多尺度下牙隐裂产生机理的实验研究及数值模拟

牙隐裂综合征为牙齿缺失的第三大因素。目前，对于牙隐裂病因的研究主要停留在合力、磨耗、龋坏等外在因素，而对于隐裂发生的部位- - -牙本质自身因素的研究非常缺乏，其形成机理亟待研究解决。本项目从牙本质力学性能与其多尺度下的微观结构入手，利用Quanta400环境扫描电镜、Microtest 原位力学试验机及JEM-200CX透射电镜等微观加载及测量系统，应用原位加载的方法研究牙本质在模拟咬合力作用下，应力-应变与微米尺度、纳米尺度微观结构变化及裂纹产生的实时动态变化关系，并利用材料力学理论对实验结果进行数值模拟。拟从实验和理论两个方面阐明牙隐裂的产生机制。实验所获得的多尺度下牙本质力学特性数据不仅能够服务于牙本质的力学数值模拟，而且将为仿生类牙本质牙科充填材料的研究设计和优化提供充分的数据支持，具有十分重要的理论意义和非常广阔的应用前景。

牙隐裂综合征为牙齿缺失的第三大因素。目前，对于牙隐裂病因的研究主要停留在合力、磨耗、龋坏等外在因素。本研究从牙本质力学性能与其多尺度、多等级下的微观结构入手，利用Quanta400环境扫描电镜、Microtest 原位力学试验机及JEM-200CX透射电镜等微观加载及测量系统，应用原位加载的方法研究了牙本质在不同应力场作用下，应力-应变与微观结构变化及裂纹产生的实时动态变化关系，发现牙本质微观结构中的牙本质小管管周牙本质及管间牙本质不同的力学性能影响着其宏观及微观形变的变化及裂纹的形成发展过程，并利用理论计算分析从理论角度分析了牙本质微观结构与力学特性的关系，在一定程度解释了牙隐裂产生的机制。.原位加载在垂直于牙本质小管方向加载过程中，压应力作用下，牙本质小管形变增加，小管管口在应力作用线上，受到显著的拉应力，而在垂直于应力作用线上，受到明显的压应力。管口边缘管周牙本质在拉应力作用下逐渐出现裂纹，并开始扩展。随着应力的不断增加，在加载表面的应力集中区，可以看到裂纹宽度及长度明显增加，小管产生较大的扭曲，管壁裂纹进一步延伸，与邻近小管的裂纹融合，进而产生牙本质的断裂破坏。在平行于牙本质小管方向加载时，小管在沿长轴方向上受到压应力作用产生形变，而在管壁则产生明显的张应力，随着应力的不断增加，管壁在应力集中区出现裂纹，并沿小管长轴延伸，直至产生断裂。同时，在牙本质增龄性改变与力学性能变化的研究中发现，不论牙本质小管排列方向如何，伴随年龄的增加，牙本质裂纹扩展显著增加，断裂极限明显降低，脆性增大。.牙本质从微观结构上可以看作为横观各向同性材料。牙本质由牙本质小管、管周牙本质、管间牙本质组成。管周牙本质可以看作为纤维增强复合材料，而管间牙本质视为牙本质基体，从而得出牙本质的本构方程。根据牙本质的表面形态结构变化图，运用IPP图像分析软件及ANSYS软件，获得牙本质模型。依据ANSYS的分析结果，可以认为牙本质是各向同性材料。模拟分析结果说明管周牙本质的存在，使得牙本质的等效弹性模量大于基体的弹性模量，从而起到增强材料强度的作用，降低了牙本质小管的破坏程度，且用该有限元分析模拟的方法得到的等效弹性模量的结果与实验测得的结果基本一致。经过进一步分析，得出了牙本质小管的孔隙率及管周牙本质的范围不同均会影响其等效弹性模量.