CN105441875A - 表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法 - Google Patents

表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105441875A
CN105441875A CN201510808160.3A CN201510808160A CN105441875A CN 105441875 A CN105441875 A CN 105441875A CN 201510808160 A CN201510808160 A CN 201510808160A CN 105441875 A CN105441875 A CN 105441875A
Authority
CN
China
Prior art keywords
arch wire
stainless steel
corrosion
coating
parts
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510808160.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105441875B (zh
Inventor
李华
马俊青
陈晓星
张昊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhenjiang Stomatological Hospital
Original Assignee
Zhenjiang Stomatological Hospital
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhenjiang Stomatological Hospital filed Critical Zhenjiang Stomatological Hospital
Priority to CN201510808160.3A priority Critical patent/CN105441875B/zh
Publication of CN105441875A publication Critical patent/CN105441875A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105441875B publication Critical patent/CN105441875B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/10—Glass or silica
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C7/00—Orthodontics, i.e. obtaining or maintaining the desired position of teeth, e.g. by straightening, evening, regulating, separating, or by correcting malocclusions
    • A61C7/12—Brackets; Arch wires; Combinations thereof; Accessories therefor
    • A61C7/20—Arch wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Dental Tools And Instruments Or Auxiliary Dental Instruments (AREA)

Abstract

表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法，由以下方法制得：在奥氏体不锈钢弓丝表面采用非平衡磁控溅射法沉积纳米二氧化硅涂层。沉积的工艺参数为：靶材二氧化硅，纯度优于99.99%，溅射功率200w，稀释气体Ar流量50SCCM，工作气压2.0Pa，沉积时间100min。通过本发明技术方案，表面改性层可提高不锈钢弓丝表面的摩擦性能、耐腐蚀性能、生物相容性，满足正畸矫形弓丝表面改性和临床应用的需要。

Description

表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料表面改性技术领域，特别提供了一种表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法。
背景技术
在正畸固定矫治过程中，摩擦力伴随着托槽与弓丝间的相对运动而产生，矫治器施加的矫治力需克服摩擦力后才能作用于牙齿，通过牙周组织的吸收与改建而使牙齿移动。随着滑动机制在固定矫治中的普遍应用，矫治过程中所产生的摩擦力就显得尤为重要。摩擦力越大，牙移位的实际矫治力比例就越小，进而影响矫治器矫治的性能和效率。当今正畸学界普遍提倡的矫治理念是轻力矫治，想要达到轻力矫治的有效甚至高效，首要的就是减小矫治系统的摩擦力，从而获得最有效的牙移位及最适当的生物组织反应。口腔正畸医师已逐渐认识到摩擦力在矫治过程中的重要性，随之对被矫治牙齿移动时所需克服的摩擦力的研究也逐渐增多，这不仅有利于临床上合理选用托槽，弓丝和结扎方法，同时也可避免一些不利因素的影响，对于提高牙移动效率，降低支抗要求，缩短治疗时间都有特殊的临床意义。
目前，正畸临床常用的弓丝材料有：不锈钢（SS）、钴铬（Co-Cr）、镍钛(Ni-Ti)、β钛(TMA)。有研究表明，不论是不锈钢托槽还是陶瓷托槽，以上四种弓丝的摩擦力依次增高。实验证实，弓丝的摩擦系数主要取决于其表面粗糙度、硬度和弹性模量。其中，表面粗糙度与摩擦力成正相关关系，而弓丝的硬度及弹性模量则与摩擦力成负相关关系。同样尺寸的方丝，不锈钢丝因其较高的刚度、表面光滑度，而更适用于滑动关闭拔牙间隙，在口内、外施加牵引力量时，能更好的维持牙弓的稳定。但在正畸临床上应用的奥氏体不锈钢丝在性能方面也存在一定的缺陷：（1）矫治过程中，弓丝与托槽之间的相对滑动将导致不锈钢丝表面出现明显的划痕，表面粗糙度的不断增加将增大弓丝的摩擦力，继而影响牙齿移动的效率；（2）奥氏体不锈钢丝合金成分中含有一定比例的镍元素，在人体口腔环境下析出的镍离子虽低于正常人的每日饮食摄入水平，也有可能引起极少数人过敏反应；（3）奥氏体不锈钢弓丝在发挥作用时，多是处于口腔这一特定的复杂环境中，如同其他正畸合金一样，不管其冶金结构如何，都会发生腐蚀，主要为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。而腐蚀类型可分为均匀腐蚀和局部腐蚀，其中局部腐蚀又划分为孔蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、流电腐蚀、磨损腐蚀、疲劳腐蚀、应力腐蚀等。腐蚀可使不锈钢弓丝机械性能降低，特别是弓丝与托槽或颊管交界处的缝隙腐蚀，易致弓丝折断。同时腐蚀也会降低不锈钢弓丝表面光洁度，是不锈钢弓丝表面粗糙度及表面摩擦系数增加，从而增加滑动法移动牙齿过程中的摩擦阻力。因此，如何通过技术工艺处理降低正畸不锈钢丝的摩擦系数，同时补偿其性能方面的不足，从而提高临床治疗效率已成为各国科学家竞相研究的热点。伴随生物医学工程的飞速发展，人们试图用多种方法对各种医用金属材料进行表面改性，以期进一步提高生物医用材料的综合性能、生物相容性和使用寿命，如材料的疲劳、腐蚀、摩擦磨损等。
为了改善正畸弓丝的各项性能以满足临床医师的需求，国内外学者尝试运用多样化的材料表面处理工艺来实现弓丝的表面改性，以期降低正畸弓丝的摩擦系数从而提高临床治疗效率，同时赋予弓丝表面良好的耐腐蚀性、生物相容性以及美学性能。Rapiejko等的研究表明，氮化硅（SiN）和碳化硅（SiC）薄膜能明显减轻托槽-弓丝接触界面的磨损。遗憾的是，SiN和SiC薄膜却明显增大了托槽-弓丝间的摩擦系数，摩擦力越大，牙移位的实际矫治力比例就越小，进而影响矫治器矫治的性能和效率。另有研究显示，氮化钛（TiN）薄膜提高了托槽、弓丝的抗腐蚀能力，但同时也增大了托槽-弓丝间摩擦力。因此，对应用于正畸固定矫治器，这些都不是理想薄膜。早在2002年Husmann等就已经研制出聚四氟乙烯（Teflon）涂层不锈钢弓丝，颜色相近于牙本色，且具有极低的摩擦系数、优异的耐化学腐蚀性能和良好的生物相容性，然而在临床使用过程中发现，由于Teflon涂层本身硬度不高、耐磨性能很差，涂层容易产生裂隙并剥脱，长期使用于口腔环境时，不锈钢弓丝的腐蚀仍然会发生。类金刚石膜（DLC）因其超硬晶体结构、低摩擦系数、高耐磨性、良好的生物相容性等杰出特性也受到了广泛的关注。自上世纪九十年代以来，许多学者通过各种镀膜制备技术在不锈钢方丝、β-钛丝以及含铜镍钛丝镀以DLC膜，研究发现类金刚石膜不锈钢弓丝可明显降低摩擦系数并减轻磨损，对人牙周膜细胞具有良好生物相容性，并表现出抵抗变形链球菌粘附的能力，然而类金刚石膜的主要缺点在于制备过程中产生较大的内应力是膜基结合较差，严重影响了薄膜的实用化。因此在实现类金刚石膜的全方位、大面积、均匀沉积以及获得良好的膜基结合力方面还有许多工作要做。
近年来，随着纳米技术的不断进步和发展，纳米二氧化硅涂层作为一种新型表面改性材料，也受到了越来越多的关注。大量研究表明，其具有高熔点、强抗腐蚀性、高稳定性，高耐磨性等优点，在微电子器件和集成器件、光学薄膜器件和传感器等领域得到了很好的应用。作为一种较好的耐磨减摩材料，纳米二氧化硅膜在生物医学方面的特性亦引起人们的关注研究。而在口腔医学中已成功应用于牙体修复材料纳米充填树脂，以及义齿修复中陶瓷冠修复并在临床实践中取得了比较好的效果。
发明内容
解决的技术问题：本发明的目的是提供一种表面覆有纳米二氧化硅涂层的表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法，该弓丝机械化学性能优异、耐腐蚀、满足临床口腔应用要求。
技术方案：表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝，由以下方法制得：表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝，由以下方法制得：奥氏体不锈钢弓丝表面覆盖有采用非平衡磁控溅射法沉积的纳米二氧化硅涂层,工艺参数为：靶材二氧化硅，纯度优于99.99%，溅射功率200w，稀释气体Ar流量50SCCM，工作气压2.0Pa，沉积时间100min。
所述奥氏体不锈钢弓丝表面与纳米二氧化硅涂层之间涂覆复合涂层，所述复合涂层由水性聚氨酯乳液、聚四氟乙烯、纳米二氧化硅、钛酸四丁酯按质量比25:14:4:3制得。
纳米二氧化硅涂层中纳米颗粒的直径不超过100nm。
纳米二氧化硅涂层厚度为1微米。
表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝的制备方法，包括以下步骤：以奥氏体不锈钢弓丝为基材,在其表面采用非平衡磁控溅射法沉积制备纳米二氧化硅涂层,沉积的工艺参数为：靶材二氧化硅，纯度优于99.99%，溅射功率200w，稀释气体Ar流量50SCCM，工作气压2.0Pa，沉积时间100min。
奥氏体不锈钢弓丝沉积涂层前进行以下处理：
a.热处理：将奥氏体不锈钢弓丝加热到930~950℃，保温时间2.0～2.4分钟/毫米，浸入淬火剂中直接淬冷，淬冷到180~200℃结束淬冷处理；然后回火处理，回火加热温度为550~570℃，保温时间2.2～2.4分钟/毫米，油冷≤55℃后；在-70~-80℃的温度下冷处理30min后恢复至室温；对冷处理之后进行280~320℃的低温回火，低温回火保温时间2.3～2.7分钟/毫米，空冷；
b.酸洗处理：将热处理后的弓丝浸没于酸洗液中浸泡30～40min，酸液温度为70～75℃，酸洗液按重量计由质量分数30%盐酸7.5份、硝酸镍0.5份、双氧水1.2份、乙二醇2.5份、亚甲基二萘磺酸钠1.5份、氨基硫脲0.3份、醇醚羧酸盐0.6份、水45份配制而成；
c.清洗处理：将酸洗后的弓丝用去离子水、丙酮、酒精在超声波清洗机中分别清洗20min，10-4Pa真空室内利用Ar离子溅射清洗2min；
d.钝化处理：将清洗干净的弓丝使用钝化剂进行钝化处理，钝化处理温度为55-58℃，钝化处理时间为20-25s，钝化剂按重量计由以下原料配制而成：柠檬酸钠2.5份、苯并三氮唑3份、苯磺酸0.5份、次氯酸钾1.2份、质量分数42%的硝酸8份、98%的浓硫酸9份、硝酸铬0.8份。
所述奥氏体不锈钢弓丝表面与纳米二氧化硅涂层之间涂覆复合涂层，所述复合涂层由以下方法制得：将钝化处理后的弓丝用模具拉直固定，放入浸涂液中进行提拉涂装，所述浸涂液为水性聚氨酯乳液、聚四氟乙烯、纳米二氧化硅、钛酸四丁酯按质量比25:14:4:3混合而成，浸涂液需经搅拌速度为400～450r/min，搅拌15～20min，浸涂提拉速度为0.5～5mm/s；将涂装后的弓丝在洁净的室温下静置15min，高温固化温度为220～250℃，固化10～15分钟。
有益效果：通过本发明技术方案，表面改性层可提高不锈钢弓丝表面的摩擦性能、耐腐蚀性能、生物相容性，满足正畸矫形弓丝表面改性和临床应用的需要。
附图说明
图1为真空多功能磁控溅射沉积系统实验装置示意图，N/S/N代表磁极。
图2为为不锈钢弓丝基材、改性涂层SEM表面结构形貌以及改性涂层的截面组织形貌，A：不锈钢方丝（×300）；B：二氧化硅涂层（×300）；C：不锈钢方丝（×100,000)；D：二氧化硅涂层（×100,000)；E：二氧化硅涂层方丝横截面电镜扫描。
图3为不锈钢丝的XRD图。
图4为二氧化硅涂层钢丝的XRD图。
图5为改性涂层及不锈钢弓丝基材摩擦性能测试结果。
图6为改性涂层及不锈钢弓丝基材弹性模量。
图7为改性涂层及不锈钢弓丝基材在37℃人工唾液中的循环极化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明中基体和基材的含义相同，在这里都指不锈钢弓丝本身。
实施例1：
以奥氏体不锈钢正畸弓丝为基材，弓丝的尺寸为0.019×0.025英尺（0.48×0.64mm）。对弓丝用去离子水、丙酮、酒精在超声波清洗机中分别清洗20min，然后在10-4Pa真空室内利用Ar离子溅射清洗2min。
然后在弓丝表面采用非平衡磁控溅射法，在不锈钢正畸弓丝表面沉积生成纳米二氧化硅涂层，工艺参数为：靶材二氧化硅，纯度优于99.99%，溅射功率200w，稀释气体Ar流量50SCCM，工作气压2.0Pa，沉积时间100min。
实施例2：
以奥氏体不锈钢正畸弓丝为基材，弓丝的尺寸为0.019×0.025英尺（0.48×0.64mm）。采用600#金相砂纸对弓丝表面进行粗化处理，以增强涂层与基材的结合率。用去离子水、丙酮、酒精在超声波清洗机中分别清洗20min，烘干后立即放入镀膜机内，待电流和电压稳定后开始溅射，靶基距为60mm，在10-4Pa真空室内利用Ar离子溅射清洗2min，去除表面的杂质。
然后在弓丝表面采用非平衡磁控溅射法，在不锈钢正畸弓丝表面沉积生成纳米二氧化硅涂层，工艺参数为：靶材二氧化硅，纯度优于99.99%，溅射功率200w，稀释气体Ar流量50SCCM，工作气压2.0Pa，沉积时间100min。
经上述方法所得的表面低摩擦力弓丝，弓丝表面覆盖采用非平衡磁控溅射法沉积的纳米二氧化硅涂层。涂层中纳米晶涂层平均晶粒尺寸在100nm以下。涂层厚度为1微米。
与不锈钢弓丝基材相比，表面改性后弓丝摩擦力减小了18%~40%，在37℃人工唾液中的腐蚀速率下降了3/4，弓丝无细胞毒性。
图1为真空多功能磁控溅射沉积系统实验装置示意图，采用JGP-450型高真空多功能磁控溅射沉积系统（沈阳科仪公司）进行非平衡磁控溅射法沉积涂层，真空室内的底部设有工作台和气体出口，顶部设有磁极和气体进口，磁极按照N-S-N布置，真空室旁设有Ar离子源。沉积前用去离子水、丙酮、酒精在超声波清洗机中分别清洗20min，然后将其在空气中晾干。放入真空室后，用机械泵将真空室气压抽至10-4Pa，用Ar离子溅射清洗基片2min，再进行磁控溅射沉积纳米二氧化硅膜。利用离子源产生Ar等离子体，并在磁控溅射靶上施加偏压，使工作气压稳定在2.0Pa，射频电源功率升高至200w，在真空室内产生辉光放电。通过沉积于基材表面生成纳米二氧化硅涂层。沉积100分钟后将功率降低到零，打开真空室，取出样品，进行分析测试。
图2为不锈钢弓丝基材、改性涂层SEM表面结构形貌以及改性涂层的截面组织形貌。可见，涂层比较致密、均匀和光滑，厚度1微米左右。在涂层中的超微晶粒直径达到100nm以下，属于纳米晶。从扫描图片中看出，不锈钢托槽上的二氧化硅涂层完整致密，光滑性好。从原子力显微镜图像中看出，包覆的二氧化硅涂层的致密性好，且具有非常光滑的表面。
图3、4为不锈钢丝和二氧化硅涂层钢丝的XRD图。由图可看出，两种钢丝的XRD图像显示的特征衍射峰不同。不锈钢丝仅出现金属的衍射峰，二氧化硅涂层钢丝出现二氧化硅的特征衍射峰，图中2θ角中的30°、50°和59°分别对应四方晶型的二氧化硅特征衍射峰。
为了获得单纯的涂层硬度，采用DHV-1000型显微维氏硬度仪进行测定，载荷施加15s，每个样品表面分散5个点，彼此至少远离1mm。在光镜下测量压痕对角线的长度，记录相应的维氏硬度值并计算其均值作为材料的显微硬度值(Hv)。在实际应用过程中，膜基需满足协同变形，当所施加的载荷达到一定值时，膜基协调变形能力将被破坏，从而将出现周向裂纹和膜层环状剥落。测试过程中，法向载荷为0.98N时，由于载荷较小，压头压入较浅，基体硬度对膜基体体系硬度的影响不大，所得的硬度值基本反映了涂层的硬度。在1.96N载荷下，膜层压痕的周围出现明显的环形裂纹。不锈钢基材的硬度值为468.42Hv，纳米二氧化硅涂层的硬度值为685.17Hv，两者在统计学上有显著性差异（P<0.05），说明由非平衡磁控溅射法制备的二氧化硅涂层大大增加了基材的表面硬度，高硬度和承载能力有利于提高基体材料的摩擦磨损性能。
采用纳米压痕测试仪检测改性弓丝弹性模量的变化。将制备好的弓丝样本置于TI950纳米压痕测试机金刚石压头下方，电磁线圈中电流产生的电磁力使得金刚石压头压入弓丝样本表面。所有测试均采用Berkovich压头在室温下完成。通过与测试仪耦合的光学显微镜及电荷耦合器件(CCD)相机选择测量位点。每个试验包括三段：10秒加载至最大载荷，1秒保持在峰值，以及10秒卸载。设置两个最大载荷6mN。测得弓丝在加载－卸载循环过程中的载荷压入深度曲线，卸载曲线初始阶段的斜率即为弹性模量。图6为不锈钢弓丝基材及改性涂层的弹性模量比较。研究表明，不锈钢弓丝基材在最大载荷下的弹性模量为201.24GPa，改性涂层的弹性模量为74.17GPa，两者在统计学上有显著差异（P<0.001）。所谓弹性模量是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，反映材料抵抗弹性变形的能力。正畸治疗中，在弓丝的尺寸相同的情况下，弹性模量越大，其提供的矫治力越大。本发明制备的纳米金刚石涂层改性弓丝的弹性模量明显小于原不锈钢丝，具有超弹性，矫治提供的力量相对柔和，从而可以更有效的控制牙齿的移动。
在正畸治疗中，矫治器加力时，初始要克服托槽与弓丝之间的最大静摩擦力以使牙移动。牙移动一段时间后，变形的牙周组织抵抗力合并滑动摩擦力抵消了施加的外力，导致牙移动停止。随后由于牙周组织的改建，同时由于咬合弓丝回弹及咀嚼运动改变了弓丝与托槽的压力，牙又开始移动，如此循环往复。有学者认为静摩擦力是牙齿开始移动所需的力，而滑动摩擦力是牙齿一旦移动所需的维持其移动的力。如图5所示，本发明采用电子万能材料试验机Instron3365检测弓丝和托槽间的摩擦力以研究改性弓丝的摩擦性能。选用右上第一前磨牙传统直丝弓托槽（VictorySeries，3MUnitek，美国）。托槽用502胶固定于支座上，使托槽槽沟方向与拉伸方向相同。将弓丝置于托槽槽沟内，采用透明结扎圈固定弓丝。调节上夹具夹住弓丝，仪器夹头移动速度10mm/min，移动距离20mm，每秒记录5次数据，由仪器记录弓丝和托槽组合的摩擦力-位移曲线，计算最大静摩擦力、平均动摩擦力、静摩擦系数以及动摩擦系数。结果表明，改性弓丝的最大静摩擦力与原弓丝相比减少了18.3%，平均动摩擦力与原弓丝相比减少了20.4%，动摩擦系数与原弓丝相比减少了近40.7%。本发明采用的非平衡磁控溅射技术所制备纳米二氧化硅涂层可使不锈钢弓丝表面的摩擦性能显著改善，这与改性涂层表面粗糙度降低，表面硬度增高有一定关系。
口腔内适宜的温度及唾液中各种化学物质会使合金表面失去光泽，发生腐蚀反应。腐蚀不仅降低合金的强度，腐蚀产物（如合金析出的有害金属离子等）还会对机体产生不良反应，如过敏反应，牙齿着色及毒性作用等。因而，对于应用于口腔内的正畸弓丝的耐腐蚀性研究显得尤为重要。口腔内合金弓丝及托槽材料的腐蚀主要是电化学腐蚀，测试合金材料腐蚀的方法很多，其中循环极化曲线法与析出离子浓度测试法更适合于比较牙科合金材料的腐蚀性。实验采用CHI760D电化学工作站测定改性不锈钢弓丝基材及改性样品的电化学腐蚀性能。电化学测试采用三电极体系，所用介质为37℃人工唾液，以待测样品为工作电极，铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。采用电化学工作站的线性电位扫描方法，测量Tafel曲线，电位扫描速度为0.01V/s，测量范围±0.5V，取样间隔为0.001V。图7不锈钢弓丝基材及改性样品在37℃人工唾液中的循环极化曲线，研究表明不锈钢弓丝基材的腐蚀电位为1.255V，腐蚀电流为3.38e-5，而改性弓丝的腐蚀电位为-0.459V，腐蚀电流为5.69e-7，其极化电流密度数量级下降了2个。腐蚀速率与腐蚀电流密度成正比关系，由此可知表面覆盖纳米二氧化硅涂层的改性弓丝的耐腐蚀性能大大提高了。
随着生物医学工程的发展，许多新型生物材料不断涌现，为了确保人体健康，一种新的生物材料在进入临床之前必须进行生物相容性的评价。完整的生物学评价应包括初级急性毒性筛选、动物体内应用和临床试用级试验。体外细胞实验是初级急性毒性筛选的一个重要方面，是一种快速、简便、重复性好又廉价的检测材料生物相容性方法，在评价材料生物相容性方面的地位已得到公认。实验依据GB-T16886-1.1997，应用四甲基偶氮唑盐（MTT）比色法对改性弓丝的体外细胞毒性进行评价，通过将人牙龈成纤维细胞（HGF）与弓丝浸渍液在含10%小牛血清的DMEM培养液中接触培养，培养24、48和72h后分别取出1板用酶联检测仪测其光密度值（OD值），实验波长为490nm，取均值，计算细胞增殖率（P/%），P=各浓度组OD均值/阴性对照组OD均值。按毒性分级法评分：P为～100时0级、～80时为1级、～60时为2级、～40时为3级，～20时为4级。表1为改性涂层及不锈钢弓丝基材的MTT细胞毒性测试结果。研究表明，在细胞培养24h、48h、72h的不同时相用倒置显微镜观察，二氧化硅涂层组与基材组相似，细胞数量明显增加，生长良好。MTT比色法检测，二氧化硅涂层组和基材组在24、48、72h内的细胞相对增殖率在92.03%到114.93%之间，其毒性评级均为0级，无明显的细胞毒性。以往研究发现，培养液中镍离子浓度的增高是影响细胞增值的主要原因。培养72h，改性涂层的细胞密度增加，且不同浸渍液浓度的细胞增值率相较基材组均有增高，这可能与改性涂层在浸渍液中镍离子的析出量减少有关。由此可见，二氧化硅涂层后的弓丝在人体环境下是安全的，符合临床应用要求。
表1
在多功能材料表面试验仪上通过划痕法测量涂层的附着力，结果如表2所示。二氧化硅涂层对托槽的附着强度为41.96N，表明二氧化硅涂层与托槽之间有较强的附着力。
表2不锈钢丝和含有二氧化硅涂层的不锈钢弓丝附着力
实施例3：
以奥氏体不锈钢正畸弓丝为基材，弓丝的尺寸为0.019×0.025英尺（0.48×0.64mm）。
先将奥氏体不锈钢弓丝加热到930~950℃，保温时间2.0～2.4分钟/毫米，浸入淬火剂（陶氏化学公司PAG淬火剂）中直接淬冷，淬冷到180~200℃结束淬冷处理；然后回火处理，回火加热温度为550~570℃，保温时间2.2～2.4分钟/毫米，油冷≤55℃后；在-70~-80℃的温度下冷处理30min后恢复至室温；对冷处理之后进行280~320℃的低温回火，低温回火保温时间2.3～2.7分钟/毫米，空冷；
将热处理后的弓丝浸没于酸洗液中浸泡30～40min，酸液温度为70～75℃，酸洗液按重量计由质量分数30%盐酸7.5份、硝酸镍0.5份、双氧水1.2份、乙二醇2.5份、亚甲基二萘磺酸钠1.5份、氨基硫脲0.3份、醇醚羧酸盐0.6份、水45份配制而成；
将酸洗后的弓丝用去离子水、丙酮、酒精在超声波清洗机中分别清洗20min，10-4Pa真空室内利用Ar离子溅射清洗2min；
将清洗干净的弓丝使用钝化剂进行钝化处理，钝化处理温度为55-58℃，钝化处理时间为20-25s，钝化剂按重量计由以下原料配制而成：柠檬酸钠2.5份、苯并三氮唑3份、苯磺酸0.5份、次氯酸钾1.2份、质量分数42%的硝酸8份、98%的浓硫酸9份、硝酸铬0.8份。
然后在弓丝表面采用非平衡磁控溅射法，在不锈钢正畸弓丝表面沉积生成纳米二氧化硅涂层，工艺参数为：靶材二氧化硅，纯度优于99.99%，溅射功率200w，稀释气体Ar流量50SCCM，工作气压2.0Pa，沉积时间100min。
经上述方法所得的表面低摩擦力弓丝，弓丝表面覆盖采用非平衡磁控溅射法沉积的纳米二氧化硅涂层。涂层中纳米晶涂层平均晶粒尺寸在100nm以下。涂层厚度为1微米。
通过以上处理，消除原来不锈钢弓丝中存在的内应力，与不锈钢弓丝基材相比，表面改性后弓丝摩擦力减小了26%~52%，在相同的工艺条件下，与实施例2摩擦力相近，但是本实施例中表面纳米二氧化硅的附着力为46.3N，相对实施例2中提高了10%，在37℃模拟人体体液中的磨蚀性能测试中，表面改性后弓丝耐腐蚀性能相对于不锈钢弓丝提高1倍以上，耐腐蚀时间延长一倍以上，延长弓丝的Ni离子溶出率下降60%，弓丝无细胞毒性，完全符合临床应用的要求。弓丝无细胞毒性。
实施例4：
先将奥氏体不锈钢弓丝加热到930~950℃，保温时间2.0～2.4分钟/毫米，浸入淬火剂（陶氏化学公司PAG淬火剂）中直接淬冷，淬冷到180~200℃结束淬冷处理；然后回火处理，回火加热温度为550~570℃，保温时间2.2～2.4分钟/毫米，油冷≤55℃后；在-70~-80℃的温度下冷处理30min后恢复至室温；对冷处理之后进行280~320℃的低温回火，低温回火保温时间2.3～2.7分钟/毫米，空冷；
将热处理后的弓丝浸没于酸洗液中浸泡30～40min，酸液温度为70～75℃，酸洗液按重量计由质量分数30%盐酸7.5份、硝酸镍0.5份、双氧水1.2份、乙二醇2.5份、亚甲基二萘磺酸钠1.5份、氨基硫脲0.3份、醇醚羧酸盐0.6份、水45份配制而成；
将酸洗后的弓丝用去离子水、丙酮、酒精在超声波清洗机中分别清洗20min，10-4Pa真空室内利用Ar离子溅射清洗2min；
将清洗干净的弓丝使用钝化剂进行钝化处理，钝化处理温度为55-58℃，钝化处理时间为20-25s，钝化剂按重量计由以下原料配制而成：柠檬酸钠2.5份、苯并三氮唑3份、苯磺酸0.5份、次氯酸钾1.2份、质量分数42%的硝酸8份、98%的浓硫酸9份、硝酸铬0.8份。
将钝化处理后的弓丝用模具拉直固定，放入浸涂液中进行提拉涂装，所述浸涂液为水性聚氨酯乳液、聚四氟乙烯、纳米二氧化硅、钛酸四丁酯按质量比25:14:4:3混合而成，浸涂液需经搅拌速度为400～450r/min，搅拌15～20min，浸涂提拉速度为0.5～5mm/s；将涂装后的弓丝在洁净的室温下静置15min，高温固化温度为220～250℃，固化10～15分钟。
经上述方法所得的表面低摩擦力弓丝，弓丝表面覆盖采用非平衡磁控溅射法沉积的纳米二氧化硅涂层。涂层中纳米晶涂层平均晶粒尺寸在100nm以下。涂层厚度为1微米。
通过以上处理，消除原来不锈钢弓丝中存在的内应力，与不锈钢弓丝基材相比，表面改性后弓丝摩擦力减小了26%~52%，在相同的工艺条件下，与实施例2摩擦力相近，但是本实施例中表面纳米二氧化硅的附着力达到56.3N，相对于实施例2中提高了20%以上，在37℃模拟人体体液中的磨蚀性能测试中，表面改性后弓丝耐腐蚀性能相对于不锈钢弓丝提高3倍以上，耐腐蚀时间延长三倍以上，弓丝的Ni离子无析出，弓丝无细胞毒性，完全符合临床应用的要求。此复合涂层的存在，在纳米二氧化硅涂层与不锈钢基体之间起到了粘结过渡层的作用粘结剂，对提高涂层与基材表面的结合强度起到有益的作用，另外由于复合层的存在，可以更加有效提高涂层的耐蚀性，并防止不锈钢弓丝中的镍离子析出到人体口腔中，提高了使用的安全性。

Claims (7)

1.表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝，其特征在于由以下方法制得：奥氏体不锈钢弓丝表面覆盖有采用非平衡磁控溅射法沉积的纳米二氧化硅涂层,工艺参数为：靶材二氧化硅，纯度优于99.99%，溅射功率200w，稀释气体Ar流量50SCCM，工作气压2.0Pa，沉积时间100min。
2.根据权利要求1所述表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝，其特征在于：所述奥氏体不锈钢弓丝表面与纳米二氧化硅涂层之间涂覆复合涂层，所述复合涂层由水性聚氨酯乳液、聚四氟乙烯、纳米二氧化硅、钛酸四丁酯按质量比25:14:4:3制得。
3.根据权利要求1所述表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝，其特征在于：纳米二氧化硅涂层中纳米颗粒的直径不超过100nm。
4.根据权利要求1所述表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝，其特征在于：纳米二氧化硅涂层厚度为1微米。
5.表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝的制备方法，其特征在于包括以下步骤：以奥氏体不锈钢弓丝为基材,在其表面采用非平衡磁控溅射法沉积制备纳米二氧化硅涂层,沉积的工艺参数为：靶材二氧化硅，纯度优于99.99%，溅射功率200w，稀释气体Ar流量50SCCM，工作气压2.0Pa，沉积时间100min。
6.根据权利要求5所述表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝的制备方法，其特征在于：奥氏体不锈钢弓丝沉积涂层前进行以下处理：
a、热处理：将奥氏体不锈钢弓丝加热到930~950℃，保温时间2.0～2.4分钟/毫米，浸入淬火剂中直接淬冷，淬冷到180~200℃结束淬冷处理；然后回火处理，回火加热温度为550~570℃，保温时间2.2～2.4分钟/毫米，油冷≤55℃后；在-70~-80℃的温度下冷处理30min后恢复至室温；对冷处理之后进行280~320℃的低温回火，低温回火保温时间2.3～2.7分钟/毫米，空冷；
b、酸洗处理：将热处理后的弓丝浸没于酸洗液中浸泡30～40min，酸液温度为70～75℃，酸洗液按重量计由质量分数30%盐酸7.5份、硝酸镍0.5份、双氧水1.2份、乙二醇2.5份、亚甲基二萘磺酸钠1.5份、氨基硫脲0.3份、醇醚羧酸盐0.6份、水45份配制而成；
b、清洗处理：将酸洗后的弓丝用去离子水、丙酮、酒精在超声波清洗机中分别清洗20min，10-4Pa真空室内利用Ar离子溅射清洗2min；
d、钝化处理：将清洗干净的弓丝使用钝化剂进行钝化处理，钝化处理温度为55-58℃，钝化处理时间为20-25s，钝化剂按重量计由以下原料配制而成：柠檬酸钠2.5份、苯并三氮唑3份、苯磺酸0.5份、次氯酸钾1.2份、质量分数42%的硝酸8份、98%的浓硫酸9份、硝酸铬0.8份。
7.根据权利要求6所述表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝的制备方法，其特征在于：所述奥氏体不锈钢弓丝表面与纳米二氧化硅涂层之间涂覆复合涂层，所述复合涂层由以下方法制得：将钝化处理后的弓丝用模具拉直固定，放入浸涂液中进行提拉涂装，所述浸涂液为水性聚氨酯乳液、聚四氟乙烯、纳米二氧化硅、钛酸四丁酯按质量比25:14:4:3混合而成，浸涂液需经搅拌速度为400～450r/min，搅拌15～20min，浸涂提拉速度为0.5～5mm/s；将涂装后的弓丝在洁净的室温下静置15min，高温固化温度为220～250℃，固化10～15分钟。
CN201510808160.3A 2015-11-20 2015-11-20 表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法 Expired - Fee Related CN105441875B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510808160.3A CN105441875B (zh) 2015-11-20 2015-11-20 表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510808160.3A CN105441875B (zh) 2015-11-20 2015-11-20 表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105441875A true CN105441875A (zh) 2016-03-30
CN105441875B CN105441875B (zh) 2018-01-19

Family

ID=55552498

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510808160.3A Expired - Fee Related CN105441875B (zh) 2015-11-20 2015-11-20 表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105441875B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107043913A (zh) * 2017-04-20 2017-08-15 王红星 一种表面摩擦力低且耐腐蚀的口腔正畸弓丝及其制备方法
CN111151430A (zh) * 2020-03-10 2020-05-15 黑龙江雷博科技有限公司 一种牙齿金属矫形丝表面美学涂层的制备方法
CN114369807A (zh) * 2022-01-14 2022-04-19 中南大学湘雅医院 一种口腔弓丝及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4364731A (en) * 1981-01-29 1982-12-21 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods for producing adhesive bonds between substrate and polymer employing an intermediate oxide layer
WO2005094715A1 (en) * 2004-04-02 2005-10-13 Gestenco International Ab Coated orthodontic bracket
CN101897624A (zh) * 2008-11-14 2010-12-01 奥姆科公司 表面处理的多晶陶瓷正牙托槽及其制造方法
CN103572257A (zh) * 2013-11-13 2014-02-12 南京医科大学 表面低摩擦力口腔正畸弓丝及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4364731A (en) * 1981-01-29 1982-12-21 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods for producing adhesive bonds between substrate and polymer employing an intermediate oxide layer
WO2005094715A1 (en) * 2004-04-02 2005-10-13 Gestenco International Ab Coated orthodontic bracket
CN101897624A (zh) * 2008-11-14 2010-12-01 奥姆科公司 表面处理的多晶陶瓷正牙托槽及其制造方法
CN103572257A (zh) * 2013-11-13 2014-02-12 南京医科大学 表面低摩擦力口腔正畸弓丝及其制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107043913A (zh) * 2017-04-20 2017-08-15 王红星 一种表面摩擦力低且耐腐蚀的口腔正畸弓丝及其制备方法
CN111151430A (zh) * 2020-03-10 2020-05-15 黑龙江雷博科技有限公司 一种牙齿金属矫形丝表面美学涂层的制备方法
CN114369807A (zh) * 2022-01-14 2022-04-19 中南大学湘雅医院 一种口腔弓丝及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105441875B (zh) 2018-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. A combined coating strategy based on atomic layer deposition for enhancement of corrosion resistance of AZ31 magnesium alloy
Kachoei et al. Zinc-oxide nanocoating for improvement of the antibacterial and frictional behavior of nickel-titanium alloy
Amaravathy et al. Novel sol gel coating of Nb2O5 on magnesium alloy for biomedical applications
Yildiz et al. Wear and corrosion behaviour of various surface treated medical grade titanium alloy in bio-simulated environment
Lin et al. Effects of plasma nitriding and multiple arc ion plating TiN coating on bacterial adhesion of commercial pure titanium via in vitro investigations
Tamura et al. Surface properties and biocompatibility of nitrided titanium for abrasion resistant implant materials
Kaliaraj et al. Corrosion and biocompatibility behaviour of zirconia coating by EBPVD for biomedical applications
Cai et al. ZrCuFeAlAg thin film metallic glass for potential dental applications
Chung et al. Biocompatibility of a titanium–aluminum nitride film coating on a dental alloy
Chen et al. Effect of ultrasonic cold forging technology as the pretreatment on the corrosion resistance of MAO Ca/P coating on AZ31B Mg alloy
Wang et al. In vitro corrosion behavior and cytocompatibility of pure Fe implanted with Ta
Wang et al. Effect of plasma nitriding and titanium nitride coating on the corrosion resistance of titanium
Karabudak et al. An Investigation of Corrosion Resistance and Antibacterial Sensitivity Properties of Nano-Ag-Doped TiO 2 Coating and TiO 2 Coating Grown on NiTi Alloy with the Micro-Arc Oxidation Process
Jeyachandran et al. The effect of thickness of titanium nitride coatings on bacterial adhesion
Kaliaraj et al. Studies of calcium-precipitating oral bacterial adhesion on TiN, TiO 2 single layer, and TiN/TiO 2 multilayer-coated 316L SS
CN105441875B (zh) 表面低摩擦力耐蚀口腔正畸弓丝及其制备方法
Braga et al. Fabrication and characterization of dicalcium phosphate coatings deposited on magnesium substrates by a chemical conversion route
Liu et al. Effect of titanium nitride/titanium coatings on the stress corrosion of nickel–titanium orthodontic archwires in artificial saliva
CN103572257B (zh) 表面低摩擦力口腔正畸弓丝及其制备方法
Zhang et al. Characterization and degradation comparison of DLC film on different magnesium alloys
Uysal et al. Nickel titanium alloys as orthodontic archwires: A narrative review
CN101988182A (zh) 耐磨蚀牙科正畸弓丝表面改性方法及所得的耐磨蚀弓丝
Lin et al. Improvement in bioactivity and corrosion resistance of Ti by hydroxyapatite deposition using ultrasonic mechanical coating and armoring
Zambrano et al. Mechanical, tribological and electrochemical behavior of Zr-based ceramic thin films for dental implants
Cheng et al. A study of ZrN/Zr coatings deposited on NiTi alloy by PIIID technique

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180119

Termination date: 20181120

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee