飛秒激光表面處理對氧化鋯表面特征及彎曲強度的影響

李文錦，丁 茜，原福松，孫豐博，鄭劍橋，鮑 蕊，張 磊△

(1. 北京大學口腔醫學院·口腔醫院，修復科 國家口腔醫學中心 國家口腔疾病臨床醫學研究中心 口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室，北京 100081； 2. 北京大學口腔醫學院·口腔醫院，口腔醫學數字化研究中心 口腔數字醫學北京市重點實驗室 國家衛生健康委口腔醫學計算機應用工程技術研究中心，北京 100081； 3. 清華大學材料學院，北京 100084； 4. 北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191)

氧化鋯(ZrO2)材料在口腔醫學領域內的應用日漸廣泛，因其良好的生物相容性、機械性能、不易堆積菌斑的特性和與天然牙相近的美學效果，有望成為鈦種植體的理想替代材料[1-4]。種植體的表面顯微形貌和粗糙度是影響種植體骨結合的關鍵因素，常見的氧化鋯種植體表面處理方法有噴砂、酸蝕、涂層等[5-6]，這些處理方法可能對種植體表面造成污染，且難以實現表面微觀形貌的精確調控。

近年來激光作為一種精確、高效、清潔的技術開始應用于氧化鋯種植體的表面處理。既往研究表明，飛秒激光在氧化鋯種植體表面形成的微溝槽同時具有微米級別和納米級別形貌，而且可以通過接觸誘導作用促進成骨細胞增殖，引導膠原纖維垂直于種植體表面排列，其骨結合效果優于噴砂表面種植體[7-9]。然而，微溝槽結構可能作為宏觀缺陷導致應力集中[10]，進而降低氧化鋯的彎曲強度，而已有的研究多集中于微溝槽結構的生物學效應，目前國內外尚未見飛秒激光表面處理對氧化鋯機械強度影響的相關研究。

本研究通過飛秒激光在氧化鋯表面加工出特定尺寸的微溝槽，明確飛秒激光表面處理對氧化鋯表面特征和彎曲強度的影響，為氧化鋯種植體微溝槽表面顯微結構優化設計提供參考。

1 資料與方法

1.1 氧化鋯試件

氧化鋯材料(Y-TZP,威蘭德公司，德國)組成成分如下：氧化鋯(ZrO2+ HfO2+ Y2O3)≥99%，其中氧化釔(Y2O3) 占4.5%～6%，氧化鉿(HfO2)≤5.0%，氧化鋁(Al2O3) 及其他氧化物≤1.0%。

通過Geomagic Studio 12.0(Geomagic公司，美國)軟件設計試件三維模型，導入至CAM軟件(WIELAND CAM 2.2，威蘭德公司，德國)，添加支撐結構，自動生成切削工藝,導入切削軟件(ZENOTEC MINI，威蘭德公司，德國)，切削出長方體試件，使用氧化鋯燒結爐(Ceramill Therm 3，Amann Girrbach公司，奧地利) 終燒結后獲得計算機輔助設計/計算機輔助制造(computer aided design/computer aided manufacture,CAD/CAM)氧化鋯試件(圖1)60個，尺寸為20.0 mm×4.0 mm×1.4 mm，倒角，用3D激光形貌測量顯微鏡(VKX100，Keyence公司，日本)觀察試件表面，排除表面有明顯缺陷的試件2個，共制備合格試件58個，其中57個用于三點彎曲試驗，1個用于微溝槽橫斷面觀察。

圖1 CAD/CAM氧化鋯長方體試件Figure 1 CAD/CAM zirconia bar

1.2 氧化鋯試件表面處理方法

根據表面處理方式分為以下3組，每組19個試件：(1)終燒結組：終燒結后不進行表面處理；(2)噴砂組：終燒結后采用直徑110 μm的Al2O3顆粒對試件進行噴砂(Ovaljet HiBlaster，松風公司，日本)， 距離10～20 mm，壓力0.4～0.5 MPa，角度90°，時間2 min；(3)微溝槽組：使用光纖飛秒激光(Tangerine，Amplitude Systems公司, 法國，圖2)在試件表面加工出方向與試件長軸垂直的微溝槽，微溝槽寬度50 μm，深度30 μm，間距100 μm，如圖3所示。飛秒激光器參數設置：波長1 030 nm，功率8 W，焦距175 mm，光斑直徑80 μm，掃描速度1 900 mm/s，掃描次數30次，脈寬400 fs,重復頻率200 kHz，能量密度0.8 J/cm2，激光掃描時試件不移動，通過振鏡調整激光路徑，每次掃描路徑相同。

圖2 飛秒激光器Figure 2 Image of femtosecond laser set-up

圖3 微溝槽尺寸示意圖Figure 3 Diagram of microgroove size

1.3 試件表面特征觀察及粗糙度測量

每組選取2個試件，在掃描電鏡(Merlin, Zeiss公司，德國)下觀察表面顯微形貌。通過VK analyzer 軟件(Keyence公司，日本)測量所有試件表面粗糙度參數，每個試件選取10個無明顯表面缺陷且不重復的區域(50 μm×50 μm)進行測量，取平均值作為該組表面粗糙度參數值。粗糙度參數包括：Ra(輪廓算數平均偏差)、Rq(輪廓各點高度均方根)、Rz(輪廓微觀不平度的10個區域高度)。微溝槽組每個試件選取10個區域進行溝槽尺寸測量，計算均數±標準差。另制備一個微溝槽試件，用掃描電鏡觀察溝槽橫斷面形態。

1.4 X射線衍射分析

每組選取2個試件，通過X射線衍射儀(D/max 2500，Rigaku公司,日本)進行晶相分析，參數為銅靶，步長0.02°，速度1 s/步，衍射角(2θ)掃描范圍25°～35°，根據公式(1)[11]、(2)[12]計算單斜相(m相)氧化鋯的體積百分數：

(1)，

(2)，

1.5 三點彎曲強度試驗

每組15個試件，通過力學性能試驗機(AGS-X,SHIMADZU公司,日本)進行三點彎曲試驗，試驗方法參考《牙科學陶瓷材料》(ISO 6872：2015)標準[13]，跨距16 mm,加載速度1 mm/min，記錄試件斷裂時的載荷，即三點彎曲強度。

1.6 統計學分析

各組粗糙度參數和彎曲強度采用SPSS 24.0統計軟件進行單因素方差分析，并通過Dunnett’s T3方法進行組間兩兩比較，檢驗標準為α=0.05。使用MATLAB R2014a統計軟件進行Weibull分析[14]，計算特征斷裂強度σ0(斷裂概率為63.21%時的斷裂強度)和Weibull模數m。

2 結果

2.1 表面顯微形貌觀察與測量

掃描電鏡觀察結果如圖4所示，終燒結表面較為平整，晶粒結構清晰；噴砂表面凹凸不平，出現邊緣銳利的凹坑，形狀不規則；微溝槽組溝槽排列規則，邊緣清晰，溝槽內部未見明顯缺陷，溝槽內壁可見納米級顆粒狀顯微結構。微溝槽橫斷面掃描電鏡(圖5)顯示微溝槽底部為V形，形態較尖銳。

圖4 氧化鋯表面形貌掃描電鏡照片Figure 4 Scanning electron microscope images of zirconia surface topographies

圖5 微溝槽橫斷面掃描電鏡照片(×200)Figure 5 SEM image of microgrooved zirconia cross section(×200)

各組氧化鋯試件表面粗糙度(表1)由大到小依次為微溝槽組、噴砂組、終燒結組，組間兩兩比較差異均有統計學意義(P<0.001)。微溝槽尺寸精確穩定，其寬度、深度、間距分別為(49.75±1.24) μm、(30.85±1.02) μm、(100.58±1.94) μm。

表1 氧化鋯試件表面粗糙度Table 1 Surface roughness of zirconia bar

2.2 表面晶相分析

各組X射線衍射圖譜見圖6，微溝槽組的圖譜與終燒結組基本一致，在衍射角為30.2°時出現四方相波峰，無單斜相波峰，而噴砂組在衍射角為28.2°時出現清晰的單斜相波峰。噴砂組的單斜相百分數(18.17%)較終燒結組(1.55%)明顯升高，微溝槽組單斜相百分數(2.21%)與終燒結組相近。

圖6 X射線衍射圖譜，m為單斜相氧化鋯波峰，t為四方相氧化鋯波峰Figure 6 X-ray diffraction spectra showing monoclinic phase peak(m) and tetragonal phase peak(t)

2.3 三點彎曲強度及Weibull分析

表2顯示各組試件平均彎曲強度σc、特征斷裂強度σ0和Weibull模數m，終燒結組與噴砂組的彎曲強度差異無統計學意義 (P=0.847)，微溝槽組的彎曲強度較其余兩組顯著降低(P<0.001)。

表2 三點彎曲試驗結果Table 2 Three-points flexural strength test results

3 討論

本研究結果表明，飛秒激光可在氧化鋯表面形成具有良好尺寸穩定性的微溝槽結構，溝槽內壁形成了納米級顆粒狀顯微結構，且未造成晶相轉變，實現了對氧化鋯表面顯微形貌的精確處理。另外，微溝槽結構造成了氧化鋯試件彎曲強度的顯著降低，其對氧化鋯種植體強度的影響有待進一步研究。

3.1 飛秒激光表面處理技術

傳統的納秒(10-9s)、皮秒(10-12s)激光加工原理為熱熔融，物質依次經歷固態、液態、氣態、重新冷凝為固態的變化過程[15]，易對材料造成損傷,而在飛秒激光的作用下，材料吸收大量光子能量使電子發生躍遷，出現雪崩電離(avalanche ionization)現象，形成的等離子體進入周圍空氣，同時材料被去除[16]，是物質從固態到等離子態的過程，對材料損傷小。Roitero等[17]使用納秒激光處理氧化鋯后發現材料表面存在納米級顆粒狀結構，但溝槽形態不規則，出現大量晶粒間裂紋、孔洞等熱損傷表現。Delgado-Ruíz等[7]用飛秒激光在氧化鋯種植體表面加工出寬30 μm、深50 μm的均勻分布的微溝槽，溝槽形態規則，掃描電鏡下未見明顯微裂紋，溝槽內壁可見納米級顆粒狀顯微結構，與本研究相似。

3.2 氧化鋯表面處理的生物學作用

既往研究證實，種植體表面的微納結構可促進骨結合。微米尺度形貌具有穩定細胞外基質支架、增加種植體與骨的接觸面積和機械鎖結力的作用[18-19]，納米尺度形貌則可促進蛋白吸附、促進成骨細胞遷移，從而加速骨結合[20]。目前，在氧化鋯表面形成微納結構的方法有噴砂加酸蝕、表面涂層、激光處理等[7, 21-22]。

20世紀40年代，Weiss提出“接觸誘導”現象，神經細胞、間充質細胞等多種細胞可受微納米級別溝槽圖案的影響，排列和遷移方向與溝槽方向趨于一致[23]。近年來，研究發現微溝槽表面可促進細胞成骨向分化，并且增加成骨細胞密度。Lee等[24]采用光刻法在鈦試件表面加工出的微溝槽可促進血清蛋白吸附和成骨細胞成熟。Carvalho等[25]在氧化鋁增強的氧化鋯試件表面加工出的微溝槽，能促進人骨髓間充質干細胞成骨向分化。Delgado-Ruíz等[8]用飛秒激光在氧化鋯試件表面加工出30 μm寬、50 μm深的微溝槽，其表面人胚成骨細胞的密度和堿性磷酸酶表達均較噴砂組顯著增加。動物實驗結果表明，在具有微溝槽表面的氧化鋯種植體周圍，垂直于種植體表面排列的膠原纖維增多，且有成骨細胞和血管長入微溝槽內[9]。目前，最適合成骨細胞生長的微溝槽尺寸尚無定論，多數研究表明，溝槽寬度10～80 μm、深度3～50 μm時有利于成骨細胞的生長[8, 24-26]，為增加成骨細胞與微溝槽內壁的接觸面積，并降低應力集中，本研究選擇了50 μm寬、30 μm深的溝槽尺寸，且飛秒激光處理形成的微溝槽表面形貌具有微納結構，有望通過接觸誘導作用促進骨結合。

3.3 表面處理對氧化鋯晶相組成及彎曲強度的影響

氧化鋯是一種脆性材料，對表面缺陷的尺寸和分布敏感[13]，一方面，CAD/CAM切削、噴砂、打磨等可引入表面缺陷，從而對氧化鋯強度產生不利影響[27-29]，另一方面，上述表面加工及處理方式可造成四方相氧化鋯(t相)向單斜相(m相)轉變，該過程伴隨3%～4%的體積膨脹，在裂紋尖端形成壓應力，阻止微裂紋擴展，出現相變增韌效應，有助于提高氧化鋯強度[30-31]，實際強度取決于何種作用占優勢[32]。

本研究通過X射線衍射證實，飛秒激光表面處理未造成氧化鋯相變，這與既往研究結果相同。Aivazi等[33]對氧化鋯進行了飛秒激光微溝槽表面處理后，X射線衍射結果顯示氧化鋯無明顯相變。Delgado-Ruíz等[7]采用拉曼(Raman)光譜儀測得同樣的結果。另外，本研究中飛秒激光處理形成的微溝槽導致了較明顯的表面缺陷，且溝底形態尖銳，易產生應力集中，故本研究中微溝槽組的三點彎曲強度顯著下降。

關于噴砂對氧化鋯強度的影響，Aboushelib等[29]的研究顯示，50 μm氧化鋁顆粒噴砂后的試件彎曲強度(1 166.4 MPa)與拋光組(1 074.6 MPa)相比略有提高，而120 μm氧化鋁噴砂后的強度(727.5 MPa)則較拋光組顯著下降。Chintapalli等[34]分別用110 μm和250 μm氧化鋁顆粒對氧化鋯進行噴砂，通過拉曼光譜儀測得二者相變深度無明顯差異，約為12～13 μm，110 μm氧化鋁噴砂后，缺陷僅延伸至試件表層下8 μm，其深度局限于相變層內，而250 μm氧化鋁噴砂產生的缺陷超過20 μm，深度超出相變層，從而推測當缺陷深度超出相變層深度時可能降低氧化鋯的強度。本研究中，噴砂組彎曲強度與終燒結組相比差異無統計學意義，可能是缺陷和相變增韌效應對氧化鋯強度產生的綜合影響。

Weibull模數m代表材料均一性和可靠性，m值越大，材料均一性越好。多數陶瓷的Weibull模數m值為5～15[35]，本研究中噴砂組的m值較終燒結組略有下降，而微溝槽組m值明顯升高，即試件彎曲強度的均一性提高?？赡艿脑蛉缦拢罕M管微溝槽結構導致應力集中，容易形成裂紋源，造成試件強度下降，但是飛秒激光處理形成的微溝槽形態規則且分布均勻，使試件原有不規則分布的缺陷對彎曲強度的影響明顯變弱，即微溝槽組中試件的整體缺陷雖然提高，但試件之間缺陷的離散性下降，這一結果與彎曲強度的標準差可以互相印證。

本研究的不足之處是微溝槽僅設計了一種尺寸，若能調整激光器參數，使溝槽寬而淺，或將溝槽底部形態從V形變為U形[36]，則有望減少微溝槽結構對氧化鋯強度的不利影響，將多種不同尺寸和形狀的溝槽進行強度對比，可為微溝槽結構的優化設計提供更多參考。

飛秒激光能夠精確、高效地處理氧化鋯表面，形成具有微納結構的微溝槽，未造成表面相變，但會引起氧化鋯彎曲強度的下降，其對氧化鋯種植體強度的影響有待進一步研究。今后尚需改進飛秒激光表面處理方法，以減小對氧化鋯彎曲強度的影響，探索既能促進組織結合，又能保證種植體強度的微溝槽形態及尺寸。