牙科樹脂滲透氧化鋯陶瓷材料的制備與性能研究

許青

摘要通過利用三點抗彎強度試驗測定了材料的抗彎、彈性模量，并用單面切口梁法測量了材料的斷裂韌性，利用納米壓痕測量系統(tǒng)測量了材料的硬度，并用SEM觀察了其微觀組織，研制一種用于牙科樹脂滲透性的氧化鋯陶瓷材料，并對其力學性質進行測試。該樹脂滲入的氧化鋯陶瓷（PICN）具有135～266 MPa、41.3～99.3 GPa的彈性模量、2.20～4.04 Mpa m1/2的斷裂韌性、1.93～10.83 GPa的硬度。SEM結果表明，PICN材料中的樹脂充分滲入到陶瓷的孔洞中，該材料的力學性能接近于人的牙釉質和牙本質，是一種很有前途的新型材料。

關鍵詞 ?牙科樹脂滲透；氧化鋯陶瓷；性能

0引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對牙齒缺損的修復和處理也越來越迫切，因此選用美觀、生物相容性好、與牙齒的組織特性相適應的修復材料是獲得長期、穩(wěn)定、成功的關鍵，目前臨床上最常用的兩種修復材料是陶瓷和樹脂。近年來，隨著CAD/CAM技術的不斷發(fā)展，陶瓷、樹脂等材料在口腔修復中得到了廣泛的應用，由于其良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蝕性以及與自然牙齒相似的審美特性，使其成為人們的理想選擇。但由于陶瓷材料本身的脆性，在承受載荷作用下，其變形大于0.1%～0.3%時就會出現(xiàn)脆化斷裂；樹脂材料具有色澤好、操作簡單、對對頜牙磨損小等優(yōu)點，但其力學性能低（強度低、易磨損）成為其應用的主要障礙。雖然隨著樹脂填料的開發(fā)和納米復合樹脂的問世，其力學性能得到了提高，但是其臨床應用效果并不理想，所以在口腔材料領域尋找一種既有陶瓷又有樹脂等多種優(yōu)勢的新型口腔修復材料，其應用前景十分廣闊。

1氧化鋯基口腔材料的研究概況

氧化鋯基口腔材料主要包括骨架基體（多用氧化釔穩(wěn)定的四邊形氧化鋯多晶3Y-TZP）和基底表面的貼片材料（牙齒陶瓷），它們是通過持續(xù)的機械和熱循環(huán)工藝結合在一起，最后會對材料的特性造成破壞。因為骨架和貼面材料的性質不同會出現(xiàn)粘接的問題，所以貼面瓷很容易出現(xiàn)崩裂。目前，雖然在臨床上已經(jīng)大量生產(chǎn)和使用了氧化鋯基材料，但是陶瓷的斷裂問題還沒有得到很好地解決。近十年來，人們一直在致力于利用氧化鋯基骨架來解決牙基體表面的裂紋問題，然而對于每個參數(shù)對材料性能的影響卻沒有一個確切的結論，所以關鍵參數(shù)的確定和評價對材料使用壽命的影響是非常廣泛的。

本文從氧化鋯（3Y-TZP）牙科陶瓷材料研究方向的差異性出發(fā)，將具有陶瓷貼面的氧化鋯基牙材料按有關的全部研究參數(shù)分類如下：第一，材料與熱循環(huán)，與材料特性及熱循環(huán)效果有直接關系的任何參數(shù)，例如熱膨脹系數(shù)、模數(shù)、化學、擴散等，相變、晶體結構、冶金學特性、熱循環(huán)/人為低溫老化；第二，生產(chǎn)過程，所有與生產(chǎn)過程中直接或間接有關的參數(shù)，例如熱等靜壓/無壓燒結、染色處理/著色、表面處理/機處理/研磨、襯墊、貼面技術、精整熱處理；第三，幾何特性，與尺寸、形狀、結構和疲勞相關的參數(shù)，例如邊緣設計/完成線、厚度比、彎曲/傾斜度、形狀和尺寸。

2材料和方法

2.1試件制備

第一，粉末制備采用日本Tosoh公司的納米氧化鋯粉末（型號：TZ-3YB-E，顆粒尺寸：28 nm），選擇聚乙二醇，根據(jù)試驗要求將粉末進行稱量。

第二，將氧化鋯粉末和造孔劑按照一定的比例進行干燥和冷卻等靜壓成形，然后將其置于矩形的鉻合金模具內(nèi)，在20 MPa的壓力下對氧化鋯板材進行擠壓。保壓30 s后，將氧化鋯薄片置于橡塑模中真空抽氣，置于冷等靜壓機的汽缸中，使壓力達到200 MPa，并維持5 min，然后進行減壓，以獲得氧化鋯生坯。

第三，將冷等靜壓的生坯置于燒結爐中進行燒結，加熱速率為5 ℃/min，加熱溫度為500 ℃，保溫1 h，再加熱到1 300 ℃并持續(xù)6 h。

第四，對試樣進行加工，將燒結試樣在磨具上、下兩面均磨得平滑，然后用2.5 μm和1 μm的金剛石磨料膏分別打磨和拋光，維氏硬度、斷裂韌性試驗用的試樣應經(jīng)過拋光，直至鏡面。將研磨后的樣品用蒸餾水沖洗干凈，放入烤爐中，70 ℃烘干24 h待用。

2.2性能測試

第一、三點彎曲強度試驗根據(jù)ISO6872口腔陶瓷材料標準進行，試驗組與控制組（20×3*2.5 mm），在通用試驗機上（Instron5566，INSTRON，Norwood，馬薩諸塞州）進行，測定了試樣斷裂時最大負荷P，即支點間距為16 ㎜，負載速度為0.5 ㎜/min。

第二，用單面切割梁法測量材料的斷裂韌性。將試件固定到切割刀的刀柄上，利用內(nèi)圓切片機在特殊切削液的作用下，以3 000轉/分鐘的速度進行切割。在6 ㎜×3 ㎜×20 ㎜的試樣中間，以0.2 ㎜的寬度和3 ㎜的深度，分別對5個樣品進行三點彎曲試驗。該試樣的跨度是16 ㎜，載荷速率是0.05 ㎜/min，進行斷裂韌度的計算。

2.3統(tǒng)計學分析

利用SPSS22.0（SPSSInc、Chicago、IL、USA）等統(tǒng)計軟件對所有的檢測結果進行了分析和處理，兩組樣品的機械性能試驗結果都是由單一因子變異數(shù)進行的，P<0.05為顯著差異。

3討論

早在60至70年代，為了進一步提高其性能，已有學者提出了一種新型的高分子互穿網(wǎng)絡（IPN）。IPN由于其獨特的拓撲和協(xié)同作用，開辟了一種全新的制備方法，在功能性材料方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。

PICN比陶瓷支架具有更好的機械性能，撓曲強度是一種具有重要意義的脆性材料性能指標。PICN的抗彎承載力在134.67～265.65 MPa之間，符合自然牙本質（212.9～41.9 MPa）的撓曲強度，其抗彎性高，可有效地抵抗咬合力和壓應力，達到了口腔修復材料的使用需求，其彈性模量隨抗彎強度的增加而增大，PICN具有41.3～99.3 GPa的彈性模量，比人造牙釉質（48～105.5 GPa）稍低。

至今，尚無一種材料具有超過此值的彈性模量。結果發(fā)現(xiàn)，受到載荷時，高彈性模量材料吸收應力較低，在界面產(chǎn)生應力集中，載荷過多的傳導至牙體組織，造成應力集中，在受到過大的沖擊載荷時，強度低的牙體組織將首先折裂。如果采用彈性模量與牙體相近似的材料，其受到較大的沖擊載荷時先于牙體組織折斷，從而起到緩沖作用，從而有效地保護牙齒的組織，減少發(fā)生牙折的幾率，與常規(guī)修復材料相比，PICN能更好地保護牙齒。

PICN的斷裂韌度也比其它修補材料有顯著提高，PICN的斷裂韌性隨樹脂組分的增大而降低，其主要原因在于：在1 300 ℃以上，材料的力學性能占主導地位。PICN的斷裂韌性隨樹脂的增大而降低，但降低的程度有所降低，說明樹脂對PICN具有一定的增韌效果。有關增韌機理的研究較多，其機理主要是樹脂在多孔陶瓷中的滲透、斷裂分支和裂縫彎曲，PICN比傳統(tǒng)的牙科陶瓷材料具有更好的防護作用。

4結語

PICN的彎曲強度、彈性模量、斷裂韌性、硬度等各項性能指標都達到了較高的水平，可以滿足口腔修復材料的使用需求。

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