牙科樹(shù)脂滲透氧化鋯陶瓷材料的制備與性能研究

許青

摘要通過(guò)利用三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定了材料的抗彎、彈性模量，并用單面切口梁法測(cè)量了材料的斷裂韌性，利用納米壓痕測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了材料的硬度，并用SEM觀察了其微觀組織，研制一種用于牙科樹(shù)脂滲透性的氧化鋯陶瓷材料，并對(duì)其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。該樹(shù)脂滲入的氧化鋯陶瓷（PICN）具有135～266 MPa、41.3～99.3 GPa的彈性模量、2.20～4.04 Mpa m1/2的斷裂韌性、1.93～10.83 GPa的硬度。SEM結(jié)果表明，PICN材料中的樹(shù)脂充分滲入到陶瓷的孔洞中，該材料的力學(xué)性能接近于人的牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)，是一種很有前途的新型材料。

關(guān)鍵詞 ?牙科樹(shù)脂滲透；氧化鋯陶瓷；性能

0引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)牙齒缺損的修復(fù)和處理也越來(lái)越迫切，因此選用美觀、生物相容性好、與牙齒的組織特性相適應(yīng)的修復(fù)材料是獲得長(zhǎng)期、穩(wěn)定、成功的關(guān)鍵，目前臨床上最常用的兩種修復(fù)材料是陶瓷和樹(shù)脂。近年來(lái)，隨著CAD/CAM技術(shù)的不斷發(fā)展，陶瓷、樹(shù)脂等材料在口腔修復(fù)中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蝕性以及與自然牙齒相似的審美特性，使其成為人們的理想選擇。但由于陶瓷材料本身的脆性，在承受載荷作用下，其變形大于0.1%～0.3%時(shí)就會(huì)出現(xiàn)脆化斷裂；樹(shù)脂材料具有色澤好、操作簡(jiǎn)單、對(duì)對(duì)頜牙磨損小等優(yōu)點(diǎn)，但其力學(xué)性能低（強(qiáng)度低、易磨損）成為其應(yīng)用的主要障礙。雖然隨著樹(shù)脂填料的開(kāi)發(fā)和納米復(fù)合樹(shù)脂的問(wèn)世，其力學(xué)性能得到了提高，但是其臨床應(yīng)用效果并不理想，所以在口腔材料領(lǐng)域?qū)ふ乙环N既有陶瓷又有樹(shù)脂等多種優(yōu)勢(shì)的新型口腔修復(fù)材料，其應(yīng)用前景十分廣闊。

1氧化鋯基口腔材料的研究概況

氧化鋯基口腔材料主要包括骨架基體（多用氧化釔穩(wěn)定的四邊形氧化鋯多晶3Y-TZP）和基底表面的貼片材料（牙齒陶瓷），它們是通過(guò)持續(xù)的機(jī)械和熱循環(huán)工藝結(jié)合在一起，最后會(huì)對(duì)材料的特性造成破壞。因?yàn)楣羌芎唾N面材料的性質(zhì)不同會(huì)出現(xiàn)粘接的問(wèn)題，所以貼面瓷很容易出現(xiàn)崩裂。目前，雖然在臨床上已經(jīng)大量生產(chǎn)和使用了氧化鋯基材料，但是陶瓷的斷裂問(wèn)題還沒(méi)有得到很好地解決。近十年來(lái)，人們一直在致力于利用氧化鋯基骨架來(lái)解決牙基體表面的裂紋問(wèn)題，然而對(duì)于每個(gè)參數(shù)對(duì)材料性能的影響卻沒(méi)有一個(gè)確切的結(jié)論，所以關(guān)鍵參數(shù)的確定和評(píng)價(jià)對(duì)材料使用壽命的影響是非常廣泛的。

本文從氧化鋯（3Y-TZP）牙科陶瓷材料研究方向的差異性出發(fā)，將具有陶瓷貼面的氧化鋯基牙材料按有關(guān)的全部研究參數(shù)分類(lèi)如下：第一，材料與熱循環(huán)，與材料特性及熱循環(huán)效果有直接關(guān)系的任何參數(shù)，例如熱膨脹系數(shù)、模數(shù)、化學(xué)、擴(kuò)散等，相變、晶體結(jié)構(gòu)、冶金學(xué)特性、熱循環(huán)/人為低溫老化；第二，生產(chǎn)過(guò)程，所有與生產(chǎn)過(guò)程中直接或間接有關(guān)的參數(shù)，例如熱等靜壓/無(wú)壓燒結(jié)、染色處理/著色、表面處理/機(jī)處理/研磨、襯墊、貼面技術(shù)、精整熱處理；第三，幾何特性，與尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)和疲勞相關(guān)的參數(shù)，例如邊緣設(shè)計(jì)/完成線、厚度比、彎曲/傾斜度、形狀和尺寸。

2材料和方法

2.1試件制備

第一，粉末制備采用日本Tosoh公司的納米氧化鋯粉末（型號(hào)：TZ-3YB-E，顆粒尺寸：28 nm），選擇聚乙二醇，根據(jù)試驗(yàn)要求將粉末進(jìn)行稱(chēng)量。

第二，將氧化鋯粉末和造孔劑按照一定的比例進(jìn)行干燥和冷卻等靜壓成形，然后將其置于矩形的鉻合金模具內(nèi)，在20 MPa的壓力下對(duì)氧化鋯板材進(jìn)行擠壓。保壓30 s后，將氧化鋯薄片置于橡塑模中真空抽氣，置于冷等靜壓機(jī)的汽缸中，使壓力達(dá)到200 MPa，并維持5 min，然后進(jìn)行減壓，以獲得氧化鋯生坯。

第三，將冷等靜壓的生坯置于燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，加熱速率為5 ℃/min，加熱溫度為500 ℃，保溫1 h，再加熱到1 300 ℃并持續(xù)6 h。

第四，對(duì)試樣進(jìn)行加工，將燒結(jié)試樣在磨具上、下兩面均磨得平滑，然后用2.5 μm和1 μm的金剛石磨料膏分別打磨和拋光，維氏硬度、斷裂韌性試驗(yàn)用的試樣應(yīng)經(jīng)過(guò)拋光，直至鏡面。將研磨后的樣品用蒸餾水沖洗干凈，放入烤爐中，70 ℃烘干24 h待用。

2.2性能測(cè)試

第一、三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)ISO6872口腔陶瓷材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)組與控制組（20×3*2.5 mm），在通用試驗(yàn)機(jī)上（Instron5566，INSTRON，Norwood，馬薩諸塞州）進(jìn)行，測(cè)定了試樣斷裂時(shí)最大負(fù)荷P，即支點(diǎn)間距為16 ㎜，負(fù)載速度為0.5 ㎜/min。

第二，用單面切割梁法測(cè)量材料的斷裂韌性。將試件固定到切割刀的刀柄上，利用內(nèi)圓切片機(jī)在特殊切削液的作用下，以3 000轉(zhuǎn)/分鐘的速度進(jìn)行切割。在6 ㎜×3 ㎜×20 ㎜的試樣中間，以0.2 ㎜的寬度和3 ㎜的深度，分別對(duì)5個(gè)樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。該試樣的跨度是16 ㎜，載荷速率是0.05 ㎜/min，進(jìn)行斷裂韌度的計(jì)算。

2.3統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

利用SPSS22.0（SPSSInc、Chicago、IL、USA）等統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所有的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析和處理，兩組樣品的機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果都是由單一因子變異數(shù)進(jìn)行的，P<0.05為顯著差異。

3討論

早在60至70年代，為了進(jìn)一步提高其性能，已有學(xué)者提出了一種新型的高分子互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）。IPN由于其獨(dú)特的拓?fù)浜蛥f(xié)同作用，開(kāi)辟了一種全新的制備方法，在功能性材料方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

PICN比陶瓷支架具有更好的機(jī)械性能，撓曲強(qiáng)度是一種具有重要意義的脆性材料性能指標(biāo)。PICN的抗彎承載力在134.67～265.65 MPa之間，符合自然牙本質(zhì)（212.9～41.9 MPa）的撓曲強(qiáng)度，其抗彎性高，可有效地抵抗咬合力和壓應(yīng)力，達(dá)到了口腔修復(fù)材料的使用需求，其彈性模量隨抗彎強(qiáng)度的增加而增大，PICN具有41.3～99.3 GPa的彈性模量，比人造牙釉質(zhì)（48～105.5 GPa）稍低。

至今，尚無(wú)一種材料具有超過(guò)此值的彈性模量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受到載荷時(shí)，高彈性模量材料吸收應(yīng)力較低，在界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，載荷過(guò)多的傳導(dǎo)至牙體組織，造成應(yīng)力集中，在受到過(guò)大的沖擊載荷時(shí)，強(qiáng)度低的牙體組織將首先折裂。如果采用彈性模量與牙體相近似的材料，其受到較大的沖擊載荷時(shí)先于牙體組織折斷，從而起到緩沖作用，從而有效地保護(hù)牙齒的組織，減少發(fā)生牙折的幾率，與常規(guī)修復(fù)材料相比，PICN能更好地保護(hù)牙齒。

PICN的斷裂韌度也比其它修補(bǔ)材料有顯著提高，PICN的斷裂韌性隨樹(shù)脂組分的增大而降低，其主要原因在于：在1 300 ℃以上，材料的力學(xué)性能占主導(dǎo)地位。PICN的斷裂韌性隨樹(shù)脂的增大而降低，但降低的程度有所降低，說(shuō)明樹(shù)脂對(duì)PICN具有一定的增韌效果。有關(guān)增韌機(jī)理的研究較多，其機(jī)理主要是樹(shù)脂在多孔陶瓷中的滲透、斷裂分支和裂縫彎曲，PICN比傳統(tǒng)的牙科陶瓷材料具有更好的防護(hù)作用。

4結(jié)語(yǔ)

PICN的彎曲強(qiáng)度、彈性模量、斷裂韌性、硬度等各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了較高的水平，可以滿足口腔修復(fù)材料的使用需求。

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