氧化鋁噴砂對牙科用氧化鋯基底與飾面瓷結合強度的影響

曾強 李寧 周亞男 顏家振 劉文博

四川大學制造科學與工程學院，成都 610065

3mol%氧化釔穩定四方多晶氧化鋯（3mol%yttrium-stabilized tetragonal zirconium polycrystal，3Y-TZP）由于具有優良的機械、光學性能以及生物相容性，在全瓷義齒修復中受到患者和口腔醫生的廣泛青睞。近年來，隨著計算機輔助設計和計算機輔助制作（computer aided design-computer assomated manufacture，CAD/CAM）技術在全瓷修復領域的廣泛應用，使得氧化鋯陶瓷成為口腔修復材料的研究熱點。臨床研究[1]表明，飾面瓷的剝離是氧化鋯全瓷修復體失效的主要形式，基底瓷與飾面瓷材料界面結合的好壞，是決定全瓷修復體臨床應用成敗的重要因素。因此，提高基底瓷與飾面瓷的結合強度具有重要的臨床意義。本文采用不同目數氧化鋁（Al2O3）顆粒對氧化鋯基底進行噴砂處理，測定基底瓷的表面粗糙度以及瓷瓷結合強度，并結合掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察以及能譜分析（energy dispersive spectroscopy，EDS），探討噴砂工藝對氧化鋯基底與飾面瓷結合強度的影響，為3Y-TZP的臨床使用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗材料和儀器

3Y-TZP瓷塊（成都科寧達材料有限公司），VITA VM9飾面瓷粉（維他公司，德國），結晶爐、全瓷烤瓷爐（中鋼集團洛陽耐火材料研究院），雙筆式噴砂機Ⅵ（廣西南寧市維晶美醫療器械有限公司），微機控制電子萬能試驗機（深圳市瑞格爾儀器有限公司），TR200手持式表面粗糙度測量儀（北京時代之峰科技有限公司），熱膨脹分數測定儀（湘潭市儀器儀表有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 基底材料的試件制備及分組 將氧化鋯基底材料坯體切割并經過1 480 ℃燒結后保溫120 min，制得最終尺寸為（25±1） mm×（3±0.1） mm×（0.5±0.05） mm的片狀試樣21個，并嚴格控制其尺寸精度。將21個試樣隨機分為3組，每組7個樣本，其中6個進行瓷瓷結合強度實驗，1個進行SEM觀察及EDS分析。對與飾面瓷結合表面進行表面處理，在寬度為3 mm的面上進行噴砂工藝，按工藝的不同進行分組，具體如下。A組：110目Al2O3顆粒，空氣壓力為0.5 MPa，距離樣品表面10 mm，噴砂時間為20 s；B組：80目Al2O3顆粒，空氣壓力為0.5 MPa，距離樣品表面10 mm，噴砂時間為20 s；對照組：不對表面做任何處理。經過15 min超聲波乙醇清洗并干燥后，測定樣品的表面粗糙度。

1.2.2 飾面瓷燒結 使用VITA VM9瓷粉專用液稀釋飾面瓷粉，將漿體對稱地涂覆在樣品經過表面處理的面上，按照廠家推薦的燒結程序進行飾面瓷燒結，并對飾面瓷進行打磨，使得燒結后飾面瓷長（8±0.1） mm，飾面瓷總厚度為（1.1±0.1） mm。

1.2.3 瓷瓷結合強度的測定與計算 參照ISO 9693要求，3組樣品中各取6個進行三點彎曲試驗，測定氧化鋯基底與飾面瓷的結合強度。兩支點間的距離為20 mm，壓頭刃口曲率半徑為1.0 mm，保證試件的烤瓷面對稱地位于加荷面的反面。以1 mm·min-1的恒定速率施力，記錄試件烤瓷層一端剝離時的斷裂力Ffail。根據公式τb=k·Ffail計算出飾面瓷與氧化鋯基底剝離時的強度，其中k值由氧化鋯基底的厚度以及楊氏模量決定。

1.2.4 界面SEM觀察及EDS分析 3組樣品中各取1個試樣，打磨基底瓷與飾面瓷的結合界面至清晰可見，超聲波清洗5 min后噴金處理，放入SEM中觀察結合界面的顯微形貌以及進行EDS分析。

1.3 統計學分析

采用SPSS 21.0軟件進行統計學分析，表面粗糙度和瓷瓷結合強度進行單因素方差分析以及組間兩兩比較的LSD檢驗，檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 各組試樣表面粗糙度和瓷瓷結合強度

A組、B組和對照組表面粗糙度分別為（1.272±0.149）、（0.622±0.113）、（0.221±0.065） μm；A組、B組和對照組瓷瓷結合強度分別為（28.21±1.52）、（27.71±1.27）、（24.87±3.84） MPa。噴砂后，試樣表面粗糙度增大，瓷瓷結合強度略有提高。統計學分析顯示：各組表面粗糙度之間的差異具有統計學意義（P＜0.05）。瓷瓷結合強度組間兩兩比較的LSD檢驗中，B組和A組、對照組之間的差異均無統計學意義（P＞0.05），而A組的強度顯著大于對照組，差異具有統計學意義（P＜0.05）。

2.2 破壞模式觀察結果

觀察所有全瓷修復體的破壞模式，3組均未見基底瓷或飾面瓷內聚破壞，B組和對照組全瓷修復體均為結合界面附著破壞；A組5個全瓷修復體為結合界面附著破壞，1個為混合破壞。

2.3 SEM觀察及EDS分析

SEM觀察結果顯示，氧化鋯基底與飾面瓷在界面結合緊密，無明顯間隙，噴砂后結合界面表面粗糙度增大（圖1）。EDS分析結果表明，Zr元素在基底瓷中含量較高，在結合界面處急劇下降，而飾面瓷中幾乎不含Zr；Si元素在飾面瓷中含量較高，結合界面處急劇下降，基底瓷中幾乎不含Si，界面無明顯元素滲透現象（圖2）。

圖1 結合界面觀察結果 SEM × 2 000Fig 1 Results of examination about the framework-veneering interface SEM × 2 000

圖2 結合界面能譜分析結果Fig 2 Results of EDS about the framework-veneering interface

3 討論

噴砂工藝通過砂粒對氧化鋯基底的碰撞作用，去除表面的雜質，并改變基底瓷的表面積、表面粗糙度以及應力狀態，從而影響界面結合強度[2]。目前，噴砂工藝對氧化鋯基底與飾面瓷結合強度的影響尚無統一結論。Kirmali等[3]通過對氧化鋯基底進行噴砂處理，得出噴砂組瓷瓷結合強度為（23.31±4.10） MPa，未處理組瓷瓷結合強度為（11.31±5.56） MPa，差異有統計學意義，故認為噴砂工藝能夠顯著提高瓷瓷結合強度。而閆海鑫等[4]卻得出截然不同的結論，該研究組通過平行剪切實驗，得出噴砂組和未處理組瓷瓷結合強度分別為（20.747±5.81）、（18.748±4.99） MPa，差異無統計學意義，并認為噴砂工藝不能顯著提高氧化鋯基底與飾面瓷的結合強度。本研究中采用2種不同目數的Al2O3顆粒對氧化鋯基底表面進行噴砂處理，探討噴砂工藝對瓷瓷結合強度的影響。統計結果顯示：除A組與對照組外，其余各組間結合強度的差異均無統計學意義。A組與對照組間的差異具有統計學意義，表明噴砂工藝可以提高氧化鋯基底與飾面瓷的結合強度，但B組與另外2組間的差異卻并無統計學意義，這可能是因為B組表面粗糙度與另外2組相差不大，雖對結合強度產生一定的影響，但尚構不成顯著性差異，說明噴砂工藝雖能提高氧化鋯基底與飾面瓷的結合強度，但作用不明顯，當表面粗糙度差異較大時，結合強度才能形成顯著性差異。

全瓷修復體的破壞模式包括基底材料或飾面瓷的內聚破壞、結合界面附著破壞和混合破壞等[5]。當基底材料與飾面瓷的結合強度較低時，表現為結合界面附著破壞，即飾面瓷與基底瓷發生整體剝離；當結合強度較高時，表現為基底材料或飾面瓷的內聚破壞，即基底材料或飾面瓷發生破壞。本研究中，17例表現為結合界面附著破壞，僅有1例為混合破壞，且并沒有發生基底瓷內聚破壞現象。表明2種瓷間的結合強度遠低于瓷本身，破壞將首先在結合界面處產生。SEM觀察顯示，氧化鋯基底與飾面瓷結合緊密，界面無明顯間隙，機械嵌合良好，經過噴砂工藝處理后，界面表面粗糙度明顯增大。說明噴砂工藝可以粗化結合界面，增加表面粗糙度，從而增大基底瓷與飾面瓷的結合面積，進而增強2種瓷間的機械嵌合作用，提高瓷瓷結合強度。金瓷修復體中，合金表面的氧化層與陶瓷成分可通過擴散并反應形成以離子鍵和共價鍵為主的化學結合，使金瓷修復體具有較高的結合強度[6]；而全瓷修復體結合界面并沒有通過化學反應生成一個明顯的過渡層，飾面瓷直接與基底瓷接觸，EDS分析表明：基底瓷中Zr元素含量在界面急劇下降，飾面瓷中幾乎不含Zr元素，而Si元素在以長石質陶瓷為主要成分的飾面瓷中含量較高，結合界面處也急劇下降，2種瓷之間無明顯元素滲透現象。說明在全瓷修復體中，對結合強度起主導作用的是2種瓷之間的機械嵌合作用，而是否產生化學結合作用，還有待進一步的研究。

全瓷基底與飾面瓷的熱膨脹系數（coefficients of thermal expansion，CTE）差異也是影響瓷瓷結合強度的重要因素。若飾面瓷材料的CTE大于全瓷基底材料，則在飾面瓷內將產生張應力，易發生飾面瓷分層現象以及在飾面瓷內產生微裂紋，降低瓷瓷結合強度[7]。故一般要求飾面瓷材料的CTE略低于全瓷基底，這一微小的差異可在強度較弱的飾面瓷內產生壓應力，提高瓷瓷結合強度[8]。參考金瓷匹配原則，CTE差異一般控制在（0.9～1.5）×10-6·K-1[9]。本研究中所用氧化鋯基底CTE（25～500℃）為10.6×10-6·K-1，飾面瓷VITA VM9 CTE（25～500℃）為（8.8～9.2）×10-6·K-1，差異基本控制在可接受范圍內。氧化鋯基底在進行噴砂時，表面受到砂粒的碰撞作用，將會發生部分四方相（t相）向單斜相（m相）的轉變，Liu等[10]的研究也證明了這一觀點。Elsaka[11]認為基底材料中由于m相的存在，極有可能導致晶粒間微裂紋的產生，影響全瓷修復體的使用壽命。m相CTE僅為7.5×10-6·K-1[11]，低于飾面瓷，將在飾面瓷內產生張應力，降低結合強度。而伊元夫等[12]對噴砂后試樣進行相結構分析，在2次模擬牙科燒結循環后，m相含量從噴砂后8.45%減少到0.70%，與退火后的樣品接近。表明經過飾面瓷燒結程序后，基底中m相能大量的轉變為t相，最后幾乎不含m相。故本研究中，經過飾面瓷燒結程序后，噴砂工藝誘發相轉變生成的m相可逆轉變為t相，因而噴砂工藝對熱膨脹系數幾乎無影響，主要通過改變基底表面粗糙度，增大界面結合面積，增強機械嵌合作用而提高結合強度。

綜上所述，噴砂工藝主要通過改變氧化鋯基底表面狀態，增強2種瓷間的機械嵌合作用，提高瓷瓷結合強度，但作用不明顯，表面粗糙度差異較大時，強度才能形成顯著性差異。增強基底瓷與飾面瓷的化學結合作用，是未來改善結合性能的重要途徑。

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