关于口腔纯钛铸件表面处理技术的综述1（全文）_口腔钛铸造技术
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关于口腔纯钛铸件表面处理技术的综述
内容摘要:
钛及钛合金以其优良的力学性能、耐腐蚀性能和优异的生物相容性而广泛应用于口腔修复领域，但仍存在一些缺陷需要进行表面处理，许多学者对此进行了研究。本文介绍了纯钛及钛合金表面改性常见处理方法，并对其特点进行了分析，指出了存在问题，为临床更好地应用纯钛及钛合金提供了理论参考。关键词：钛、表面处理、表面改性
一、引言
口腔医学离不开金属材料，用来制作义齿的金属主要有有色合金、镍铬合金、钴铬合金、生物纯钛，其中由于钛具有优异的生物相容性、良好的力学性能以及抗腐蚀性能，钛及钛合金作为生物材料在医学界已经得到了广泛的应用。早在20世纪40年代初，Bothe等率先把钛介绍到医学领域；Brnemark等在1958年率先开展了对牙科钛种植体的研究，并于1965年应用于临床；Buehler在20世纪60年代发明了钛镍正牙丝并应用于临床；20世纪80年代起，美国、日本、德国等开始将钛及钛合金用于制作牙科冠、桥、基托、卡环和冠钉等；现在钛已广泛地应用到口腔医学的各个分科中，并且越来越受到牙科医生和患者的重视因此已在口腔医学中广泛应用，主要用于制作人造冠、固定桥、义齿支架、基托及牙种植体等。但是钛及钛合金虽然具有许多优良的性能，然而用于义齿的制作其耐磨性和抗疲劳强度尚显不足，使用中易出现磨粒，这些磨粒会引起局部炎症反应而导致肌体局部感染。钛金属具有良好的耐腐蚀性是因其表面能形成一层稳定而紧密的氧化膜，使金属离子不能释放出来。但口腔环境中pH值变化很大，而且钛合金作为修复材料，在口腔环境内行使功能如与较硬食物反复摩擦、日常清洁义齿，会造成表面氧化膜脱落，金属离子释放。另外，也有研究表明，口腔清洁制剂如牙膏中所含NaF，其中氟离子在酸性环境下亦能破坏这层氧化膜，从而削弱钛的抗腐蚀能力[2]，因此钛铸件的表面处理很重要。目前纯钛铸件的表面处理工艺归纳为机械抛光、化学抛光、电解抛光和表面改性等四个方面。[1]
二、纯钛铸件表面处理常用方法
钛铸件的表面处理可分为机械抛光、化学抛光和电解抛光等。另外, 钛在空气中常温下易于形成氧化膜, 研磨、抛光后的光泽面很快就可形成并覆盖一层氧化膜, 其厚度随时间的延长呈对数或反对数增长, 直到稳定, 从而使钛制义齿的光泽面变暗。使用氮化处理的方法可使其表面改性[3], 形成稳定而呈金黄色的氮化钛表层, 既可解决变色问题, 增强美观性, 又提高了铸件的耐磨强度。
2.1 机械抛光
机械抛光[4]是通过机械的方法, 利用磨粒与钛铸件表面的相对运动, 使铸件表面突起部分被切削, 达到磨平或抛光目的。整个过程不发生化学反应，物理抛光的方法具体可分为真空退火、打磨、研磨、喷砂。机械抛光过程中，金属表面组织或大或小地在某种程度上被歪曲，在这种情况下进行研究往往不能准确地提供关于金属试片的真正组织和性质，而且费时、费力、效率低。
2.2 化学抛光
化学抛光[5]是金属制品在特定条件下的化学侵蚀过程。由于它具有操作简便、省时和成本低廉等诸多优点, 受到一部分口腔学者的关注。化学抛光与金属硬度无关, 凡与抛光液接触的部位均被腐蚀、溶解, 不需复杂设备, 对于去除属于难切削金属的钛的铸件表面污染层尤为适宜。金属铸件表面抛光的主要目的是达到良好的光洁度, 有效地防止金属腐蚀和菌斑附着。LinRimondin[6] 24h菌斑凝集实验结果表明: 当钛表面Ra值
化学抛光虽可在短时间内去除钛铸件表面污染层, 改善表面粗糙度, 但其溶解量不易掌握, 对铸件精度的影响令人担忧。化学抛光和机械抛光的表面光洁度相对较好。机械抛光不足的是铸件表面亮度差, 仍需配合手工抛光才能达到满意效果。抛光液和铸件各部位均匀接触, 不受其表面形状的限制, 因此与传统的机械抛光相比能够达到良好的抛光效果。
2.3 电解抛光
电解抛光[7-9]主要针对活动义齿的钛支架部分的改性，是在特定的浴液中将工件置于阳极进行电解，整平金属表面并使之产生光泽的加工过程。电解抛光时零件表面形成钝化膜溶解下来的金属离子通过这层膜而扩散，零件表面的凸起点比凹下点的电流密度高，溶解速度快，从而使表面整平，得到光亮的外观。电解抛光是基于阳极溶解原理去除金属，没有宏观“切削力”和“切削热”的作用，因此工件表面不会产生像切削加工中所形成的塑性变形层，也不会产生残余应力，更不会像电火花、激光加工那样在加工面上产生再铸层，反而还会将原有的变形层和残余应力层去掉。此外，电解抛光其阳极溶解不存在方向问题，所以电解抛光表面质量在各个方向上大体相同，其表面粗糙度、几何形貌与切削加工有很大差别。它可以优先溶解掉金属表面的形变层、位错、空穴聚积等电位相组织，从而得到等电位表面。电解抛光工件表面的粗糙度与工件材质、电解液组成以及工艺参数密切相关，这些工艺参数配合得当就可以得到令人满意的理想表面。其
中电解液组成是影响电解抛光表面粗糙度的重要因素，针对不同的材料选择合适的电解液组成，则可得到高质量的表面。一般来讲，电解抛光溶液应选择相对粘性的电解质，使电流密度较低，阳极缓慢溶解，以达到抛光的效果。
与机械抛光相比[10-11]，电解抛光可大大减小工件内部和表面的应力，适用于任何硬度的金属和合金，它依靠选择性溶解材料表面微小的凸出部分使表面光滑，其抛光后的光洁度与表面平整度比机械抛光保持得更长久。它具有其它表面精加工技术无法比拟的高效率、高精度、速度快、劳动强度小的优势，并且具有表面无加工硬化层﹑耐蚀﹑耐磨﹑反射率高等一系列优点。
三、不同的表面处理方法对纯钛铸件耐腐蚀性的影响
钛的耐腐蚀性能十分优秀，已被广泛应用于口腔义齿的修复中，其良好耐腐蚀性归功于其表面氧化膜的存在，但经不同的表面处理方式得到的钛表面氧化膜的结构有所不同，其表面的耐腐蚀性能也有差异，2008年11月至2009年3月于哈尔滨工业大学理学院实验室研究了机械抛光、化学抛光和电解抛光对铸钛表面耐腐蚀性的影响[12-13]。电解抛光对金属表面微观不平度的整平过程是通过电解液和电极的电化学反应来实现的 金属表面微观不平度逐渐得到整平，其结果使金属表面产生光泽及改善表面显微几何形状。化学抛光是金属制品在特定条件下的化学侵蚀过程，在金属表面较凸的部位，金属溶解速度快，在金属表面较凹的部位则相反，这种化学反应反复进行，从而金属表面达到整平的目的。常用的测量数值有自然腐蚀Ecorr、Rp、Icorr等 Ecorr是指金属在腐蚀介质中处于自腐蚀状态下的电位 相同环境下金属的自腐蚀电位可用来判断腐蚀倾向，自腐蚀电位值越高，表面活性越低，越不易发生腐蚀。RP、Icorr反映金属的腐蚀速度，RP值越大金属的腐蚀速度越慢，Icorr值越大金属的腐蚀速度越快。
研究表明铸造纯钛表面的耐腐蚀性能依次为电解抛光组＞化学抛光组＞机械抛光组。因此电解抛光液具有临床应用价值。
四、总结
钛以其优良的力学性能、耐腐蚀性能和优异的生物相容性, 越来越受到口腔修复界学者的重视，因此对钛修复体的研究日益增多, 钛修复体的质量不断改善, 临床应用也越来越广泛。
电解抛光是目前一种不可替代的表面光整加工技术。但是，至今电解抛光机理还未完善，从理论上还不能直接推出任意一种工件应该用怎样的工艺参数，只能通过实验来确定。尽管如此，电解抛光技术仍以其无可比拟的优势在未来的金属表面光整加工技术中发挥更大的作用。现在的任务是通过多次试验研究出最佳的工艺参数或者找到其他得到良好抛光效果的简单方法，以期创造出更美观、更
耐用的铸钛义齿,以造福人类。
五、参考文献 [1] 杜锦锦，汪大林，牙科钛及钛合金的表面改性新进展[J].国际口腔医学杂志, 2010, 37(6): 703-706.[2] Akal N, Over H, Olmez A, et al.Effects of carbamide peroxide containing bleaching agents on the morphology and subsurface hardne of enamel[J].Journal of Clinical Pediatric Dentistry, 2001, 25(4): 293-296.[3] Doan T T, Laulusa A E, Chris C Y.Method of chemical mechanical polishing aluminum containing metal layers and slurry for chemical mechanical polishing: U.S.Patent 5,209,816[P].1993-5-11.[4] Doan T T, Laulusa A E, Chris C Y.Method of chemical mechanical polishing aluminum containing metal layers and slurry for chemical mechanical polishing: U.S.Patent 5,209,816[P].1993-5-11.[5] Shimpo H.Effect of arm design and chemical polishing on retentive force of cast titanium alloy clasps[J].Journal of Prosthodontics, 2008, 17(4): 300-307.[6] Landolt D, Chauvy P F, Zinger O.Electrochemical micromachining, polishing and surface structuring of metals: fundamental aspects and new developments[J].Electrochimica Acta, 2003, 48(20): 3185-3201.[7] Mathieu J B, Mathieu H J, Landolt D.Electropolishing of Titanium in Perchloric Acid‐Acetic Acid Solution I.Auger Electron Spectroscopy Study of Anodic Films[J].Journal of The Electrochemical Society, 1978, 125(7): 1039-1043.[8] Piotrowski O, Madore C, Landolt D.The Mechanism of Electropolishing of Titanium in Methanol‐Sulfuric Acid Electrolytes[J].Journal of the Electrochemical Society, 1998, 145(7): 2362-2369.[9] Landolt D, Mischler S, Stemp M, et al.Third body effects and material fluxes in tribocorrosion systems involving a sliding contact[J].Wear, 2004, 256(5): 517-524.[10] Fushimi K, Habazaki H.Anodic diolution of titanium in NaCl-containing ethylene glycol[J].Electrochimica Acta, 2008, 53(8): 3371-3376.[11] 张素银, 杜凯, 谌加军, 等.电解抛光技术研究进展[J].电镀与涂饰, 2007, 26(2): 48-50.[12] 程静涛.牙科钛铸件的表面处理[J].生物医学工程学杂志, 1998, 15(4): 414-418.[13] 于俊光, 李天侠, 闫海根, 等.不同抛光方法对纯钛铸件表面耐腐蚀性影响的研究
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