氧化鋁噴砂對牙科用氧化鋯基底與飾面瓷結(jié)合強度的影響

曾強 李寧 周亞男 顏家振 劉文博

四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065

3mol%氧化釔穩(wěn)定四方多晶氧化鋯（3mol%yttrium-stabilized tetragonal zirconium polycrystal，3Y-TZP）由于具有優(yōu)良的機械、光學(xué)性能以及生物相容性，在全瓷義齒修復(fù)中受到患者和口腔醫(yī)生的廣泛青睞。近年來，隨著計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制作（computer aided design-computer assomated manufacture，CAD/CAM）技術(shù)在全瓷修復(fù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得氧化鋯陶瓷成為口腔修復(fù)材料的研究熱點。臨床研究[1]表明，飾面瓷的剝離是氧化鋯全瓷修復(fù)體失效的主要形式，基底瓷與飾面瓷材料界面結(jié)合的好壞，是決定全瓷修復(fù)體臨床應(yīng)用成敗的重要因素。因此，提高基底瓷與飾面瓷的結(jié)合強度具有重要的臨床意義。本文采用不同目數(shù)氧化鋁（Al2O3）顆粒對氧化鋯基底進行噴砂處理，測定基底瓷的表面粗糙度以及瓷瓷結(jié)合強度，并結(jié)合掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察以及能譜分析（energy dispersive spectroscopy，EDS），探討噴砂工藝對氧化鋯基底與飾面瓷結(jié)合強度的影響，為3Y-TZP的臨床使用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗材料和儀器

3Y-TZP瓷塊（成都科寧達材料有限公司），VITA VM9飾面瓷粉（維他公司，德國），結(jié)晶爐、全瓷烤瓷爐（中鋼集團洛陽耐火材料研究院），雙筆式噴砂機Ⅵ（廣西南寧市維晶美醫(yī)療器械有限公司），微機控制電子萬能試驗機（深圳市瑞格爾儀器有限公司），TR200手持式表面粗糙度測量儀（北京時代之峰科技有限公司），熱膨脹分數(shù)測定儀（湘潭市儀器儀表有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 基底材料的試件制備及分組 將氧化鋯基底材料坯體切割并經(jīng)過1 480 ℃燒結(jié)后保溫120 min，制得最終尺寸為（25±1） mm×（3±0.1） mm×（0.5±0.05） mm的片狀試樣21個，并嚴格控制其尺寸精度。將21個試樣隨機分為3組，每組7個樣本，其中6個進行瓷瓷結(jié)合強度實驗，1個進行SEM觀察及EDS分析。對與飾面瓷結(jié)合表面進行表面處理，在寬度為3 mm的面上進行噴砂工藝，按工藝的不同進行分組，具體如下。A組：110目Al2O3顆粒，空氣壓力為0.5 MPa，距離樣品表面10 mm，噴砂時間為20 s；B組：80目Al2O3顆粒，空氣壓力為0.5 MPa，距離樣品表面10 mm，噴砂時間為20 s；對照組：不對表面做任何處理。經(jīng)過15 min超聲波乙醇清洗并干燥后，測定樣品的表面粗糙度。

1.2.2 飾面瓷燒結(jié) 使用VITA VM9瓷粉專用液稀釋飾面瓷粉，將漿體對稱地涂覆在樣品經(jīng)過表面處理的面上，按照廠家推薦的燒結(jié)程序進行飾面瓷燒結(jié)，并對飾面瓷進行打磨，使得燒結(jié)后飾面瓷長（8±0.1） mm，飾面瓷總厚度為（1.1±0.1） mm。

1.2.3 瓷瓷結(jié)合強度的測定與計算 參照ISO 9693要求，3組樣品中各取6個進行三點彎曲試驗，測定氧化鋯基底與飾面瓷的結(jié)合強度。兩支點間的距離為20 mm，壓頭刃口曲率半徑為1.0 mm，保證試件的烤瓷面對稱地位于加荷面的反面。以1 mm·min-1的恒定速率施力，記錄試件烤瓷層一端剝離時的斷裂力Ffail。根據(jù)公式τb=k·Ffail計算出飾面瓷與氧化鋯基底剝離時的強度，其中k值由氧化鋯基底的厚度以及楊氏模量決定。

1.2.4 界面SEM觀察及EDS分析 3組樣品中各取1個試樣，打磨基底瓷與飾面瓷的結(jié)合界面至清晰可見，超聲波清洗5 min后噴金處理，放入SEM中觀察結(jié)合界面的顯微形貌以及進行EDS分析。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 21.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，表面粗糙度和瓷瓷結(jié)合強度進行單因素方差分析以及組間兩兩比較的LSD檢驗，檢驗水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 各組試樣表面粗糙度和瓷瓷結(jié)合強度

A組、B組和對照組表面粗糙度分別為（1.272±0.149）、（0.622±0.113）、（0.221±0.065） μm；A組、B組和對照組瓷瓷結(jié)合強度分別為（28.21±1.52）、（27.71±1.27）、（24.87±3.84） MPa。噴砂后，試樣表面粗糙度增大，瓷瓷結(jié)合強度略有提高。統(tǒng)計學(xué)分析顯示：各組表面粗糙度之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。瓷瓷結(jié)合強度組間兩兩比較的LSD檢驗中，B組和A組、對照組之間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），而A組的強度顯著大于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

2.2 破壞模式觀察結(jié)果

觀察所有全瓷修復(fù)體的破壞模式，3組均未見基底瓷或飾面瓷內(nèi)聚破壞，B組和對照組全瓷修復(fù)體均為結(jié)合界面附著破壞；A組5個全瓷修復(fù)體為結(jié)合界面附著破壞，1個為混合破壞。

2.3 SEM觀察及EDS分析

SEM觀察結(jié)果顯示，氧化鋯基底與飾面瓷在界面結(jié)合緊密，無明顯間隙，噴砂后結(jié)合界面表面粗糙度增大（圖1）。EDS分析結(jié)果表明，Zr元素在基底瓷中含量較高，在結(jié)合界面處急劇下降，而飾面瓷中幾乎不含Zr；Si元素在飾面瓷中含量較高，結(jié)合界面處急劇下降，基底瓷中幾乎不含Si，界面無明顯元素滲透現(xiàn)象（圖2）。

圖1 結(jié)合界面觀察結(jié)果 SEM × 2 000Fig 1 Results of examination about the framework-veneering interface SEM × 2 000

圖2 結(jié)合界面能譜分析結(jié)果Fig 2 Results of EDS about the framework-veneering interface

3 討論

噴砂工藝通過砂粒對氧化鋯基底的碰撞作用，去除表面的雜質(zhì)，并改變基底瓷的表面積、表面粗糙度以及應(yīng)力狀態(tài)，從而影響界面結(jié)合強度[2]。目前，噴砂工藝對氧化鋯基底與飾面瓷結(jié)合強度的影響尚無統(tǒng)一結(jié)論。Kirmali等[3]通過對氧化鋯基底進行噴砂處理，得出噴砂組瓷瓷結(jié)合強度為（23.31±4.10） MPa，未處理組瓷瓷結(jié)合強度為（11.31±5.56） MPa，差異有統(tǒng)計學(xué)意義，故認為噴砂工藝能夠顯著提高瓷瓷結(jié)合強度。而閆海鑫等[4]卻得出截然不同的結(jié)論，該研究組通過平行剪切實驗，得出噴砂組和未處理組瓷瓷結(jié)合強度分別為（20.747±5.81）、（18.748±4.99） MPa，差異無統(tǒng)計學(xué)意義，并認為噴砂工藝不能顯著提高氧化鋯基底與飾面瓷的結(jié)合強度。本研究中采用2種不同目數(shù)的Al2O3顆粒對氧化鋯基底表面進行噴砂處理，探討噴砂工藝對瓷瓷結(jié)合強度的影響。統(tǒng)計結(jié)果顯示：除A組與對照組外，其余各組間結(jié)合強度的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。A組與對照組間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，表明噴砂工藝可以提高氧化鋯基底與飾面瓷的結(jié)合強度，但B組與另外2組間的差異卻并無統(tǒng)計學(xué)意義，這可能是因為B組表面粗糙度與另外2組相差不大，雖對結(jié)合強度產(chǎn)生一定的影響，但尚構(gòu)不成顯著性差異，說明噴砂工藝雖能提高氧化鋯基底與飾面瓷的結(jié)合強度，但作用不明顯，當(dāng)表面粗糙度差異較大時，結(jié)合強度才能形成顯著性差異。

全瓷修復(fù)體的破壞模式包括基底材料或飾面瓷的內(nèi)聚破壞、結(jié)合界面附著破壞和混合破壞等[5]。當(dāng)基底材料與飾面瓷的結(jié)合強度較低時，表現(xiàn)為結(jié)合界面附著破壞，即飾面瓷與基底瓷發(fā)生整體剝離；當(dāng)結(jié)合強度較高時，表現(xiàn)為基底材料或飾面瓷的內(nèi)聚破壞，即基底材料或飾面瓷發(fā)生破壞。本研究中，17例表現(xiàn)為結(jié)合界面附著破壞，僅有1例為混合破壞，且并沒有發(fā)生基底瓷內(nèi)聚破壞現(xiàn)象。表明2種瓷間的結(jié)合強度遠低于瓷本身，破壞將首先在結(jié)合界面處產(chǎn)生。SEM觀察顯示，氧化鋯基底與飾面瓷結(jié)合緊密，界面無明顯間隙，機械嵌合良好，經(jīng)過噴砂工藝處理后，界面表面粗糙度明顯增大。說明噴砂工藝可以粗化結(jié)合界面，增加表面粗糙度，從而增大基底瓷與飾面瓷的結(jié)合面積，進而增強2種瓷間的機械嵌合作用，提高瓷瓷結(jié)合強度。金瓷修復(fù)體中，合金表面的氧化層與陶瓷成分可通過擴散并反應(yīng)形成以離子鍵和共價鍵為主的化學(xué)結(jié)合，使金瓷修復(fù)體具有較高的結(jié)合強度[6]；而全瓷修復(fù)體結(jié)合界面并沒有通過化學(xué)反應(yīng)生成一個明顯的過渡層，飾面瓷直接與基底瓷接觸，EDS分析表明：基底瓷中Zr元素含量在界面急劇下降，飾面瓷中幾乎不含Zr元素，而Si元素在以長石質(zhì)陶瓷為主要成分的飾面瓷中含量較高，結(jié)合界面處也急劇下降，2種瓷之間無明顯元素滲透現(xiàn)象。說明在全瓷修復(fù)體中，對結(jié)合強度起主導(dǎo)作用的是2種瓷之間的機械嵌合作用，而是否產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合作用，還有待進一步的研究。

全瓷基底與飾面瓷的熱膨脹系數(shù)（coefficients of thermal expansion，CTE）差異也是影響瓷瓷結(jié)合強度的重要因素。若飾面瓷材料的CTE大于全瓷基底材料，則在飾面瓷內(nèi)將產(chǎn)生張應(yīng)力，易發(fā)生飾面瓷分層現(xiàn)象以及在飾面瓷內(nèi)產(chǎn)生微裂紋，降低瓷瓷結(jié)合強度[7]。故一般要求飾面瓷材料的CTE略低于全瓷基底，這一微小的差異可在強度較弱的飾面瓷內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高瓷瓷結(jié)合強度[8]。參考金瓷匹配原則，CTE差異一般控制在（0.9～1.5）×10-6·K-1[9]。本研究中所用氧化鋯基底CTE（25～500℃）為10.6×10-6·K-1，飾面瓷VITA VM9 CTE（25～500℃）為（8.8～9.2）×10-6·K-1，差異基本控制在可接受范圍內(nèi)。氧化鋯基底在進行噴砂時，表面受到砂粒的碰撞作用，將會發(fā)生部分四方相（t相）向單斜相（m相）的轉(zhuǎn)變，Liu等[10]的研究也證明了這一觀點。Elsaka[11]認為基底材料中由于m相的存在，極有可能導(dǎo)致晶粒間微裂紋的產(chǎn)生，影響全瓷修復(fù)體的使用壽命。m相CTE僅為7.5×10-6·K-1[11]，低于飾面瓷，將在飾面瓷內(nèi)產(chǎn)生張應(yīng)力，降低結(jié)合強度。而伊元夫等[12]對噴砂后試樣進行相結(jié)構(gòu)分析，在2次模擬牙科燒結(jié)循環(huán)后，m相含量從噴砂后8.45%減少到0.70%，與退火后的樣品接近。表明經(jīng)過飾面瓷燒結(jié)程序后，基底中m相能大量的轉(zhuǎn)變?yōu)閠相，最后幾乎不含m相。故本研究中，經(jīng)過飾面瓷燒結(jié)程序后，噴砂工藝誘發(fā)相轉(zhuǎn)變生成的m相可逆轉(zhuǎn)變?yōu)閠相，因而噴砂工藝對熱膨脹系數(shù)幾乎無影響，主要通過改變基底表面粗糙度，增大界面結(jié)合面積，增強機械嵌合作用而提高結(jié)合強度。

綜上所述，噴砂工藝主要通過改變氧化鋯基底表面狀態(tài)，增強2種瓷間的機械嵌合作用，提高瓷瓷結(jié)合強度，但作用不明顯，表面粗糙度差異較大時，強度才能形成顯著性差異。增強基底瓷與飾面瓷的化學(xué)結(jié)合作用，是未來改善結(jié)合性能的重要途徑。

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