牙科樹脂滲透氧化鋯陶瓷材料的制備與性能研究

許青

摘要通過利用三點抗彎強度試驗測定了材料的抗彎、彈性模量，并用單面切口梁法測量了材料的斷裂韌性，利用納米壓痕測量系統測量了材料的硬度，并用SEM觀察了其微觀組織，研制一種用于牙科樹脂滲透性的氧化鋯陶瓷材料，并對其力學性質進行測試。該樹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結果表明，PICN材料中的樹脂充分滲入到陶瓷的孔洞中，該材料的力學性能接近于人的牙釉質和牙本質，是一種很有前途的新型材料。

關鍵詞 ?牙科樹脂滲透；氧化鋯陶瓷；性能

0引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對牙齒缺損的修復和處理也越來越迫切，因此選用美觀、生物相容性好、與牙齒的組織特性相適應的修復材料是獲得長期、穩定、成功的關鍵，目前臨床上最常用的兩種修復材料是陶瓷和樹脂。近年來，隨著CAD/CAM技術的不斷發展，陶瓷、樹脂等材料在口腔修復中得到了廣泛的應用，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%時就會出現脆化斷裂；樹脂材料具有色澤好、操作簡單、對對頜牙磨損小等優點，但其力學性能低（強度低、易磨損）成為其應用的主要障礙。雖然隨著樹脂填料的開發和納米復合樹脂的問世，其力學性能得到了提高，但是其臨床應用效果并不理想，所以在口腔材料領域尋找一種既有陶瓷又有樹脂等多種優勢的新型口腔修復材料，其應用前景十分廣闊。

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），它們是通過持續的機械和熱循環工藝結合在一起，最后會對材料的特性造成破壞。因為骨架和貼面材料的性質不同會出現粘接的問題，所以貼面瓷很容易出現崩裂。目前，雖然在臨床上已經大量生產和使用了氧化鋯基材料，但是陶瓷的斷裂問題還沒有得到很好地解決。近十年來，人們一直在致力于利用氧化鋯基骨架來解決牙基體表面的裂紋問題，然而對于每個參數對材料性能的影響卻沒有一個確切的結論，所以關鍵參數的確定和評價對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，將具有陶瓷貼面的氧化鋯基牙材料按有關的全部研究參數分類如下：第一，材料與熱循環，與材料特性及熱循環效果有直接關系的任何參數，例如熱膨脹系數、模數、化學、擴散等，相變、晶體結構、冶金學特性、熱循環/人為低溫老化；第二，生產過程，所有與生產過程中直接或間接有關的參數，例如熱等靜壓/無壓燒結、染色處理/著色、表面處理/機處理/研磨、襯墊、貼面技術、精整熱處理；第三，幾何特性，與尺寸、形狀、結構和疲勞相關的參數，例如邊緣設計/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：TZ-3YB-E，顆粒尺寸：28 nm），選擇聚乙二醇，根據試驗要求將粉末進行稱量。

第二，將氧化鋯粉末和造孔劑按照一定的比例進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，在20 MPa的壓力下對氧化鋯板材進行擠壓。保壓30 s后，將氧化鋯薄片置于橡塑模中真空抽氣，置于冷等靜壓機的汽缸中，使壓力達到200 MPa，并維持5 min，然后進行減壓，以獲得氧化鋯生坯。

第三，將冷等靜壓的生坯置于燒結爐中進行燒結，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6 h。

第四，對試樣進行加工，將燒結試樣在磨具上、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、斷裂韌性試驗用的試樣應經過拋光，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性能測試

第一、三點彎曲強度試驗根據ISO6872口腔陶瓷材料標準進行，試驗組與控制組（20×3*2.5 mm），在通用試驗機上（Instron5566，INSTRON，Norwood，馬薩諸塞州）進行，測定了試樣斷裂時最大負荷P，即支點間距為16 ㎜，負載速度為0.5 ㎜/min。

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

2.3統計學分析

利用SPSS22.0（SPSSInc、Chicago、IL、USA）等統計軟件對所有的檢測結果進行了分析和處理，兩組樣品的機械性能試驗結果都是由單一因子變異數進行的，P<0.05為顯著差異。

3討論

早在60至70年代，為了進一步提高其性能，已有學者提出了一種新型的高分子互穿網絡（IPN）。IPN由于其獨特的拓撲和協同作用，開辟了一種全新的制備方法，在功能性材料方面有著得天獨厚的優勢。

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

至今，尚無一種材料具有超過此值的彈性模量。結果發現，受到載荷時，高彈性模量材料吸收應力較低，在界面產生應力集中，載荷過多的傳導至牙體組織，造成應力集中，在受到過大的沖擊載荷時，強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先于牙體組織折斷，從而起到緩沖作用，從而有效地保護牙齒的組織，減少發生牙折的幾率，與常規修復材料相比，PICN能更好地保護牙齒。

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

4結語

PICN的彎曲強度、彈性模量、斷裂韌性、硬度等各項性能指標都達到了較高的水平，可以滿足口腔修復材料的使用需求。

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