氧化铝喷砂对牙科用氧化锆基底与饰面瓷结合强度的影响

曾强 李宁 周亚男 颜家振 刘文博

四川大学制造科学与工程学院，成都 610065

3mol%氧化钇稳定四方多晶氧化锆（3mol%yttrium-stabilized tetragonal zirconium polycrystal，3Y-TZP）由于具有优良的机械、光学性能以及生物相容性，在全瓷义齿修复中受到患者和口腔医生的广泛青睐。近年来，随着计算机辅助设计和计算机辅助制作（computer aided design-computer assomated manufacture，CAD/CAM）技术在全瓷修复领域的广泛应用，使得氧化锆陶瓷成为口腔修复材料的研究热点。临床研究[1]表明，饰面瓷的剥离是氧化锆全瓷修复体失效的主要形式，基底瓷与饰面瓷材料界面结合的好坏，是决定全瓷修复体临床应用成败的重要因素。因此，提高基底瓷与饰面瓷的结合强度具有重要的临床意义。本文采用不同目数氧化铝（Al2O3）颗粒对氧化锆基底进行喷砂处理，测定基底瓷的表面粗糙度以及瓷瓷结合强度，并结合扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）观察以及能谱分析（energy dispersive spectroscopy，EDS），探讨喷砂工艺对氧化锆基底与饰面瓷结合强度的影响，为3Y-TZP的临床使用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料和仪器

3Y-TZP瓷块（成都科宁达材料有限公司），VITA VM9饰面瓷粉（维他公司，德国），结晶炉、全瓷烤瓷炉（中钢集团洛阳耐火材料研究院），双笔式喷砂机Ⅵ（广西南宁市维晶美医疗器械有限公司），微机控制电子万能试验机（深圳市瑞格尔仪器有限公司），TR200手持式表面粗糙度测量仪（北京时代之峰科技有限公司），热膨胀分数测定仪（湘潭市仪器仪表有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 基底材料的试件制备及分组 将氧化锆基底材料坯体切割并经过1 480 ℃烧结后保温120 min，制得最终尺寸为（25±1） mm×（3±0.1） mm×（0.5±0.05） mm的片状试样21个，并严格控制其尺寸精度。将21个试样随机分为3组，每组7个样本，其中6个进行瓷瓷结合强度实验，1个进行SEM观察及EDS分析。对与饰面瓷结合表面进行表面处理，在宽度为3 mm的面上进行喷砂工艺，按工艺的不同进行分组，具体如下。A组：110目Al2O3颗粒，空气压力为0.5 MPa，距离样品表面10 mm，喷砂时间为20 s；B组：80目Al2O3颗粒，空气压力为0.5 MPa，距离样品表面10 mm，喷砂时间为20 s；对照组：不对表面做任何处理。经过15 min超声波乙醇清洗并干燥后，测定样品的表面粗糙度。

1.2.2 饰面瓷烧结 使用VITA VM9瓷粉专用液稀释饰面瓷粉，将浆体对称地涂覆在样品经过表面处理的面上，按照厂家推荐的烧结程序进行饰面瓷烧结，并对饰面瓷进行打磨，使得烧结后饰面瓷长（8±0.1） mm，饰面瓷总厚度为（1.1±0.1） mm。

1.2.3 瓷瓷结合强度的测定与计算 参照ISO 9693要求，3组样品中各取6个进行三点弯曲试验，测定氧化锆基底与饰面瓷的结合强度。两支点间的距离为20 mm，压头刃口曲率半径为1.0 mm，保证试件的烤瓷面对称地位于加荷面的反面。以1 mm·min-1的恒定速率施力，记录试件烤瓷层一端剥离时的断裂力Ffail。根据公式τb=k·Ffail计算出饰面瓷与氧化锆基底剥离时的强度，其中k值由氧化锆基底的厚度以及杨氏模量决定。

1.2.4 界面SEM观察及EDS分析 3组样品中各取1个试样，打磨基底瓷与饰面瓷的结合界面至清晰可见，超声波清洗5 min后喷金处理，放入SEM中观察结合界面的显微形貌以及进行EDS分析。

1.3 统计学分析

采用SPSS 21.0软件进行统计学分析，表面粗糙度和瓷瓷结合强度进行单因素方差分析以及组间两两比较的LSD检验，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 各组试样表面粗糙度和瓷瓷结合强度

A组、B组和对照组表面粗糙度分别为（1.272±0.149）、（0.622±0.113）、（0.221±0.065） μm；A组、B组和对照组瓷瓷结合强度分别为（28.21±1.52）、（27.71±1.27）、（24.87±3.84） MPa。喷砂后，试样表面粗糙度增大，瓷瓷结合强度略有提高。统计学分析显示：各组表面粗糙度之间的差异具有统计学意义（P＜0.05）。瓷瓷结合强度组间两两比较的LSD检验中，B组和A组、对照组之间的差异均无统计学意义（P＞0.05），而A组的强度显著大于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

2.2 破坏模式观察结果

观察所有全瓷修复体的破坏模式，3组均未见基底瓷或饰面瓷内聚破坏，B组和对照组全瓷修复体均为结合界面附着破坏；A组5个全瓷修复体为结合界面附着破坏，1个为混合破坏。

2.3 SEM观察及EDS分析

SEM观察结果显示，氧化锆基底与饰面瓷在界面结合紧密，无明显间隙，喷砂后结合界面表面粗糙度增大（图1）。EDS分析结果表明，Zr元素在基底瓷中含量较高，在结合界面处急剧下降，而饰面瓷中几乎不含Zr；Si元素在饰面瓷中含量较高，结合界面处急剧下降，基底瓷中几乎不含Si，界面无明显元素渗透现象（图2）。

图1 结合界面观察结果 SEM × 2 000Fig 1 Results of examination about the framework-veneering interface SEM × 2 000

图2 结合界面能谱分析结果Fig 2 Results of EDS about the framework-veneering interface

3 讨论

喷砂工艺通过砂粒对氧化锆基底的碰撞作用，去除表面的杂质，并改变基底瓷的表面积、表面粗糙度以及应力状态，从而影响界面结合强度[2]。目前，喷砂工艺对氧化锆基底与饰面瓷结合强度的影响尚无统一结论。Kirmali等[3]通过对氧化锆基底进行喷砂处理，得出喷砂组瓷瓷结合强度为（23.31±4.10） MPa，未处理组瓷瓷结合强度为（11.31±5.56） MPa，差异有统计学意义，故认为喷砂工艺能够显著提高瓷瓷结合强度。而闫海鑫等[4]却得出截然不同的结论，该研究组通过平行剪切实验，得出喷砂组和未处理组瓷瓷结合强度分别为（20.747±5.81）、（18.748±4.99） MPa，差异无统计学意义，并认为喷砂工艺不能显著提高氧化锆基底与饰面瓷的结合强度。本研究中采用2种不同目数的Al2O3颗粒对氧化锆基底表面进行喷砂处理，探讨喷砂工艺对瓷瓷结合强度的影响。统计结果显示：除A组与对照组外，其余各组间结合强度的差异均无统计学意义。A组与对照组间的差异具有统计学意义，表明喷砂工艺可以提高氧化锆基底与饰面瓷的结合强度，但B组与另外2组间的差异却并无统计学意义，这可能是因为B组表面粗糙度与另外2组相差不大，虽对结合强度产生一定的影响，但尚构不成显著性差异，说明喷砂工艺虽能提高氧化锆基底与饰面瓷的结合强度，但作用不明显，当表面粗糙度差异较大时，结合强度才能形成显著性差异。

全瓷修复体的破坏模式包括基底材料或饰面瓷的内聚破坏、结合界面附着破坏和混合破坏等[5]。当基底材料与饰面瓷的结合强度较低时，表现为结合界面附着破坏，即饰面瓷与基底瓷发生整体剥离；当结合强度较高时，表现为基底材料或饰面瓷的内聚破坏，即基底材料或饰面瓷发生破坏。本研究中，17例表现为结合界面附着破坏，仅有1例为混合破坏，且并没有发生基底瓷内聚破坏现象。表明2种瓷间的结合强度远低于瓷本身，破坏将首先在结合界面处产生。SEM观察显示，氧化锆基底与饰面瓷结合紧密，界面无明显间隙，机械嵌合良好，经过喷砂工艺处理后，界面表面粗糙度明显增大。说明喷砂工艺可以粗化结合界面，增加表面粗糙度，从而增大基底瓷与饰面瓷的结合面积，进而增强2种瓷间的机械嵌合作用，提高瓷瓷结合强度。金瓷修复体中，合金表面的氧化层与陶瓷成分可通过扩散并反应形成以离子键和共价键为主的化学结合，使金瓷修复体具有较高的结合强度[6]；而全瓷修复体结合界面并没有通过化学反应生成一个明显的过渡层，饰面瓷直接与基底瓷接触，EDS分析表明：基底瓷中Zr元素含量在界面急剧下降，饰面瓷中几乎不含Zr元素，而Si元素在以长石质陶瓷为主要成分的饰面瓷中含量较高，结合界面处也急剧下降，2种瓷之间无明显元素渗透现象。说明在全瓷修复体中，对结合强度起主导作用的是2种瓷之间的机械嵌合作用，而是否产生化学结合作用，还有待进一步的研究。

全瓷基底与饰面瓷的热膨胀系数（coefficients of thermal expansion，CTE）差异也是影响瓷瓷结合强度的重要因素。若饰面瓷材料的CTE大于全瓷基底材料，则在饰面瓷内将产生张应力，易发生饰面瓷分层现象以及在饰面瓷内产生微裂纹，降低瓷瓷结合强度[7]。故一般要求饰面瓷材料的CTE略低于全瓷基底，这一微小的差异可在强度较弱的饰面瓷内产生压应力，提高瓷瓷结合强度[8]。参考金瓷匹配原则，CTE差异一般控制在（0.9～1.5）×10-6·K-1[9]。本研究中所用氧化锆基底CTE（25～500℃）为10.6×10-6·K-1，饰面瓷VITA VM9 CTE（25～500℃）为（8.8～9.2）×10-6·K-1，差异基本控制在可接受范围内。氧化锆基底在进行喷砂时，表面受到砂粒的碰撞作用，将会发生部分四方相（t相）向单斜相（m相）的转变，Liu等[10]的研究也证明了这一观点。Elsaka[11]认为基底材料中由于m相的存在，极有可能导致晶粒间微裂纹的产生，影响全瓷修复体的使用寿命。m相CTE仅为7.5×10-6·K-1[11]，低于饰面瓷，将在饰面瓷内产生张应力，降低结合强度。而伊元夫等[12]对喷砂后试样进行相结构分析，在2次模拟牙科烧结循环后，m相含量从喷砂后8.45%减少到0.70%，与退火后的样品接近。表明经过饰面瓷烧结程序后，基底中m相能大量的转变为t相，最后几乎不含m相。故本研究中，经过饰面瓷烧结程序后，喷砂工艺诱发相转变生成的m相可逆转变为t相，因而喷砂工艺对热膨胀系数几乎无影响，主要通过改变基底表面粗糙度，增大界面结合面积，增强机械嵌合作用而提高结合强度。

综上所述，喷砂工艺主要通过改变氧化锆基底表面状态，增强2种瓷间的机械嵌合作用，提高瓷瓷结合强度，但作用不明显，表面粗糙度差异较大时，强度才能形成显著性差异。增强基底瓷与饰面瓷的化学结合作用，是未来改善结合性能的重要途径。

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