对磨材料对树脂渗透陶瓷Vita Enamic 磨损的实验研究

古丽米拉·木明 叶钟泰 寇正威 王海婧

（深圳大学第二附属医院口腔科，深圳 518101）

各类CAD/CAM 可切削材料在临床应用广泛。其中材料的耐磨性是制约修复体远期疗效的关键因素[1]。近年来业界新推出了一种玻璃基与树脂基相互贯穿的两相网络结构材料，称为“树脂渗透陶瓷”(Polymer-infiltrated-ceramic-network ceramic，PICN)[2]。它兼具玻璃陶瓷与树脂基材料的力学特性[3]。在临床实际中，需要修复患牙的对颌有可能是各种材料制成的修复体。各类对颌材料因硬度、弹性模量及微观结构的差异可能会引起PICN 不同的磨损行为，但目前尚未见相关研究报道。因此，本研究参考临床中常见的几种情况，分别选取二氧化锆、钴铬合金以及复合树脂作为配副，与PICN 材料进行循环往复式摩擦磨损测试，探究其磨损行为。

1 材料和方法

1.1 实验材料及试件制备

将树脂渗透陶瓷（Vita Enamic，VITA Zahnfabrik,Germany,产品批号:78560）作为研究对象。分别选择二氧化锆陶瓷（金瑞新材料有限公司，中国）、钴铬合金（荣千稀有金属制品有限公司，中国）及复合树脂（Z350,3M ESPE,美国,产品批号:NE65754）为对颌配副材料。材料的主要机械性能参数详见表1，其数值均由厂家提供。

试件制备：将Vita Enamic®陶瓷块（颜色：3M2-HT，尺寸：EM-14）固定于慢速切割机（Accutom-50，Struers,丹麦），用金刚砂刀片在流动水冷却条件下将其切割成尺寸为18 mm×14 mm×3.0 mm 的片状试件。随后利用抛光机（UNIPOL-1502，科晶，中国）在水环境下梯度打磨抛光，所采用的砂纸目数由低到高分别为#220、#400、#800、#1200、#1500、#2000 和#3000 目。期间使用游标卡尺测量其平整度，将误差控制在0.02 mm 范围内。最后使用#5000 目砂纸在流动水条件下对瓷块进行精细抛光。共制备PICN 试件30 片，超声清洗备用。

表1 4 种修复材料的机械性能

对颌磨头制备：二氧化锆陶瓷及钴铬合金磨头是分别从厂家购买直径为4 mm 的小球。复合树脂磨头通过充填印模制作，具体方法为：调拌硅橡胶重体，将直径为4 mm 的二氧化锆小球的一半压入印模内形成阴模，待硅橡胶完全凝固后，取出二氧化锆小球。随后用充填器将Z350 复合树脂材料直接压入半球形阴模内，光照20 s 后取出，可获得直径为4 mm 的半球形复合树脂磨头。每种材料磨头制备10 个，超声清洗备用。

1.2 摩擦磨损测试

利用摩擦磨损试验机（CETR UMT-3，Bruker,美国）进行球盘接触往复式磨损实验。将磨头固定至测试机器上方夹具内，锁紧固定螺丝。再将片状PICN 试件固定于下方储液池内的夹具中。设定磨损条件参数为:往复距离3 mm，频率5 Hz，垂直压力5 N，磨损时长30 min。实时记录摩擦系数曲线。PICN 与3 种不同材料磨头配副，分别在干燥环境及人工唾液两种条件下测试。因此整体测试共分为6 组，每组5 个样本量。

1.3 磨损的定量分析

摩擦磨损测试结束后，利用三维表面形貌仪（PS50,Nanovea,美国）定量分析PICN 试件表面磨痕的体积损失。选用分辨率为400 μm 的光学测量探头逐行扫描磨损区域，横向步径为30 μm，纵向步径为80 μm，扫描面积为1.5 mm×3.5 mm，覆盖磨痕整体。扫描结束后，将周围未磨损区域定义为参考平面，沿磨痕边界设定磨损区域，软件自动计算出相应磨损区内的体积损失（V）。此外，垂直于磨痕方向截取一平面可获得磨痕剖面形态。

针对各类对颌磨头，采用磨损高度损失来表征其磨损行为，可根据以下公式计算获得高度损失（h）数值：

其中（如图1 所示），d为磨头磨损区的直径，r为磨头整体半径（4 mm），h为磨头体积损失区域的高度。

图1 磨头磨损量计算示意图

1.4 磨损形貌观察

利用扫描电子显微镜（Sigma 300 Zeiss，德国）观察PICN 试件及对颌磨头磨损区微观形貌，评估磨面损伤及磨损机理。使用导电胶固定磨损试件于载物台，真空环境下喷金，置于电镜观察腔内再次抽真空，选择合适倍数观察磨痕内微观组织结构。

1.5 统计学分析

采用SPSS 20.0 软件，通过Shapiro-Wilk 及Levene 检验对所获数据的正态性及方差齐性进行分析。采用双因素方差分析检验对颌材料及干湿环境对PICN 磨痕深度、磨损体积以及对颌磨头损失高度的统计差异及相互关系。组间差异使用Bonferroni 校正法进行检测（α=0.05）。

2 结果

PICN 试件在干、湿环境下与不同磨头的摩擦系数曲线及平均值如图2 所示。其中，树脂-人工唾液组的磨损行为最为缓和，摩擦系数曲线较为平稳，其数值始终维持在较低水平。ZrO2-人工唾液组在磨损初期摩擦系数较低，随后在短时间内迅速增大，并进入稳定磨损阶段。其余各组均表现为典型的跑合至稳定磨损的两阶段摩擦系数曲线。横向比较各类磨头（表2），复合树脂与PICN材料对磨时表现出最低的摩擦系数（P＜0.05），二氧化锆组与钴铬合金组的摩擦系数近似且无统计学差异（P＞0.05）。同种磨头时，复合树脂组内人工唾液条件下PICN 摩擦系数显著低于干燥环境（P＜0.05），而二氧化锆与钴铬合金组内干燥环境下摩擦系数反而较低（P＜0.05）。

图2 磨损测试结果

表2 各组试件磨损的定量分析比较 (±s)

表2 各组试件磨损的定量分析比较 (±s)

注：不同字母表示差异具有统计学意义 α=0.05。

各组PICN 试件磨损行为的定量表征如图3、表2 所示。在人工唾液条件下，二氧化锆对PICN 材料造成的磨痕深度最大，磨损体积最高（P＜0.05），其余各组则无明显差别。磨痕截面尺寸轮廓图显示：干燥环境下3 种磨头对PICN 造成的磨痕深度近似，仅合金磨头组PICN 材料的磨痕稍宽（图3c）。而在人工唾液条件下，ZrO2组磨痕深度明显大于其余各组，复合树脂组的磨痕虽然较宽，但深度较浅（图3 d）。

图3 各组PICN 磨损行为定量分析

各组PICN 材料在干燥及人工唾液条件下的磨面损伤情况分别如图4 和图5 所示。干燥环境下与二氧化锆对磨后，PICN 材料表面展现出广泛的片状剥脱（图4a），形成大量磨屑颗粒（图4b），微裂纹延伸并相互融合。与合金及复合树脂对磨时，磨损区表现为犁沟状磨痕（图4c 和e），局部放大可见，PICN 材料的树脂基与玻璃相间存在细小裂纹（图4d），局部材料基质脱落，形成凹陷（图4f）。其中，PICN 与复合树脂磨损所产生的磨痕宽度较大，如图4e 中虚线所示。在人工唾液条件下，二氧化锆组PICN 材料的磨损破坏依然严重，仍然可见材料颗粒的广泛剥脱（图5b），相较于干燥组，磨痕宽度也明显增加（图5a）。而其余两组试件表面的犁沟状磨痕较浅，放大局部观察仍然可见到PICN 材料两个相之间界面的微损伤。

图4 PICN 材料分别与3 种不同材料磨头在干燥环境中的磨面损伤情况（左侧 ×150，右侧×500）

图5 PICN 材料分别与3 种不同材料磨头在人工唾液条件下的磨面损伤情况（左侧×150，右侧×500）

3 种对颌磨头的磨损微观形貌如图6 所示。无论是在干燥环境还是人工唾液中，二氧化锆磨头表面几乎不产生磨损，即使在高倍镜下观察其在两种条件下表层组织结构均较为完整，未见到明显的磨痕及组织剥脱损伤（图6a、b）。因此无法测得其磨损高度。而复合树脂及合金磨头在两种测试条件下均存在磨损面，其磨损量如图7 所示，复合树脂磨头在人工唾液条件下其本身高度损失较高，且显著高于其他各组（P＜0.05）。人工唾液中，复合树脂磨头的磨面区域较大，但内部组织较为平滑（图6e）。干燥环境下复合树脂内部可见大量犁沟状磨痕及材料剥脱痕迹（图6f）。合金磨头在干燥及人工唾液条件下具有相似的磨损形貌，均表现为犁沟状磨痕（图6c、d）。通过对磨头的分析显示，树脂磨头本身的磨损量有高于其他材料的趋势（图7），但差异无统计学意义。

图6 二氧化锆、合金及复合树脂磨头的磨损形貌

图7 两种环境下不同磨头的磨损高度比较

3 讨论

修复材料的耐磨性是近年来逐渐得到重视的材料特性之一，修复体在咀嚼过程中，表层组织结构的摩擦磨损不可避免。过度地磨损可加速修复材料机械老化，进而有可能发生破损或断裂。有体外研究表明，PICN 因其特殊的陶瓷、树脂两相网络结构，磨损行为与天然牙近似。但与传统玻璃基陶瓷及二氧化锆相比，其抵抗侧向力造成的磨损性能有限。Ludovichetti 等[6]横向对比几种可切削修复材料的耐磨性，结果表明Vita Enamic的磨损量较大，磨损区内呈现出广泛的凹坑样结构。在临床实际中，PICN 除了与天然牙釉质形成对磨外，还有可能与各类修复体配副，形成不同的摩擦副体系。本研究针对这一临床问题选择了陶瓷、合金以及树脂3 类材料作为对颌磨头，探究不同配副时PICN 的磨损行为。研究结果提示，PICN 材料在不同配副体系中，展现出差异化的磨损行为。

构成摩擦副两端材料的微观结构及性能参数直接影响其力学行为及摩擦学特性。本研究结果显示：当PICN 与复合树脂材料配副时，其摩擦系数明显低于氧化锆及合金磨头。且在人工唾液条件下，树脂与PICN 的摩擦系数最低。这是因为复合树脂本身具有较低的硬度及弹性模量，在应力作用下容易产生形变，根据赫兹球盘接触理论可知，其表面产生的接触应力较低[7]，因此同样载荷下，树脂磨头产生的摩擦系数低于二氧化锆及合金。此外，由于PICN 及复合树脂在接触状态下的形变使得人工唾液能够较为容易地进入到接触面[8]，起到一定程度的润滑作用，这进一步促使摩擦系数降低（图2b）。相较于其他各组，树脂磨头对PICN 造成的磨痕深度及磨损量也较低（图3a、b），但并不存在统计学差异。通过磨痕剖面轮廓可知（图3c、d），PICN 与复合树脂磨头的磨痕宽度较大，这也从侧面证明了两者间容易产生形变，但由于复合树脂硬度低以及随之产生的摩擦系数值较小，因此磨痕的深度较浅。电镜下，复合树脂组PICN 在干燥环境及人工唾液中均表现出较浅的犁沟状磨痕，且在人工唾液中磨面损伤更轻，高倍镜下可见少量材料剥脱残留的凹坑。同样在人工唾液中，树脂磨头的表面损伤较轻，磨损区较为光滑（图6e）。而干燥条件下，可见大量犁沟及片状剥脱（图6f）。

当PICN 与二氧化锆陶瓷对磨时，其在干、湿环境中的摩擦系数较复合树脂组显著提高。这主要是因为弹性模量较高的多晶体二氧化锆陶瓷受力后不易产生形变[9]，与PICN 接触面的应力相对较高，导致摩擦磨损过程中产生较大的摩擦系数。类似的情况也发生在合金磨头组，其摩擦系数也明显高于复合树脂组。但干燥环境下，两种磨头与PICN 的摩擦系数反而低于唾液环境，提示由于接触面的形变较小，液体进入接触界面的通道及空间受限[10]，未能展现出润滑效果。

特别值得注意的是，PICN 与二氧化锆在人工唾液中磨痕尺寸及磨损量显著高于其余各组（图3d）。这是因为二氧化锆硬度远高于PICN，接触区局部坚硬的二氧化锆颗粒能够深入PICN 材料表面，对其造成严重破坏[11]。而且，人工唾液中的水分子可侵入材料表层下微裂纹进而加速其腐蚀破坏。Lawn[12]等已经证实在反复咀嚼应力侵蚀下，材料表面及其亚表层可形成大量微裂纹，水分子能够通过液压泵入效应进入到裂纹内部，加速裂纹扩展及表面材料损失。而合金的硬度小于二氧化锆，对PICN 材料基质的破坏能力较弱，其产生的磨损量相对于二氧化锆较低。PICN 磨损区的组织形貌也与上述解释相一致，二氧化锆组PICN 材料磨面损伤严重，表层组织结构广泛脱落，大量裂纹生成，而合金组的磨损面则相对较轻。此外，针对磨头的分析表明，二氧化锆本身未观察到明显的磨损迹象。

4 结论

综上所述，当对颌为二氧化锆修复体时，临床医师应慎重选择PICN 材料进行患牙修复，避免其产生过度磨损。而当对颌为树脂修复体时，制作PICN 修复体虽然不会造成本身的磨损，但应考虑对颌复合树脂磨损的潜在风险。如果对颌为金属修复体时，相对于前两者而言，PICN 及金属修复体发生过度磨损的风险均较低。本研究有助于临床医生根据患者口内实际情况合理地选择相应修复材料，降低不必要的磨损，从而延长修复体寿命。