新型氧化鋯增強(qiáng)的二硅酸鋰陶瓷與傳統(tǒng)二硅酸鋰陶瓷的機(jī)械性能對(duì)比

王 磊 ，阮堅(jiān)勇

（1.福建省南平市第二醫(yī)院 口腔科，福建南平 354200；2.福建醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院 種植二科，福建福州 350001）

近年來(lái)，各種CAD/CAM可切削陶瓷材料相繼出現(xiàn)，其美學(xué)性能、生物相容性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性得到不斷完善[1，2]。臨床在選擇修復(fù)材料時(shí)，尤其后牙區(qū)，更加看重材料的機(jī)械性能[3]。本研究的目的是基于陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和元素組成來(lái)評(píng)估、比較三種二硅酸鋰陶瓷（熱壓鑄二硅酸鋰玻璃陶瓷、可切削二硅酸鋰玻璃陶瓷以及氧化鋯增強(qiáng)的二硅酸鋰玻璃陶瓷）的機(jī)械性能。

1 材料和方法

1.1 主要的設(shè)備和材料

超聲波清潔機(jī)（SK40-120DJ，張家港市神科超聲電子有限公司，中國(guó)）；島津萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（AG-IC，島津公司，日本）；場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（日立S-4800，日本）；牙科熱壓鑄造機(jī)（Programat EP3000，義獲嘉韋瓦登特，列支敦士登）；拋光機(jī)（沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司）；自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)（HXD-1000TM，上海泰明光學(xué)儀器有限公司）；研究采用的3種二硅酸鋰陶瓷生產(chǎn)廠商及型號(hào)見表1。

表1 受測(cè)材料介紹

1.2 制備陶瓷試件

根據(jù)ISO 6872牙科陶瓷標(biāo)準(zhǔn)，將18×4.5×2mm3的有機(jī)玻璃長(zhǎng)條（樣本量為20）作為替代蠟型，用包埋液包埋，放入850℃恒溫爐中預(yù)熱1h。將預(yù)熱后的包埋塊連同二硅酸鋰陶瓷塊（IPS e.max Press HT型鑄瓷）和氧化鋁推進(jìn)棒一同放進(jìn)熱壓鑄造機(jī)內(nèi)，起始溫度700℃，最終在915℃進(jìn)行熱壓鑄。

利用金剛石切鋸在水環(huán)境下將IC和VS組的原瓷塊切成18×4.5×2mm3的長(zhǎng)條試樣（樣本量為20），放入Programat CS2燒結(jié)爐內(nèi)，按照廠家要求進(jìn)行燒結(jié)，VS組最終燒結(jié)溫度840℃，并保持8min。將制作完成的3組陶瓷長(zhǎng)條試件上下面及側(cè)面分別在噴水環(huán)境下依次使用400～3000目的耐水砂紙打磨拋光，最終尺寸為18×4×1.5mm3。

表2 3種材料物理性能測(cè)試結(jié)果（±s）

表2 3種材料物理性能測(cè)試結(jié)果（±s）

注：* 與 VS組比較，P＜0.05。

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1.3 抗彎強(qiáng)度和硬度測(cè)定

圖1 3組掃描電鏡圖（左側(cè)）和相應(yīng)的元素組成（右側(cè)）

根據(jù)牙科陶瓷ISO 6872標(biāo)準(zhǔn)，分別將60個(gè)長(zhǎng)條試件拋光并倒角，置于島津萬(wàn)能力學(xué)測(cè)試儀上，采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試其抗彎強(qiáng)度。試件跨距15mm，載荷49N，加載速率為0.5mm/min。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為：σ=3NL/2bh2。其中σ為三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度（MPa）；N 為斷裂載荷（N）；L 為跨距寬度（mm）；b 為試件寬度（mm）；h 為試件厚度（mm）。

三點(diǎn)彎測(cè)試后的碎片采用壓痕法分別測(cè)定3種陶瓷的硬度，載荷和加載時(shí)間為5N、10s，每種材料至少測(cè)試20個(gè)點(diǎn)。

1.4 電子能譜分析（EDX）和顯微結(jié)構(gòu)分析

從經(jīng)過(guò)抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)壓斷后的VS組、IC組和IP組試件中分別隨機(jī)選取2個(gè)試件并分為2組，其中1組試件利用濃度5%的氫氟酸溶液酸蝕60s，去離子水沖洗表面酸蝕液。2組試件分別在超聲機(jī)內(nèi)清洗10min、干燥后，表面噴金，置于場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡中觀測(cè)酸蝕組的表面微觀形貌，并對(duì)未酸蝕組進(jìn)行EDX能譜分析。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)量資料比較采用單因素方差分析（ANOVA），并用Tukey事后檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩數(shù)據(jù)比較。

2 結(jié)果

2.1 力學(xué)性能結(jié)果

IP、IC和VS組的抗彎強(qiáng)度和硬度值見表2。結(jié)果顯示VS組抗彎強(qiáng)度顯著高于IP和IC組（均P＜0.05）。VS組硬度值顯著高于IP和IC組（均P＜0.05）。

圖2 IP組(A和a)、IC組(B和b)和VS組(C和c)酸蝕后的表面微觀形貌

2.2 EDX分析

對(duì)3種玻璃陶瓷進(jìn)行EDX能譜分析，陶瓷內(nèi)部組成元素結(jié)果如圖1所示。像預(yù)期的一樣，鋰元素?zé)o法被測(cè)試出來(lái)。在3種陶瓷中同時(shí)檢測(cè)出了相對(duì)較高的Si和O元素以及一定量的Zr、Al、K、Ce等元素，證明SiO2是3種陶瓷的玻璃相的主要組成部分；在VS組檢測(cè)出了相對(duì)較高的Zr，而IC組和IP組Zr含量相對(duì)較低；VS組Si和K含量明顯低于IC組和IP組，而IC組Al含量明顯高于VS組和IP組，IP組Zn含量明顯高于VS組和IC組。

2.3 表面微觀形貌

圖2為IP、IC和VS組酸蝕后的晶體形貌。結(jié)果顯示，經(jīng)氫氟酸酸蝕后的3種陶瓷表面凹凸不平。IP組酸蝕后試件表面玻璃相幾乎完全溶解，露出針狀晶粒，呈一定方向密集排列，晶粒尺寸界于3～4μm之間，在3組中晶粒尺寸最大；IC組酸蝕后試件表面露出較短的針狀晶體，同樣交錯(cuò)密集排列，與IP組不同的是在晶粒之間仍然可以看到未溶解的玻璃相，晶粒之間沒(méi)有明顯界限；VS組酸蝕后試件表面露出短棒狀晶粒均勻分布在玻璃相之間，在3組中晶粒尺寸最小。

3 討論

氧化鋯修復(fù)體是齒科陶瓷中機(jī)械性能很高的材料，但是多數(shù)氧化鋯陶瓷表面需要上飾瓷以增加美學(xué)效果。有文獻(xiàn)報(bào)道這種雙層氧化鋯修復(fù)體表面容易誘發(fā)崩瓷、折裂等現(xiàn)象[4]，不能兼顧美學(xué)與力學(xué)雙重性能。齒科陶瓷中最具美學(xué)效果的是玻璃陶瓷，從上世紀(jì)的長(zhǎng)石質(zhì)陶瓷、白榴石增強(qiáng)的玻璃陶瓷到二硅酸鋰玻璃陶瓷，均美學(xué)性能較佳，力學(xué)性能得到提高[5]，可以單片加工完成，表面不需要增加飾瓷[2]。近年來(lái)臨床上被廣泛使用的二硅酸鋰玻璃陶瓷主要是熱壓鑄二硅酸鋰玻璃陶瓷和可切削二硅酸鋰玻璃陶瓷；前者采用失蠟法-熱壓鑄造技術(shù)制作，后者采用CAD/CAM切削技術(shù)完成。最近，一種氧化鋯增強(qiáng)的二硅酸鋰玻璃陶瓷（Vita Suprinity）被引入到牙科市場(chǎng)[6]。它含有較高的氧化鋯，是第一種氧化鋯增強(qiáng)的二硅酸鋰陶瓷。制造商將一定量的氧化鋯顆粒加入到陶瓷結(jié)構(gòu)中，通達(dá)到中斷裂紋增強(qiáng)陶瓷結(jié)構(gòu)，既表現(xiàn)出較強(qiáng)的機(jī)械性能，又達(dá)到最高的審美要求[7]。

玻璃陶瓷是由無(wú)定型玻璃基質(zhì)和晶粒組成的雙相多晶體材料，陶瓷的組成和晶粒的數(shù)量、大小、排列方向等決定材料的物理性能、機(jī)械性能以及光學(xué)性能[2，8]。本研究評(píng)價(jià)和比較了IP、IC和VS組的機(jī)械性能，結(jié)果表明VS組的抗彎強(qiáng)度和硬度均明顯高于IP組和IC組，盡管IP組和IC組的抗彎強(qiáng)度和硬度的平均值有差異，但沒(méi)有統(tǒng)計(jì)差異。與之前的文獻(xiàn)結(jié)果相一致。

在本研究中，進(jìn)行了一些標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的靜態(tài)材料試驗(yàn)，來(lái)對(duì)比傳統(tǒng)的鑄瓷、可切削二硅酸鋰陶瓷與新型氧化鋯增韌的二硅酸鋰陶瓷的力學(xué)性能。陶瓷的硬度、抗彎強(qiáng)度等參數(shù)常用來(lái)評(píng)價(jià)齒科全瓷的臨床潛力。三點(diǎn)彎測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室常用且滿足ISO 6872-2008牙科材料標(biāo)準(zhǔn)的抗彎強(qiáng)度測(cè)定方法。有學(xué)者采用此種方法測(cè)試二硅酸鋰鑄瓷，得出其抗彎強(qiáng)度約為303～426MPa。由于陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度測(cè)定方法與材料規(guī)格大小以及受力區(qū)域有無(wú)內(nèi)部缺餡有較大關(guān)系，并且國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的材料尺寸范圍相對(duì)較寬，因而不同學(xué)者所測(cè)強(qiáng)度值有一定波動(dòng)屬于正常。本實(shí)驗(yàn)中IP組抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為345.40±42.79MPa，該值與廠商提供強(qiáng)度值相差不大。VS組強(qiáng)度約為420.24±30.76MPa，IC 組強(qiáng)度 340.73±32.79MPa，跟之前的文獻(xiàn)結(jié)果相近[7]。

硬度是材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是用來(lái)比較陶瓷修復(fù)材料的重要力學(xué)性能[9]。本實(shí)驗(yàn)中，VS組測(cè)得的硬度明顯高于IC組和IP組，主要?dú)w因于氧化鋯填料的加入，溶解后的氧化鋯顆粒散在分布于玻璃基質(zhì)內(nèi)，使得玻璃基質(zhì)無(wú)法像IP組內(nèi)一樣成團(tuán)聚集分布[7]。

在3種陶瓷中同時(shí)檢測(cè)出了相對(duì)較高的Si和O元素，證明SiO2是3種陶瓷的玻璃相的主要組成部分，它以[SiO4]形式組成硅酸鹽玻璃，在基質(zhì)玻璃種形成硅氧四面體相連的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖1中也可以看出IP組的K含量高于IC組，同時(shí)明顯高于VS組。有文獻(xiàn)報(bào)道K2O較強(qiáng)的釋放游離氧的能力可以加速三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)斷裂、松散，促進(jìn)成核，有助于形成細(xì)長(zhǎng)板條形晶體，得到理想的顯微形貌和最高的晶體含量[10]。從圖2的3組晶體形貌中也可以看出IP組二硅酸鋰晶粒呈長(zhǎng)針狀，其長(zhǎng)度明顯高于IC組和VS組的短棒狀晶體。IC組Al含量明顯高于VS組和IP組，Al2O3的作用與K2O相反，它可以形成鋁氧四面體促使K2O造成的斷裂部分再次連接，使松散的玻璃基質(zhì)趨向緊密。3種材料同時(shí)檢測(cè)出了引入少量的CeO2，其作用可模擬天然牙的熒光效果。另外ZrO2有利于調(diào)節(jié)析出晶體的形態(tài)，獲得良好的半透性，還能利用其相變?cè)鲰g補(bǔ)強(qiáng)，所以VS組含有更高的Zr含量，其強(qiáng)度和硬度均明顯高于IP組和IC組。其較強(qiáng)的增韌作用使得VS可以在未晶化的玻璃態(tài)下進(jìn)行CAD/CAM加工成型，而其他可切削陶瓷需要在局部晶化狀態(tài)下加工成型。

本研究評(píng)估、比較了3種陶瓷的強(qiáng)度和硬度，并通過(guò)觀測(cè)其晶體結(jié)構(gòu)和元素組成，發(fā)現(xiàn)氧化鋯增強(qiáng)的二硅酸鋰陶瓷的機(jī)械性能優(yōu)于其他兩者的原因，為臨床工作中全瓷材料的合理選擇提供的參考數(shù)據(jù)。

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