不同表面处理方法对氧化锆基底材料与饰面瓷结合强度的影响

宫琪 孙惠强 胡以俊 陈佳 丁伟山

1.济南市口腔医院医学美容中心，济南 250001；2.山东大学口腔医院修复科，山东省口腔组织再生重点实验室；3.特诊科，济南 250012

不同表面处理方法对氧化锆基底材料与饰面瓷结合强度的影响

宫琪1孙惠强2胡以俊3陈佳3丁伟山3

1.济南市口腔医院医学美容中心，济南 250001；2.山东大学口腔医院修复科，山东省口腔组织再生重点实验室；3.特诊科，济南 250012

目的 比较不同表面处理方法对氧化锆基底与饰面瓷之间的结合强度及结合界面微观结构的影响。方法将WIELAND氧化锆瓷块胚体烧结制成10 mm×5 mm×5 mm大小试件33个。将试件随机分为3组，每组11个。喷砂组在烧结前进行喷砂处理；处理剂组先喷砂处理，再烧结结合衬底瓷；对照组不做处理。3组基底瓷材料采用粉浆涂塑法烧结5 mm×5 mm×5 mm大小的饰面瓷。每组随机抽取1个基底瓷及双层瓷试件，采用扫描电镜、能谱分析方法，研究氧化锆底瓷与饰面瓷之间的结合情况。其余试件则通过电子拉伸机测试结合界面的剪切强度，并用SPSS 17.0软件对实验数据进行统计学分析。结果 喷砂组、处理剂组、对照组试件的剪切强度分别为（18.06±0.59）、（21.04±1.23）、（13.80±1.54） MPa，各组间差异均有统计学意义（P＜0.01）。结论 氧化锆胚体烧结前喷砂处理能提高氧化锆基底冠与饰面瓷的结合强度，结合衬底瓷的应用能提高氧化锆基底冠与饰面瓷的结合强度。

氧化锆； 饰面瓷； 表面处理； 结合强度

氧化锆陶瓷由于其机械性能优异、化学性能稳定、生物相容性好、耐腐蚀、不导电等特性逐渐得到医生和患者的认可[1]。但氧化锆颜色单一且透明度较差，无法满足临床的美观需求，需在其表面烧结饰面瓷以满足临床需求[2]。因此氧化锆底瓷与饰面瓷的结合强度成为决定全瓷修复体修复效果的重要指标[3]。表面预处理是提高二者结合强度的常用处理方法。喷砂处理是通过粗化氧化锆陶瓷表面增加机械嵌合从而提高结合强度[4]。而结合衬底瓷的应用也具有同样的效果[5]。本实验旨在对比和研究不同的氧化锆表面处理方法对氧化锆基底与饰面瓷结合强度的影响，并为临床选择提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 材料和仪器

氧化锆瓷块（WIELAND公司，德国），IPS e.max ZirPress氧化锆饰面瓷瓷粉、IPS e.max Ceram ZirLiner结合瓷瓷粉、IPS e.max Ceram ZirLiner Build-Up Liquid（Ivoclar Vivadent公司，列支敦士登），J5060-1型内圆切片机（上海无线电专用机械厂），喷砂机（Bego公司，德国），高温烧结炉（Vita公司，德国），Multimat Touchamp;Press烤瓷炉（Dentsply公司，德国），RGD-5电子拉伸机（深圳瑞格尔公司），SU-70热场发射扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）（日立公司，日本）。

1.2 方法

1.2.1 试件的制作 将WIELAND氧化锆胚体瓷块切割成12 mm×6.25 mm×6.25 mm大小试件33个，用放大镜检查每个试件表面，排除有缺陷者。实验分为喷砂组、处理剂组和对照组，每组各11个试件。喷砂组和处理剂组做喷砂处理，条件为80 μm的氧化铝颗粒在0.4 MPa的压强下喷10 s，喷嘴与氧化锆瓷块表面垂直，距瓷块表面10 mm。对照组用金相砂纸抛光处理。然后将试件放入高温烧结炉内按产品说明书要求烧结，自然冷却后所有试件用金相砂纸打磨至最终尺寸10 mm×5 mm×5 mm。使用游标卡尺将试件尺寸误差控制在±0.01 mm。氧化锆上饰面瓷前所有试件结合面均超声清洗10 min，处理剂组先按厂家推荐程序烧制0.1 mm厚的结合衬底瓷。所有试件处理完后，利用自制模具在试件结合面距离短边一端1 mm处采用粉浆涂塑法烧结5 mm×5 mm×5 mm大小的相应饰瓷。全部试件制作完成后，机械加工精细调整，游标卡尺控制结合面面积均为（25±0.01） mm2，且饰面瓷的加载面与氧化锆基底面垂直。所有试件均由同一名经验丰富的技师操作完成。

1.2.2 剪切强度的测定 将试件用自凝树脂包埋后，固定于特制不锈钢夹具-底层-体式模具（图1）上，放置于RGD-5电子拉伸机万能实验机中，调整加载头的位置，使其切端竖直面与结合界面紧贴，向下滑行至底座标记位置，确保每个试件测试时位置相同并使加载力均作用于双层瓷界面处，以1 mm·min-1的速度加载至饰面瓷脱落，记录破坏时的最大载荷力F（N）和瓷结合面积S（mm2），计算剪切强度P，公式为P=F/S。

图1 加载实验及试件示意图Fig  1 Schematic diagrams of loading test and specimen

1.2.3 处理面和结合界面的SEM观察和能谱分析 烧结饰瓷前每组试件随机抽取一个氧化锆底瓷试件，用于处理面的SEM观察。每组试件上饰瓷后再随机抽取一个双层瓷试件用于SEM观察和能谱分析。用金刚砂磨盘对所要检测的试件结合面进行抛光，超声清洗，喷金后将试件放入SEM下进行界面观察和元素分析。在氧化锆-饰面瓷双层瓷材料两侧选两点连接成垂直于结合界面的直线，并对该线上的元素进行线扫描能谱分析。

1.3 统计学分析

采用SPSS 17.0统计软件对实验结果进行分析，以单因素方差分析（one-way ANOVA）和LSD-t检验两两比较法对各实验组结合强度值进行分析，各项分析的检验标准均为α=0.05，当Plt;0.05时有统计学意义，当Plt;0.01时有显著统计学意义。

2 结果

2.1 剪切强度测试结果

喷砂组、处理剂组、对照组试件的剪切强度分别为（18.06±0.59）、（21.04±1.23）、（13.80±1.54） MPa。3组试件结合强度的单因素方差分析得出F=40.601 0，P=0.000，可认为3组不同处理因素存在极显著差异，故须进行多重比较。3组试件结合强度的样本均数两两比较的t检验分析得出，各组均数之间的差异有统计学意义（P＜0.01）。

2.2 SEM观察结果

氧化锆陶瓷表面的SEM观察结果见图2。由图2可见，喷砂组和处理剂组的表面形成了不规则的凹陷和凸起，而对照组的试件表面可见规则而清晰的沟槽和嵴，但深度并不明显。结合界面的SEM观察结果见图3。由图3可见，喷砂组和处理剂组的结合界面紧密结合无间隙，有明显的镶嵌融合；而对照组的结合界面平直，无明显相互渗透嵌合。

2.3 结合界面能谱分析结果

喷砂组和处理剂组Zr元素在结合界面处急剧下降，在饰瓷侧可检测到微量的Zr元素，而对照组在饰瓷侧未检测到Zr元素（图4）。

图2 喷砂对氧化锆底瓷表面形貌的影响 SEM × 1 000   Fig  2 The effect of sandblasting on surface morphology of zirconia    SEM × 1 000

图3 喷砂对结合面形貌的影响 SEM × 1 000Fig  3 The effects of sandblasting on interface morphology SEM × 1 000

图4 双层瓷试件界面两侧线扫描结果Fig  4 Line scanning of bilayered across the interface

Si元素在饰面瓷中含量高，在底瓷侧含量少，在结合界面3 μm的范围内变化较为明显，之后趋于稳定。界面两侧Al元素含量的曲线变化是一个平缓的坡度而不是突然变化的，这说明界面两侧Si、Al元素存在化学元素的渗透（图4）。

3 讨论

氧化锆基底类的全瓷材料具有良好的机械性能、化学性能稳定等特性，但其色泽及透明性等较其他全瓷材料有差异，因而需要烧结饰面瓷以达到良好的美学效果。已有文献[6]报道，氧化锆底瓷与饰瓷双层结构的全瓷修复体的饰瓷崩瓷几率明显高于其他种类的修复体。因此如何提高氧化锆基底与饰瓷之间的结合强度成为修复体修复成败的关键。

目前对于氧化锆基底与饰面瓷结合的具体机制尚未达成一致。理论上二者的结合力主要有物理结合力、化学结合力和范德华力。物理结合力包括压缩结合力和机械嵌合力。其中压缩结合力主要是由于瓷层之间的热膨胀系数不一致导致的。机械嵌合力是饰面瓷与基底瓷表面的不规则结构相互锁结构成的，机械嵌合力的大小主要取决于结合面的比表面积大小。比表面积增加则基底瓷与饰面瓷的结合面积就增加，二者结合界面的强度就会增加。化学结合力则是基底瓷层与饰面瓷之间有一种或一种以上的成分在饰面瓷烧结时熔融即可产生。范德华力即分子与分子间的作用力[7]。目前认为氧化锆基底与饰面瓷之间的结合力主要是物理结合力，是否存在化学结合力及其作用力的大小有待于进一步研究。

氧化铝喷砂是一种常用的材料表面粗化方法，其目的是增大陶瓷表面粗糙度，增大结合面积，以提高二者的机械嵌合力，并且可以通过增大陶瓷表面粗糙度减小其表面接触角，增强润湿性，提高亲和力。Kim等[8]对Kavo氧化锆陶瓷试件烧结后进行喷砂处理再烧结饰面瓷后进行SEM观察，发现经过喷砂后的氧化锆试件表面形貌改变，粗糙度增加，与饰面瓷的结合更为紧密，氧化锆与饰面瓷结合面无明显界线，相互渗透嵌合，较未喷砂组的剪切强度大。但闫海鑫等[9]对Vita氧化锆陶瓷烧结后进行喷砂处理后再烧结饰面瓷进行SEM观察，发现两组间烧结面的表面形貌有差异，但结合面无差异。目前氧化锆烧结后进行喷砂处理对于结合强度的增加没有得到一致的结论。而本实验是对氧化锆胚体烧结前进行喷砂处理，SEM观察示喷砂组和处理剂组的表面形成了不规则的凹陷和凸起，而对照组的试件表面可见规则而清晰的沟槽和嵴，但深度并不明显。而氧化锆胚体烧结后再烧结饰面瓷的结合界面的SEM观察示喷砂组与处理剂组的结合界面紧密结合无间隙，并且有明显的镶嵌融合。而对照组的结合界面平直，无明显相互渗透嵌合。出现此种情况的原因可能是本实验是对氧化锆胚体进行的喷砂处理，而其他学者是对氧化锆烧结后进行的喷砂处理。氧化锆胚体与烧结后的氧化锆硬度相差很大，导致喷砂处理后界面粗糙度及结合面积也相差很大，对于二者的结合强度也有明显的差异。但氧化锆胚体喷砂后再进行烧结处理对于氧化锆表面粗糙度及晶相的改变有待于进一步深入的研究。

烧结结合衬底瓷是增强氧化锆底瓷与饰瓷结合强度的常用方法，研究[5]表明该操作具有良好的瓷/瓷结合增强效果，其原理是底瓷与薄层结合瓷熔融结合比直接烧结较厚的饰面瓷能产生更大的分子间范德华力结合；而由于结合瓷与饰面瓷的化学成分接近，当烧结饰面瓷时二者的某些成分相互熔融，产生较强的化学结合力。陈宇晖等[10]研究表明氧化锆预烧结前涂布饰瓷一起烧结与氧化锆先烧结然后再烧结饰面瓷相比，能显著提高二者的结合强度。此外结合瓷的烧结可轻微改变氧化锆的热膨胀系数，对于提高瓷/瓷结合强度有积极作用[11-12]。本实验喷砂组与处理剂组的剪切强度测试结果具有统计学差异，表明烧结结合衬底瓷能提高氧化锆底瓷与饰瓷的结合强度，这与马婷婷等[13]的研究结果一致。

本实验结合界面的SEM观察显示，喷砂组与处理剂组结合界面紧密结合无间隙，有明显的镶嵌融合，而对照组的结合界面平直，且结合较为紧密，无明显相互渗透嵌合。双层瓷结合界面处的化学元素渗透可由两方面因素产生：一是界面处的元素成分发生化学反应；二是因为元素的质量分数不同而形成的物理性渗透[14]。能谱分析结果显示，喷砂组及处理剂组Zr元素在结合界面处急剧下降，在饰瓷侧可检测到微量的Zr元素，而对照组在饰瓷侧未检测到Zr元素。Si元素在饰面瓷中含量高，在底瓷侧含量少，在结合界面3 μm的范围内变化较为明显，之后趋于稳定。界面两侧Al元素含量的曲线变化是一个平缓的坡度而不是突然变化的，这说明界面两侧Si、Al元素存在化学元素的渗透。IPS e.max Ceram饰面瓷中含有少量的Al2O3和ZrO2，而WIELAND氧化锆瓷块中还有少量的Al2O3，IPS e.max Ceram Zir-Liner结合瓷瓷粉中含少量的SiO2和Al2O3。根据以上结果推断在烧结的过程中底瓷中的Zr元素与饰面瓷中的含Zr的物质在界面处熔融，饰面瓷中的Al元素与基底冠中的含Al的物质熔融。这与其他[4,10]研究结果相符。但也有学者未观察到元素的化学渗透，他们认为氧化锆基底冠与饰面瓷的结合界面处的结合力以机械锁合为主。因此氧化锆基底冠与饰面瓷结合界面是否存在化学结合有待于进一步的研究。

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Effect of different surface processes on the bond strength between zirconia framework and veneering ceramic

Gong Qi1, Sun Huiqiang2, Hu Yijun3, Chen Jia3, Ding Weishan3.
(1. Dept. of Cosmetic Center, Jinan Stomatological Hospital,Jinan 250001, China; 2. Dept. of Prosthodontics, School of Stomatology, Shandong University, Shandong Provincial Key Laboratory of Oral Tissue Regeneration, Jinan 250012, China; 3. Dept. of Special Clinic, School of Stomatology, Shandong University, Shandong Provincial Key Laboratory of Oral Tissue Regeneration, Jinan 250012, China)
Supported by: Shandong Province Science and Technology Development Plan (2014GSF118065). Correspondence: Ding Weishan, E-mail: dws@sdu.edu.cn.

Objective To compare the effect of different surface processes on bond strength and microscopic structure using a scanning electron microscope (SEM) and an energy distribution spectrum (EDS) at the bonding interface between zirconia framework and veneering ceramic. Methods WIELAND zirconia core material was cut into 33 rectangular specimens and fired on into rectangular specimens (10 mm×5 mm×5 mm). The specimens were randomly divided into three groups (n=11). The sandblasting group was sandblasted before firing. The sandblasting and liner coverage group was sandblasted before firing and then sintered with liner coverage after firing. The control group was not processed. All the veneering ceramics (5 mm×5 mm×5 mm) were fired on into the zirconia substructure by slip-casting technique. One bilayered specimen in each group was prepared for SEM and EDS to examine the bonding conditions. The other specimens were measured for shear force using an electronic universal dynamometer. The data obtained were analyzed by using the statistical software SPSS 17.0. Results The values of the shear bond strength test were (13.80±1.54) MPa for the control group, (18.06±0.59) MPa for the sandblasting group, and (21.04±1.23) MPa for the sandblasting and liner coverage group. Significant differences existed among the three groups (P＜0.01). Conclusion Abrasion before firing significantly increases the shear bond strength of zirconia to veneering porcelain. The use of porcelain combined with liner increases the shear bond strength.

zirconia;  veneering ceramic;  surface treatment;  bond strength

R 783.2

A

10.7518/hxkq.2017.06.007

2017-01-16；

2017-09-10

山东省科技发展计划（2014GSF118065）

宫琪，住院医师，硕士，E-mail：gongqi0631@163.com

丁伟山，副主任医师，学士，E-mail：dws@sdu.edu.cn

（本文编辑   杜冰）