對磨材料對樹脂滲透陶瓷Vita Enamic 磨損的實(shí)驗(yàn)研究

古麗米拉·木明 葉鐘泰 寇正威 王海婧

（深圳大學(xué)第二附屬醫(yī)院口腔科，深圳 518101）

各類CAD/CAM 可切削材料在臨床應(yīng)用廣泛。其中材料的耐磨性是制約修復(fù)體遠(yuǎn)期療效的關(guān)鍵因素[1]。近年來業(yè)界新推出了一種玻璃基與樹脂基相互貫穿的兩相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，稱為“樹脂滲透陶瓷”(Polymer-infiltrated-ceramic-network ceramic，PICN)[2]。它兼具玻璃陶瓷與樹脂基材料的力學(xué)特性[3]。在臨床實(shí)際中，需要修復(fù)患牙的對頜有可能是各種材料制成的修復(fù)體。各類對頜材料因硬度、彈性模量及微觀結(jié)構(gòu)的差異可能會引起PICN 不同的磨損行為，但目前尚未見相關(guān)研究報(bào)道。因此，本研究參考臨床中常見的幾種情況，分別選取二氧化鋯、鈷鉻合金以及復(fù)合樹脂作為配副，與PICN 材料進(jìn)行循環(huán)往復(fù)式摩擦磨損測試，探究其磨損行為。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試件制備

將樹脂滲透陶瓷（Vita Enamic，VITA Zahnfabrik,Germany,產(chǎn)品批號:78560）作為研究對象。分別選擇二氧化鋯陶瓷（金瑞新材料有限公司，中國）、鈷鉻合金（榮千稀有金屬制品有限公司，中國）及復(fù)合樹脂（Z350,3M ESPE,美國,產(chǎn)品批號:NE65754）為對頜配副材料。材料的主要機(jī)械性能參數(shù)詳見表1，其數(shù)值均由廠家提供。

試件制備：將Vita Enamic?陶瓷塊（顏色：3M2-HT，尺寸：EM-14）固定于慢速切割機(jī)（Accutom-50，Struers,丹麥），用金剛砂刀片在流動水冷卻條件下將其切割成尺寸為18 mm×14 mm×3.0 mm 的片狀試件。隨后利用拋光機(jī)（UNIPOL-1502，科晶，中國）在水環(huán)境下梯度打磨拋光，所采用的砂紙目數(shù)由低到高分別為#220、#400、#800、#1200、#1500、#2000 和#3000 目。期間使用游標(biāo)卡尺測量其平整度，將誤差控制在0.02 mm 范圍內(nèi)。最后使用#5000 目砂紙?jiān)诹鲃铀畻l件下對瓷塊進(jìn)行精細(xì)拋光。共制備PICN 試件30 片，超聲清洗備用。

表1 4 種修復(fù)材料的機(jī)械性能

對頜磨頭制備：二氧化鋯陶瓷及鈷鉻合金磨頭是分別從廠家購買直徑為4 mm 的小球。復(fù)合樹脂磨頭通過充填印模制作，具體方法為：調(diào)拌硅橡膠重體，將直徑為4 mm 的二氧化鋯小球的一半壓入印模內(nèi)形成陰模，待硅橡膠完全凝固后，取出二氧化鋯小球。隨后用充填器將Z350 復(fù)合樹脂材料直接壓入半球形陰模內(nèi)，光照20 s 后取出，可獲得直徑為4 mm 的半球形復(fù)合樹脂磨頭。每種材料磨頭制備10 個(gè)，超聲清洗備用。

1.2 摩擦磨損測試

利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（CETR UMT-3，Bruker,美國）進(jìn)行球盤接觸往復(fù)式磨損實(shí)驗(yàn)。將磨頭固定至測試機(jī)器上方夾具內(nèi)，鎖緊固定螺絲。再將片狀PICN 試件固定于下方儲液池內(nèi)的夾具中。設(shè)定磨損條件參數(shù)為:往復(fù)距離3 mm，頻率5 Hz，垂直壓力5 N，磨損時(shí)長30 min。實(shí)時(shí)記錄摩擦系數(shù)曲線。PICN 與3 種不同材料磨頭配副，分別在干燥環(huán)境及人工唾液兩種條件下測試。因此整體測試共分為6 組，每組5 個(gè)樣本量。

1.3 磨損的定量分析

摩擦磨損測試結(jié)束后，利用三維表面形貌儀（PS50,Nanovea,美國）定量分析PICN 試件表面磨痕的體積損失。選用分辨率為400 μm 的光學(xué)測量探頭逐行掃描磨損區(qū)域，橫向步徑為30 μm，縱向步徑為80 μm，掃描面積為1.5 mm×3.5 mm，覆蓋磨痕整體。掃描結(jié)束后，將周圍未磨損區(qū)域定義為參考平面，沿磨痕邊界設(shè)定磨損區(qū)域，軟件自動計(jì)算出相應(yīng)磨損區(qū)內(nèi)的體積損失（V）。此外，垂直于磨痕方向截取一平面可獲得磨痕剖面形態(tài)。

針對各類對頜磨頭，采用磨損高度損失來表征其磨損行為，可根據(jù)以下公式計(jì)算獲得高度損失（h）數(shù)值：

其中（如圖1 所示），d為磨頭磨損區(qū)的直徑，r為磨頭整體半徑（4 mm），h為磨頭體積損失區(qū)域的高度。

圖1 磨頭磨損量計(jì)算示意圖

1.4 磨損形貌觀察

利用掃描電子顯微鏡（Sigma 300 Zeiss，德國）觀察PICN 試件及對頜磨頭磨損區(qū)微觀形貌，評估磨面損傷及磨損機(jī)理。使用導(dǎo)電膠固定磨損試件于載物臺，真空環(huán)境下噴金，置于電鏡觀察腔內(nèi)再次抽真空，選擇合適倍數(shù)觀察磨痕內(nèi)微觀組織結(jié)構(gòu)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0 軟件，通過Shapiro-Wilk 及Levene 檢驗(yàn)對所獲數(shù)據(jù)的正態(tài)性及方差齊性進(jìn)行分析。采用雙因素方差分析檢驗(yàn)對頜材料及干濕環(huán)境對PICN 磨痕深度、磨損體積以及對頜磨頭損失高度的統(tǒng)計(jì)差異及相互關(guān)系。組間差異使用Bonferroni 校正法進(jìn)行檢測（α=0.05）。

2 結(jié)果

PICN 試件在干、濕環(huán)境下與不同磨頭的摩擦系數(shù)曲線及平均值如圖2 所示。其中，樹脂-人工唾液組的磨損行為最為緩和，摩擦系數(shù)曲線較為平穩(wěn)，其數(shù)值始終維持在較低水平。ZrO2-人工唾液組在磨損初期摩擦系數(shù)較低，隨后在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，并進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。其余各組均表現(xiàn)為典型的跑合至穩(wěn)定磨損的兩階段摩擦系數(shù)曲線。橫向比較各類磨頭（表2），復(fù)合樹脂與PICN材料對磨時(shí)表現(xiàn)出最低的摩擦系數(shù)（P＜0.05），二氧化鋯組與鈷鉻合金組的摩擦系數(shù)近似且無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。同種磨頭時(shí)，復(fù)合樹脂組內(nèi)人工唾液條件下PICN 摩擦系數(shù)顯著低于干燥環(huán)境（P＜0.05），而二氧化鋯與鈷鉻合金組內(nèi)干燥環(huán)境下摩擦系數(shù)反而較低（P＜0.05）。

圖2 磨損測試結(jié)果

表2 各組試件磨損的定量分析比較 (±s)

表2 各組試件磨損的定量分析比較 (±s)

注：不同字母表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 α=0.05。

各組PICN 試件磨損行為的定量表征如圖3、表2 所示。在人工唾液條件下，二氧化鋯對PICN 材料造成的磨痕深度最大，磨損體積最高（P＜0.05），其余各組則無明顯差別。磨痕截面尺寸輪廓圖顯示：干燥環(huán)境下3 種磨頭對PICN 造成的磨痕深度近似，僅合金磨頭組PICN 材料的磨痕稍寬（圖3c）。而在人工唾液條件下，ZrO2組磨痕深度明顯大于其余各組，復(fù)合樹脂組的磨痕雖然較寬，但深度較淺（圖3 d）。

圖3 各組PICN 磨損行為定量分析

各組PICN 材料在干燥及人工唾液條件下的磨面損傷情況分別如圖4 和圖5 所示。干燥環(huán)境下與二氧化鋯對磨后，PICN 材料表面展現(xiàn)出廣泛的片狀剝脫（圖4a），形成大量磨屑顆粒（圖4b），微裂紋延伸并相互融合。與合金及復(fù)合樹脂對磨時(shí)，磨損區(qū)表現(xiàn)為犁溝狀磨痕（圖4c 和e），局部放大可見，PICN 材料的樹脂基與玻璃相間存在細(xì)小裂紋（圖4d），局部材料基質(zhì)脫落，形成凹陷（圖4f）。其中，PICN 與復(fù)合樹脂磨損所產(chǎn)生的磨痕寬度較大，如圖4e 中虛線所示。在人工唾液條件下，二氧化鋯組PICN 材料的磨損破壞依然嚴(yán)重，仍然可見材料顆粒的廣泛剝脫（圖5b），相較于干燥組，磨痕寬度也明顯增加（圖5a）。而其余兩組試件表面的犁溝狀磨痕較淺，放大局部觀察仍然可見到PICN 材料兩個(gè)相之間界面的微損傷。

圖4 PICN 材料分別與3 種不同材料磨頭在干燥環(huán)境中的磨面損傷情況（左側(cè) ×150，右側(cè)×500）

圖5 PICN 材料分別與3 種不同材料磨頭在人工唾液條件下的磨面損傷情況（左側(cè)×150，右側(cè)×500）

3 種對頜磨頭的磨損微觀形貌如圖6 所示。無論是在干燥環(huán)境還是人工唾液中，二氧化鋯磨頭表面幾乎不產(chǎn)生磨損，即使在高倍鏡下觀察其在兩種條件下表層組織結(jié)構(gòu)均較為完整，未見到明顯的磨痕及組織剝脫損傷（圖6a、b）。因此無法測得其磨損高度。而復(fù)合樹脂及合金磨頭在兩種測試條件下均存在磨損面，其磨損量如圖7 所示，復(fù)合樹脂磨頭在人工唾液條件下其本身高度損失較高，且顯著高于其他各組（P＜0.05）。人工唾液中，復(fù)合樹脂磨頭的磨面區(qū)域較大，但內(nèi)部組織較為平滑（圖6e）。干燥環(huán)境下復(fù)合樹脂內(nèi)部可見大量犁溝狀磨痕及材料剝脫痕跡（圖6f）。合金磨頭在干燥及人工唾液條件下具有相似的磨損形貌，均表現(xiàn)為犁溝狀磨痕（圖6c、d）。通過對磨頭的分析顯示，樹脂磨頭本身的磨損量有高于其他材料的趨勢（圖7），但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖6 二氧化鋯、合金及復(fù)合樹脂磨頭的磨損形貌

圖7 兩種環(huán)境下不同磨頭的磨損高度比較

3 討論

修復(fù)材料的耐磨性是近年來逐漸得到重視的材料特性之一，修復(fù)體在咀嚼過程中，表層組織結(jié)構(gòu)的摩擦磨損不可避免。過度地磨損可加速修復(fù)材料機(jī)械老化，進(jìn)而有可能發(fā)生破損或斷裂。有體外研究表明，PICN 因其特殊的陶瓷、樹脂兩相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，磨損行為與天然牙近似。但與傳統(tǒng)玻璃基陶瓷及二氧化鋯相比，其抵抗側(cè)向力造成的磨損性能有限。Ludovichetti 等[6]橫向?qū)Ρ葞追N可切削修復(fù)材料的耐磨性，結(jié)果表明Vita Enamic的磨損量較大，磨損區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出廣泛的凹坑樣結(jié)構(gòu)。在臨床實(shí)際中，PICN 除了與天然牙釉質(zhì)形成對磨外，還有可能與各類修復(fù)體配副，形成不同的摩擦副體系。本研究針對這一臨床問題選擇了陶瓷、合金以及樹脂3 類材料作為對頜磨頭，探究不同配副時(shí)PICN 的磨損行為。研究結(jié)果提示，PICN 材料在不同配副體系中，展現(xiàn)出差異化的磨損行為。

構(gòu)成摩擦副兩端材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)直接影響其力學(xué)行為及摩擦學(xué)特性。本研究結(jié)果顯示：當(dāng)PICN 與復(fù)合樹脂材料配副時(shí)，其摩擦系數(shù)明顯低于氧化鋯及合金磨頭。且在人工唾液條件下，樹脂與PICN 的摩擦系數(shù)最低。這是因?yàn)閺?fù)合樹脂本身具有較低的硬度及彈性模量，在應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生形變，根據(jù)赫茲球盤接觸理論可知，其表面產(chǎn)生的接觸應(yīng)力較低[7]，因此同樣載荷下，樹脂磨頭產(chǎn)生的摩擦系數(shù)低于二氧化鋯及合金。此外，由于PICN 及復(fù)合樹脂在接觸狀態(tài)下的形變使得人工唾液能夠較為容易地進(jìn)入到接觸面[8]，起到一定程度的潤滑作用，這進(jìn)一步促使摩擦系數(shù)降低（圖2b）。相較于其他各組，樹脂磨頭對PICN 造成的磨痕深度及磨損量也較低（圖3a、b），但并不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。通過磨痕剖面輪廓可知（圖3c、d），PICN 與復(fù)合樹脂磨頭的磨痕寬度較大，這也從側(cè)面證明了兩者間容易產(chǎn)生形變，但由于復(fù)合樹脂硬度低以及隨之產(chǎn)生的摩擦系數(shù)值較小，因此磨痕的深度較淺。電鏡下，復(fù)合樹脂組PICN 在干燥環(huán)境及人工唾液中均表現(xiàn)出較淺的犁溝狀磨痕，且在人工唾液中磨面損傷更輕，高倍鏡下可見少量材料剝脫殘留的凹坑。同樣在人工唾液中，樹脂磨頭的表面損傷較輕，磨損區(qū)較為光滑（圖6e）。而干燥條件下，可見大量犁溝及片狀剝脫（圖6f）。

當(dāng)PICN 與二氧化鋯陶瓷對磨時(shí)，其在干、濕環(huán)境中的摩擦系數(shù)較復(fù)合樹脂組顯著提高。這主要是因?yàn)閺椥阅Ａ枯^高的多晶體二氧化鋯陶瓷受力后不易產(chǎn)生形變[9]，與PICN 接觸面的應(yīng)力相對較高，導(dǎo)致摩擦磨損過程中產(chǎn)生較大的摩擦系數(shù)。類似的情況也發(fā)生在合金磨頭組，其摩擦系數(shù)也明顯高于復(fù)合樹脂組。但干燥環(huán)境下，兩種磨頭與PICN 的摩擦系數(shù)反而低于唾液環(huán)境，提示由于接觸面的形變較小，液體進(jìn)入接觸界面的通道及空間受限[10]，未能展現(xiàn)出潤滑效果。

特別值得注意的是，PICN 與二氧化鋯在人工唾液中磨痕尺寸及磨損量顯著高于其余各組（圖3d）。這是因?yàn)槎趸営捕冗h(yuǎn)高于PICN，接觸區(qū)局部堅(jiān)硬的二氧化鋯顆粒能夠深入PICN 材料表面，對其造成嚴(yán)重破壞[11]。而且，人工唾液中的水分子可侵入材料表層下微裂紋進(jìn)而加速其腐蝕破壞。Lawn[12]等已經(jīng)證實(shí)在反復(fù)咀嚼應(yīng)力侵蝕下，材料表面及其亞表層可形成大量微裂紋，水分子能夠通過液壓泵入效應(yīng)進(jìn)入到裂紋內(nèi)部，加速裂紋擴(kuò)展及表面材料損失。而合金的硬度小于二氧化鋯，對PICN 材料基質(zhì)的破壞能力較弱，其產(chǎn)生的磨損量相對于二氧化鋯較低。PICN 磨損區(qū)的組織形貌也與上述解釋相一致，二氧化鋯組PICN 材料磨面損傷嚴(yán)重，表層組織結(jié)構(gòu)廣泛脫落，大量裂紋生成，而合金組的磨損面則相對較輕。此外，針對磨頭的分析表明，二氧化鋯本身未觀察到明顯的磨損跡象。

4 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)對頜為二氧化鋯修復(fù)體時(shí)，臨床醫(yī)師應(yīng)慎重選擇PICN 材料進(jìn)行患牙修復(fù)，避免其產(chǎn)生過度磨損。而當(dāng)對頜為樹脂修復(fù)體時(shí)，制作PICN 修復(fù)體雖然不會造成本身的磨損，但應(yīng)考慮對頜復(fù)合樹脂磨損的潛在風(fēng)險(xiǎn)。如果對頜為金屬修復(fù)體時(shí)，相對于前兩者而言，PICN 及金屬修復(fù)體發(fā)生過度磨損的風(fēng)險(xiǎn)均較低。本研究有助于臨床醫(yī)生根據(jù)患者口內(nèi)實(shí)際情況合理地選擇相應(yīng)修復(fù)材料，降低不必要的磨損，從而延長修復(fù)體壽命。