歯科材料の物性と硬化機構

歯科材料の物性とは、材料に力を加えたときの変形、強さ、硬さなどの性質を指す。硬化機構とは、粉末と液などが化学反応や物理的な変化によって固まる仕組みのことである。材料を臨床で適切に選択するには、応力とひずみの関係、硬さ試験の原理、硬化体内部の結合様式の三つを体系的に理解する必要がある。

応力とひずみの関係と弾性の指標

材料に荷重が加わると、内部に応力が生じ、その結果として形が変わるひずみが生じる。フックの法則が成立する線形弾性域では、応力をひずみで除した値が一定となり、この比を弾性係数という。弾性係数は、応力と弾性ひずみの関係を示すヤング率に相当し、材料の変形しにくさを表す指標として扱われる。

弾性エネルギーは、材料が弾性変形の範囲で蓄えるエネルギーであり、その算出には弾性限の応力値とヤング率が必要となる。一方、耐力、最大強さ、破断強さは、弾性エネルギーの式に用いる値ではない。弾性限は永久変形を生じない範囲の限界を示す応力であり、弾性係数とは別の量である。

硬さ試験の原理と圧子の区別

硬さ試験の多くは、圧子を試料表面に押し込み、生じた圧痕の寸法から硬さを求める押込み試験である。ダイヤモンド製の圧子を用いる代表例はビッカース硬さとヌープ硬さであり、いずれも圧痕の大きさを硬さの評価に使う。

ショア硬さは反発を利用する試験であり、押込み試験で用いるダイヤモンド圧子とは区別する。ブリネル硬さは球状の圧子を用いるため、ダイヤモンド圧子の試験には該当しない。モース硬さは引っかきに対する硬さの尺度であり、押し込む圧子を用いない点で他の試験と性質が異なる。

硬化機構: 架橋とキレート結合

グラスアイオノマーセメントは、ガラス粒子から溶出した金属イオンがポリアクリル酸などのカルボキシラート基を架橋することで硬化する。アルジネート印象材も、カルシウムイオンがアルギン酸鎖のカルボキシラート基を架橋してゲル化する点で、イオン架橋による硬化機構をもつ。