兩種燒結(jié)方式對(duì)牙科用氧化鋯半透性的影響

江月梅，楊 瑛，詹文輝

(南昌大學(xué)附屬口腔醫(yī)院修復(fù)1科，南昌 330006)

二氧化鋯陶瓷作為口腔材料的使用已有十年之久[1]。但其作為基底瓷，顏色較單一，半透明性較差，要滿(mǎn)足前牙的美學(xué)修復(fù)以及我國(guó)患者人群牙齒顏色的復(fù)雜性，需通過(guò)飾面瓷來(lái)調(diào)節(jié)[2]。如果氧化鋯與牙本質(zhì)的顏色及半透明性相一致，那么飾面瓷的厚度就會(huì)相對(duì)減少，備牙量降低后，既可保護(hù)活髓牙又能滿(mǎn)足美學(xué)修復(fù)的需要[3-5]。通過(guò)改變氧化鋯全瓷材料的配方和微觀結(jié)構(gòu)，可以明顯提高氧化鋯的透光性[6]，燒結(jié)與氧化鋯的微觀結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，最終的燒結(jié)溫度、升溫速率、保溫時(shí)間會(huì)直接影響燒結(jié)密度，從而影響材料的透射率[7]。

目前，牙科氧化鋯的燒結(jié)方式都是采用無(wú)壓燒結(jié)，該方式升溫速率慢、保溫時(shí)間長(zhǎng)、燒結(jié)溫度高。微波燒結(jié)是在微波電磁能的作用下材料內(nèi)部分子或離子動(dòng)能增加，可降低燒結(jié)活化能，從而加速陶瓷材料的致密化速度，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間[8]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于微波燒結(jié)對(duì)牙科用氧化鋯半透性的影響鮮有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)選用目前牙科常用的氧化鋯材料，探討微波燒結(jié)對(duì)其半透性的影響，并與常規(guī)燒結(jié)對(duì)比，為今后微波燒結(jié)在氧化鋯中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

Zenostar氧化鋯(德國(guó)wieland公司)，Lave氧化鋯(美國(guó)3M公司)，微波燒結(jié)爐(MW-L0316，長(zhǎng)沙隆泰科技有限公司)，PR-650光譜掃描色度儀(美國(guó)Photo Research公司)，電子天平(SartoriusBS-224S，上海存聯(lián)工貿(mào)有限公司)，場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM，美國(guó)FEI公司)。

1.2 試件制備

本實(shí)驗(yàn)使用Zeonstart和Lava兩種常用的牙科氧化鋯。用精密切割機(jī)分別從Zeonstart和Lava的預(yù)成氧化鋯坯體中切取厚0.6 mm，直徑15 mm的圓盤(pán)狀試件各10個(gè)。

1.3 試件分組和燒結(jié)

將Zeonstart和Lava兩種品牌氧化鋯分別分為2組：常規(guī)燒結(jié)組(CS組)、微波燒結(jié)組(MS組)，每組每個(gè)品牌氧化鋯試件各5個(gè)。CS組氧化鋯分別按照廠家推薦的燒結(jié)參數(shù)進(jìn)行燒結(jié)：Zeonstart最高燒結(jié)溫度1490 ℃，保溫120 min；Lava最高燒結(jié)溫度1500 ℃，保溫120 min。MS組均用MW-L0316微波燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)：Zeonstart和Lava均以每分鐘15 ℃升溫至最高溫度1420 ℃，保溫30 min，切斷微波的輸入，隨爐冷卻。

1.4 試件加工

燒結(jié)完成后可見(jiàn)所有氧化鋯試件均勻收縮，其兩端面保持平行無(wú)變形。所有的試件依次使用400、600、800、1000、1200目的耐水砂紙進(jìn)行雙面打磨拋光，使最終的厚度為(0.5±0.02)mm，打磨完成后的試件放在蒸餾水中超聲振洗10 min，自然干燥24 h。

1.5 透射率的測(cè)量

試件測(cè)量采用PR650光譜光度儀在暗室中測(cè)量，測(cè)量光源為標(biāo)準(zhǔn)A光源(色溫2856 K)，通過(guò)PHOTO RESEARCH顏色分析軟件轉(zhuǎn)換為D65光源(色溫6500 K)。工作波段為400～760 nm，間隔4 nm掃描1次，照度為20 001×，10°視場(chǎng)，探視頭對(duì)要測(cè)定的部位進(jìn)行精確測(cè)量，工作距離95 mm，工作環(huán)境溫度18～25 ℃，相對(duì)濕度50%～60%。

1.6 密度測(cè)試

氧化鋯試件的實(shí)際密度用Archimedes法測(cè)量。將試件置于(70±5)℃烘箱中干燥，并在干燥器中冷卻至室溫稱(chēng)重，測(cè)得室溫下的干重(W1)，精確到0.001 g，后將試件放入蒸餾水中煮沸，冷卻至室溫，稱(chēng)量飽和試件在水中的浮重(W2)。將其從水中取出，用飽含水的多層紗布將試件表面多余的水分擦掉，稱(chēng)量飽和試件在空氣中的濕重(W3)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取均值。根據(jù)公式d=ρ×W1/(W3-W2)計(jì)算氧化鋯試件的實(shí)際密度。ρ為水在室溫下的密度，取0.996 8 g·cm-3(26 ℃)，RD=d/d理論×100%，理論密度d理論取6.10 g·cm-3。

1.7 掃描電鏡觀察

從每組中隨機(jī)選取1個(gè)試件用電鏡掃描觀察，總共4個(gè)試件，先用金剛石拋光膏將試件表面進(jìn)行拋光，其次在低于每組燒結(jié)溫度50 ℃的溫度下進(jìn)行熱腐蝕半小時(shí)，清洗，室溫干燥，在每個(gè)試件拋光面行噴金后用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，用直線截點(diǎn)法測(cè)量晶粒大小的平均值。

1.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用GraphPad Prism5統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用雙因素方差分析兩種燒結(jié)方法和兩種品牌對(duì)氧化鋯試件的透光率值和密度值的影響。同一燒結(jié)方式下，采用兩樣本t檢驗(yàn)分析不同品牌氧化鋯對(duì)其密度與透光率值的影響。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 2組Zenostar和Lava氧化鋯的密度、相對(duì)密度和透射率比較

MS組兩種品牌氧化鋯的透射率值大于CS組，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。MS組和CS組Zenostart的透射率均小于Lava，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。2組不同品牌的密度及相對(duì)密度比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表1。

2.2 2組Zenostar和Lava氧化鋯的顯微結(jié)構(gòu)

CS和MS燒結(jié)后Zenostar和Lava氧化鋯的SEM結(jié)果見(jiàn)封三圖1—2，CS和MS燒結(jié)的氧化鋯試件晶粒間均排列緊密，致密度相似，但CS組的Zenostar(450 nm)和Lava(550 nm)晶粒尺寸大于MS組的Zenostar(為400 nm)和Lava(460 nm)，CS組的氧化鋯可見(jiàn)一些異常長(zhǎng)大，晶粒均勻度相對(duì)較差，而MS組的氧化鋯晶粒大小均勻。

圖1 Zenostar氧化鋯的顯微結(jié)構(gòu)(SEM×20 000) 圖2 Lava氧化鋯的顯微結(jié)構(gòu)(SEM×20 000)

表1 2組Zenostar和Lava氧化鋯的密度、相對(duì)密度和透射率比較

*P<0.001與Lava比較。

3 討論

在牙科修復(fù)領(lǐng)域中，常用的半透性材料測(cè)量方法包括直接法和間接法。直接法是測(cè)量材料的透射率(transmittance，T)，而間接法是測(cè)量材料的對(duì)比系數(shù)(contrast ratio，CR)值和透射系數(shù)(translucency parameter，TP)值，這3個(gè)指標(biāo)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性均相同[9]，但透射系數(shù)和對(duì)比系數(shù)并不能準(zhǔn)確地反映不同材料之間半透性的差異[10]。所以，本實(shí)驗(yàn)中采用直接法對(duì)半透明材料氧化鋯的透射率進(jìn)行測(cè)量。目前，常用的測(cè)色儀器有分光光度計(jì)、色差計(jì)、白度儀及計(jì)算機(jī)測(cè)色儀等。本實(shí)驗(yàn)選用的是分光光度計(jì)，此儀器的敏感性較高，其原理是使用傳感器測(cè)定試件表面反射光線各個(gè)波長(zhǎng)的反射率[11]。

微波加熱是體加熱，即材料把吸收的微波能轉(zhuǎn)化成材料內(nèi)部分子的動(dòng)能和勢(shì)能，材料整體同時(shí)均勻加熱，因此加熱和燒結(jié)速度非?？?，內(nèi)外同時(shí)發(fā)熱而使試樣內(nèi)部溫度梯度小，可以使材料內(nèi)部熱應(yīng)力減少到最小，因?yàn)闊Y(jié)溫度低、時(shí)間短，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，內(nèi)外同時(shí)發(fā)熱而使試樣內(nèi)部溫度梯度小，可以使材料內(nèi)部熱應(yīng)力減少到最小[12]。在微波燒結(jié)的過(guò)程中，由于微波加熱時(shí)熱量是從內(nèi)到外的傳導(dǎo)，在待燒結(jié)材料的周?chē)鷷?huì)存在一個(gè)溫度較高的能量區(qū)，燒結(jié)溫度越高，材料表面輻射的熱量就越大，這將會(huì)使材料和周?chē)沫h(huán)境形成極大的溫度梯度，假如沒(méi)有很好的保溫裝置，將會(huì)因?yàn)椴牧系膬?nèi)外溫度差過(guò)大而使燒結(jié)不均勻，嚴(yán)重開(kāi)裂，最終造成燒結(jié)失敗。氧化鋯在室溫時(shí)幾乎不吸收微波能，只有當(dāng)溫度達(dá)到300～500 ℃以上時(shí)，它的損耗正切值才變得很大[13]，混合加熱能解決氧化鋯在室溫時(shí)的低損耗難題[13]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與CS組相比，MS組Lava和Zenostar氧化鋯晶粒尺寸小且均勻一致，密度、相對(duì)密度和透射率比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。Lava氧化鋯的T值大于Zenostar氧化鋯(P<0.001)。提示微波燒結(jié)所得的氧化鋯的晶粒尺寸更小，顯微結(jié)構(gòu)更均勻，分析原因可能因?yàn)闊Y(jié)方式及保溫時(shí)間縮短所致，保溫時(shí)間的縮短可能使晶粒變小。WILSON等[14]認(rèn)為微波燒結(jié)過(guò)快的升溫速率對(duì)氧化鋯的機(jī)械性能產(chǎn)生不利的影響。

半透性是指穿過(guò)混濁介質(zhì)傳播的光的相對(duì)量，半透性使全瓷修復(fù)體具有獨(dú)特的立體感和生動(dòng)感，是成功模擬天然牙美學(xué)的關(guān)鍵，其產(chǎn)生是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部各物相對(duì)光的折射率不同而在相鄰或不同物相之間的界面處發(fā)生散射的結(jié)果[15]。散射是影響氧化鋯半透性的主要原因[16]，光的主要散射中心之一是晶粒間的氣孔，且氣孔率越大，光的散射就越強(qiáng)烈，透光率越低[17]。實(shí)驗(yàn)證明如果閉口氣孔存在率從0.85%下降到0.25%，透光率將上升33%[18]。半透明的陶瓷材料應(yīng)在燒結(jié)的過(guò)程中盡量減少氣孔。密度是評(píng)價(jià)材料致密度最直接的指標(biāo)，所以氧化鋯的密度與其的半透性緊密有關(guān)[7]。本實(shí)驗(yàn)中氧化鋯的半透性2組比較無(wú)明顯差異，究其原因微波燒結(jié)所得的氧化鋯的密度與常規(guī)燒結(jié)的密度相近，都是致密燒結(jié)，但微波燒結(jié)的優(yōu)勢(shì)在于燒結(jié)溫度低、速度快、燒結(jié)時(shí)間縮短。

近年相關(guān)研究[6]顯示，通過(guò)改變氧化鋯全瓷材料的配方和晶相結(jié)構(gòu)，可以明顯提高氧化鋯材料的透光性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Lava的半透性均大于Zenostar。不同品牌氧化鋯的原材料、生產(chǎn)工藝、及添加劑有差異，使得氧化鋯的燒結(jié)工藝，如最終燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、整個(gè)燒結(jié)時(shí)間不同[19]，并可以改變二次燒結(jié)后的氧化鋯的相對(duì)密度和粒徑，增加陶瓷微結(jié)構(gòu)的組成，從而影響氧化鋯的半透性[20]。