不同調(diào)磨方式對牙科氧化鋯修復(fù)體彎曲強度與疲勞壽命的影響

[摘要]目的：探討不同調(diào)磨方式對牙科氧化鋯修復(fù)體彎曲強度與疲勞壽命的影響。方法：將氧化鋯瓷按相應(yīng)的收縮比例切割并燒結(jié)，分別制作規(guī)格為20 mm×4 mm×2 mm的試件52個（A組，不調(diào)磨）和20 mm×4 mm×2.4 mm的試件157個（B組48個、C組56個、D組53個），B、C、D三組均用粒度為105μm金剛砂車針在噴水狀態(tài)下均勻調(diào)磨，調(diào)磨時轉(zhuǎn)速分別控制在150 000 r/min、200 000 r/min和250 000 r/min。觀察四組試件表面形貌，對比分析彎曲強度及疲勞壽命。結(jié)果：不加載時，B、C、D三組彎曲強度的Weibull模數(shù)（m）和特征斷裂強度（σ0）均高于A組（P＜0.05）；加載次數(shù)為106次、107次時，B、C、D三組的m和σ0均低于A組（P＜0.05）；隨著加載次數(shù)的增多，A組m和σ0并無明顯變化（P＞0.05）；B、C、D三組加載次數(shù)為106次、107次時的m和σ0均低于不加載（P＜0.05）；B、C、D三組加載次數(shù)為106次、107次時的m和σ0比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。B、C、D三組的裂紋擴展速率曲線參數(shù)A大于A組，n小于A組（P＜0.05）；B、C、D三組的裂紋擴展速率曲線參數(shù)A和n比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。A組試件經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)加載后，表面無明顯變化。B組、C組、D組表面均出現(xiàn)一些相互平行且深淺不一的劃痕，且隨著加載次數(shù)的增多，片狀剝脫和微小裂紋越明顯。結(jié)論：氧化鋯修復(fù)體調(diào)磨可能在一定程度上降低其彎曲強度和疲勞壽命，臨床應(yīng)減少對其進行過度調(diào)改。

[關(guān)鍵詞]氧化鋯修復(fù)體；調(diào)磨方式；彎曲強度；疲勞壽命

[中圖分類號]R783.1" " [文獻標志碼]A" " [文章編號]1008-6455（2025）07-0159-04

EEffect of Different Grinding Modes on Flexural Strength and Fatigue Life of Dental Zirconia Restorations

LI Chenxi， LIN Yao， XU Qiang， FANG Yuan， DUAN Yingying， WANG Jingkun

（ Department of Stomatology， Maternal and Child Health Hospital， Tangshan 063000， Hebei， China ）

Abstract： Objective" Exploring the effects of different grinding modes on the flexural strength and fatigue life of dental zirconia restorations. Methods" The zirconia porcelain was cut and sintered according to the corresponding shrinkage ratio， and 52 specimens with specifications of 20 mm×4 mm×2 mm （Group A， without grinding adjustment） and 157 specimens with specifications of 20 mm×4 mm×2.4 mm （ 48 specimens in Group B， 56 specimens in Group C， and 53 specimens in Group D ） were produced， and all the three groups of B， C， and D were uniformly ground with 105 μm emery needles under water spraying， and the rotational speeds of the grinding were controlled at 150 000 r/min， 200 000 r/min， and 250 000 r/min. The surface morphology of four groups was observed to compare and analyse the bending strength and fatigue life. Results" The Weibull modulus （m） and characteristic fracture strength （σ0） of the bending strength of Groups B， C， and D were higher than those of Group A when they were not loaded （P＜0.05）. When the number of loading times was 106 and 107， m and σ0 of Groups B， C， and D were lower than those of Group A （P＜0.05）. With the increase of loading times， m and σ0 in Group A did not change significantly （P＞0.05）. m and σ0 in Groups B， C， and D were lower than those without loading when the loading times were 106 and 107 （P＜0.05）; and the difference between m and σ0 in Groups B， C， and D was not statistically significant when comparing the loading times with those with loading times of 106 and 107 （P＞0.05）. The parameter A of the crack extension rate curve of groups B， C and D was larger than that of group A， and n was smaller than that of group A （P＜0.05）. the difference between the parameter A and n of the crack extension rate curve of groups B， C and D was not statistically significant when compared with those of groups B， C and D （P＞0.05）. There is no obvious change on the surface of the specimens in group A after different times of cyclic loading， while some scratches with different depths appear on the surfaces of groups B， C and D. With the increase in the number of loading times， the flake peeling and tiny cracks are more obvious. Conclusion" Zirconia restorations tuned for grinding may reduce their flexural strength and fatigue life to some extent， and excessive tuning should be minimised in the clinic.

Key words： zirconia restorations; grinding modulation; flexural strength; fatigue life

在眾多的口腔材料中，釔穩(wěn)定型氧化鋯具有極高的機械強度和極佳的生物相容性，受到口腔醫(yī)生的廣泛關(guān)注[1-2]。氧化鋯是以多晶結(jié)構(gòu)存在，主要是單斜相、四方相和立方相，加入釔穩(wěn)定劑后，在自然狀態(tài)下以四方相穩(wěn)定狀態(tài)存在，但修復(fù)體長期暴露于口腔環(huán)境中，受到咀嚼力量、溫度以及pH值變化的影響，會從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵瑥亩霈F(xiàn)機械強度的降低，但這屬于客觀因素影響且是一個長期的過程[3-4]。調(diào)磨后材料內(nèi)部會產(chǎn)生什么樣的變化、是否會對修復(fù)體使用壽命產(chǎn)生影響、如何調(diào)磨可以降低這種影響，經(jīng)查閱文獻，尚未見相關(guān)報道。在實際臨床工作中，為了使氧化鋯修復(fù)體具有更好的適合性，咬合調(diào)整必不可少，調(diào)牙合過程是否會對材料的性能產(chǎn)生影響是醫(yī)生和患者共同關(guān)注的問題，因此，需要進一步研究來證實。本研究通過控制不同轉(zhuǎn)速、不同壓力對氧化鋯修復(fù)體進行調(diào)牙合，同時進行三點彎曲實驗，應(yīng)用Weibull分析評價材料的疲勞性能，分析調(diào)磨方式對氧化鋯修復(fù)體疲勞性能的影響機制。為臨床正確的調(diào)牙合、延長氧化鋯修復(fù)體的使用壽命提供可靠的實驗依據(jù)。

1" 材料和方法

1.1 試件制備及分組：將氧化鋯瓷按相應(yīng)的收縮比例切割并燒結(jié)，分別制作規(guī)格為20 mm×4 mm×2 mm的試件52個（A組，不調(diào)磨）和20 mm×4 mm×2.4 mm的試件157個（B組48個、C組56個、D組53個），B、C、D三組試件在高2.0 mm處用耐久性標記筆標記，并將其固定在夾具上，用粒度為105μm金剛砂車針，在噴水狀態(tài)下均勻調(diào)磨至標記線完全消失（模擬臨床調(diào)磨），調(diào)磨過程中車針和試件始終保持平行接觸，三組調(diào)磨時轉(zhuǎn)速分別控制在150 000 r/min、200 000 r/min和250 000 r/min，此過程均由同一醫(yī)師在相同條件下制備完成。

1.2 疲勞加載：將每個實驗組試件1、2、3組分別用疲勞試驗機加載0次、106次、107次。所有待加載試件用氰基丙烯酸粘固于鋼制模具后，將模具固定于Instron 5848微動循環(huán)試驗機加載臺上，用直徑為4 mm的碳化鎢小球進行加載；加載頭對準試件中心位置，調(diào)整至預(yù)載10 N，消除不良接觸后，設(shè)置為正弦波加載，加載力50～250 N，加載頻率2 Hz，機器自動記錄波形及數(shù)據(jù)。所有試驗均在25℃，相對濕度為40% RH環(huán)境下進行。按照文獻[5]中的方法對試樣的疲勞次數(shù)進行Weibull分析，計算疲勞次數(shù)的Weibull模數(shù)（m*）和特征斷裂次數(shù)（Nf，0），并以此計算各組試樣的裂紋擴展速率曲線參數(shù)A和n。

1.3 彎曲強度測試：將所有試件用丙酮浸泡2 h，脫離模具，無水乙醇清洗后烘干箱干燥，之后分別放置于AKG-10 KNG萬能試驗機上進行三點彎曲強度測試。加載面位于循環(huán)加載張力側(cè)，加載位置為試件中心，加載頭直徑4 mm，跨距設(shè)置為16 mm，加載速度0.5 mm/min，直至試件斷裂，記錄數(shù)據(jù)。利用公式計算三點彎曲強度：[σ=3Pl/2wb2，式中σ為彎曲強度（MPa），P為斷裂負荷（N），l為跨距（mm）；w為試件寬度（mm）；b為試件厚度（mm）]。按照IS06872-2015[6]中的方法對四組試件的三點彎曲強度進行Weibull分析，并計算彎曲強度的Weibull模數(shù)（m）和特征斷裂強度（σ0）。

1.4 表面形貌觀察：將所有試件充分超聲蕩洗，干燥，用導(dǎo)電雙面膠固定在S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Hitachi，日本）工作臺上，進行真空噴金處理，放入掃描電鏡中，設(shè)置5.0 KV加速電壓，拍照并觀察其表面形貌。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析：采用SPSS 20.0軟件進行分析，計量資料采用（xˉ±s）表示，多組間比較采用重復(fù)測量方差分析，組間兩兩比較采用獨立t檢驗；計數(shù)資料采用構(gòu)成比、率表示，組間比較采用χ2檢驗。以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2" 結(jié)果

2.1 各組試件彎曲強度比較：不加載時，B、C、D三組的m和σ0均高于A組（P＜0.05）；加載次數(shù)為106次、107次時，B、C、D三組的m和σ0均低于A組（P＜0.05）；隨著加載次數(shù)的增多，A組m和σ0并無明顯變化（P＞0.05）；B、C、D三組加載次數(shù)為106次、107次時的m和σ0均低于不加載（P＜0.05）；B、C、D三組加載次數(shù)為106次、107次時的m和σ0比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。見表1。

2.2 各組試件的疲勞壽命比較：B、C、D三組的裂紋擴展速率曲線參數(shù)A大于A組，n小于A組（均P＜0.05）；B、C、D三組的裂紋擴展速率曲線參數(shù)A和n比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。見表2。

2.3 各組試件表面形貌比較：A組試件經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)加載后，表面無明顯變化，呈現(xiàn)出清晰的晶粒不規(guī)則排列分布。B組、C組、D組表面均出現(xiàn)一些相互平行且深淺不一的劃痕，劃痕之間有剝脫顆粒附著，且隨著加載次數(shù)的增多，片狀剝脫和微小裂紋越明顯。見圖1。

3" 討論

雖然氧化鋯陶瓷材料在牙齒修復(fù)中有很多優(yōu)點，但也存在一些不足，其制成的口腔修復(fù)體在長期反復(fù)咀嚼力的作用下仍存在斷裂、失效的風(fēng)險，這種現(xiàn)象屬于疲勞失效[7]。在實際的臨床工作中，試戴修復(fù)體的時候需要進行調(diào)整使其具有更精準的咬合關(guān)系，那么氧化鋯修復(fù)體在經(jīng)過調(diào)磨之后強度是否會發(fā)生改變？在長期反復(fù)咀嚼的作用下對其疲勞性能和使用壽命會產(chǎn)生不良影響嗎？國內(nèi)外關(guān)于此類研究并不多見，這也是不少口腔醫(yī)生和患者普遍關(guān)注的熱點問題。因此，關(guān)于氧化鋯陶不同調(diào)磨處理方式的影響尚需探討和研究。

在氧化鋯修復(fù)體的制備過程中，調(diào)磨是一個關(guān)鍵的步驟，調(diào)磨過程可以改善氧化鋯修復(fù)體的表面粗糙度和適應(yīng)性，影響其性能。彎曲強度是評價陶瓷材料力學(xué)性能的重要指標之一[8]。本研究結(jié)果顯示，不加載時，B、C、D三組的彎曲強度較A組有所升高。這是因為調(diào)磨過程使氧化鋯陶瓷從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，相變過程中為阻止裂紋進一步擴張會產(chǎn)生一定體積的膨脹和剪切應(yīng)變，使其強度增強[9]。m和σ0均為材料的特征參數(shù)，分別表示材料的機械性能及疲勞性能，σ0越大，表示材料強度越大，m越大，表示強度結(jié)果越集中，均一性越佳，材料內(nèi)部裂紋分布范圍越小，結(jié)構(gòu)可靠性越強[10]。在臨床應(yīng)用中，修復(fù)體由于長期受到咬合力和咀嚼負荷的作用，可能會出現(xiàn)強度降低和疲勞破壞的情況，從而影響修復(fù)體的可靠性和壽命。本研究設(shè)置試件的循環(huán)加載次數(shù)為106次和107次，可模擬修復(fù)體使用1年后的情況。結(jié)果顯示，隨著加載次數(shù)的增多，A組m和σ0并無明顯變化，表明A組試件具有良好的結(jié)構(gòu)可靠性和抗疲勞性。不加載時，B、C、D三組的m和σ0均高于A組，而加載次數(shù)為106次、107次時，上述三組的m和σ0又較A組降低，提示加載操作導(dǎo)致試件結(jié)構(gòu)可靠性降低，材料體出現(xiàn)了疲勞性，在一定程度上增加脆性斷裂風(fēng)險，形貌觀察結(jié)果也證實了這一點。分析原因：首先，調(diào)磨過程中產(chǎn)生的磨粒和磨屑可能會損傷氧化鋯材料的表面，引入微裂紋和缺陷，從而降低其強度；其次，調(diào)磨過程中摩擦產(chǎn)生的熱量可能會引起材料的熱應(yīng)力，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的改變和材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，進而影響其力學(xué)性能[11-12]。盡管本研究中B、C、D三組試件經(jīng)過加載后材料強度有所降低，但仍高于天然牙齒的強度（265 Mpa）。

亞臨界裂紋擴展（Subcritical crack growth，SCG）是口腔修復(fù)體失效的主要原因之一，在口腔修復(fù)體使用過程中，由于受到咀嚼、咬合等力的作用，修復(fù)體材料可能會出現(xiàn)微小的裂紋，這些裂紋如果擴展到臨界尺寸，就會導(dǎo)致修復(fù)體的失效，而SCG就是指這些微小裂紋在達到臨界尺寸之前的發(fā)展過程[13-14]。SCG的速度和方向受到多種因素的影響，包括材料的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、溫度等，這些因素都會影響修復(fù)體的使用壽命和安全性[15-16]。在本研究中，B、C、D三組的裂紋擴展速率曲線參數(shù)A小于A組，n大于A組，說明加載操作會使氧化鋯材料發(fā)生SCG，從而降低其疲勞壽命。在載荷作用下，氧化鋯陶瓷中存在著一些微小的裂紋，這些裂紋在外界應(yīng)力的作用下會逐漸擴展并最終導(dǎo)致材料的破壞，而氧化鋯陶瓷的表面處理和調(diào)磨過程會直接影響到裂紋的擴展行為，從而影響到修復(fù)體的疲勞壽命[17]?？梢?，在口腔修復(fù)體的設(shè)計和制作過程中，需要考慮到SCG的問題，采取相應(yīng)的措施來防止裂紋的擴展，例如，選擇具有優(yōu)良抗裂性能的材料，設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，控制加工過程中的殘余應(yīng)力等，從而提高修復(fù)體的性能和臨床效果，對于已經(jīng)存在的SCG，需要定期進行檢查和維護，及時發(fā)現(xiàn)并處理可能的問題。

綜上所述，氧化鋯修復(fù)體經(jīng)不同轉(zhuǎn)速調(diào)磨后可能會使其彎曲強度和疲勞壽命有所下降，故從長遠角度考慮，臨床上應(yīng)盡量減少對氧化鋯修復(fù)體的過度調(diào)改。

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[收稿日期]2023-22-20

本文引用格式：李晨曦，林瑤，徐強，等.不同調(diào)磨方式對牙科氧化鋯修復(fù)體彎曲強度與疲勞壽命的影響[J].中國美容醫(yī)學(xué)，2025，34（7）：159-162.