上釉和拋光后口腔陶瓷材料力學(xué)性能改變的研究進(jìn)展

張時(shí)松，郭震威，王桃

(1鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院，鄭州450052；2鄭州市中心醫(yī)院)

口腔陶瓷修復(fù)材料具有良好的耐磨性、極佳的生物相容性和自然逼真的美學(xué)效果，廣泛應(yīng)用于口腔臨床。陶瓷材料的力學(xué)性能與其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等密切相關(guān)[1,2]，其基本力學(xué)性能包括密度、硬度、泊松比、拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量以及斷裂韌性等。陶瓷修復(fù)體在試戴過程中或粘固后需要進(jìn)行調(diào)磨，如修整外形、調(diào)磨咬合關(guān)系和鄰接關(guān)系等，調(diào)磨后的修復(fù)體表面粗糙度增加，強(qiáng)度降低，力學(xué)性能發(fā)生改變[3，4]。上釉和拋光可降低修復(fù)體表面粗糙度，恢復(fù)其光滑的表面形貌。上釉包括自身上釉和釉瓷上釉兩種，自身上釉是把調(diào)磨后的陶瓷修復(fù)體放入烤瓷爐內(nèi)，燒結(jié)后其表面形成一層均勻的玻璃樣薄膜；釉瓷上釉是在調(diào)磨后的修復(fù)體表面均勻涂塑一層釉瓷，燒結(jié)后其表面形成一層均勻的玻璃樣薄膜。拋光是指在一定壓力條件下，通過磨粒與修復(fù)體表面的摩擦作用，使表面達(dá)到光滑一致的效果[5]，較上釉更為簡(jiǎn)單、易操作。然而關(guān)于上釉和拋光是否影響陶瓷修復(fù)體力學(xué)性能，目前仍存在一定爭(zhēng)議[6，7]。脆性陶瓷材料具有抗壓而不抗拉的特性，彎曲強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能可反映脆性材料的破壞和抗折機(jī)理，因此我們以彎曲強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性為切入點(diǎn)，對(duì)上釉和拋光后玻璃陶瓷與氧化鋯陶瓷力學(xué)性能的改變綜述如下。

1 上釉和拋光對(duì)玻璃陶瓷力學(xué)性能的影響

玻璃陶瓷是由玻璃相和晶相組成的復(fù)合材料，集中了陶瓷和玻璃的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的機(jī)械性能、良好的耐磨性、出色的美學(xué)效果。盡管如此，脆性大、斷裂韌性差仍然是玻璃陶瓷材料存在的主要問題。

1.1 上釉和拋光對(duì)玻璃陶瓷彎曲強(qiáng)度的影響 彎曲強(qiáng)度可反映陶瓷材料抵抗彎曲變形的能力，決定了陶瓷材料臨床表現(xiàn)的優(yōu)劣，是評(píng)價(jià)陶瓷材料的重要指標(biāo)。研究表明，玻璃陶瓷修復(fù)體調(diào)磨后，其表面粗糙度增加引起的應(yīng)力集中是導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度降低的主要原因[8，9]。由于表面粗糙度的影響，裂紋不是隨機(jī)出現(xiàn)的，而是在應(yīng)力較高的位置發(fā)生發(fā)展的，應(yīng)力最集中的位置即裂紋聚集處，包括玻璃陶瓷在內(nèi)的許多材料的破壞都是由密集分布的裂紋系統(tǒng)擴(kuò)展引起的。

上釉封閉了臨床調(diào)磨過程中產(chǎn)生的裂紋，降低了粗糙度，限制了裂紋的擴(kuò)展；拋光磨除了調(diào)磨產(chǎn)生的裂紋，減少陶瓷表面的應(yīng)力集中，還在陶瓷表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。De Jager等[6]對(duì)白榴石增強(qiáng)型玻璃陶瓷進(jìn)行上釉和拋光處理，發(fā)現(xiàn)陶瓷表面粗糙度與彎曲強(qiáng)度顯著相關(guān)，表面越光滑，試樣的彎曲強(qiáng)度越高；拋光和上釉通過降低表面粗糙度增加玻璃陶瓷彎曲強(qiáng)度，而拋光對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響更為顯著。Flury等[7]采用80、120、220、320、500、1 000目的碳化硅砂紙對(duì)白榴石玻璃陶瓷進(jìn)行拋光處理，發(fā)現(xiàn)砂紙目數(shù)越大，玻璃陶瓷修復(fù)體表面粗糙度越低；陶瓷表面粗糙度與彎曲強(qiáng)度具有顯著相關(guān)性，拋光后表面粗糙度降低，彎曲強(qiáng)度增加。玻璃陶瓷應(yīng)力集中不僅可由表面粗糙度引起，還可由其他因素引起，如內(nèi)部應(yīng)力(微觀結(jié)構(gòu))、孔隙率和裂紋等，因此玻璃陶瓷表面粗糙度并不是決定彎曲強(qiáng)度的惟一因素。

1.2 上釉和拋光對(duì)玻璃陶瓷硬度的影響 硬度是評(píng)價(jià)陶瓷材料軟硬程度、耐磨性和延展性的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。

玻璃陶瓷表面粗糙度與硬度有極強(qiáng)的相關(guān)性[10]，表面粗糙度高意味著玻璃陶瓷表面有明顯的劃痕或裂紋，裂紋越多，硬度越低。Flury等[7]采用不同目數(shù)的碳化硅砂紙對(duì)白榴石玻璃陶瓷進(jìn)行拋光處理，發(fā)現(xiàn)拋光可以阻止尖端裂紋發(fā)展，且砂紙目數(shù)越大，表面裂紋越少，表面粗糙度低，拋光效果越好，陶瓷硬度相應(yīng)提高。于海洋等[11]觀察了上釉和機(jī)械打磨拋光后長(zhǎng)石質(zhì)玻璃陶瓷粗糙度與硬度的關(guān)系以及摩擦學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)上釉和拋光均可降低玻璃陶瓷表面粗糙度，提高修復(fù)體硬度，并且拋光后的硬度大于上釉。臨床上對(duì)玻璃陶瓷修復(fù)體進(jìn)行調(diào)磨后需要進(jìn)行拋光或上釉處理，不僅可以提高玻璃陶瓷修復(fù)體表面光滑度，而且能夠減少修復(fù)體表面的磨損。

1.3 上釉和拋光對(duì)玻璃陶瓷斷裂韌性的影響 斷裂韌性是指陶瓷材料抵抗裂紋擴(kuò)展的斷裂力學(xué)參數(shù)[12]，是研究脆性陶瓷材料抗折裂機(jī)理的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

上釉可以封閉玻璃陶瓷表面劃痕，去除其表面缺陷和裂紋；拋光可以磨除玻璃陶瓷表面裂紋，防止裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而提高陶瓷材料的斷裂韌性；此外，拋光還可產(chǎn)生微裂紋，達(dá)到微裂紋增韌的效果[13]。張志升等[14]對(duì)IPS-Empress2玻璃陶瓷分別進(jìn)行上釉和拋光處理，掃描電鏡顯示，處理后陶瓷表面晶體均勻密集分布。上釉和拋光均可加強(qiáng)玻璃陶瓷斷裂韌性，但與上釉相比，拋光不僅去除了陶瓷表面裂紋，還產(chǎn)生微裂紋增韌，效果更好，無需二次上釉，大大節(jié)約了患者和醫(yī)生的時(shí)間。

2 上釉和拋光對(duì)氧化鋯陶瓷力學(xué)性能的影響

與玻璃陶瓷不同，氧化鋯是相間轉(zhuǎn)化的多晶型陶瓷材料，隨著溫度變化氧化鋯陶瓷各相間可發(fā)生轉(zhuǎn)化。氧化鋯較高的彎曲強(qiáng)度、優(yōu)越的抗斷裂強(qiáng)度、良好的生物相容性及與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制作(CAD/CAM)技術(shù)良好結(jié)合，使其在口腔領(lǐng)域得到臨床醫(yī)師及患者的普遍青睞。

2.1 上釉和拋光對(duì)氧化鋯陶瓷彎曲強(qiáng)度的影響 Mohammadi-Bassir等[15]研究調(diào)磨、上釉以及兩種拋光系統(tǒng)(Busch&Co和Luster，Meisinger)對(duì)氧化鋯彎曲強(qiáng)度和相變的影響，X射線衍射分析顯示，上釉后氧化鋯單斜相含量不變，兩種系統(tǒng)拋光后單斜相含量均增加；拋光的機(jī)械載荷促使氧化鋯發(fā)生應(yīng)力誘導(dǎo)相變，氧化鋯由四方相轉(zhuǎn)變到單斜相，單斜相含量增加，此時(shí)氧化鋯體積膨脹3%～4%并可阻止裂紋擴(kuò)展，改善了氧化鋯彎曲強(qiáng)度；結(jié)果顯示拋光增加氧化鋯彎曲強(qiáng)度，上釉未改變氧化鋯彎曲強(qiáng)度。陳昶等[16]認(rèn)為，上釉雖使氧化鋯在200 ℃左右發(fā)生單斜相急劇增加，但隨著溫度繼續(xù)升高，單斜相含量降低最終保持不變，氧化鋯彎曲強(qiáng)度也未改變。Guazzato等[17]研究金剛石圓盤拋光和上釉對(duì)氧化鋯彎曲強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)拋光可通過增加氧化鋯單斜相含量來提高彎曲強(qiáng)度，上釉未改變氧化鋯單斜相含量，相應(yīng)地彎曲強(qiáng)度也未發(fā)生改變。以上研究表明，拋光改善氧化鋯彎曲強(qiáng)度的效果優(yōu)于上釉。

2.2 上釉和拋光對(duì)氧化鋯陶瓷硬度的影響 Ghailen等[18]認(rèn)為，硬度是氧化鋯陶瓷的固有特性，而不依賴于硬度測(cè)試方法。鄧青完[19]比較了固美套裝拋光和EVE套裝拋光對(duì)氧化鋯陶瓷表面形貌和硬度的影響，認(rèn)為拋光后雖然在氧化鋯陶瓷表面遺留少量的劃痕，但對(duì)氧化鋯陶瓷硬度未產(chǎn)生影響。王輝等[20]分析上釉和金剛砂拋光對(duì)氧化鋯陶瓷硬度的影響，認(rèn)為拋光和上釉均可提高氧化鋯陶瓷的硬度。以上研究結(jié)論不同的原因可能與上釉和拋光受多種因素影響，不同研究中的拋光壓力、轉(zhuǎn)速、時(shí)間、磨料以及保持時(shí)間、冷卻速度等控制不一致等有關(guān)。

2.3 上釉和拋光對(duì)氧化鋯陶瓷斷裂韌性的影響 氧化鋯陶瓷可在應(yīng)力誘導(dǎo)下發(fā)生相變?cè)鲰g，其機(jī)制是：當(dāng)氧化鋯陶瓷受到外來應(yīng)力時(shí)，受到內(nèi)部基質(zhì)束縛的氧化鋯顆粒得到松弛，可由四方相向單斜相轉(zhuǎn)變，并伴有體積膨脹和壓應(yīng)力的產(chǎn)生[21]。Traini等[22]對(duì)氧化鋯陶瓷分別進(jìn)行綠砂石粗拋光和黃砂石精細(xì)拋光處理，發(fā)現(xiàn)精細(xì)拋光后誘發(fā)氧化鋯相變?cè)鲰g，增強(qiáng)氧化鋯陶瓷的斷裂韌性和可靠性；但粗拋光后粗糙度較高，表面仍見裂紋，應(yīng)力集中導(dǎo)致氧化鋯陶瓷斷裂韌性降低。Yondem等[23]研究上釉和拋光處理對(duì)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(Y-TZP)斷裂韌性的影響，實(shí)驗(yàn)證明上釉和拋光均可通過降低Y-TZP表面裂紋提高其斷裂韌性。根據(jù)斷裂力學(xué)理論分析，影響氧化鋯斷裂韌性的因素有裂紋、單斜相含量及相變轉(zhuǎn)化等，對(duì)氧化鋯斷裂韌性進(jìn)行討論時(shí)應(yīng)綜合分析各種可能的影響因素。

目前關(guān)于上釉和拋光對(duì)口腔陶瓷材料力學(xué)性能的影響仍存在極大爭(zhēng)議，甚至得出相反的結(jié)論。隨著加工工藝和拋光技術(shù)的迅速發(fā)展，需要進(jìn)一步探索和研究上釉和拋光對(duì)陶瓷力學(xué)性能的影響，更深入地剖析其內(nèi)在的機(jī)理和機(jī)制，幫助口腔臨床醫(yī)生尋求一種方便、快捷的陶瓷修復(fù)體表面處理技術(shù)。