3 種金屬成形技術(shù)制作的鈷鉻合金全冠表面質(zhì)量的比較研究

何勇 李月 趙靜

鈷鉻合金因不含導(dǎo)致過敏的鎳元素[1]、生物相容性良好、耐疲勞性強、機械強度高及價格經(jīng)濟成為目前應(yīng)用最廣的口腔用合金材料之一[2]。失蠟精密鑄造技術(shù)是鈷鉻合金全冠制作的主流方法。該法需要先手工制作個性化蠟型，對熔模進行包埋、焙燒，再進行鑄造，不僅工藝繁瑣、周期長、制作效率低，而且易出現(xiàn)鑄造不全、鑄件變形、粘砂等問題[3]，已無法滿足醫(yī)生和患者們對于實現(xiàn)快速化、個性化口腔修復(fù)治療的要求。

隨著科技的發(fā)展，口腔修復(fù)體制作邁入以計算機技術(shù)為支撐平臺的數(shù)字化口腔修復(fù)時代?？谇恍迯?fù)領(lǐng)域的數(shù)字化制造技術(shù)主要包括減材制造技術(shù)和增材制造技術(shù)[4]。計算機數(shù)控(computerized numerical control，CNC)銑削技術(shù)是基于“減材”形式的制造方法，通過光學(xué)掃描儀獲取數(shù)字印模，經(jīng)計算機輔助設(shè)計的修復(fù)體數(shù)字模型，在數(shù)控機床上將塊狀材料逐步銑磨出修復(fù)體。選擇性激光熔融(selective laser melting，SLM)技術(shù)是一種基于“增材”方式的快速成型技術(shù)，它是根據(jù)計算機輔助設(shè)計的修復(fù)體數(shù)字模型，利用SLM設(shè)備在特定的技術(shù)參數(shù)，如激光掃描速度、掃描空間、掃描溫度等條件下，將金屬粉末逐層疊加熔融[5]。CNC、SLM等數(shù)字化口腔修復(fù)技術(shù)正在逐步替代傳統(tǒng)的鑄造加工方式，使自動化或半自動化制作修復(fù)體成為現(xiàn)實[6]，提高了加工效率和精度，縮短了加工時間，成為口腔修復(fù)體制作的新趨勢[7]。

口腔修復(fù)體的質(zhì)量是選擇制作技術(shù)的關(guān)鍵因素。目前對于CNC銑削和SLM制作的修復(fù)體的研究主要集中在機械性能、生物學(xué)性能等方面，而對于修復(fù)體表面質(zhì)量的研究較少[8]。表面粗糙度是評定修復(fù)體表面質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，與制作方法和工藝密切相關(guān)，是評價金屬修復(fù)體是否成功的重要指標(biāo)[9]。表面粗糙度低的修復(fù)體，不僅患者戴用感覺舒適，還可阻止細菌在其表面附著，有利于牙體牙周組織健康。表面平滑光潔還能防止金屬失去光澤，增強金屬的抗腐蝕能力。目前國內(nèi)對鈷鉻合金全冠表面粗糙度的研究主要通過立方體或金屬片[10-11]試件實現(xiàn)，不能完全體現(xiàn)臨床應(yīng)用的情況。本研究采用3 種不同的金屬成形技術(shù)制作鈷鉻合金全冠，通過分析自然表面和研磨拋光處理后表面的表面粗糙度及顯微形貌，評價不同金屬成形技術(shù)對鈷鉻金屬全冠表面質(zhì)量的影響，為計算機輔助技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與設(shè)備

1.1 主要材料與儀器

右上第一前磨牙為金屬全冠預(yù)備模型的上下頜樹脂標(biāo)準(zhǔn)模型(Dental Study Model A50，Nissin，日本)；牙科模型石膏(賀利氏古莎，德國)；輕型加聚型硅橡膠印模材(ImprintTMⅡ型混合槍注式，3M ESPE，美國)；技工復(fù)模硅橡膠印模材(elite double 16，Zhermack，意大利)；鈷鉻合金(Co 60.2%、Cr 25.0%、Mo 4.8%、W 6.2%，Wirobond 280)、鈷鉻合金粉(Co 61.5%、Cr 26.0%、Mo 6.0%、W 5.0%，Wirobond C+，Bego，德國)；鈷鉻合金切削金屬盤(Co 61%、Cr 26.0%、Mo 4.5%、W 6.5%，JINBEGO DC)；牙科三維掃描儀(AutoScan-DS200+，先臨三維)；金屬激光3D打印機(EOS M280，德國)；數(shù)控牙科雕刻機(DWX-50，Roland，日本)；3D光學(xué)輪廓儀(KLA-Tencor Micro XAM，美國)；掃描電子顯微鏡(JSM-6701F，日本)。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備 選擇右上第一前磨牙為金屬全冠預(yù)備模型的上下頜樹脂標(biāo)準(zhǔn)模型，用硅橡膠復(fù)模材料復(fù)制30 個印模，并用硬石膏灌注石膏模型。將石膏模型隨機分為鑄造、SLM、CNC 3 組，每組10 個模型，隨機編號1-10。鈷鉻合金全冠的制作及打磨拋光均委托深圳市家鴻口腔醫(yī)療股份有限公司按企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)制作完成。鑄造組由一名熟練的牙科技師在基牙預(yù)備體石膏模型上制作10 個全冠修復(fù)體的蠟型，采用失蠟精密鑄造技術(shù)對蠟型進行包埋鑄造。鑄造溫度1 350 ℃，離心功率1.6 MHz，鑄造完成后的鈷鉻合金全冠在Al2O3粒度400 μm、壓強0.2～0.3 MPa的條件下進行表面噴砂、清潔。CNC組和SLM組模型由另一名熟練的牙科技師采用牙科三維掃描儀進行掃描生成數(shù)字模型，并分別設(shè)計數(shù)字化金屬全冠修復(fù)體。CNC組采用數(shù)控牙科雕刻機銑削鈷鉻合金金屬盤，車針最小直徑為1 mm，轉(zhuǎn)速16 000 r/min，銑削完后采用慢速打磨機將10 個鈷鉻合金全冠從金屬盤上切割下來。SLM組采用金屬激光3D打印機選擇性、逐層熔融鈷鉻合金粉末，光纖激光強度200 W，最大掃描速度12 m/s，熔覆層厚30 μm，光斑直徑40 μm，惰性氣體氛圍，打印完成后采用慢速打磨機將10 個鈷鉻合金全冠從支撐柱上切割下來。30 個鈷鉻合金全冠的自然表面進行表面粗糙度測量和顯微形貌分析后，再由同一名熟練的牙科技師按照企業(yè)工藝流程，依次使用鎢鋼磨頭、金剛砂車針、碳化硅綠砂石、氧化鋁白砂石、橡皮輪，最后用棉輪加金相拋光膏對30個鈷鉻合金全冠進行表面研磨拋光處理，直至呈現(xiàn)鏡面狀。

1.2.2 表面粗糙度測量 采用3D光學(xué)輪廓儀，分別測量鈷鉻合金全冠的自然表面和研磨拋光表面的縱向輪廓特征和三維輪廓特征，并計算輪廓算術(shù)平均偏差Ra。測試前，所有全冠樣品均用蒸餾水超聲震蕩清洗3 min后自然晾干。測試環(huán)境為溫度(20±3) ℃，濕度(40～80)%RH，測尖2 μm，最大測量范圍20 μm，最大取樣長度8 mm，測量部位為頰軸嵴中點處，取樣長度0.8 mm。

1.2.3 顯微形貌分析 鑄造組、CNC組和SLM組隨機選擇一個全冠樣本，在研磨拋光處理前后，用導(dǎo)電膠固定，在掃描電子顯微鏡下(SEM)觀察其顯微形貌。工作電壓15 kV，放大倍數(shù)500。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用多均數(shù)比較的方差分析法分析不同成型方法對鈷鉻合金全冠的表面粗糙度的影響，差異有統(tǒng)計學(xué)意義再進行兩兩比較。SPSS 19.0進行統(tǒng)計處理，檢驗標(biāo)準(zhǔn)為α=0.05。P<0.05時差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 金屬全冠宏觀表面形態(tài)

研磨拋光前，CNC組鈷鉻合金全冠表面有金屬光澤，微見平行排列的云紋狀加工痕跡；SLM組鈷鉻合金全冠表面粗糙，可見大量顆粒狀加工痕跡；鑄造組鈷鉻合金全冠呈灰暗表面，未見明顯加工痕跡。研磨拋光后，鈷鉻合金全冠的自然表面均光滑呈鏡面狀，有金屬光澤且不可辨加工痕跡(圖 1)。

圖 1 研磨拋光前、后3 種金屬全冠表面形態(tài)

Fig 1 The surface of the crowns before and after grinding and polishing

2.2 表面粗糙度(Ra)

研磨拋光前后，鑄造組、CNC組和SLM組的鈷鉻合金全冠的表面Ra均值，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。研磨拋光前，鈷鉻合金全冠的自然表面的表面粗糙度Ra值CNC組<鑄造組

組別研磨拋光前研磨拋光后鑄造組1.887±0.230b0.190±0.059dCNC組1.251±0.473c0.089±0.037fSLM組4.650±0.553a0.136±0.044e

注： 不同的上標(biāo)字母代表組間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義,P<0.05

2.3 表面縱向輪廓特征

研磨拋光前，3 種不同技術(shù)制作的鈷鉻合金全冠的自然表面均存在高低起伏的輪廓。其中CNC組的表面輪廓排列最規(guī)律，每個輪廓寬度為～150 μm，高度為±2.5 μm。鑄造組和SLM組的表面輪廓排列不規(guī)律，輪廓高度遠大于CNC組。研磨拋光后，3 種技術(shù)制作的鈷鉻合金全冠的表面輪廓高度均變小，在±0.6 μm以內(nèi)，其中CNC組和SLM組絕大多數(shù)表面的輪廓高度在±0.2 μm范圍內(nèi)(圖 2)。

圖 2 研磨拋光前后3 種成形技術(shù)制作的鈷鉻金屬全冠自然表面的縱向輪廓圖

2.4 表面三維輪廓特征

研磨拋光前，CNC組鈷鉻合金全冠的自然表面呈較規(guī)則的條紋狀，鑄造組和SLM組表面輪廓粗糙且無規(guī)律。研磨拋光后，3 組鈷鉻合金全冠的表面均呈緊密平行排列的細條紋狀，CNC組和SLM組比鑄造組更光滑平整(圖 3)。

圖 3 研磨拋光前、后3 種成形技術(shù)制作的鈷鉻金屬全冠的表面三維輪廓圖

2.5 顯微形貌分析

研磨拋光前、后，3 種成形技術(shù)制作的鈷鉻金屬全冠表面顯微形貌見圖 4。研磨拋光前，CNC組全冠自然表面致密，可見較均勻且有規(guī)則的磨痕；SLM組全冠自然表面明顯凹凸不平；鑄造組全冠自然表面的顯微形貌特征介于兩者之間。研磨拋光后，CNC組表面致密均一，偶見淺顯的磨痕，SLM組表面較研磨拋光前明顯光滑平整，但仍可見大量方向一致的表面磨痕，而鑄造組全冠表面則暴露出大量孔隙，直徑可達～20 μm。

3 討 論

不同的加工制作方法對材料的結(jié)構(gòu)和性能會產(chǎn)生一定的影響[12]。本研究對目前最常用的3 種金屬成形工藝制作的鈷鉻金屬全冠的表面粗糙度和顯微形貌進行分析，結(jié)果表明不同的加工制作方法對鈷鉻金屬全冠表面質(zhì)量存在顯著影響。

Ra是在取樣長度內(nèi)，表面輪廓偏離平均線的算術(shù)平均值，被廣泛用于描述牙科材料的表面粗糙度。當(dāng)Ra的值大于6.3 μm或小于0.025 μm時常選用Rz；當(dāng)待測表面過小而不足單個取樣長度時常選用Ry[13]。由于鈷鉻合金全冠Ra值一般在0.025～6.3 μm范圍內(nèi)，且全冠表面大于取樣長度，因此本研究采用Ra值作為全冠表面粗糙度分析評定參數(shù)。本研究結(jié)果顯示，未經(jīng)研磨拋光的CNC組全冠自然表面的Ra均值為1.251 μm，SLM組全冠自然表面的Ra均值為4.650 μm。這一結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)中所述利用車、銑、刨、磨等機械加工方法加工的零件表面粗糙度Ra<2.5 μm，而SLM成形件的Ra一般在5～50 μm之間基本一致[14]。3 種不同金屬成形工藝制作的鈷鉻合金全冠的自然表面中，CNC全冠的表面粗糙度最低，表面有大量規(guī)則、平行的磨痕，磨痕的寬度與加工過程中使用的刀具直徑基本一致。在CNC銑削加工過程中刀具接觸金屬料塊表面產(chǎn)生摩擦，繼而金屬材料發(fā)生塑性變形、甚至斷裂從而離開料塊產(chǎn)生粗糙的表面。影響表面質(zhì)量的因素很多，包括刀具的材質(zhì)和直徑、路徑設(shè)計、切削速度，以及工藝系統(tǒng)中是否存在高頻振動等[15]。刀具直徑越細、路徑設(shè)計越密(步長)，產(chǎn)生的磨痕就越窄也越淺。隨著切削速度的提高，切削溫度提高，摩擦系數(shù)下降，材料的塑性變形也減??；同時高速銑削階段材料熱軟化效應(yīng)也使切削層易被切除，減少了加工中的撕裂現(xiàn)象，故也可得到較好的表面質(zhì)量。SLM組的全冠表面粗糙度最高，且顯著高于鑄造組和CNC組，這可能與SLM成形過程中激光線能量密度、粉末粒度、粉層厚度以及層間掃描策略等[10,16]工藝參數(shù)設(shè)置以及分層產(chǎn)生的階梯效應(yīng)以及傾斜角度[17]有關(guān)。而這些工藝參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，參數(shù)過大或過小都不利于表面粗糙度的改善。鑄造金屬的表面粗糙度主要受金屬的種類、鑄造溫度、包埋材料的顆粒細度、鑄件的噴砂方法等因素影響[18-22]。目前鑄造鈷鉻全冠制作以磷酸鹽包埋材料在真空下進行蠟型包埋，且鑄造溫度、噴砂條件比較嚴格，因而鑄造噴砂后的鈷鉻全冠表面質(zhì)量尚可。

圖 4 研磨拋光前、后3 種成形技術(shù)制作的鈷鉻金屬全冠的表面SEM圖

Fig 4 The SEM photographs of the crowns before and after grinding and polishing

本研究中3 種不同金屬成形工藝制作的鈷鉻合金全冠，其自然表面均較為粗糙，不能滿足臨床應(yīng)用對修復(fù)體表面光潔的要求，因此常規(guī)修復(fù)體制作流程中需要一系列研磨和拋光處理(屬于手工機械性成形件后處理方法)，以期降低表面粗糙度，使修復(fù)體表面光滑、平整。本研究結(jié)果顯示，研磨拋光處理鑄造組、CNC組、SLM組鈷鉻合金全冠的表面粗糙度顯著下降，從表面輪廓三維形貌圖、掃描電鏡圖片也可以看出，研磨后的全冠表面高度趨于一致，顯得更加平整。這是由于研磨拋光過程中，磨具對全冠表面產(chǎn)生碰撞、滾壓和微量磨削，全冠表面的凸起被去除后逐漸變得平坦；同時隨著研磨時的產(chǎn)熱，全冠表面溫度升高，表面原子重新排列，填滿磨痕，從而獲得較好的表面結(jié)構(gòu)。本研究發(fā)現(xiàn)研磨拋光后的CNC組、SLM組鈷鉻合金全冠表面粗糙度顯著小于鑄造組，說明CNC和SLM技術(shù)制作的鈷鉻合金全冠更易于被研磨拋光以獲得光潔的表面，優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造技術(shù)。SLM全冠凝固過程中熔覆層間或熔池附近的金屬熔化不全、后續(xù)熔道出現(xiàn)不連續(xù)及球化翹曲等缺陷，是造成其研磨拋光后表面仍然沒有CNC全冠光滑的原因。鑄造組研磨拋光后表面粗糙度大可能是研磨中反復(fù)有砂粒脫落和新的砂粒的露出所致；掃描電鏡下所見的孔隙與包埋鑄造過程中熔模脫脂處理不當(dāng)或混入雜質(zhì)有關(guān)，而粘砂、鑄圈焙燒溫度不足等也可能導(dǎo)致表面孔隙的增多[23]。

國家食品藥品監(jiān)督管理局制定的《定制式義齒注冊暫行規(guī)定》要求“修復(fù)體的金屬部分應(yīng)高度研磨拋光，表面粗糙度應(yīng)達到Ra≤0.025 μm”。實際上“表面粗糙度Ra≤0.025 μm”是一個非常高的定值，甚至遠遠超過了YY0315-2008種植體穿齦部分的粗糙度要求Ra≤1.6 μm[24]，因而備受爭議。修復(fù)體表面應(yīng)達到怎樣的粗糙度才能滿足臨床需求，目前尚無統(tǒng)一的臨床標(biāo)準(zhǔn)。廖海珠[25]認為修復(fù)體表面光潔度達到Ra<～0.6 μm時，患者即無不適感覺。川井善之等[26]則認為Ra在0.33～0.5 μm時，可被臨床接受。按照“就高不就低”原則，同時參考Bollen等[27]提出的口腔內(nèi)細菌黏附閾值(Ra=0.2 μm)的概念，本研究認為“修復(fù)體的金屬部分表面粗糙度應(yīng)達到Ra≤0.2 μm”可被推薦為金屬修復(fù)體的表面粗糙度要求。同時，本研究中按照義齒加工廠常用流程，采用3 種不同技術(shù)制作的鈷鉻金屬全冠在研磨拋光后均能獲得表面粗糙度Ra≤0.2 μm的光潔表面，也證實了該標(biāo)準(zhǔn)可以滿足臨床應(yīng)用的要求，從而為定制式義齒的金屬部分的表面粗糙度要求的修訂提供了依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究發(fā)現(xiàn)，金屬成形技術(shù)對鈷鉻合金全冠的表面質(zhì)量有顯著影響，研磨拋光可以有效改善鈷鉻合金全冠的表面質(zhì)量。計算機數(shù)控銑削技術(shù)制作的鈷鉻合金全冠的表面質(zhì)量優(yōu)于選擇性激光熔融和失蠟鑄造技術(shù)。選擇性激光熔融技術(shù)制作的鈷鉻金屬全冠的自然表面粗糙，但具有良好的研磨拋光性能，經(jīng)過研磨拋光后能夠獲得比鑄造拋光表面更好的表面質(zhì)量。相比傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，2 種數(shù)字化制造技術(shù)均可獲得更加光潔的鈷鉻合金全冠表面，臨床推薦推廣應(yīng)用。