Лабораторная работа № 9
НАПРЯЖЕНИЯ В БЕДРЕННОЙ КОСТИ ЧЕЛОВЕКА
Эпифизарные пластинки, рассмотренные в лабораторной работе № 8, располагаются преимущественно таким образом, чтобы возникающие наибольшие сжимающие напряжения были направлены перпендикулярно им. Однако в верхнем конце большеберцовой кости, где сухожилие коленной чашки прикреплено к эпифизу, это невозможно. В связи с этим хрящ эпифизарной пластинки заменен здесь пучки коллагеновых волокон, которые идет от диафиза к эпифизу по направлению растягивающих напряжений и удерживают эпифиз на месте.
Используем изохроматические полосы, чтобы наглядно показать, каким образом коллагеновые волокна уменьшает напряжения в бедренной кости и в костях предплечья. На рис. 1 представлена картина полос,
Рис. 1. Картина полос в модели бедра без коллагеновых волокон.
полученная на модели бедра, в которой не было аналога коллагеновых волокон. Соответствующая картина с изображениями траекторий главных напряжений показана на рис. 2.
Рис. 2. Траектории главных напряжений в верхней части модели бедра.
Сила, соответствующая весу тела, действовала вдоль прерывистой линии и изгибала бедро. Она создавала в диафизе бедра продольные напряжения, но не вызывала поперечных, и поэтому изохроматические полосы соответствуют здесь продольным напряжениям, а не просто разности между главными напряжениями (см. лабораторную работу по изгибу балок).
Тонкая темная линия в середине бедра, отмеченная кружочком, соответствует нейтральной поверхности, где нет никаких напряжений. Темные линии по обе стороны от нее отмечают последовательные приросты напряжения по 10 кг/см2. Числа указывают величины напряжений у боковых поверхностей бедра, найденные путем подсчета полос. Следует помнить, что наружная сторона кости подвергается растяжению, а внутренняя – сжатию.
Рис. 3. Картина полос в модели бедра с коллагеновыми волокнами.
На рис. 3 показана картина изохроматических полос в той же модели при такой же нагрузке, но после введения растяжки, соответствующей коллагеновым волокнам.
Растягивающее напряжение на наружном крае модели почти равно нулю, а сжатие на внутренней (медиальной) стороне намного уменьшилось.
Картина изохроматических полос позволяет получить надежные качественные оценки напряжений в реальном бедре, моделируемом двумерной моделью.
Значение картин, приведенных в данной лабораторной работе, состоит в том, что они позволили чрезвычайно наглядно продемонстрировать конструктивные принципы, использованные природой.
Лабораторная работа № 10
НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ «ЗУБ - ПЛОМБА»
Пломба замещает разрушенный участок зуба (кариозную область). Это стоматологическая конструкция из пластического пломбировочного материала, который наносят поверх лечебных, профилактических и прочих прокладок, помещенных в отпрепарированную полость, в которой он застыл. Представляет она собой защитный слой, предотвращает дальнейшее разрушение зуба, восстанавливает его разрушенную анатомическую форму и функциональную ценность.
Монолитные конструкции имеют различные свойства. Так, проведенные исследования системы «зуб-пломба» показали, что в зависимости от «текстуры» материала показатели по прилеганию к эмали и дентину будут различные. А в этом состоит срок службы монолитной пломбы. И зависит он от коэффициента термического расширения (КТР) и светополимеризационной усадки.
Для лучшей фиксации монолитных пломб применяют дополнительные ретенционные пункты. Этим достигается более равномерное распределение давления извне через пломбу на ткани зуба. В результате повышается устойчивость пломбы в твердых тканях. Это увеличивает срок ее службы.
Более сложными конструкциями в техническом плане являются пломбы с пинами. Пломба с пинами - это конструкция с парапульпарными металлическими штифтами.
Рис. 1. Виды зубных пломб: а - монолитная; б - пломба-пин (пин - 1); в - армированная (арматура - 2); г - комбинированная по Зингеру (пластмасса - 3, амальгама - 4); д - «сэндвич» (иономер - 5, композит - 6); е - с термокомпенсатором (термокомпенсатор - 7).
Для оценки зубных конструкций используются различные экспериментальные и расчетные приемы, усовершенствованные в последние годы и отражающие современное состояние соответствующих отраслей науки и техники.
Для подобных экспериментальных исследований в стоматологии нашел достаточно широкое применение метод фотоупругости.
Целью работы будет исследование методом фотоупругости напряжений, возникающих в модели системы «зуб-пломба», выполненной из оптически активных материалов при воздействии на них сосредоточенной или распределенной нагрузки, для обоснования необходимости усовершенствования и создания новых конструкций зубных пломб.
Основной задачей исследования будет качественная оценка распределения напряжений в системе «зуб-пломба».
Двуслойные пломбы изготавливались из двух разномодульных материалов. Материал наружного слоя (композит) имел модуль упругости в 3 раза больше модуля упругости материала основной массы пломбы (иономер). Основная масса пломбы в зависимости от конструкции заполняла кариозную полость, располагалась выше, ниже и на уровне эмалево-дентинной границы. Сверху она покрывалась наружной частью пломбы на толщину эмали зуба. При воздействии как сосредоточенной, так и распределенной нагрузки опора наружного слоя пломбы осуществлялась частично на наружный слой модели зуба (эмаль), частично — на основную массу пломбы (иономер). Силовая нагрузка до 50 кг с интервалом 2 кг.
Напряжения в любой точке модели выражаются следующей зависимостью — под действием нагрузки в модели зуба создается напряженное состояние, величина которого пропорциональна порядку полос (изохромы) m в данной точке. На рисунках 2 – 5 представлены картины полос при нагружениях различных моделей моляра.
Рис. 2. Картина изохром в молярах с различными пломбировочными материалами.
Рис. 3. Картины полос в областях с разной геометрией.
Рис.4. Картина полос при действии наклонных нагрузок.
Рис. 5. Картина полос в модели с пломбой.
Анализ картин полос и эпюр при внешних нагрузках показал, что концентрация основных напряжений возникает на границе «пломба-зуб». Его максимальная концентрация определяется местом границы слоев пломбы.
При расположении слоев в области дентина концентрация снижается на четверть, а в случае размещения в эмали — на треть.
Максимальная концентрация по границе отмечена при 50 кг сосредоточенной нагрузки. В случае исследования распределенной нагрузки концентрация значительно меньше.
Исследование системы «зуб—пломба» при расположении границы слоев пломбы «сэндвич» на уровне эмалево-дентинной границы показало возникновение концентрации напряжения при сосредоточенной нагрузке 6 кг и распределенной —10 кг. В случае состыковки композита и иономера на дентине концентрация возникает при сосредоточенной нагрузке 18 кг, распределенной — 26 кг. При нахождении границы слоев в эмали отмечено возникновение концентрации в случае сосредоточенной нагрузки 12 кг и распределенной —16 кг.
Напряжение под действием внешней нагрузки оптимальнее (меньше) при расположении стыков по дентину. Но при этом увеличивается объем композита в системе «зуб-пломба», что приводит к несоответствию по коэффициенту термического расширения материалов и структур ткани. А это, как известно, может привести к возникновению нарушения краевого прилегания.
Когда граница проходит по эмали, уменьшается слой композита, что снижает прочность пломбы за счет уменьшения площади сцепления по эмали. Таким образом, конструкция «сэндвич»-пломбы требует совершенствования.
В настоящее время пломбирование полостей производится в основном с помощью пломб из однородного материала. Использование такой методики имеет недостаток, заключающийся в следующем: пломба, выполненная из однородного материала, например, силикатного цемента, модуль упругости которого ниже модуля упругости эмали (20-100 дРа) в 10 - 25 раз и ниже модуля упругости дентина зуба (12-20 дРа) в 3 - 5 раз, принимает на себя основную нагрузку. Вследствие низкой прочности такая пломба разрушается.
Пломба, выполненная из материала, модуль упругости которого выше или равен модулю упругости твердых тканей зуба, например амальгамы, под действием нагрузки подвержена меньшим деформациям. Но она способствует повышению напряжений в массе, что является одной из главных причин разрушения тканей зуба, возникновения кариеса и дефектов твердых тканей (отлом). Следовательно, восстановление кариозной полости пломбой из однородного материала в любом случае является ненадежным. Поэтому предложены различные конструкции комбинированных пломб .
В лабораторной работе проведена сравнительная оценка пломб с различной геометрией и материалами.