新型氧化锆增强的二硅酸锂陶瓷与传统二硅酸锂陶瓷的机械性能对比

王 磊 ，阮坚勇

（1.福建省南平市第二医院 口腔科，福建南平 354200；2.福建医科大学附属口腔医院 种植二科，福建福州 350001）

近年来，各种CAD/CAM可切削陶瓷材料相继出现，其美学性能、生物相容性、耐磨性和化学稳定性得到不断完善[1，2]。临床在选择修复材料时，尤其后牙区，更加看重材料的机械性能[3]。本研究的目的是基于陶瓷微观结构和元素组成来评估、比较三种二硅酸锂陶瓷（热压铸二硅酸锂玻璃陶瓷、可切削二硅酸锂玻璃陶瓷以及氧化锆增强的二硅酸锂玻璃陶瓷）的机械性能。

1 材料和方法

1.1 主要的设备和材料

超声波清洁机（SK40-120DJ，张家港市神科超声电子有限公司，中国）；岛津万能力学试验机（AG-IC，岛津公司，日本）；场发射扫描电镜（日立S-4800，日本）；牙科热压铸造机（Programat EP3000，义获嘉韦瓦登特，列支敦士登）；抛光机（沈阳科晶自动化设备有限公司）；自动转塔数显显微硬度计（HXD-1000TM，上海泰明光学仪器有限公司）；研究采用的3种二硅酸锂陶瓷生产厂商及型号见表1。

表1 受测材料介绍

1.2 制备陶瓷试件

根据ISO 6872牙科陶瓷标准，将18×4.5×2mm3的有机玻璃长条（样本量为20）作为替代蜡型，用包埋液包埋，放入850℃恒温炉中预热1h。将预热后的包埋块连同二硅酸锂陶瓷块（IPS e.max Press HT型铸瓷）和氧化铝推进棒一同放进热压铸造机内，起始温度700℃，最终在915℃进行热压铸。

利用金刚石切锯在水环境下将IC和VS组的原瓷块切成18×4.5×2mm3的长条试样（样本量为20），放入Programat CS2烧结炉内，按照厂家要求进行烧结，VS组最终烧结温度840℃，并保持8min。将制作完成的3组陶瓷长条试件上下面及侧面分别在喷水环境下依次使用400～3000目的耐水砂纸打磨抛光，最终尺寸为18×4×1.5mm3。

表2 3种材料物理性能测试结果（±s）

表2 3种材料物理性能测试结果（±s）

注：* 与 VS组比较，P＜0.05。

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1.3 抗弯强度和硬度测定

图1 3组扫描电镜图（左侧）和相应的元素组成（右侧）

根据牙科陶瓷ISO 6872标准，分别将60个长条试件抛光并倒角，置于岛津万能力学测试仪上，采用三点弯曲法测试其抗弯强度。试件跨距15mm，载荷49N，加载速率为0.5mm/min。三点弯曲强度计算公式为：σ=3NL/2bh2。其中σ为三点弯曲强度（MPa）；N 为断裂载荷（N）；L 为跨距宽度（mm）；b 为试件宽度（mm）；h 为试件厚度（mm）。

三点弯测试后的碎片采用压痕法分别测定3种陶瓷的硬度，载荷和加载时间为5N、10s，每种材料至少测试20个点。

1.4 电子能谱分析（EDX）和显微结构分析

从经过抗弯强度实验压断后的VS组、IC组和IP组试件中分别随机选取2个试件并分为2组，其中1组试件利用浓度5%的氢氟酸溶液酸蚀60s，去离子水冲洗表面酸蚀液。2组试件分别在超声机内清洗10min、干燥后，表面喷金，置于场发射扫描电镜中观测酸蚀组的表面微观形貌，并对未酸蚀组进行EDX能谱分析。

1.5 统计学方法

使用SPSS17.0统计软件，计量资料比较采用单因素方差分析（ANOVA），并用Tukey事后检验进行两两数据比较。

2 结果

2.1 力学性能结果

IP、IC和VS组的抗弯强度和硬度值见表2。结果显示VS组抗弯强度显著高于IP和IC组（均P＜0.05）。VS组硬度值显著高于IP和IC组（均P＜0.05）。

图2 IP组(A和a)、IC组(B和b)和VS组(C和c)酸蚀后的表面微观形貌

2.2 EDX分析

对3种玻璃陶瓷进行EDX能谱分析，陶瓷内部组成元素结果如图1所示。像预期的一样，锂元素无法被测试出来。在3种陶瓷中同时检测出了相对较高的Si和O元素以及一定量的Zr、Al、K、Ce等元素，证明SiO2是3种陶瓷的玻璃相的主要组成部分；在VS组检测出了相对较高的Zr，而IC组和IP组Zr含量相对较低；VS组Si和K含量明显低于IC组和IP组，而IC组Al含量明显高于VS组和IP组，IP组Zn含量明显高于VS组和IC组。

2.3 表面微观形貌

图2为IP、IC和VS组酸蚀后的晶体形貌。结果显示，经氢氟酸酸蚀后的3种陶瓷表面凹凸不平。IP组酸蚀后试件表面玻璃相几乎完全溶解，露出针状晶粒，呈一定方向密集排列，晶粒尺寸界于3～4μm之间，在3组中晶粒尺寸最大；IC组酸蚀后试件表面露出较短的针状晶体，同样交错密集排列，与IP组不同的是在晶粒之间仍然可以看到未溶解的玻璃相，晶粒之间没有明显界限；VS组酸蚀后试件表面露出短棒状晶粒均匀分布在玻璃相之间，在3组中晶粒尺寸最小。

3 讨论

氧化锆修复体是齿科陶瓷中机械性能很高的材料，但是多数氧化锆陶瓷表面需要上饰瓷以增加美学效果。有文献报道这种双层氧化锆修复体表面容易诱发崩瓷、折裂等现象[4]，不能兼顾美学与力学双重性能。齿科陶瓷中最具美学效果的是玻璃陶瓷，从上世纪的长石质陶瓷、白榴石增强的玻璃陶瓷到二硅酸锂玻璃陶瓷，均美学性能较佳，力学性能得到提高[5]，可以单片加工完成，表面不需要增加饰瓷[2]。近年来临床上被广泛使用的二硅酸锂玻璃陶瓷主要是热压铸二硅酸锂玻璃陶瓷和可切削二硅酸锂玻璃陶瓷；前者采用失蜡法-热压铸造技术制作，后者采用CAD/CAM切削技术完成。最近，一种氧化锆增强的二硅酸锂玻璃陶瓷（Vita Suprinity）被引入到牙科市场[6]。它含有较高的氧化锆，是第一种氧化锆增强的二硅酸锂陶瓷。制造商将一定量的氧化锆颗粒加入到陶瓷结构中，通达到中断裂纹增强陶瓷结构，既表现出较强的机械性能，又达到最高的审美要求[7]。

玻璃陶瓷是由无定型玻璃基质和晶粒组成的双相多晶体材料，陶瓷的组成和晶粒的数量、大小、排列方向等决定材料的物理性能、机械性能以及光学性能[2，8]。本研究评价和比较了IP、IC和VS组的机械性能，结果表明VS组的抗弯强度和硬度均明显高于IP组和IC组，尽管IP组和IC组的抗弯强度和硬度的平均值有差异，但没有统计差异。与之前的文献结果相一致。

在本研究中，进行了一些标准状态下的静态材料试验，来对比传统的铸瓷、可切削二硅酸锂陶瓷与新型氧化锆增韧的二硅酸锂陶瓷的力学性能。陶瓷的硬度、抗弯强度等参数常用来评价齿科全瓷的临床潜力。三点弯测试是实验室常用且满足ISO 6872-2008牙科材料标准的抗弯强度测定方法。有学者采用此种方法测试二硅酸锂铸瓷，得出其抗弯强度约为303～426MPa。由于陶瓷材料的抗弯强度测定方法与材料规格大小以及受力区域有无内部缺馅有较大关系，并且国际标准规定范围内的材料尺寸范围相对较宽，因而不同学者所测强度值有一定波动属于正常。本实验中IP组抗弯强度测试结果为345.40±42.79MPa，该值与厂商提供强度值相差不大。VS组强度约为420.24±30.76MPa，IC 组强度 340.73±32.79MPa，跟之前的文献结果相近[7]。

硬度是材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是用来比较陶瓷修复材料的重要力学性能[9]。本实验中，VS组测得的硬度明显高于IC组和IP组，主要归因于氧化锆填料的加入，溶解后的氧化锆颗粒散在分布于玻璃基质内，使得玻璃基质无法像IP组内一样成团聚集分布[7]。

在3种陶瓷中同时检测出了相对较高的Si和O元素，证明SiO2是3种陶瓷的玻璃相的主要组成部分，它以[SiO4]形式组成硅酸盐玻璃，在基质玻璃种形成硅氧四面体相连的三维网络结构。图1中也可以看出IP组的K含量高于IC组，同时明显高于VS组。有文献报道K2O较强的释放游离氧的能力可以加速三维网状结构断裂、松散，促进成核，有助于形成细长板条形晶体，得到理想的显微形貌和最高的晶体含量[10]。从图2的3组晶体形貌中也可以看出IP组二硅酸锂晶粒呈长针状，其长度明显高于IC组和VS组的短棒状晶体。IC组Al含量明显高于VS组和IP组，Al2O3的作用与K2O相反，它可以形成铝氧四面体促使K2O造成的断裂部分再次连接，使松散的玻璃基质趋向紧密。3种材料同时检测出了引入少量的CeO2，其作用可模拟天然牙的荧光效果。另外ZrO2有利于调节析出晶体的形态，获得良好的半透性，还能利用其相变增韧补强，所以VS组含有更高的Zr含量，其强度和硬度均明显高于IP组和IC组。其较强的增韧作用使得VS可以在未晶化的玻璃态下进行CAD/CAM加工成型，而其他可切削陶瓷需要在局部晶化状态下加工成型。

本研究评估、比较了3种陶瓷的强度和硬度，并通过观测其晶体结构和元素组成，发现氧化锆增强的二硅酸锂陶瓷的机械性能优于其他两者的原因，为临床工作中全瓷材料的合理选择提供的参考数据。

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