口腔修复材料主要包括金属、陶瓷和树脂三大类。金属的强度、硬度、耐磨性、耐久性和韧性等力学性能优于陶瓷和树脂材料，因而被广泛地应用于冠桥、嵌体及可摘局部义齿的支架等方面，是口腔修复体中应用最多的材料。 在众多金属材料中，钛及钛合金以其优良的生物相容性、耐腐蚀性和机械性能等优点，被认为是理想的修复材料。目前纯钛主要用于制作可摘局部义齿的支架。铸造支架式可摘局部义齿因设计灵活多样，适应范围广，是我国目前牙列缺损患者应用较多的一种修复体。可摘局部义齿的支架以往多采用钴铬合金铸造，但由于钴铬合金的耐腐蚀性较差，比重大，制作的义齿较重，患者异物感明显，难以适应，甚至有的患者在临床应用中还会出现口腔粘膜刺激和过敏的症状。纯钛制作的可摘局部义齿的支架很好地解决了上述问题，所以在70年代后期，纯钛被应用于义齿修复中，并在80年代和90年代初得以迅速发展。
1．钛的性能特点
(1) 纯钛是银灰色金属，比重小，密度为4.5g/cm3，为金合金(19.3g/cm3)的1/4，钴铬合金(8.5g/cm3)的1/2。因此，可摘局部义齿的纯钛支架比钴铬合金支架轻，重量仅为后者的1/2。
(2) 钛的机械性能优良。钝钛的硬度适中，介于牙本质和牙釉质的硬度之间。延展性良好。1997年，美国学者Bridgeman JT等用钴铬合金、纯钛和钛合金(Ti-6Al-4V)制作可摘局部义齿的卡环，模拟临床使用3年，证明钛和钛合金制作的卡环可置于基牙观测线以下0.75 mm，并且卡环固位力的降低、变形及折断均明显低于钴铬合金卡环，认为钛和钛合金更适合用于可摘局部义齿支架。
(3) 钛具有具有良好的耐腐蚀性。钛与氧有极强的亲和性，钛材切面在空气中暴露1ms，表面即可形成10?厚度的氧化膜(TiO2)，被破坏后可以在几纳秒内恢复。钛表面的TiO2具有强耐腐蚀性及良好的防渗透性，对钛有保护作用，可以抵御电化学侵蚀。
(4) 优良的生物相容性是钛广泛应用于医学领域的重要原因之一。钛的生物相容性缘于它的强耐腐蚀性，与金、铂等金属不同，后者是因电化学惰性而具有耐腐蚀性。而钛是由于表面的氧化膜，该层氧化膜与母体金属结合紧密而牢固，使钛不会被口腔唾液环境侵蚀。同时，纯钛的细胞毒性显著低于钴、铬、镍等金属，不会引起局部或全身的不良反应。因此，纯钛修复体与口腔组织无反应，戴用适合性好，无过敏症状，无金属味道，无颜色变化。钛植入骨内还能与骨组织形成骨整合。
(5) 钛的热传导率为16.3～18w/m℃，低于金合金、钴铬合金和镍铬合金，为金合金的1/17。因此，纯钛修复体有保护牙髓组织免受冷热刺激的优点。
(6) 钛对X射线呈半阻射性。X线片可以显示钛冠内牙体组织的病变，便于临床疾病的诊断和治疗，这是其他牙科合金所不具备的优点。同时可以对钛铸件进行X射线无损探伤检查，尤其是检查有无内部气孔，有助于对钛修复体的质量控制。
(7) 钛的铸造性能差。纯钛的熔点高达1677℃，是牙科铸造金属材料中熔点最高的一个。钛在高温下化学性质活泼，极易与氧、氮、氢等物质发生剧烈反应，形成稳定化合物，破坏了钛的机械性能。因此，钛的铸造、焊接等热加工操作需要在真空或惰性气体环境下进行，且真空度要高于0.133×10- 3kPa，惰性气体常用氩气，其纯度要高于99.99%。
2．钛及钛合金的应用现状 钛在口腔医学中的应用形式主要有两种，即钝钛和钛合金。纯钛中也含有极少量的C、H、O、N、Si 和Fe等元素。市售的纯钛分4个等级(TA0 、TA1 、TA2 和TA3)，它们之间区别主要在于氧(0.15%-0.30%wt)和铁(0.15%-0.40% wt)的含量。1995年，芬兰学者Vallittu等用钴铬合金、纯钛、钛合金(Ti-6Al-4V)和Ⅳ型金合金制作可摘局部义齿的卡环，进行弯曲疲劳实验，得到钛合金与钴铬合金的抗弯曲疲劳指数相近，高于纯钛。为了弥补纯钛应用于口腔修复体中强度稍显不足的问题，研制和开发弹性模量低、耐磨性强和机械性能优异的钛合金成为一个重要的发展方向。 1995年，日本学者Kobayshi E首先把钛锆合金引入了医用领域。1999年，第四军医大学口腔医学院张玉梅等在牙科钛锆(Ti-Zr)铸造合金方面进行了较深入的研究，得到钛锆合金的抗拉强度为795MPa，屈服强度为657MPa，延伸率为22%，弹性模量为100GPa，硬度为249HK。口腔粘膜刺激试验无异常组织学反应，认为钛锆合金是一种有发展前景的口腔修复用钛合金。 2006年，第四军医大学口腔医学院刘金城等对钛铌锆锡合金(Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn)铸件的机械性能进行研究，得到钛铌锆锡合金的抗拉强度为681.7MPa，屈服强度为410MPa，延伸率为6%，弹性模量为42.1GPa，维氏硬度为453Hv，证明钛铌锆锡合金的机械性能能够满足制作口腔修复体的要求。 2006年，哈尔滨工业大学徐丽娟等在纯钛中加入钼元素制成二元Ti-Mo合金，得到维氏硬度为451 Hv，抗压强度为1636MPa，压缩率为22.5%，抗压弹性模量为29.8GPa，抗弯强度为1432MPa，认为Ti-Mo合金的塑性较好，性能优异，是一种有发展前景的口腔修复用钛合金。 为了获得良好的生物相容性，钛合金的主要研究方向趋向于加入Nb、Zr、Ta、Sn、Pt等无毒元素，但上述钛合金还未见临床应用的报道。目前最常用的钛合金是Ti-6Al-4V，其中仍含有对人体有害的元素铝和钒等，适用于可摘局部义齿支架的钛合金还在不断研制开发之中，因此临床上仍以使用纯钛可摘局部义齿支架为主导。 1999年，北京大学口腔医学院孙凤等为50例牙列缺损和牙列缺失患者制作国产纯钛金属的活动义齿63件，随诊1年，观察义齿的使用状况。对于上颌固位差的局部或全口义齿，纯钛义齿可以克服由于义齿自重产生的脱位，从而增加了义齿的固位力，特别是在全口义齿应用中具有优越性。 2005年，南京大学口腔医学院张洁等为100例无牙合患者制作钛制腭托全口义齿，通过1～3年后的临床疗效观察得知，钛制腭托全口义齿固位好，异物感小，基托轻薄，没有金属味，抗折力强。以前曾戴用过聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基托的全口义齿的患者更换钛制腭托全口义齿后感觉更舒适，满意度达85%。 由此可见，纯钛修复体已经在临床上得到了广泛的应用，并显示出其突出的优越性。
3．钛的加工方法 自金属材料应用于口腔修复临床以来，其成型方法有了长足的进步。钛及钛合金应用最多的成型方法是铸造(Casting)。其它的成型方法主要有超塑成型(Superplastic Forming)、粉末冶金(Powder metallurgy)、以及基于CAD/CAM的数控切削(Numerical Control Milling)和电火花加工(Electric Discharge Machining)等。
(1) 钛的铸造技术 铸造是将熔融态的金属浇注于特定型腔的铸型中，凝固成形的一种工艺方法。与传统锻造技术相比，铸造技术能够制作出任意复杂形状的铸件，并且铸件尺寸精度高，表面质量好。牙科铸造技术主要采用失蜡法熔模铸造技术，随着铸造工艺的不断发展，牙科铸造精度有了很大提高，是目前口腔金属修复体的主流成型方法。 熔模精密铸造技术分为离模铸造法和带模铸造法两类。离模法是指在工作模型上快速制作熔模，然后将熔模从工作模型上取下安插铸道，包埋制作铸型铸造。此方法主要用于冠、桥等小单位修复体。带模法是指用石膏工作模型复制耐火材料模型，在该耐火材料模型上制作熔模，然后连同耐火模型及熔模一同包埋铸造的成型方法。此方法主要用于制作可摘局部义齿支架。以纯钛可摘局部义齿支架为例，其主要制作过程如图所示，可以看出铸造技术工序繁琐复杂，制作周期长，效率低。 由于钛在高温下化学性质活泼，极易与氧、氮、氢等物质发生反应，增加了 铸造的困难。以往用于镍铬合金、金合金的铸造技术已不再适合钛的铸造，钛必须采用特殊的铸造方法，研制和开发专用铸钛机及铸钛包埋料。 纯钛铸造支架主要制作过程 二十世纪七十年代末，Waterstrat等将真空装置和氩弧溶解方式组合成牙科专用铸钛机，使牙科铸钛成为可能。目前用于牙科的钛铸造机主要有四种类型，即压力铸造机、离心铸造机、全方位压力铸造机和离心-加压-吸引铸造机。铸钛机通常采用氩弧或高频感应方式熔化钛材。因为钛在高温下的化学性质非常活泼，极易与氧、氢、氮等发生反应，所以钛及钛合金的铸造必须在真空中或氩气保护的环境中进行。牙科铸钛机在熔化和浇注钛材的过程中，形成和维持高真空度，并且能将氩气充入铸钛机的熔化室和浇注室中，直至浇注完毕。浇注方式有离心浇注法和差压铸造法两种。离心浇注时，一般认为离心机转速应达3000r/min，才能够确保牙科钛铸件的完整。采用差压方式铸造时，在铸型上方加压，铸模下方安装吸注装置。熔化方式采用水冷铜坩埚或碳化硼坩埚以防止钛液与坩埚反应。铸钛机是由集成电路控制，操作可达到自动化或半自动化水平。目前，世界上投放市场的铸钛机已接近20种。日本不仅是最早研制牙科铸钛机的国家，而且其产品种类齐全，性能先进，在牙科钛精铸设备、辅助器材和技术方面，居世界领先地位。早在1978年日本岩谷产业公司就已经开始研制牙科专用铸钛机，并于1981年率先推出型号为CASTMATIC-SS型CM-330号牙科专用钛铸造机。我国也于1995年研制出第一台离心-真空-压力牙科铸钛机。但由于钛的铸造需要在真空或惰性气体环境下进行，所以铸钛机的结构复杂，价格昂贵。 铸钛用包埋料被称作超高温包埋料，主要由耐火材料和结合剂两大部分构成，除了包埋料本身凝固膨胀和热膨胀补偿铸钛收缩的同时，还必须保证不与钛发生化学反应，铸件不受污染，铸件的表面形状完好。铸钛用包埋料主要有以下几个系列：磷酸盐系包埋料、氧化镁系包埋料、氧化铝系包埋料、氧化锆基包埋料和氧化钙系包埋料。 虽然铸钛技术不断发展，但钛的铸造效果并不理想，钛铸件常常会出现铸造缺陷，主要表现为：铸件不完整、铸件内孔和铸件表面粗糙。而且铸件表面上观察到的很小的缺陷，在铸件内部则呈蚁穴样扩大。造成铸造缺陷的原因有以下两点：一是由于钛的熔点高达1600℃以上，而钛在高温下化学性质非常活泼，极易和氧、氢、氮、碳等元素以及包埋料中的物质发生反应，形成稳定的化合物，造成污染；二是由于钛的比重轻、惯性小、合金粘度大、熔化的流动性差，而钛液的冷却速度快，这样容易在铸型腔壁上形成壳层，使钛液流动受阻，容易产生缺陷。加之铸件的缺陷难以修补。因此钛的铸造缺陷目前仍难以克服，这影响了钛在口腔修复领域的应用和发展。
(2) 超塑成型 超塑性(Superplasticity)是指材料在一定的组织条件(如晶粒形状及尺寸，相变等)和变形条件下(如温度、应变速率等)，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能(例如大的延伸率)的现象。各种组织状态的试样经超塑性拉伸后均为等轴晶组织。目前用途最广泛的超塑性钛合金为Ti-6Al-4V合金。高强度的Ti-6Al-4V合金在800～900℃时具有超塑性，用较小的压力就可产生较大的变形。临床上可利用这一特性来加工全口或局部活动义齿的基托。先用改性的磷酸盐包埋料制作模型，取一块大小适宜的Ti-6A1-4V合金片置于模型上，在850℃进行超塑性成形，制作Ti-6A1-4V合金基托。1997年，日本学者Wakabayashi将0.75mm的Ti-6Al-4V合金板加压制作成义齿支架，戴用6个月～3年后，义齿适合性好，患者满意。但是由于超塑性目前还只发现于Ti-6A1-4V合金中，限制了这种加工方法的应用。
(3) 粉末冶金 粉末冶金(Powder metallurgy)是用金属粉末为原料，经过成型和烧结，制造金属制品的工艺技术。成型是指将粉末制成一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。当金属粉末颗粒被加热到超过其熔点2/3 - 3/4的温度时，颗粒间将会牢固地结合在一起，这种现象叫作烧结。其间粉末颗粒机械聚合体的压坯发生了一系列物理化学反应，使颗粒间变为金属健结合，压坯变为一个晶体结构，从而使制成品具有一定的强度和密度。粉末冶金工艺的基本工序包括制粉、压坯、烧结。粉末冶金法具有精度高、省时、省力和节约原材料等优点，钛合金粉末冶金技术在口腔修复领域的研究始于二十世纪八十年代中期。 1981年，日本学者Oda.Y等在钛粉中添加的铝粉和铜粉，通过检测压坯和烧结体的物理机械性能，提出了一种较为合理的制作冠桥的粉末配方：Ti 86.5wt%、A1 7.5wt %、Cu 6.0wt%，(其中Ti：2250目，Al：8～12μm，Cu：2350目)。Oda Y于1998年发表了钛合金粉末烧结制作全口义齿基托的报告，其粉末配比为球形钛粉(200目)5l.0wt%，粉碎钛粉(350目)34.0wt%，铜粉(10μm)l0.0wt%，铝粉(16-18um )5.0wt%，均采用等静压成型，真空烧结。 2000年，华西医科大学口腔医学院丁旭艳等采用真空烧结粉末冶金法制作钛合金试件，证明钛基金属粉末的配方及成形压力对烧结体的物理性能有影响，对钛粉进行化学镀铜镀锡处理是改善钛粉压制性能、烧结性能、提高烧结体物理性能、减少烧结体孔隙度的理想方法。 目前烧结的钛合金的延展性还不够，可望通过优化合金粉末的组成和粉末颗粒分布加以改善。目前的研究主要集中在合金粉末配比，烧结体的物理性能测试等，尚未见到应用于临床的报道。
(4) CAD/CAM加工方法 CAD/CAM技术是近二十年来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用系统技术。其中CAD是指以计算机作为主要技术手段来生成和运用各种数字信息和图形信息，以进行产品的设计。而CAM是指由计算机控制的数控加工设备对产品进行自动加工成型的制作技术。20世纪70年代初，法国牙医Francois Dure教授开创性地将CAD/CAM引入口腔固定修复体的设计和制作过程中来，使自动化或半自动化制作修复体成为现实，被认为是口腔医学领域革命性的突破。数控切削和电火花加工是CAD/CAM中较成熟的方法。
① 数控切削 金属切削加工是指在机床上利用刀具，通过刀具与工件之间的相对运动，从工件上切下多余的余量，从而形成所需要的形状的加工方法。在金属切削过程中，刀具材料和刀具几何参数，加工金属材料的力学性能，金属切削过程中的物理现象(切削变形、切削热、刀具磨损等)都快速影响加工成本及加工质量。切削加工方法可分为车削、钻削、镗削、铣削、刨削和磨削等。 1983年第一台采用CAD/CAM技术制作修复体的样机在问世，20多年后的今天，CAD/CAM系统已经成功地制作出嵌体，贴面、冠、基底冠和固定桥等固定修复体。随后出现了专门加工钛及钛合金的CAD/CAM系统，即Titan系统(DCS系统)，专门制作钛基底冠。该系统切削装置由旋转切削工具和数控平台两部分构成。旋转切削刀具可以调换不同形状、不同直径的刀具，刀具的转速由计算机控制。加工钛金属的口腔修复CAD/CAM系统还有DentiCAD系统、Sopha系统和Everest系统等，这些CAD/CAM系统均采用数控切削的加工方法，需要预先制备出匹配的加工材料，且加工材料的体积必须大于切削成型的修复体的体积，因此加工过程中必然会导致材料的消耗。而且在加工切削的过程中，由于刀具自身的限制，不可能制作中空结构的口腔修复体，只能制作比较小的修复体如冠桥、嵌体等，而像可摘局部义齿支架这样复杂的结构，目前无法通过切削的方法得到。
② 电火花加工 电火花加工亦称电蚀加工(Spark Erosion)或放电加工，是利用脉冲放电的电蚀作用，精密加工金属零件的方法。火花放电的频率可达每秒25万次，其加工精密度可达l0um。1982年电火花加工被首次引入到口腔修复体的加工领域，已经用于制作精密附着体、套筒冠、全瓷冠、固定可摘修复体等，也可以用来纠正铸造的缺陷，改善种植体上部结构与支持结构的适合性。目前已有口腔CAD/CAM系统将电火花加工与数控切削相结合制作钛修复体，最典型的就是Procera系统。美国Michigan大学等六所大学采用(California Dental Association，CAD)质量评价系统对Procera系统制作的钛烤瓷冠桥进行临床评佑，戴义齿后一个月与一年的随访评价结果显示没有显著差别，证明Procera系统可以制作出高质量的钛烤瓷修复体。Procera系统是通过切削加工冠的外表面，电火花蚀刻加工冠的内表面，从而避免了钛的铸造缺陷，但受自身条件的限制尚不能制作复杂修复体。 数控切削和电火花加工仍然是一种减法式的加工方法，即通过切、削、磨、铣等方式将预先制备好的材料加工成所需要的形状，这种去材式的加工方法势必会造成材料的浪费。同时受工具限制，只能制作形状相对简单的修复体，不能制作像可摘局部义齿i架这样的中空或结构复杂的修复体。
