三種牙科氧化鋯陶瓷微觀結構及抗彎強度的初步比較

孫賀升　劉潔　廖楓林　尹文靜　張飚

摘 要：本文研究燒結、拋光和噴砂對三種氧化鋯陶瓷微觀結構和抗彎強度的影響。XRD表明，燒結過程可以讓各組陶瓷產生相轉變，SEM觀察拋光和噴砂對三組陶瓷的表面形貌的影響無明顯差異，但噴砂組陶瓷晶粒尺寸和表面粗糙度增大。噴砂后Wieland陶瓷的抗彎強度顯著高于Upcera陶瓷和Direkt陶瓷[1組（864.02±139.91）MPa， 2組（727.29±80.79）MPa， 3組（659.81±71.77）MPa]。氧化鋯陶瓷在燒結過程中發生了相變。噴砂增加了陶瓷的表面粗糙度和晶粒尺寸。三組陶瓷生料經燒結拋光和噴砂后，Wieland陶瓷的抗彎強度最高。

關鍵詞：氧化鋯陶瓷；顯微結構；噴砂；拋光；抗彎強度

1 前 言

氧化鋯（ZrO₂）具有三個主要相（單斜相、四方相和立方相），純氧化鋯在室溫和1170℃時呈單斜相（m），高于此溫度時變為四方晶（t），可通過添加金屬氧化物釔（Y₂O₃）或鈰（CeO₂）以保持其在室溫下穩定，高于2370℃和其熔點，氧化鋯為立方相（c）[1]。據報道，陶瓷表面缺陷周圍的局部t-m相變會導致陶瓷體積增大（～ 3-5%），使缺陷周圍產生壓應力集中，又阻止裂紋的擴展[2]，既增加了陶瓷的斷裂韌性，因此，t-m相變也被認為是磨削和噴砂等所施外應力的結果。

氧化鋯陶瓷在牙科修復的成功依賴于陶瓷與粘結劑的機械聯鎖，然而氧化鋯陶瓷對氫氟酸（HF）蝕刻不反應，HF不會產生微機械滯留，也不會使表面在化學上更活躍[3]。因此，通常采用氧化鋁（Al₂O₃）顆粒噴砂，以增加粘結劑與氧化鋯表面的附著力[3]。Al₂O₃顆粒的尺寸在25-250μm范圍內。盡管較大的顆粒尺寸可以改善粗糙度和微機械保留率，但它也會在氧化鋯表面上產生了深層微裂紋，這降低了抗彎強度，影響長期性能。因此，建議使用較小的Al₂O₃顆粒（低于50μm），既可優化表面粗糙度，又能最大限度地減少表面損傷。

Al₂O₃顆粒噴砂對陶瓷抗彎強度的影響結果存在爭議，一些研究聲稱氧化鋯對抗折強度有積極作用[4， 5]。噴砂后抗彎強度的提高可能是由于殘余壓應力層的存在而引起t-m相變。但它仍然缺乏具體的機制。另一方面，有研究表明噴砂組與非噴砂組抗彎強度差異無統計學意義[6]。可能是相變增韌機制抵消了表面損傷，對抗彎強度無影響。有趣的是，一項研究報告了由于高Y₂O₃含量[7]而導致的結果下降。這些研究中，無論是形狀標準的試件還是形狀各異的牙科修復體，通常都對不同品牌的氧化鋯陶瓷進行對比。目前易被牙科接受的計算機輔助設計和制造（CAD/CAM）氧化鋯陶瓷大致有三種，包括Wieland陶瓷、Upcera陶瓷和Direkt陶瓷，它們在牙科專業的性能均有不同，可能與它們各自的化學成分有關。燒結成型以后，牙科通常采用、拋光、噴砂等方法來改善其力學性能和粘結效果，然而，這些處理方案對三種牙用氧化鋯陶瓷的微觀結構和抗彎強度的影響尚不明確。

2材料與方法

2.1材料和設備

2.1.1 材料

Y-TZP陶瓷（德國Wieland，主要成分：氧化鋯≥99%，氧化釔>4.5%-<6.0%，氧化鉿≤5%，氧化鋁+其他氧化物≤1.0%），3Y-TZP陶瓷（中國Upcera，主要成分未公開），3Y-TZP陶瓷（德國Direkt，主要成分：氧化鋯+氫氧化鉻≥90%，氧化釔<10%，氧化鋁<0.1%，其他氧化物≤0.005%）。

2.1.2 設備

金相拋光機（MP-1，上海金相機械設備有限公司），高溫電阻爐（根據各公司情況而定），精密噴砂機（Basic，Master，德國），萬能材料試驗機（AGS-10kg，日本），掃描電子顯微鏡（S-4800，日本），X射線衍射儀（smartlab， 日本）。

2.2方法

2.2.1 材料的分組、制備和X射線衍射分析

三種品牌共60塊陶瓷被分為三組（第一組Wieland陶瓷、第二組Upcera陶瓷、第三組Direkt），每組20塊瓷錠。每組中10個瓷錠制成圓柱體（Ф10.0mm×1.0mm），然后用X射線衍射（XRD）對陶瓷進行分析。

2.2.2 燒結和噴砂

每組剩余的10個瓷錠制成長方體（25.0mm×4.0mm×1.2mm），按廠商要求進行燒結，燒結后一面拋光，另一面按照臨床指南進行噴砂。噴砂采用氧化鋁砂粒，粒徑為30-50μm，噴砂壓力為0.3MPa，砂束與表面的角度為45°，噴嘴與表面的距離為8mm，噴射時間為20s。噴砂后采用超聲波清洗，在50℃下干燥30min。

2.2.3 觀察和測試

用SEM分別觀察拋光和噴砂的瓷錠表面，然后用XRD進行分析（參數為銅靶，掃描步長0.02°，掃描速度0.1秒/步，衍射角（2θ），掃描范圍25°至35°，計算m-ZrO₂的相對含量）。然后在萬能材料試驗機上通過三點測試對樣本進行抗彎強度測試。壓頭的直徑為4mm，跨度為20mm，加載速度為0.5mm/min，直到試樣被破壞，并記錄最大載荷。

2.2.4 統計學分析

采用SPSS 13.0軟件進行統計分析。三組的抗彎強度采用單因素方差分析，檢驗水平為雙尾α=0.05。

3結果

3.1Wieland陶瓷在燒結過程中發生相變最為顯著

對Wieland陶瓷初始樣品的XRD分析表明，四方相（t）是表面上的主要峰。此外，次要的峰是單斜相（m）。XRD表明，氧化鋯材料中主要含有四方相，單斜相是次要相。然而，燒結后的樣本主要含有四方相（t），這表明在燒結過程中，單斜相轉變為四方相，換句話說，燒結引起m-t相的轉化。

3.2噴砂增加陶瓷表面粗糙度和晶粒尺寸

對陶瓷表面的SEM分析顯示，三種氧化鋯陶瓷在拋光后表面均較平整光滑，存在部分凹槽。我們也發現無論哪個品牌，Al2O3噴砂后的樣本表面粗糙度和晶粒尺寸增加，可見表面晶粒逸出，明顯的微裂紋，晶界消失。

3.3三組中Wieland陶瓷噴砂后的抗彎強度最高

三點測試結果表明，Wieland陶瓷在噴砂后具有最高的抗彎強度（864.02±139.91MPa）。單因素方差分析用于比較三組之間的數值，表明Wieland陶瓷的抗彎強度明顯高于其他兩組，而Upcera陶瓷和Direkt陶瓷在噴砂后沒有明顯差異。總體結果通過Tukey HSD檢驗進行比較。

4討論

本研究的XRD顯示，Wieland陶瓷在燒結前主要單斜相和四方相晶體，燒結以后XRD顯示，單斜相轉變為完全穩定的四方相結構，廠商提供的燒結溫度足以引起這種相變。SEM分析顯示，三種陶瓷拋光后表面顯微結構相似，出現規則而清晰、深度不明顯的溝槽，噴砂以后的材料表面產生明顯變化。

噴砂用于增加試件的表面粗糙度以促進其與氧化鋯陶瓷的結合，同時，噴砂對陶瓷強度的影響尚無定論，Souza[5]和Barreto[4]研究表明，用50μm和45μm的Al₂O₃顆粒噴砂可以提高抗彎強度；也有研究認為，Y₂O₃含量高的材料在噴砂后抗彎強度下降[7]；還有研究表明，Al₂O₃噴砂對材料的抗彎強度沒有明顯影響[6]。噴砂采用沉積氧化鋁（Al₂O₃）或涂有氧化硅（SiO₂）的氧化鋁顆粒進行噴砂。噴砂壓力、顆粒材料、顆粒大小、噴砂時間和距離是影響Y-TZP陶瓷噴砂效果的重要因素[4-6]。本研究選用Al₂O₃的粒徑為30-50μm，噴砂壓力為0.3MPa。SEM觀察，陶瓷晶粒增大，噴砂面有少量基質材料被移除，出現坑嵴等不規則形狀和細小裂紋，這些變化起到一定的增強增韌作用。

用三點測試來比較三種陶瓷在噴砂后的抗彎強度的結果顯示，與陶瓷中氧化鋯含量對比，噴砂后Wieland陶瓷的抗彎強度明顯高于Direkt陶瓷，Wieland陶瓷的抗彎強度明顯高于其他兩組（表1）。噴砂對Wieland陶瓷的影響與Souza[5]和Barreto[4]研究結果相近，噴砂對Upcera陶瓷的影響有待深入研究。

5結論

（1）三種不同氧化鋯含量的陶瓷在燒結過程中發生了相變，Wieland陶瓷最顯著。

（2）噴砂增加了三種氧化鋯陶瓷的表面粗糙度和晶粒尺寸。

（3）三種陶瓷經過燒結和噴砂后，Wieland陶瓷的抗彎強度最高。

參考文獻

[1] Denry I， Kelly J R. Emerging Ceramic-based Materials for Dentistry[J]. Journal of Dental Research， 2014，93（12）：1235-1242.

[2] De Souza G M， Zykus A， Ghahnavyeh R R， et al. Effect of accelerated aging on dental zirconia-based materials[J]. J Mech Behav Biomed Mater， 2017，65：256-263.

[3]zcan M， Vallittu P K. Effect of surface conditioning methods on the bond strength of luting cement to ceramics[J]. Dental Materials， 2003，19（8）：725-731.

[4] Barreto S C， Lima R， Aguiar F， et al. Mechanical properties of aged yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal after abrasion with different aluminum oxide particles[J]. J Prosthet Dent， 2020，124（5）：599-604.

[5] Souza R O A， Valandro L F， Melo R M， et al. Air–particle abrasion on zirconia ceramic using different protocols： Effects on biaxial flexural strength after cyclic loading， phase transformation and surface topography[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2013，26：155-163.

[6] Ozdogan A， Yesil Duymus Z. Investigating the Effect of Different Surface Treatments on Vickers Hardness and Flexural Strength of Zirconium and Lithium Disilicate Ceramics[J]. Journal of prosthodontics， 2020，29（2）：129-135.

[7] Inokoshi M， Shimizubata M， Nozaki K， et al. Impact of sandblasting on the flexural strength of highly translucent zirconia[J]. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials， 2021，115：104268.