所有数据均进行方差齐性检验,用方差分析(LSD法)进行比较,检验水准为α=0.05。

  2 结果

  各实验组和对照组高速裂钻的弯曲强度计算结果见表1,如表1示:和对照组相比,随着灭菌次数的增加,干热灭菌法、化学浸泡法和湿热灭菌法组内裂钻的弯曲强度均逐渐减小。同一处理方法,不同处理次数之间的差别也均有统计学意义(P<0.001),随着灭菌次数的增加,弯曲强度逐渐减小。灭菌5、10、15次,与干热灭菌法和化学浸泡法比较,湿热灭菌法在弯曲强度上的差异均有统计学意义(P<0.05)。湿热灭菌法导致高速裂钻弯曲强度降低最明显,干热灭菌法和化学浸泡法弯曲强度变化小,且相似。

  各实验组和对照组高速裂钻的弹性模量计算结果见表2,如表2示:和对照组相比,随着灭菌次数的增加,干热灭菌法、化学浸泡法和湿热灭菌法组内裂钻的弹性模量均逐渐减小。在处理5次和10次时,干热处理和化学浸泡两者之间弹性模量的差异无统计学意义;在处理15次时,三者之间弹性模量差异有统计学意义(P<0.05),化学浸泡法对裂钻的弹性模量影响最小,干热灭菌法次之,而湿热灭菌法影响最大。

  各实验组和对照组高速裂钻的扭转强度计算结果见表3,如表3示:和对照组相比,随着灭菌次数的增加,干热灭菌法、化学浸泡法和湿热灭菌法组内裂钻的扭转强度均逐渐减小。不同处理方法之间的比较显示,在处理5次和10次时,干热处理、化学浸泡和湿热处理3种处理方法之间两两比较,扭转强度的差异均有统计学意义(P<0.05);在处理15次时,化学浸泡和干热处理引起的扭转强度的差异无统计学意义,而湿热处理组与化学浸泡和干热处理组之间的差别均有统计学意义(P<0.05)。干热灭菌法和化学浸泡法对裂钻扭转强度的影响相同且弱于湿热灭菌法。

  3 讨论

  本实验选取弯曲强度和弹性模量这2个指标来反映裂钻灭菌前后在抗弯性能上的变化情况,选择扭转强度来评价裂钻灭菌前后在抗扭性能上的变化。弹性模量 [7] 是指材料受到变形应力时恢复其原形状和结构的能力,是指材料抵抗变形的能力,其值越高,产生一定应变所需应力越大,材料越坚强。弯曲强度是指试件破坏时的弯曲应力,是衡量材料弯曲韧性的参数,二者是评价材料机械性能的重要指标。扭转强度是指扭曲实验中,试件破坏时的剪应力,是衡量材料扭转韧性的参数。本实验采用弹性模量、弯曲强度与扭转强度作为测试指标,能够客观准确地对处理后的裂钻的力学性能作出评价和比较 [8-9] 。

  弯曲实验中,从弯曲强度和弹性模量上衡量,相同灭菌方法,随着灭菌次数的增加,裂钻的弯曲强度和弹性模量均减小,说明裂钻抵抗变形的能力及材料弯曲韧性降低,脆性增加。而在相同灭菌次数时,干热处理组和化学浸泡组弯曲强度和弹性模量的减小量明显小于湿热处理组。原因可能是干热灭菌法对裂钻的腐蚀作用只是干腐蚀,即高温氧化,属化学机制;化学浸泡只是湿腐蚀,为电化学腐蚀机制,裂钻是硬质合金,其主要成分是W、Cr、Fe、Co、Ni等,而这些不同种类的金属元素的电位差各不相同,以致形成腐蚀原电池而发生腐蚀损坏。而湿热灭菌法对裂钻的影响大,因经湿热处理过的裂钻处于高温且潮湿的环境中,一些不活泼的金属元素在这种条件下发生氧化反应,如镍在潮湿空气中加热时,与氧、硫、氯、溴发生剧烈反应,所产生氧化物有NiO和Ni2O3。而W化学性质不活泼,在室温下氧化速度很慢,高温条件下才能与水或水蒸汽迅速反应 [10] 。

  扭转实验中,随着灭菌次数的增加,扭转强度减小,说明裂钻抵抗扭转变形的能力逐渐下降,裂钻在切割牙体组织的高速旋转中遇到摩擦力时更易折断。本实验提示干热处理组中高速裂钻力学性能指标与湿热组相比下降较少,且其差异具有统计学意义。1952年瓦格纳根据氧化膜的近代观点提出的理论或许能对这一结果作出初步的诠释:高温气体中金属的氧化,最初虽是通过化学反应,但随后氧化膜的生长过程则属于电化学机制。这是因为金属表面的介质已有气相改变,成为既能电子导电,又能离子导电的氧化膜,金属可在阳极(金属/膜界面)离解后,通过氧化膜把电子传递给膜表面上的氧,使其还原变成氧离子,而氧离子和金属离子在膜中又可进行离子导电,即氧离子向阳极(金属/膜界面)迁移和金属离子向阴极(膜/气相界面)迁移,或在膜中进行第2次化合。所有这些均已划入电化学腐蚀机理的范畴。随着裂钻表面形成氧化膜的增厚,生成尖晶石型复合氧化物,阻止了进一步的氧化反应,所以干热灭菌过程中在高速裂钻表面所形成的这一层氧化膜或许就起到了保护膜的作用,降低了腐蚀作用对材料的破坏。同时化学浸泡法对裂钻扭转强度的影响也弱于湿热灭菌法,其原因可能是化学浸泡只是电化学腐蚀机制引起的湿腐蚀,而无高温氧化引起的干腐蚀。

  综上,3种灭菌方法对裂钻的力学性能有一定的影响,且随着灭菌次数的增加,其力学性能相应减弱。3种灭菌方法之间比较发现,湿热处理引起裂钻力学性能降低最明显,而化学浸泡和干热处理引起的变化相似且较小。说明了高温和潮湿的环境会对裂钻产生腐蚀,而且两者可能会产生协同作用产生更大程度的腐蚀。

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