高周次动态载荷对牙科氧化锆陶瓷弯曲强度及可靠性影响

陆英，龚旭，王似鋆

1.绍兴文理学院附属医院 绍兴市立医院 口腔科，浙江 绍兴 312000；2.军事口腔医学国家重点实验室口腔疾病国家临床医学研究中心 第四军医大学口腔医院口腔材料学教研室，陕西 西安 710032

近年来，随着材料合成和制备工艺的持续提升，牙科氧化锆陶瓷的美学效果得到了显著改善，全解剖形态氧化锆全瓷冠（以下简称全锆冠）逐渐被应用于后牙牙列缺损与缺失修复领域[1]。与基底瓷-饰瓷双层瓷结构的全瓷冠相比，全锆冠整体的力学性能更好，基牙预备量小，且不存在修饰瓷崩瓷风险[1-3]。作为目前口腔临床常用的固定义齿修复材料，牙科氧化锆陶瓷在口内的使用寿命一直是人们关注热点的问题[4-8]。PJETURSSON等[9-10]的研究结果显示，口腔临床中氧化锆单冠和桥体的折裂率高于金属冠和金属桥体。氧化锆桥体在口内发生折裂的直接原因是其折裂部位的断裂强度低于咀嚼应力。然而，现有研究表明，牙科氧化锆的初始弯曲强度高于人口内的咀嚼应力[11]，因此，有学者认为可能是咀嚼力的长期作用使得氧化锆的内部发生了变化，导致其弯曲强度降低，即氧化锆发生了疲劳现象[12-13]。

目前，人们对于牙科氧化锆陶瓷疲劳性能的研究主要集中在接触式疲劳和亚临界裂纹扩展（subcritical crack growth,SCG）两个方向，研究结果表明这两种体外模型的预测结果与氧化锆陶瓷的体外寿命与临床观察结果相差较大[13-14]。此外，也有部分学者开展了动态循环对于牙科氧化锆陶瓷疲劳性能方面的研究，但由于加载周期较短，无法完全模拟氧化锆陶瓷在受咀嚼力长期作用下产生的变化[15]。因此，本研究拟采用高周次固定幅值循环加载的方式，体外模拟咀嚼力对锆瓷修复体的长期作用，考察材料疲劳前后弯曲强度和可靠性的变化，结合断口形貌学分析，探索动态载荷对氧化锆陶瓷力学性能的影响及其作用机制，以期为口腔临床中使用牙科氧化锆材料提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料 爱尔创牙科氧化锆陶瓷（Upcera MT，深圳Upcera公司，以下简称MT），主要成分：ZrO2·HfO2·Y2O3≥99%，Y2O34.5%～6%，Al2O3≤0.5%，其他氧化物≤0.5%。

1.2 仪器设备 体视显微镜（XYH-2A，上海光学仪器一厂），三维形貌扫描仪（ST400，美国NANOVEA公司），自动精密研磨抛光机（UNIPOL-1502，沈阳科晶自动化设备有限公司），电磁式动态力学实验系统（M-1000，天津凯尔测控试验系统有限公司），扫描电子显微镜（S-4800，日本日立公司）。

1.3 方法

1.3.1 试件制备及分组：取MT氧化锆瓷盘一块（尺寸为AW 98 mm×14 mm），按照说明书推荐的放大尺寸切割、烧结，然后进行打磨、抛光，并做出倒角[16]，试件最终长度＞28 mm，宽度和高度为4 mm×1.2 mm（±0.2 mm）。使用ST400三维形貌扫描仪测试抛光后试件的表面粗糙度。将抛光后的试件置于体式显微镜下观察，筛选出30个表面无明显缺陷的试件，超声清洗后，60 ℃烘干30 min。然后将试件按照随机数字表分为2组，对照组和实验组，每组15个[16]。

1.3.2 体外动态加载实验：实验组的体外疲劳实验在电磁式动态力学实验系统上进行。为充分模拟氧化锆在口腔内服役时的温热潮湿环境，本研究采用人工唾液作为腐蚀介质，温度为37 ℃。压头直径为4 mm，跨距为24 mm，加载幅值为0～300 MPa，频率为10 HZ，加载方式为正弦波，周期为3×106次。疲劳加载完成后，标记好试样与压头的接触区域，将试样超声清洗、干燥后保存，然后测试弯曲强度。

1.3.3 弯曲强度实验：弯曲强度测试在37 ℃的人工唾液中进行，调整试样位置，对齐压头与标记位置，采用单向持续加载的方式加载，加载速率为0.5 mm/min[16]，直至试件断裂，记录试件的断裂载荷，并根据公式（1）计算弯曲强度（σ）。

（1）式中σ（MPa）为试件的弯曲强度，通过计算后得知；P（N）为试件的断裂载荷，L（mm）为跨距，b、d分别为试件的宽度（mm）和厚度（mm）。使用Weibull函数[13]分析σ，并计算弯曲强度均值（σc）、Weibull模数（m）和特征断裂强度（σ0）。

1.4 断口形貌学分析 在对照组和实验组断裂后的试件中分别随机选取两个试件，在扫描电镜下观察试件断面的微观形貌，并做断口形貌学分析。

1.5 统计学处理方法 使用SPSS13.0软件，计量资料比较采用独立样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 表面粗糙度测试结果 使用ST400三维形貌扫描仪测试试件抛光后的表面粗糙度（Ra），测试结果Ra=0.1 μm（见图1），符合ISO6872∶2015[16]所规定的标准。

2.2 弯曲强度的Weibull分析结果 使用Weibull函数分析实验组和对照组试件的σc、m和σ0，分析结果见表1。两组试件的弯曲强度Weibull分布如图2所示，Weibull分析结果表明，实验组弯曲强度的Weibull模数小于对照组（m实验＜m对照）。

表1 MT锆瓷实验组和对照组试件的σc、σ0和m

2.3 弯曲强度的独立样本t检验 对照组材料的弯曲强度为（1 051.3±98.8）MPa，实验组的弯曲强度为（890.2±128.2）MPa，2组比较差异有统计学意义（P=0.001）。

2.4 扫描电镜结果 断口形貌学分析显示，对照组中存在大量穿晶断裂，说明材料内在结合强度较高，其致密化程度也相对较高，但韧性应较差。实验组中发生穿晶断裂的区域减小，可见到较多闭孔和裂纹，说明循环加载使得实验组试件内部发生了裂纹扩展。见图3。

3 讨论

作为目前口腔固定义齿修复常用的牙科陶瓷，氧化锆的机械性能和疲劳性能一直是人们关注的热点问题[4，6-8，11-15]。尽管氧化锆是目前牙科中机械性能较高的陶瓷，但氧化锆桥体在口内服役过程中仍然会发生折裂的现象[1，9-10，12]。失效分析结果显示，口腔咀嚼力的大小远低于氧化锆修复体所能承受的最大载荷。排除个别修复体由于设计、制作过程中不良工艺由于应力集中导致的断裂，人们逐渐意识到锆瓷修复体在口内高周次、低应力幅值下的折裂属于疲劳失效[5-6]。在过去一段时间，人们研究氧化锆的疲劳性能，主要集中在接触式疲劳和SCG两个方向[13-14]。

接触式疲劳是指试件受法向和切向载荷重复作用产生的疲劳，其断裂机理为试件在压应力的长期作用下，表面裂纹发生扩展，最终导致试件表面局部区域发生剥落[14]。这种失效形式，与口腔临床中的饰瓷-基底瓷的双层瓷结构修复体的失败较为相似。因此，人们常用接触式疲劳模型来评价双层瓷结构修复体的疲劳寿命[6，14]。由于接触式疲劳模型中材料产生的应变幅度较小，而氧化锆属于高硬度、高弹性模量的脆性材料，低应力很难在其表面产生磨损或形成裂纹，故此该模型对于材料组分均一的全解剖形态氧化锆并不适用。近年来，人们逐渐将全锆冠疲劳寿命的研究重心转向SCG，并取得了一定的成果[11，13]。在SCG的断裂模型中，材料表面裂纹在切应力的作用下，沿切应力的方向向工件内部扩展，其裂纹扩展速率低于1×10-11m/cycle。这一特征与锆瓷修复体在口内发生的低应力、低速率的裂纹扩展极为相似。然而，本课题组在前期的研究过程中发现，在SCG模型中，材料承受的载荷为其弯曲强度的63.21%[11，13]，对于弯曲强度为1 000 MPa的牙科氧化锆陶瓷，在632 MPa的循坏载荷下才会发生SCG，而高周次、高载荷（632 MPa）的负载，与人类正常的咀嚼方式不符。故此，本研究中采用了动态加载模型，结合Weibull分析针对牙科氧化锆的疲劳性能展开研究。

已有研究结果表明，影响氧化锆陶瓷疲劳性能的因素主要包括：晶粒尺寸、材料内部和表面的缺陷及其分布情况、低温老化效应和服役环境等[4，13]。本研究中两组试件的成分和成型工艺完全相同，故初始晶粒尺寸及缺陷分布情况相同。两组试件的弯曲实验都是在相同的腐蚀介质中加载，故服役环境一致。对照组试件在37 ℃人工唾液中加载时间约为2 min/个，低温老化效应可忽略。实验组试件在37 ℃人工唾液中进行动态载荷的时间约为168 h/个，根据本课题组前期研究结果[13]，低温老化作用对于试件机械性能的影响亦可忽略。因此，本研究中两组材料结果的影响因素主要是循环加载。实验组先进行300 MPa、10 Hz，正弦波，3×106次的动态加载，再完成弯曲强度测试。其中300 MPa的循环应力，与口内咀嚼应力的幅值范围接近。3×106次的动态加载相当于人口内15年的咀嚼次数[17]。因此，本研究中的动态加载过程能够在体外模拟牙科氧化锆陶瓷使用15年后发生的变化，实验结果能够预测氧化锆陶瓷在口腔临床使用15年后的情况。

本研究中的所有试件在测试前均进行了严格的打磨、抛光，降低了表面裂纹对于实验结果的影响。本研究中，对照组未经任何处理即进行了弯曲强度测试，结果能够表征材料的初始弯曲强度。对照组和实验组的弯曲强度均值（σc）分别为（1051.3±98.8）MPa和（890.2±128.2）MPa（P=0.001），与对照组相比，实验组的σc下降了15%，其与多位学者的研究结果一致[18-20]。由于两组陶瓷的成型工艺相同，σc的组间差异主要来源于体外高周次的动态载荷，这说明高周次动态载荷会导致牙科氧化锆陶瓷的弯曲强度降低，这与临床观察结果一致[1，9]。对照组试件的弯曲强度的Weibull模数为12.29，符合牙科氧化锆陶瓷正常的Weibull模数范围。疲劳后试件弯曲强度的Weibull模数为7.77，相较于疲劳前下降了36.8%，特征强度（σ0）为946.5 MPa，下降了13.6%，σ0表示试件发生断裂的概率为63.21%时的弯曲强度。结果提示高周次的动态载荷能够降低牙科氧化锆陶瓷弯曲强度的可靠性，提升其发生折裂的概率，与多位学者的研究结果一致[19-20]。ISO6872∶2015[16]要求牙科氧化锆陶瓷作为三单位以上桥体的弯曲强度＞800 MPa[16]。在本研究中的试件疲劳前弯曲强度均大于800 MPa，疲劳后的弯曲强度＞800 MPa的概率下降至80%。结果提示，三单位及以上全解剖形态氧化锆陶瓷桥体在口内的使用15年以上时，部分修复体的弯曲强度已不能满足后牙牙列需求。且全锆冠、桥于口内长期使用，材料表面会出现水热老化现象[13，21]，据BADARNEH等[22]的最新研究发现，水热老化现象会降低氧化锆的耐磨性能和弯曲强度。

断口形貌学分析结果显示，实验组的试件断口整体相对光滑、平坦，断口晶粒较为完整，晶粒面较为光滑，断口形貌呈冰糖状，存在大量闭孔，试件晶粒间的结合力变弱，以沿晶断裂为主。对照组的试件断口以穿晶断裂为主，裂纹穿过晶粒内部，对晶粒结构造成了损害，断口晶粒破坏严重，属于典型的脆性断裂，这也说明对照组中试件内部的晶粒间结合强度高，致密化程度高，但韧性较差。断口形貌学分析结果与本研究中的弯曲强度结果一致。

综上所述，本研究通过体外模型，有效模拟了氧化锆修复体在高周次动态载荷作用下的疲劳行为。受设备限制，本研究只考察了应力和疲劳对于材料的影响。然而，在口腔实际应用中，氧化锆修复体还会受到水热老化、食物咀嚼磨损等因素的影响，而且脱粘接、修复体颈缘不密合等因素都会导致修复体的失效，因此，全解剖形态氧化锆冠桥修复体在口内的实际使用寿命可能会更短。对于口内服役时间超过较长的氧化锆陶瓷修复体，其内部出现的裂纹，目前无法通过技术手段完全消除，建议医师提示患者修复体可能面临的折裂风险，提醒患者定期检查修复体，于复查时通过抛光清除表面裂纹，以延长氧化锆陶瓷修复体的使用寿命[23]。