納米非晶金剛石膜鍍覆對氧化鋯全瓷冠抗折強(qiáng)度的影響*

盧云余 銀英魏 肖林

目前，氧化鋯全瓷修復(fù)體因具有較高的強(qiáng)度，可滿足絕大多數(shù)臨床修復(fù)的要求，其在美學(xué)、理化、生物相容性上比金屬烤瓷修復(fù)體有更大的優(yōu)勢，所以其適應(yīng)證越來越廣，在很多情況下替代金屬烤瓷修復(fù)體逐漸成為臨床上的首選。由于氧化鋯缺乏玻璃相，所以在其表面使用了飾面瓷組成復(fù)合材料，從而使修復(fù)體與天然牙同樣逼真。但是從大量的臨床應(yīng)用結(jié)果來看，氧化鋯全瓷冠飾面瓷的崩瓷影響了該修復(fù)體的臨床應(yīng)用成功率。與金屬烤瓷修復(fù)體及其它全瓷修復(fù)體相比較，氧化鋯全瓷冠的崩瓷發(fā)生率更高［1，2］。納米非晶金剛石膜具有高透明度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良特點(diǎn)，它能在常溫下快速成膜，可以沉積在陶瓷、玻璃、樹脂及金屬的表面，其應(yīng)用范圍非常廣泛［3-5］。本實(shí)驗(yàn)將此膜鍍覆于氧化鋯全瓷冠的飾瓷表面，希望以此來提高氧化鋯全瓷冠疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而減少氧化鋯全瓷冠飾瓷的崩瓷率。

1.材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備JM-2型金剛石鍍膜機(jī)（陜西百納科技公司）；氧化鋯及配套瓷粉（Cercon全瓷系統(tǒng)，德國）；MTS陶瓷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)機(jī)（MTS Systems Co.，USA）；CX玻璃離子粘結(jié)劑（松風(fēng)公司，日本）

1.2 試件的制作 納米非晶金剛石膜鍍覆氧化鋯飾瓷冠抗折強(qiáng)度試件的制備［6］：選取直徑10mm、長15mm的鈷鉻合金圓柱體36個(gè)，擇其一端在精密加工車床上制作冠高5mm、底寬8mm、面直徑為6.5mm、軸面向聚合度為8.5°、頸緣為90°肩臺(tái)寬1.0mm的金屬基牙代型面與底座平行，所有線角都精修圓鈍（見圖1)；然后在金屬基牙代型上利用CAD/CAM義齒加工系統(tǒng)制作氧化鋯基底冠，冠厚度為0.5mm，共36個(gè)，按照生產(chǎn)廠家的方法和要求在氧化鋯基底冠表面筑瓷，從而制得氧化鋯烤瓷冠，冠的直徑10mm、高7mm面厚度為2mm且制成平面（見圖2）。隨機(jī)分成6組，每組6個(gè)試件。其中五組試件在金剛石鍍膜機(jī)中先采用3000V高壓電極化，極化時(shí)間3min，后在真空爐內(nèi)用Ar離子在最佳能量（1000V－1500V）下轟擊清潔表面3min，達(dá)到徹底清除試件表面氧化膜以提高鍍膜膜/基結(jié)合強(qiáng)度。經(jīng)鍍膜前極化預(yù)處理后，將試件置于真空沉積室（真空度5×10－5Pa，溫度60℃），采用過濾陰極真空電弧技術(shù)進(jìn)行非晶金剛石膜鍍覆，將整個(gè)試件的飾瓷鍍膜，通過精準(zhǔn)控制離子鍍膜的時(shí)間來控制鍍膜的厚度，膜厚度分別為100nm、80nm、60nm、40nm、20nm，對照組不鍍膜。

圖1 .金屬基牙代型及尺寸

圖2 .氧化鋯全瓷冠粘固于金屬基牙代型試樣

1.3 測試方法 將鍍膜后的氧化鋯全瓷冠試件粘固于金屬代型上，去除多余的玻璃離子粘固劑，試件在室溫下放置24h后，應(yīng)用MTS陶瓷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)機(jī)測試試件的抗折強(qiáng)度。加載頭的曲面半徑為5mm，加載速度為0.5mm/min，加力于面正中央直至瓷折裂，記錄試件的抗折強(qiáng)度值并觀測試件的破裂情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 先對6組測試結(jié)果的樣本均數(shù)進(jìn)行單因素方差分析，若方差齊，則6組間樣本均數(shù)的兩兩比較用t檢驗(yàn)。

2.結(jié)果

2.1 6組薄膜鍍覆氧化鋯全瓷冠試件的抗折強(qiáng)度值見表1。

表1 薄膜鍍覆氧化鋯全瓷冠試件抗折強(qiáng)度值（-x±s）

表2 薄膜鍍覆氧化鋯全瓷冠試件抗折強(qiáng)度兩兩比較的t檢驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)分析表明，6組測試結(jié)果的樣本均數(shù)進(jìn)行單因素方差分析后，可知方差齊，然后6組樣本均數(shù)間的兩兩比較用t檢驗(yàn)（見表2），結(jié)果：納米非晶金剛石薄膜鍍覆氧化鋯全瓷冠試件中，所有鍍膜組的抗折強(qiáng)度值均高于未鍍膜組（P＜0.01）；在鍍膜組中，鍍膜厚度分別為80nm、60nm、40nm時(shí)，各組試件的抗折強(qiáng)度值無顯著性差異（P＞0.05），但其值高于膜厚100nm、20nm組；在膜厚100nm、20nm組試件的抗折強(qiáng)度值無顯著性差異（P＞0.05）。

2.2 觀察測試后試件表面形態(tài) 通過體視顯微鏡觀察所有試件經(jīng)抗折強(qiáng)度測試后的斷裂面發(fā)現(xiàn)（見圖3、4、5、6）：5個(gè)鍍膜組試件斷裂面的破壞方式多為氧化鋯全瓷冠的飾瓷內(nèi)聚性破壞，裂紋多從面加載點(diǎn)開始折裂并向側(cè)方延伸至軸面，部分為飾瓷的內(nèi)聚性破壞加飾瓷與氧化鋯基底間界面破壞的混合型破壞（見圖5）；未鍍膜組試件的飾瓷破壞多為飾瓷與氧化鋯基底間的界面破壞（見圖6），瓷層崩脫面積大小不一；所有試驗(yàn)組的氧化鋯基底冠和金屬代型均完好。

圖3 .鍍膜組氧化鋯全瓷冠試件加載破壞后試樣圖5.鍍膜組試件加載破壞后頜面觀（箭頭所示為飾瓷內(nèi)聚性破壞）

圖4 .未鍍膜組氧化鋯全瓷冠試件加載破壞后試樣圖6.未鍍膜組加載破壞后甲紫染色斷面觀（箭頭所示為飾瓷與氧化鋯基底間的界面破壞）

3.討論

一些研究資料表明，氧化鋯全瓷冠修復(fù)體5年失敗率為8%，其中失敗的主要原因?yàn)轱椕娲闪眩òl(fā)生率為7%)，與金屬烤瓷修復(fù)體及其他全瓷修復(fù)體相比較，氧化鋯全瓷冠的崩瓷發(fā)生率更高［1，2］。

納米非晶金剛石膜是一種來源于太空技術(shù)的鍍膜技術(shù)，該鍍膜最薄可以達(dá)到2nm。過濾陰極真空電弧離子鍍膜技術(shù)代表最新一代鍍膜技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)采用的過濾陰極真空電弧離子鍍膜機(jī)具有以下特點(diǎn)：配備有高效的電磁過濾系統(tǒng)，保證進(jìn)入真空室沉積的離子為一價(jià)碳離子（C＋），使得鍍膜達(dá)到原子級(jí)光潔度，實(shí)現(xiàn)針孔率極低的納米級(jí)鍍膜；配備有氣體離子源清洗系統(tǒng)，能有效清除工作表面吸附的氣體和污染物，活化表面，從而可有效提高膜/基結(jié)合力；配備有離子掃描裝置，能方便地實(shí)現(xiàn)大面積鍍膜，也適用于復(fù)雜構(gòu)件的鍍膜；真空電弧系統(tǒng)遠(yuǎn)離鍍膜室，使工藝溫度低于80℃；各種物理沉積參量可控制，有利于對非晶金剛石膜生長過程的深入研究和精細(xì)調(diào)節(jié)鍍膜的性能。本文的非晶金剛石膜就是用這種設(shè)備制備的，通過精準(zhǔn)控制離子鍍膜的時(shí)間來控制鍍膜的厚度。其具有天然金剛石的許多優(yōu)異特性：高硬度、耐磨損、耐腐蝕、附著力強(qiáng)等特點(diǎn)和優(yōu)良的生物相容性，且此膜還具有無色透明，對材質(zhì)的光學(xué)特點(diǎn)基本不產(chǎn)生影響，該膜在常溫下能夠快速成膜，可以沉積在陶瓷、玻璃、樹脂及金屬材料的表面，其應(yīng)用范圍非常廣泛［3-5］。

本試驗(yàn)的結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得知：5種不同厚度的膜鍍覆在氧化鋯全瓷冠試件的表面，經(jīng)測試后可知試件的抗折強(qiáng)度均高于未經(jīng)鍍膜的對照組，具有顯著性差異（P＜0.01），據(jù)此說明納米非晶金剛石薄膜經(jīng)鍍覆后確實(shí)能夠提高氧化鋯飾瓷試件的抗折強(qiáng)度。通過體視顯微鏡觀察所有試件經(jīng)抗折強(qiáng)度測試后的斷裂面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：5個(gè)鍍膜組試件斷裂面的破壞方式多為氧化鋯全瓷冠飾瓷的內(nèi)聚性破壞，裂紋多從面加載點(diǎn)開始折裂并向側(cè)方延伸至軸面，部分為飾瓷的內(nèi)聚性破壞加飾瓷與氧化鋯基底間界面破壞的混合型破壞；而未鍍膜組試件的飾瓷多為飾瓷與氧化鋯基底間的界面破壞，飾瓷層崩脫面積大小不一。這就提示：底層氧化鋯與飾瓷界面是該復(fù)合材料強(qiáng)度最薄弱的部位，還有飾瓷材料本身的強(qiáng)度，疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部殘余應(yīng)力等因素，共同構(gòu)成了氧化鋯全瓷冠臨床崩瓷發(fā)生率較高的主要原因［6-8］。據(jù)此也說明鍍膜確實(shí)提高了氧化鋯全瓷冠復(fù)合體的抗折強(qiáng)度。

本實(shí)驗(yàn)的氧化鋯飾瓷復(fù)合體試件鍍覆納米非晶金剛石膜，即瓷材料的表面經(jīng)過納米化處理后，這樣瓷材料的表面就制備出特定的納米結(jié)構(gòu)層，該層結(jié)構(gòu)性能均一、組織均勻，可有效地抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生，而疲勞裂紋的產(chǎn)生可最終導(dǎo)致瓷材料的折裂。另外，通過材料表面組織的優(yōu)化，其表面的強(qiáng)度會(huì)有較大幅度的提高，那么復(fù)合材料整體的力學(xué)性能相應(yīng)提高，同時(shí)有效提高材料的性價(jià)比［4，5］。

從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得知，在納米非晶金剛石膜厚為100nm、80nm、60nm、40nm、20nm的5個(gè)鍍膜組中，鍍覆的薄膜厚度為80nm、60nm、40nm時(shí)氧化鋯全瓷試件的抗折強(qiáng)度較高，高于膜厚100nm、20nm組；說明鍍膜厚度不同，相同的試件的抗折強(qiáng)度也不同。因?yàn)楸∧さ姆€(wěn)定性取決于其內(nèi)部應(yīng)力，如果薄膜過厚，其內(nèi)應(yīng)力也就相應(yīng)較大，那么它的穩(wěn)定性就下降，最終導(dǎo)致膜/基結(jié)合強(qiáng)度的下降［4］，氧化鋯全瓷復(fù)合體的抗折強(qiáng)度降低；再者，如果氧化鋯全瓷冠的表面鍍膜太薄，那么其對試件的抗折強(qiáng)度提高的作用也有限，所以對氧化鋯全瓷冠鍍膜時(shí)應(yīng)選擇適宜的薄膜厚度。根據(jù)本試驗(yàn)的結(jié)果得知：當(dāng)氧化鋯全瓷修復(fù)體整體鍍膜時(shí)，選擇40-80nm的膜厚可獲得較高的抗折強(qiáng)度。

目前對氧化鋯飾面瓷復(fù)合材料的力學(xué)研究還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)［6］，全瓷修復(fù)體的抗折強(qiáng)度值與很多因素有關(guān)，包括氧化鋯陶瓷材料自身因素、試樣的形態(tài)設(shè)計(jì)、制作工藝、表面處理方法、粘結(jié)材料及技術(shù)，代型材料的彈性模量，以及測試時(shí)加載頭的設(shè)計(jì)、加載速率和加載環(huán)境等，各種設(shè)計(jì)不同所測結(jié)果亦有很大的差異［7-10］。本實(shí)驗(yàn)中測得試樣的抗折強(qiáng)度的樣本均數(shù)值較高，只能說明在本實(shí)驗(yàn)特定條件下所測得結(jié)果，如果其中的某一實(shí)驗(yàn)因素改變，測得結(jié)果可能隨之改變。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將納米非晶金剛石薄膜鍍覆于氧化鋯全瓷修復(fù)體的表面，可大幅度提高氧化鋯全瓷修復(fù)體的抗折強(qiáng)度，從而減少臨床上氧化鋯全瓷修復(fù)體飾瓷的崩瓷率，具有一定的臨床指導(dǎo)意義。關(guān)于納米非晶金剛石膜鍍覆對氧化鋯全瓷修復(fù)體長期臨床應(yīng)用效果的影響，還需要收集更多臨床研究資料，予以長期的觀察分析。

4.結(jié)論

(1）納米非晶金剛石膜鍍覆可使氧化鋯全瓷冠的抗折強(qiáng)度顯著增加。(2）納米非晶金剛石膜不同膜厚度組的氧化鋯全瓷冠抗折強(qiáng)度有差異，當(dāng)氧化鋯全瓷冠鍍膜時(shí)，選擇40-80nm膜厚可以獲得較高的抗折強(qiáng)度。