牙科氧化鋯陶瓷粘接材料的研究進展

王 辰

（中國人民解放軍總醫院第八醫學中心口腔科，北京 100091）

隨著現代口腔粘接技術與牙科全瓷材料地不斷發展，2者的緊密結合使得全瓷冠橋、瓷貼面和瓷嵌體等粘接修復體廣泛應用于臨床，滿足了患者日益增長的口腔美容需求。氧化釔穩定的四方氧化鋯多晶陶瓷（Y-TZP）又稱為“白色金屬”，其機械強度及韌性均優于硅酸鹽類陶瓷和氧化鋁陶瓷，是全瓷修復中較常用的修復體基底支架材料。然而，由于氧化鋯陶瓷具備極強的化學穩定性，難以與樹脂基材料形成穩定的粘接，影響了氧化鋯修復體的臨床使用壽命。國內外研究主要圍繞對氧化鋯進行表面粗糙化，以提高氧化鋯陶瓷與樹脂基材料間的微機械鎖合固位力。然而氧化鋯能否與樹脂形成化學結合是決定最終粘接強度與耐久性的關鍵因素。選擇合適的粘接材料為氧化鋯陶瓷修復體提供強大且持久的粘接力，一直是牙科粘接材料研發的目標，也是近年來基礎實驗及臨床試驗研究的熱點。本研究查詢了近年來國內外文獻，對粘接劑和偶聯劑這2種重要的牙科氧化鋯粘接材料的研究進展進行了綜述。

1 粘接劑的選擇

傳統的磷酸鋅水門汀、聚羧酸鋅水門汀和玻璃離子水門汀主要依靠機械摩擦固位力實現修復體與基牙的粘固，粘接強度較弱；而樹脂基粘接劑（又稱樹脂水門汀）可以為陶瓷修復體提供良好的粘接固位力，同時對基牙與修復體自身強度具有增強作用。此外，樹脂水門汀還具有不易溶解、透明性較好和化學穩定等特點，是陶瓷修復體首選的粘接材料。樹脂水門汀主要由無機填料和有機基質，如Bis-GMA（雙酚A甲基丙烯酸縮水甘油酯）、TEGDMA（三乙二醇二甲基丙烯酸酯）和UDMA（氨甲基酸乙酯二甲基丙烯酸）等組成，與傳統充填復合樹脂的成分和基本性質類似。樹脂水門汀根據固化方式可以分為光固化型、自固化型和雙固化型。由于氧化鋯陶瓷材料的透光性較差，臨床上常采用自固化型或雙固化型樹脂水門汀進行鋯瓷修復體粘固。通過降低無機填料的含量可以提高樹脂水門汀的流動性，使其表面潤濕性提高，有利于修復體的就位[1]。然而，相比于流動性較高的低填料樹脂水門汀，含無機填料較多、黏稠度較高的樹脂水門汀的粘接強度更高[2]，與牙本質的粘接界面微滲漏更少[3]。高填料樹脂水門汀還可提高修復體邊緣的耐磨性，并有利于去除修復體邊緣多余的水門汀，但存在將修復體內部的水門汀同時帶出的風險[1]。 雖然Chung等[4]發現樹脂改性玻璃離子水門汀與酸蝕及偶聯劑處理后的硅酸鹽陶瓷具有良好的粘接強度，但林藝華等[5]對樹脂加強型玻璃離子與氧化鋯陶瓷的粘接性能進行實驗研究發現，樹脂加強型玻璃離子與氧化鋯之間可形成較高的即刻粘接強度，經5 000次冷熱循環老化后，其粘接強度明顯下降。因此，作為氧化鋯陶瓷修復體的粘接材料，樹脂加強型玻璃離子尚不能完全取代樹脂水門汀。

由于氧化鋯幾乎不含有硅，利用傳統樹脂水門汀難以使氧化鋯修復體和基牙之間形成牢固的粘接。傳統樹脂水門汀結合空氣噴砂處理并不能提高氧化鋯陶瓷的粘接強度[6]。 Kern等[7]首次報道了含有磷酸酯類功能單體的樹脂水門汀可顯著提高氧化鋯陶瓷粘接耐久性，放入水中浸泡150 d后，氧化鋯與含磷酸酯類功能單體的樹脂水門汀之粘接強度仍高達49.7 MPa，較浸泡前強度無明顯下降。進一步觀察浸泡2年后試件仍具有較高的粘接強度，推測磷酸酯類功能單體可能與氧化鋯陶瓷形成了具有耐水解性能的化學結合[8]。

10-甲基丙烯酰氧癸基磷酸酯（10-Methacryloyloxydecyl dihydrogen phosphate，10-MDP）是一種可以顯著提高牙釉質、牙本質及金屬氧化物等材料與樹脂粘接劑結合的功能性磷酸酯類粘接單體，添加于樹脂水門汀中可增強修復體的粘接強度及耐久性[7,9]。10-MDP由親水性的磷酸酯基團、疏水性的直碳鏈以及可與樹脂發生聚合反應的丙烯酸酯基團3部分組成[10]。對于10-MDP的功能在學術界還存在爭議。目前較為普遍的觀點是10-MDP的磷酸酯基團能夠與牙體組織中的鈣離子發生螯合反應，與金屬氧化物表面的羥基反應形成化學鍵或配位鍵；而可聚合的丙烯酸酯基團，在光固化條件下可以與樹脂單體發生加聚反應，從而在樹脂粘接劑與被粘物體之間形成化學偶聯（如圖1所示）[7，10]。

圖1 10-MDP與金屬氧化物類陶瓷之間化學反應示意圖Fig.1 Schematic diagram of chemical reaction between 10-MDP and metal oxide ceramics

通過X射線光電子能譜分析可以檢測到10-MDP與氧化鋯反應后形成的Zr-O-P鍵[11]。含10-MDP功能單體的樹脂水門汀具備水解穩定性，可在口腔環境中長期保持較高的粘接強度。有學者提出含10-MDP功能單體的樹脂水門汀難以單獨發揮作用，需配合空氣噴砂或化學摩擦硅涂層技術所產生的微機械鎖合固位力[12]。 Tanaka等[11]認為聯合應用摩擦化學硅涂層技術、硅烷偶聯劑以及含10-MDP單體的樹脂水門汀是相對最佳的氧化鋯粘接策略，可以取得良好的粘接強度及耐久性。因為呈酸性的磷酸酯類單體作為硅氧烷基的激活劑，可以連續不斷地促進具有高反應活性的硅醇基團生成，加快形成穩定的 Si-O-Si網絡結構，提高氧化鋯陶瓷粘接耐久性。 然而臨床試驗發現，摩擦化學硅涂層技術聯接硅烷偶聯劑處理氧化鋯嵌體固位粘接橋的粘接面，并使用含10-MDP功能單體的樹脂水門汀，隨訪360 天后近30%的修復體脫落[13]。可能的原因是二氧化硅涂層的氧化鋁顆粒難以完全植入到堅硬的氧化鋯陶瓷表面，故硅涂層與氧化鋯形成較弱且不緊密的結合，在冷熱循環老化的過程中極易崩解，降低了粘接耐久性。

Lee等[14]發現，相比于含10-MDP單體的樹脂水門汀Panavia F（KurarayMedical Inc., Kurashiki，Japan），含4-甲基丙烯酰乙氧基苯三酸酐（4-META）單體的Superbond C&B（ Sun Medical， Moriyama City，Japan）可以提供更高的氧化鋯-樹脂粘接強度。4-META 是一種羧酸酯類功能單體，其酸酐基團與10-MDP的磷酸酯基團類似，同樣可以與氧化鋯之間形成化學鍵和次級鍵，但尚無明確證據表明羧酸酯單體與氧化鋯的結合強度高于磷酸酯單體。由于磷酸酯類功能單體的水解穩定性更加優越，大量的基礎實驗和臨床試驗主要還是圍繞于提高含磷酸酯類功能單體樹脂水門汀與鋯瓷之間的粘接力。

2 化學偶聯劑

對于全瓷材料修復體的粘接，采用化學偶聯劑處理的陶瓷粘接面可以提高陶瓷粘接面的表面能以及反應活性，促進陶瓷與樹脂水門汀之間形成化學結合，如圖2所示，這是臨床上全瓷修復體粘接前的處理步驟。根據功能成分的不同，可將臨床常用的偶聯劑分為以下2類。

圖2 硅烷與硅酸鹽類陶瓷之間化學反應示意圖Fig.2 Schematic diagram of chemical reactions between silane and silicate ceramics

2.1 硅烷偶聯劑

硅烷偶聯劑可顯著提高金屬、玻璃纖維及陶瓷與樹脂間的粘接強度，臨床上常作為全瓷修復體粘接前以及修復體崩瓷后復合樹脂口腔內修補前陶瓷的表面處理劑。硅烷溶液在酸性激活劑的催化下發生水解，生成硅醇基團及醇類副產物，反應活性極高的硅醇基團可以和陶瓷表面的羥基發生縮合反應，形成硅氧烷齊聚物，最終在陶瓷表面形成具有3分子層結構（易被冷水沖洗去除的表層、耐冷水但可被85℃熱水萃取的中間層以及和陶瓷表面羥基形成穩定化學鍵結合的最內單分子層）的網狀多聚硅氧烷化合物。其中最內層的單分子層是決定化學粘接強度的關鍵部分[15]。 Graf等[16]通過調節硅烷偶聯劑的濃度可以改變粘接面上硅烷的沉積量或分子層數目。但如果硅烷濃度過高時，厚重的多分子層硅烷結構較為疏松，并以物理吸附的形式存在于被粘物體表面，所以化學結合力較弱，這勢必導致界面粘接強度下降。當硅烷的濃度過低時，又難以在粘接面形成整體覆蓋，偶聯效果不佳。理論上認為，當硅烷以單分子層的形式覆蓋于粘接面時，偶聯效果相對最好，最終的粘接強度較為理想。Queiroz等[17]通過提高偶聯劑涂布時的環境溫度，以及熱水沖洗的方法，使陶瓷表面偶聯劑薄膜厚度降低至11～33.5 nm，有效去除了表層和中間層的未反應硅烷，使偶聯劑以單分子層覆蓋于陶瓷表面。此外，硅烷偶聯劑還能夠提高陶瓷表面的潤濕性，有利于樹脂水門汀滲入到瓷表面微小的凹坑結構中，提高陶瓷與樹脂間的微機械鎖合固位力[18]。

臨床上常用硅烷偶聯劑的主要成分是1%～5%（體積）預水解的3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（3-Methacryloxyproyl trimethoxysilane, 3-MPS），溶劑一般是乙醇和水。根據組成和使用方法又分為單組分和雙組分硅烷偶聯劑。單瓶裝的硅烷偶聯劑是將硅烷與酸性激活劑提前混合，使硅烷充分水解，加入一定比例的穩定劑之后，單組分硅烷偶聯劑的作用效能由1年提高到3年。而雙組分硅烷偶聯劑是將高濃度的硅烷與酸性激活劑在臨床使用前才混合，這樣可以快速提高具有反應活性的硅醇基團的濃度。許多實驗研究證實，雙組分硅烷偶聯劑對堿金屬、硅酸鹽類陶瓷的表面處理效果較好，單純使用偶聯劑和樹脂水門汀的粘接強度可達25 MPa以上[19，20]。但也有學者認為，單組分偶聯劑的硅烷水解率較雙組分更高，在提高粘接耐久性方面更優[21]。上文中已提到，氧化鋯陶瓷呈化學惰性、表面羥基含量極低，硅烷僅能與其表面吸附的少量羥基形成以氫鍵力和范德華力形式的結合，粘接效果不理想，因此，需要對氧化鋯陶瓷表面預先進行硅涂層等處理，提高氧化鋯表面羥基濃度，這樣才能實現較強的粘接力。

2.2 含酸性功能單體的偶聯劑

近年來，含有各種酸性功能單體的偶聯劑被逐漸開發，酸性功能單體主要有磷酸酯類單體（如10-MDP）、羧酸酯類單體（如4-META）及鋯酸酯等。這些功能性單體不僅可以和氧化鋯陶瓷等金屬氧化物表面形成化學結合，提高化學粘接力，還能增強樹脂水門汀在處理后粘接面的潤濕性，促進樹脂在陶瓷表面微小裂隙中的滲透，提高微機械鎖合力。Clearfil Ceramic Primer是臨床上常用于氧化鋯陶瓷的偶聯劑產品之一，是具有酸性功能單體和硅烷偶聯劑的雙效偶聯劑，其中10-MDP既可作為酸性功能單體與氧化鋯發生化學結合，又能作為3-MPS的激活劑以促進硅烷的持續水解，對氧化鋯陶瓷-樹脂間的粘接強度和耐久性具有顯著增強作用[22]。6-甲基丙烯酰氧己基磷醋酸酯（6-methacryloxyhexylphosphonoacetate，6-MHPA）的結構與10-MDP類似，體外實驗研究發現，含有6-MHPA單體的偶聯劑（AZ Primer，Shofu，Kyoto，Japan） 與 氧 化 鋯之間能夠建立某種形式的化學結合，從而有效提高了氧化鋯與樹脂的即刻粘接強度[23]，但與含10-MDP的偶聯劑處理組相比，冷熱循環老化后的粘接強度明顯降低[24]，說明6-MHPA與氧化鋯結合的穩定性弱于10-MDP。Z-Prime Plus 是一種新型的包含羧酸酯功能單體和10-MDP的雙功能單體偶聯劑，可以顯著提高氧化鋯陶瓷的粘接強度[23，25]。此外，Z-Prime Plus還可作為氧化鋯陶瓷崩瓷后復合樹脂修補的瓷處理劑，由于含有粘接性單體，故生產商建議可以只用偶聯劑、無需用粘接劑即可實現復合樹脂與氧化鋯陶瓷的粘接。Seabra等[26]通過實驗研究證實，單純以Z-Prime Plus處理氧化鋯，鋯瓷與復合樹脂的粘接強度高達30 MPa以上，基本滿足臨床上對崩瓷修補的粘接強度要求，但同時也發現偶聯劑的涂布方式不同，最終的粘接強度也有顯著的差異。

偶聯劑中除功能性粘接單體外，其主要成分還包括水溶性富含羥基的單體，如甲基丙烯酸羥乙酯（hydroxyethyl methacrylate,HEMA）。HEMA在偶聯劑和粘接劑中主要起稀釋作用，但其具有強吸水性，且極不耐水解，在37℃的酸性水溶液中貯存7 d，粘接劑中70%的HEMA會發生降解，因而造成粘接強度的下降[27]。此外，溶劑的種類與含量不同也會賦予粘接劑及偶聯劑不同的物理、化學特性 ， 影 響 最 終 的 粘 接 效 果[28]。 Bail等[29]發現，通過延長氣體吹拂時間可以促進粘接劑中多余溶劑的揮發，降低粘接劑的吸水性，提高粘接單體聚合反應的雙鍵轉化率。ELAskary等[30]和 Chen等[31]發 現 ， 提 高 吹 拂 氣 壓還可以促進樹脂粘接劑在牙本質小管中的滲透，提高粘接界面的封閉性及粘接強度。這可能與溶劑的充分揮發、粘接劑的相分離現象減少有關[30，31]。偶聯劑與粘接劑的成分相似，偶聯劑的臨床應用操作亦同樣具有較高的技術敏感性。

3 結論

綜上所述，含酸性功能單體的偶聯劑及樹脂水門汀能夠在氧化鋯與樹脂之間提供穩定的化學粘接力。但為保證粘接界面同時具有足夠化學粘接力和微機械嵌合固位力，氧化鋯陶瓷粘接材料需與氧化鋯表面處理技術聯合應用，這是目前較有效的氧化鋯陶瓷粘接策略。