全锆冠机械性能的研究现状及与临床应用的关系

杨光美 王剑

口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心四川大学华西口腔医院修复科 成都610041

以单一氧化锆胚体为原料、通过计算机辅助设计/计算机辅助制造（computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM）技术设计并制作的全解剖式的氧化锆全冠因其优良的物理化学性能和生物相容性广泛应用于口腔修复领域。传统的全锆冠以3 mol%氧化钇稳定的四方相氧化锆（3 mol%yttrium-stabilized tetragonal zirconia，3Y-TZP）为主材料，包括白色氧化锆、高强氧化锆。这一类氧化锆具有突出的机械性能，弯曲强度达900～1 200 MPa，断裂强度达3 000～4 000 N，较饰面瓷氧化锆、二硅酸锂陶瓷、长石质陶瓷等均更佳[1]，但较低的半透性使其在美学修复中的应用受限。

近年来，通过对添加剂含量的调整和加工方法的优化制作出的仿真透明氧化锆成为了全锆冠研究的热点。透明氧化锆冠根据氧化钇含量和半透性的不同可分为高透氧化锆、超透氧化锆，在提升美学效果的同时损失了一定的机械强度。随着市面上的氧化锆材料种类日益增多，医师需对它们进行机械性能和美观性能的综合评价，再行临床选择与应用。

硬度、弯曲强度和断裂强度是最常见的全锆冠机械性能评价指标。硬度是指全锆冠局部抵抗硬物压入其表面的能力；弯曲强度反映全锆冠抵抗弯曲变形的能力；断裂强度是指全锆冠抵抗断裂的能力[2]。在口内使用过程中，全锆冠的低温老化会持续影响其机械性能，一定程度上决定着其使用寿命。全锆冠自身的磨耗和对对颌牙的磨耗亦影响着最终的修复效果。从大量全锆冠的相关研究中，可发现全锆冠的机械性能与冠修复的每一步均有着密切联系。因此，要充分发挥全锆冠的机械性能优势，需结合临床全流程进行考量。本文拟以修复设计、加工制作、试戴、粘接和口内使用的临床修复步骤为线索，对全锆冠的机械性能及其影响因素进行整理归纳，为全锆冠修复材料的选择和临床应用提供参考。

1 全锆冠机械性能在修复设计阶段的考量

1.1 修复设计方面的考量

初次就诊时，医师需根据患者口内情况，例如待修复牙的位置和数目、前后牙区对咀嚼和美观的不同要求等，考虑能否使用全冠修复；同时，还需针对修复体如何设计、基牙是否满足预备要求等问题，与患者共同制定修复方案。Camposilvan等[3]的研究表明：传统氧化锆老化前后的强度均可达900～1 200 MPa，能满足四单位及以上的桥修复。Jerman等[4]的研究显示：同为透明氧化锆，4 mol%氧化钇稳定的四方相氧化锆（4 mol%yttrium-stabilized tetragonal zirconia，4Y-TZP） 较5 mol%氧化钇稳定的四方相氧化锆（5 mol%yttrium-stabilized tetragonal zirconia，5Y-TZP）的机械性能更好，前者可用于包括磨牙在内的三单位桥修复，而后者则适用于前后牙区单冠和前牙区三单位桥修复。后牙区需承担约600～900 N的咬合力，因此不建议将强度较低的5Y-TZP用作后牙区的修复[5]。

在评估基牙的条件时，相较二硅酸锂陶瓷、长石质陶瓷等而言，硬度更高的全锆冠能够以更低的预备量达到足够的强度[6]：在咬合面厚度为1.0 mm时，全锆冠的断裂强度与金属烤瓷冠相当[5]；厚度为0.8 mm时，全锆冠的弯曲强度较其他全瓷材料更高，且在老化前后均大于800 MPa，可满足临床使用需求[7]；厚度为0.5 mm时，全锆冠的断裂强度高于二硅酸锂陶瓷[8]，并在老化处理后依然具有可观的抗折能力[9]。总的来说，全锆冠的强度随咬合面厚度降低而减弱，而轴面厚度对其影响较小。在预备前应做好咬合情况的评估，以确保预备后的咬合面具有足够的空间。

临床提示：医师应充分了解传统全锆冠和透明氧化锆冠的适应证，再为具体病例进行修复设计。预备后的咬合面至少需要0.5～1.0 mm的空间。

1.2 全锆冠材料选择方面的考量

在设计好方案后，医师需辅助患者进行修复材料的选择。多种多样的商品化全锆冠按临床常用的分类方式可归为传统全锆冠和透明氧化锆冠两类。传统氧化锆的高强度得益于氧化钇的添加，它可使氧化锆的晶相组成达到四方相与单斜相的平衡。当受到应力作用时，四方相向单斜相的转变能够传递破坏处的残余应力，使裂纹扩展更加困难，即相变增韧效应[7]。透明氧化锆中的氧化钇含量升高、立方相增加，使瓷块的透明度和抗水热老化能力更好，同时削弱了相变增韧。基于上述原理，氧化锆的强度往往随着透明度的升高而降低，如同一品牌（如爱尔创、Upcera等）的传统氧化锆的弯曲强度为1 143 MPa，仿真超透氧化锆的弯曲强度则为530 MPa[9]。即使氧化钇含量相同，不同品牌氧化锆的机械性能也有差异。Almansour等[10]对3种氧化钇含量为4.5～6.0 mol%的氧化锆进行检测，发现强度从高到低依次为卓美（Copran）（847.8±20.7）MPa、拉瓦（Lava）（732.4±25.5）MPa、卓瓷（Ceramill）（685.7±32.6）MPa。

临床提示：应根据修复需要，参考弯曲强度进行材料的选择。传统氧化锆为900～1 200 MPa，透明氧化锆为500～900 MPa。

2 加工制作对全锆冠机械性能的影响

根据临床提供的修复设计单和印模、模型，厂家或技工室对所选材料进行包括切削、研磨、烧结、染色等在内的CAD/CAM加工制作。其中，烧结过程中温度、时间、环境、材料、人工条件等共同作用，影响着全锆冠的机械性能。传统氧化锆在1 400℃或1 550℃、120 min条件下烧结均可达到最高强度，而温度高于1 600℃后强度降低[11]；高强氧化锆在1 550℃、180 min条件下烧结所得强度最大，为（1 604.10±139.52）MPa[12]。随着椅旁一次修复的发展，快速氧化锆烧结技术能够缩短烧结时间至1 h内。Jansen等[13]的研究显示：快速烧结对传统和透明氧化锆的强度均无明显影响。以1 580℃恒温烧结20 min后氧化锆的强度、透光性和边缘适应性即可满足临床需求[14]。因此，开发可使用快速烧结技术加工的氧化锆材料、探究现有氧化锆材料的快速烧结条件成为新的研究趋势。

临床提示：适当地选择快速烧结技术既能保证全锆冠的机械性能，又能提高临床效率。

3 试戴对全锆冠机械性能的影响

3.1 调磨对全锆冠机械性能的影响

制作好的全锆冠送回临床后，在患者复诊时进行试戴，并做一定的调磨、抛光及上釉处理。临床调磨使全锆冠表面粗糙度增加，从生物力学稳定性和摩擦磨耗性能2方面影响着全锆冠的机械性能。为了减少调磨对氧化锆机械性能的影响，可选用更细粒度的调磨工具和低速手机。Lai等[15]的研究发现：调磨全锆冠材料所用的砂纸粒度越低，调磨后的弯曲强度和抗老化性能越好。相对于传统金刚砂车针，超声振动辅助调磨的产热更低，处理后的全锆冠表面质地均一、摩擦磨耗性能更佳，可减少对天然牙的磨耗[16]。因此，具有较小切磨粒径、低剪切力等优势的超声振动辅助调磨成为全锆冠调磨的新选择。

临床提示：采用粒度在320目以上（即孔径为50μm以内）的调磨工具配合低速手机可使全锆冠的机械性能更佳。

3.2 抛光、上釉对全锆冠机械性能的影响

调磨后对全锆冠进行抛光可消除其表面单斜相、增加强度，同时降低表面粗糙度，使全锆冠获得更好的摩擦磨耗性能。抛光效果受抛光速度、工具和步骤的影响。Chavali等[17]研究得出：以15 000 r·min-1进行抛光可得到更佳的光泽度。市面上有多种氧化锆抛光套装可供选择，如德国EVE、固美，美国Diashine，日本松风，瑞士科尔等。Tang等[18]对多种品牌的氧化锆材料进行了研究，发现使用德国EVE、固美抛光的氧化锆表面粗糙度更小。相比含金刚砂颗粒的抛光工具而言，含碳化硅颗粒的抛光工具效果更佳[19]。多步骤从粗到细的抛光可达到更好的抛光效果，每一步的抛光时间应在30～180 s不等。以Diashine抛光套装为例，其抛光分为4步：绿色金刚砂陶瓷车针（1 000 r·min-1，60 s），蓝色中等金刚砂橡胶预抛光杯（8 000 r·min-1，60 s），灰色细金刚砂橡胶抛光杯（8 000 r·min-1，60 s），配合马毛刷的细金刚砂抛光膏（9 000 r·min-1，30 s）[20]。

与上釉相比，抛光后的全锆冠不仅弯曲强度更高[21]，其自身磨耗及对对颌牙的磨耗也更少[22]。从机械性能方面考虑，不建议将上釉作为常规的表面处理方式。在美学需要的情况下，选用分层自身上釉的方式较喷涂釉瓷上釉更不易造成氧化锆的磨耗[23]。

临床提示：全锆冠可选用氧化锆专用抛光套装，或者以2 N的抛光压力、15 000 r·min-1的速度使用金刚砂橡胶磨头进行抛光，必要时再行上釉处理。

4 粘接对全锆冠机械性能的影响

4.1 粘接面的处理对全锆冠机械性能的影响

经过试戴及咬合调整，在对全锆冠形态、颜色、咬合等方面满意的情况下，即可准备粘接。对粘接面进行的喷砂处理可影响全锆冠的机械性能。Cotič等[24]的研究显示：烧结后再喷砂可使全锆冠的弯曲强度有大幅度的增加，但喷砂粒度对弯曲强度无明显影响。Zhang等[25]研究发现，喷砂压强大于0.3 MPa时，透明氧化锆的强度出现明显的下降，用50μm铝磨粒对透明氧化锆进行喷砂时，0.2 MPa的压强可保证后续足够的粘接力。

临床提示：考虑到机械性能和粘接能力，应将全锆冠粘接前喷砂处理的压强参数设置为0.2 MPa。

4.2 粘接剂对全锆冠机械性能的影响

除影响粘接力的大小外，粘接剂能通过基牙—粘接层—氧化锆层结构的应力分布与传导对全锆冠的机械性能产生影响。体外研究中发现树脂粘接剂对全锆冠的机械性能更加友好。Ha[26]的研究显示：模拟咬合力加载时，较磷酸锌水门汀、聚羧酸水门汀、玻璃离子水门汀而言，树脂粘接剂固定的全锆冠应力分布较均匀，在舌侧和近中的应力分布较低。Tsuyuki等[27]的研究显示：在牙体表面窝沟增加时，与玻璃离子粘接剂相比，树脂粘接剂固定的全锆冠的断裂强度下降得更少。但通用型树脂粘接剂在使用时需对牙面进行良好的预处理，其技术敏感性更高。自粘接树脂水门汀结合了树脂粘接剂的性能优越性和玻璃离子粘接剂的操作简便性。Lawson等[28]的研究表明：与树脂加强型玻璃离子粘接剂相比，采用自粘接树脂水门汀粘接的3Y-TZP和5Y-TZP的断裂强度均更高。

临床提示：自粘接树脂水门汀粘接的全锆冠能承受更大的咬合力，同时具有良好的粘接强度和较低的技术敏感性。

5 全锆冠在口内使用时对机械性能的考量

5.1 低温老化对全锆冠机械性能的影响

患者口内的修复体长期处在特定的温度、湿度环境中，加之反复的咀嚼刺激，促进了全锆冠的低温老化。低温老化过程伴有添加剂的降解和立方相含量的减少[29]。因此，氧化钇含量的增加可使全锆冠立方相增加、晶相组成更稳定、抗老化能力更好。氧化铝增韧也可以增强抗老化能力。Wu等[30]的研究显示：在水热老化处理96 h后，添加氧化铝的传统氧化锆的弯曲强度大于1 000 MPa，而未添加的氧化锆则降低至800 MPa。老化性能可辅助预测全锆冠的临床寿命。Wei等[31]的研究表明：结合老化处理对机械性能的影响，3Y-TZP的临床寿命为6年，5Y-TZP为10年，氧化铝增韧的3Y-TZP则为20年。透明氧化锆的抗老化性能较传统氧化锆更好，这可作为选择材料和判断预后的参考。

临床提示：目前的研究结果支持低温老化后的全锆冠依旧具有可观的强度，可以满足临床需要。氧化铝增韧的高强氧化锆抗老化性能更佳。

5.2 全锆冠对天然牙的磨耗

全锆冠具有高强度、高韧性等特点，较饰面瓷氧化锆、二硅酸锂陶瓷等更加耐磨。在口内长期使用的过程中，全锆冠对天然牙的磨耗情况是临床关心的问题。研究[32]显示：传统和透明氧化锆对天然牙的磨耗无明显差异。Esquivel-Upshaw等[33]的研究发现：全锆冠在口内使用1年后对天然牙的磨耗和烤瓷冠、天然牙对照组类似。有学者[34]对患者进行了2年的随访，发现全锆冠对天然牙的磨耗小于长石质瓷、二硅酸锂陶瓷，天然牙的高度在2年后平均降低了（0.204±0.067）mm，且随着口内使用时间的增加，磨耗率逐渐降低，提示全锆冠在口内使用时具有自调作用，该假设尚需更多研究验证。以上研究均表明：在短期临床实验中，全锆冠表现出的摩擦磨耗性能支持其在临床的使用。

全锆冠的摩擦磨耗性能与硬度没有必然的联系，因为脆性陶瓷的磨耗是由断裂而非塑性形变引起。它主要受到表面微观结构（如相均质性和孔隙率）的影响。较高的表面粗糙度会增加界面间的摩擦，这不仅会造成对磨物更多的磨耗，而且会降低材料对滑动接触的抵抗，进而增加其本身的磨耗[35]。因此，调磨和抛光处理对于能否获得良好的摩擦磨耗性能起着重要的作用，具体可参考试戴部分。另外，研究[36]发现：在瓷块处于较软的预烧结状态时抛光氧化锆，再进行玻璃渗透，所得的修复体既能抗磨耗，也能保护对颌牙的釉质结构；传统氧化锆在使用分层染色后瓷块自身的磨耗量增大，而透明氧化锆的摩擦磨耗性能不受染色方式的影响，可通过分层染色获得更佳的美学性能[32,37]。

临床提示：充分抛光全锆冠可避免对天然牙产生过度磨耗。

6 总结与展望

全锆冠的机械性能既作为影响临床决策的因素，又受到各修复环节的影响。从修复设计、加工制作、试戴、粘接到口内使用的全过程中，临床工作者都需对全锆冠的机械性能进行考量，与技工、厂家和患者沟通合作，使最终的修复体满足功能和美观的需求。除将全锆冠分为传统全锆冠和透明氧化锆冠两大类外，有学者根据材料的组成和微观结构对全锆冠材料进行了分代，第1代为3 mol%氧化钇，第2代为低含量氧化铝，第3代为4 mol%氧化钇和第4代为5 mol%氧化钇[32]。结合组分、机械性能和美学性能等因素制定国内外统一的氧化锆材料分代标准有利于进行全锆冠的选择、临床应用及学术研究。在体外研究中，传统全锆冠和透明氧化锆冠的机械性能可满足相应修复需求，而在口内使用过程中的机械性能变化与修复效果有待更多长期临床研究进一步观察和证实。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。