Биологические свойства

Под биологическими свойствами матери­алов понимают их влияние на окружаю­щие живые ткани и организм в целом.

Все материалы основной (конструкционной) группы не должны оказывать вредного воздействия на ткани и среды, с которыми они соприкасаются, изменять состав слюны и микрофлору полости рта, вызывать воспалительные явления на слизистой оболочке и др.

Поэтому все материалы перед внедрением их в практику прохо­дят тщательное исследование на стойкость и биологическую индиф­ферентность, определяют как местнораздражающее, так и общеток­сическое воздействие на организм. Изучают также реакцию тка­ней на материал методом имплантации, определяют сенсибилизи­рующее действие материала.

После тщательных исследований специалисты дают заключение о возможности применения материалов в качестве конструкцион­ных для стоматологических и других целей.

Основные материалы металлы, применяемые в ортопедической стоматологии

Общие сведения Металлами называются простые вещест­ва, обладающие характерными для них

физико-химическими свойствами (электро- и теплопроводностью, пластичностью) и имеющие в твердом состоянии кристаллическое строение.

В технике под металлами понимают вещества, обладающие ме­таллическим блеском, пластичностью, тепло- и электропровод­ностью. По определению М. В. Ломоносова, «металлы суть свет­лые тела, которые ковать можно».

Основными химическими свойствами металлов являются спо­собность их атомов легко отдавать валентные электроны и пере­ходить в положительно заряженные ионы Ионы типичных метал­лов всегда заряжены положительно Однако способность к отдаче электронов у различных металлов проявляется по-разному: у од­них более легко, у других с некоторыми затруднениями Чем лег­че металл отдает свои электроны, тем он активнее вступает во взаимодействие с другими элементами

Например, если кусочек цинка опустить в раствор свинцовой соли, то цинк, отдавая свои валентные электроны ионам двухва­лентного свинца, начинает быстро растворяться, а ионы свинца разряжаются и выделяются в виде металлического свинца

2п + РЬ(Ж)з)2 = РЬ + 2п(Ж)з)2.

Если же в раствор цинковой соли погрузить кусочек свинца, то реакции не произойдет, так как свинец менее активен, чем цинк Все металлы можно расположить последовательно в ряд по убы­вающей химической активности. Этот ряд получил название «Бе­кетова ряда» в честь ученого, изучившего явления вытеснения одних металлов другими, «вытеснительного ряда» или «ряда напря­жений». Этот ряд выглядит следующим образом: калий (К), кальций (Са), натрий (Nа), магний (М§), алюминий (А1), марга­нец (Мп), цинк (2п), железо (Ре), никель (М1), олово (5п), сви­нец (РЬ), медь (Си), ртуть (Н^), серебро (А§), золото (Аи).

При изготовлении протезов и аппаратов различных конструкций с применением неоднородных металлов необходимо учитывать хи­мическую активность этих металлов, а также металлов, уже находя-

23

щихся в полости рта в составе пломб, вкладок, коронок и др. В про­тивном случае могут возникнуть окислительно-восстановительные реакции, способствующие понижению прочности изготовляемых кон­струкций протезов.

Почти все металлы, реагируя с кислородом, образуют основные окислы, реже кислотные. Непосредственно не реагируют с кисло­родом в обычных условиях лишь некоторые металлы: золото, ме­таллы платиновой группы (платина, палладий, иридий, рутений, родий, осмий), серебро, получившие название благородных металлов (см. с. 30). Большинство из этих металлов имеет высо­кую температуру плавления, большую плотность и не имеет ал-лотропных форм, т. е. в свободном виде не образует несколько простых веществ, различных по строению и свойствам (например, элемент углерод встречается в форме алмаза, графита и угле­рода).

Металлы обладают высокой способностью отражать своей по­верхностью световые излучения, что является причиной своеоб­разного, металлического, блеска. Металлы, по сравнению с дру­гими веществами, хорошо проводят электричество и теплоту. Под влиянием внешней силы легко изменяют свою форму, т. е. обла­дают хорошей пластичностью, легко куются и, не разрушаясь, про­катываются в листы или вытягиваются в проволоку. Это позволяет при сравнительно несложной технологии изготовлять из металлов изделия различной формы и величины, в том числе и зубные про­тезы различных конструкций. Однако каждый из металлов имеет свое, характерное только для него, внутреннее строение, что опре­деляет его плотность, твердость, температуру плавления, кипения и др. Все металлы, за исключением ртути, в обычных условиях находятся в твердом состоянии.

Важными показателями, характеризующими свойства метал­лов, являются твердость, прочность и упругость.

Внешне изделие из металла напоминает однородное вещество, но на изломе обнаруживается сложное его строение. Зерна метал­лов разнообразны как по величине, так и по форме; располагают­ся в строгой последовательности или беспорядочно. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое характерное строе­ние.

Для металлов наиболее характерны следующие типы кристал­лических решеток (рис. 1).

1. Решетка куба с центрированными гранями наблюдается у алюминия, золота, меди, свинца, железа, находящегося в 'у-фазе, т. е. в пределах температуры 910...1390 °С (рис. 1,а).

2. Решетка объемно-центрированного куба, свойственна для хрома и а-железа (при температуре ниже 910 или свыше 1390 °С) (рис. 1,б).

24

^	•	^
• ^	• •	•
	•	^

а 5 Рис. 1. Элементарные кристаллические

решетки:

о — кубическая объемно-центрированная; С — кубическая гранецентрированная; в — гекса-

гональная.

3. Гексагональная крис­таллическая решетка наблю дается у цинка, магния, кад­мия и некоторых других ме­таллов (рис. 1,в).

Свойства металлов зави-]^— сят как от типа кристалли-— ческой решетки, так и от на­правлений, в которых рас­положены кристаллы.

Кристаллическая решет­ка некоторых металлов ме­няется в зависимости от тем­пературы его нагрева и давления. Свойство металлов изменять кристаллическую решетку при различных температурных режимах называется аллотропным превращением металлов.

Несмотря на то что металлы отличают-

Классификация металлов ся друг от друга строением и свойства-

ми, все они по ряду признаков могут быть объединены в определенные группы. Металлы принято клас­сифицировать по их положению в периодической системе элемен­тов. Однако такая классификация мало удовлетворяет интересы промышленности, так как в ней не указаны многие физико-хими­ческие и механические свойства. В промышленности металлы ча­ще всего разделяют на черные, цветные и редкие.

По плотности металлы могут быть разделены на две большие группы — легкие и тяжелые. К легким относят такие металлы, плотность которых не превышает 5 г/см³, к тяжелым — все осталь­ные.

По взаимодействию металлов с кислородом их разделяют на благородные и неблагородные.

В стоматологической практике все материалы, в том числе и металлы, принято разделять на основные и вспомогательные. „ . Металлы могут быть одно- и многокрис-йТа^ч^^^^^^^^ таллическими. Расположение кристал­лов зависит от факторов, воздейству­ющих на металл. В отливаемых деталях кристаллы находятся в определенной направленности к поверхности охлаждения. Эта ори­ентация зерен может резко изменяться в зависимости от характе­ра воздействия различных механических факторов. Например при волочении все кристаллы располагаются вдоль направления вы­тяжки, а при прокатке кристаллографическая плоскость становит­ся в плоскости прокатки. На характер ориентации зерен влияют не только условия и степень деформации, но и температура, длитель­ность и характер последующего нагрева (отжига). Имеет значение

25

и то, был ли это суммарный отжиг клу отжиг с промежутками в процессе деформации. Чем сильнее деформация после последнего нагрева, тем резче выражена ориентационная направленность крис­таллов. Даже при слабых напряжениях (механических деформаци­ях) у поликристаллических металлов появляются сдвиги в отдель­ных зернах, одновременно повороты и смещение их, в связи с чем возникают параллельные линии кристаллов При резком увеличе­нии степени деформации коренным образом меняется структура металла. Зерна вытягиваются в направлении деформирующей си­лы, а затем происходит их дробление. Все это приводит к искаже­нию кристаллической решетки металла Характерно, что часть этих изменений остается и после снятия нагрузки.

Неоднородность строения, а также возникающая вследствие этой неоднородности местная концентрация напряжений является причиной усталости металлов. Усталостью металлов называют по­степенное, медленное распространение сдвигов по отдельным крис­таллам, ведущее сначала к местному разрушению — появлению микротрещин, а затем к общему разрушению металла.

Пределом усталости является то максимальное напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом количестве циклов смены нагрузки. Каждый металл имеет свое предельное количество циклов. Для железа и его спла­вов количество циклов достигает 10 000 000.

Рекристаллизация — снятие упругих на-Рекристаллизация пряжений и искажений в кристалличес­кой решетке металла. Этот процесс мо­жет идти различными путями: 1) за счет перемещения атомов в пределах одного монокристалла, не подвергающегося пластичес­кой деформации, т. е. отдыха металла (при этом происходит толь­ко частичное восстановление кристаллической решетки и свойств металла); 2) за счет образования и роста новых кристаллов.

Различают рекристаллизацию обработки и рекристаллизацию собирательную. Рекристаллизация обработки характеризуется рос­том новых кристаллов за счет ранее деформированных. Образовав­шиеся новые кристаллы имеют менее искаженную решетку.

Собирательная рекристаллизация происходит при воздействии на металл высоких температур. Для каждого металла существует своя минимальная температура, ниже которой процесс рекристал­лизации практически невозможен.

Для определения температуры рекристаллизации необходимо знать температуру плавления металла. Температура рекристалли­зации любого металла находится в пределах 0,3 ..0,4 °С от его точ­ки плавления,т.е

Трекристал == 0,4 • Тплавл >

где Тплавл—температура плавления металла, °С 26

Рекристаллизация значительно изменяет строение и механичес­кие свойства металла и поэтому широко применяется в технике. Рекристаллизация делает возможным продолжать механическую обработку уже наклепанных и ставших хрупкими металлов. Ее широко используют в промежуточных нагревах, а также при окон­чательном отжиге наклепанных металлов, если необходимо возвра­тить им пластичность. При рекристаллизации предел прочности, уп­ругости и твердости металла уменьшается, удлинение и сопротив­ление удару увеличиваются.

Рекристаллизацией широко пользуются при изготовлении мно­гих стоматологических изделий. При неправильном выборе режима обработки рекристаллизация может принести большой вред.

Разрушение металлов под воздействием Коррозия окружающей среды называется корро­зией. Почти все металлы под воздейст­вием газообразной или жидкой среды подвергаются более или ме­нее быстрому разрушению

Соприкосновение металла с газообразной средой или воздухом сопровождается образованием на его поверхности соединений (окислов или основных соединений), покрывающих поверхность металла тонким слоем и тем самым предохраняющих его от даль­нейшего взаимодействия с окружающей средой, а следовательно, от дальнейшего разрушения.

Более сложные коррозийные процессы происходят при взаимо­действии металла с растворами кислот, солей и щелочей, т. е при взаимодействии определенных веществ в жидкой среде. Растворен­ные в воде вещества не только не способствуют образованию за­щитной пленки вокруг металла, но могут под воздействием электри­ческих процессов проникать в глубь металла, способствуя дальней­шему развитию коррозии.

Металлы в чистом виде почти не подвергаются коррозии. Же­лезо 99,999 % чистоты почти не ржавеет. Значительно труднее под­дается коррозии чистый цинк, чем цинк, содержащий хотя бы ми­нимальное количество примесей.

Технические металлы всегда содержат различные примеси, а это создает благоприятные условия для коррозии. Неоднородный металл рассматривается как сложный комплекс анодных и катод­ных участков, обусловливающих совокупность процессов, проходя­щих на границе металла с электролитом.

Анодными и катодными участками могут служить как кристал­лы разных фаз двухфазных или многофазных металлов, так и раз­лично ориентированные участки кристаллов однофазных металлов, даже участки одного и того же кристалла, если он находится в раз­личном энергетическом состоянии (напряжении). Степень выра­женности напряжения в двух последних случаях значительно сла-

27

Рис. 2. Избирательная коррозия:

7 — интеркристаллическая;

2 — транскристаллическая.

бее. Вследствие этого двухфазные металлы и сплавы коррозируют быстрее, чем одно­фазные. Однофазные металлы быстрее под­вергаются коррозии в участках напряжения. Лист железа, имеющий изгибы (места повы­шенного напряжения), ржавеет быстрее на изгибах. Металлы, подвергшиеся правиль­ной термической обработке (отжигу), раз­рушаются меньше. Так, штампованные ко­ронки из хромоникелевой стали после отжи­га не ржавеют.

По характеру распространения различа­ют равномерную (общую), местную и изби­рательную (интеркристаллическую и транскристаллическую корро­зию).

Равномерной, или общей, называется коррозия, при которой металлические изделия подвергаются разрушению по всей поверхности. Чаще она встречается при мелкодисперсной структу­ре сплава. Это менее опасный и медленно протекающий процесс коррозийного разрушения.

Местной называется коррозия, при которой участки пора­жения располагаются очагами, пятнами, точками. Обычно очаги коррозии появляются в участках грубой структуры металла или участках, имеющих оставшееся напряжение, механическое повреж­дение, трещины и др. В зависимости от расположения местная кор­розия может значительно снизить или привести в полную непри­годность металлическую деталь.

Избирательной называется коррозия, при которой раз­рушение происходит в глубине металла. Это один из наиболее сложных и опасных видов разрушения металла. Различают изби­рательную интеркристаллическую коррозию, когда процесс разрушения распространяется по границам кристаллов (рис. 2, /), и избирательную транскристаллическую коррозию, когда процесс разрушения распространяется по определенным кристаллографическим направлениям или через от­дельные кристаллы (рис.2, 2).

Избирательная коррозия наблюдается при крупнозернистой структуре металла, имеющего различные включения других метал­лов или карбиды.

Основой коррозии является реакция между ионами металла и полярными молекулами раствора. Скорость реакции зависит как от характера металла (сплава), его примесей, структуры, способа термической и механической обработки, так и от свойств окружаю­щей среды (раствора, сплава). Реакцию эту можно замедлить или даже полностью предотвратить.

28

Защита металлов от коррозии

Известны многие способы предотвраще­ния коррозии металла. Наиболее про­стой — покрытие поверхности изделия

веществами (красками), изолирующими металл от окружающей среды. Этот способ может быть применен только для тех изделий или их частей, которые не находятся в соприкосновении и трении с другими деталями, так как при этом защитный слой краски быст­ро стирается и его действие прекращается.

Более эффективным способом защиты металла от разрушения является покрытие поверхности изделия другими металлами. С электролитической точки зрения защитное действие оказывает металл, который в паре с защищаемым металлом является анодом, например, цинк защищает от коррозии железо (оцинкованное желе­зо), а олово усиливает его разрушение.

Важное место в борьбе с коррозией металлов занимает хромиро­вание — покрытие поверхности металлических изделий хромом. Известны два способа хромирования: электролитическое и диффуз­ное. Электролитическое хромирование — покрытие изделия хромом путем его осаждения. Этот способ широко распространен в технике. Были попытки применения его и в стоматологической практике, однако на хромированной поверхности протезов появляются тре­щины, внутри и вокруг которых со временем образуются темные точки и зеленоватые пятна коррозии. Больные нередко жалуются на неприятный вкус во рту и эстетическую неполноценность таких протезов.

Более эффективно диффузное хромирование — диффузия хрома в поверхность металла путем пропускания хлористого водорода че­рез кусочки хрома или феррохрома при температуре 800...850 °С и направления полученного СгС\г на поверхность изделия при темпе­ратуре 950...1050 °С. Полученный хромированный слой отличается высокой твердостью, стойкостью против стирания и антикоррозий­ной стойкостью в различных средах. Однако этот способ не полу­чил достаточного распространения из-за технической сложности.

В настоящее время для предохранения металлических зубных протезов от коррозии и снижения их электрической активности по­верхность протезов покрывают нитридами титана и нитридами циркония. На гладко отполированную поверхность протеза (поли­ровка не ниже 10 класса чистоты) наносят слой из нитрида титана или нитрида циркония или поочередно.

Существует два способа покрытия: осаждением и ионно-плаз-менным распылением. В стоматологической практике нашел при­менение способ ионно-плазменного распыления. Сущность его заключается в бомбардировании в вакууме поверхности металличе­ской детали или протеза ионами титана или циркония. Изделие, подлежащее покрытию, располагают на катоде аппарата «Булат».

29

Под воздействием тока высокого напряжения в вакуумной камере аппарата происходит оседание нитрида тонким слоем на поверх­ности изделия. Температура в области изделия не должна превы­шать 300 °С. Толщина покрытия зависит от режима и продолжи­тельности воздействия, а прочность — от толщины слоя. Однако с увеличением толщины слоя покрытия адгезия его с основой проте­за несколько уменьшается.

Так как нитридное покрытие, наряду с высокой твердостью, об­ладает и большой хрупкостью, то для увеличения прочности че­редуют слои покрытия (нитрид титана, нитрид циркония, основа изделия). При этом возникшие трещины в одном слое покрытия ку-пируются соседними слоями и полного разрушения покрытия из­делия не наступает. Толщина общего слоя покрытия — многослой­ного защитного нитридного покрытия (МЗНП) — не должна пре­вышать 10 мкм. Многочисленными исследованиями не выявлено отрицательного влияния нитридных покрытий на организм. Элект­рохимический потенциал зубных протезов, изготовленных с при­менением МЗНП, близок по величине • и знаку электрохимиче­скому потенциалу зубных протезов, изготовленных из сплавов зо­лота.

Применение МЗНП является одним из мероприятий, направ­ленных на профилактику и устранение патологических состояний, возникающих вследствие неоднородности структуры применяемых сплавов металлов и электрической активности протезов.