3 种粘接剂分别粘接金属托槽至抛光及上釉锆瓷的粘接强度

曹宇 刘佳 张惠超 许竞予 余岭 叶素荣 杨陆一

随着人们对颌面部美学的日益追求,越来越多的成人患者接受正畸治疗,患者带有的修复体需要与正畸托槽进行粘接的比例呈上升趋势[1]。与此同时,青少年作为正畸患者主体,易患龋齿和外伤,美学修复逐渐被接受和喜爱[2-3]。在美学修复材料中,锆瓷陶瓷因其机械性能好,生物相容性佳等优点,而被广泛选择[4-5]。

目前,应用CAM/CAD技术制造的整体式锆瓷有抛光和上釉两种表面处理方式,它们为托槽粘接提供了完全不同的基底,却鲜有报道将其对比研究。对于抛光锆瓷, Al2O3喷砂后应用含有酸性单体的底涂剂进行表面处理被认为是有效提高粘接力的方法[6-7]。但有报道称锆瓷底漆并不能在釉面发挥作用,建议表面粗化后使用硅烷偶联剂成分的瓷底漆[8-9]。然而,在临床环境中,正畸医生很难从视觉上区分2 种表面处理。

通用型粘接剂操作简单,技术敏感性低并被报道可应用于陶瓷粘接[10-11]。本研究旨在探讨应用通用型粘接剂是否可以同时满足抛光和上釉锆瓷表面的正畸粘接需要,为正畸临床提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与主要设备

锆瓷(Wieland Dental,德国);Worknc CAM/CAD系统(Sescoi,法国);W-50H打磨抛光机(广州崧安电子科技有限公司);笔试喷砂仪(佛山市稳健医疗器械有限公司);光固化灯(桂林市啄木鸟医疗器械有限公司);冷热循环仪(Proto-Tech,美国);场发射扫描电子显微镜(Carl Zeiss,德国);体式显微镜(Olympus,日本);上颌中切牙托槽(Shinye®,浙江新亚); 9.5% HF(长春登泰克牙科材料有限公司);釉膏及釉液(Ivoclar Vivadent,列支敦士登)。本研究中使用的粘接材料见表1,通用型粘接剂Single Bond Universal(SBU)、 Prime&Bond Universal(PBU)是单瓶装光固化通用型粘接剂, TransbondTMMIP+transbondTMXT是正畸光固化粘接剂,其中TransbondTMMIP是预处理剂。

表1 本研究中使用的粘接材料及其组成

1.2 锆瓷试件的制备

应用CAD/CAM系统设计,将锆瓷胚体用低速金刚石设备切割后烧结成型。制作成120 个面积为10 mm×10 mm,厚度为2 mm的试件,使用电子数显卡尺检测试件尺寸,精确度0.01 mm。抛光组用打磨抛光机和320#、400#、600#水砂纸将粘接面磨光;上釉组将釉膏与釉液混合成糊剂,涂在每个试件的预粘接面上,800 ℃重新烧结90 s。为确保表面处理一致,所有步骤均由一名牙科技师根据制造商的说明完成。将制作完成试件用自凝树脂包埋,确保釉面和抛光表面暴露在外。

1.3 试件的分组及粘接

所有试件预粘接面用粒度50 μm AL2O3在0.28 MPa压力下喷砂10 s,喷砂距离为10 mm,清洗,干燥,然后用9.5%HF蚀刻20 s,蒸馏水冲洗15 s,风干。将抛光组和上釉组试件分别随机分成3组(共6 组,n=20),分别用TM、 SBU通用粘接剂、 PBU通用粘接剂进行粘接。

各分组严格按照制造商的说明操作,使用新的毛刷涂抹粘接剂于试件预粘接面,轻微拨动粘接剂20 s,空气喷涂5 s使粘接剂散开至表面光滑、均匀,两组通用型粘接剂光固化10 s,光照强度1 200 mW/cm2。随后,将TransbondTMXT树脂复合糊剂涂在每个上颌中切牙金属托槽的基底上,托槽放置在锆瓷试件粘接面的中心位置并加压,牙科探针去除多余粘接剂,光固化灯从托槽4 个方向(切方,龈方,近中,远中)分别光照10 s。每组试件粘接完成后再随机分成2 组(n=10),在不同的储存条件下(37 ℃水浴保存24 h/37 ℃水浴保存24 h后进行5 000 次冷热循环)测试剪切粘接强度。冷热循环时在5 ℃和55 ℃水中停留的时间为30 s,移动时间为5 s。

1.4 剪切粘接强度测试

粘接试件置于特制夹具中固定,加载头平面与托槽粘接面上缘均匀接触,万能力学试验机[岛津, 日本]以1.0 mm/min的恒定速度施加剪切载荷,直至试件脱落(图1)。剪切粘接强度(SBS)值(MPa)等于断裂时最大加载力(N)除以粘接面积(13.26 mm2)[12]。以上实验操作均由1 人完成。

图1 剪切强度测试示意图

1.5 粘接断面分析

使用立体显微镜在10 倍放大率下观察断裂试件表面形态并根据粘接残留指数(ARI)进行评分[13]。0分为陶瓷表面无粘接剂残留, 1 分为≤50%的粘接剂残留在陶瓷表面, 2 分为>50%的粘接剂残留在陶瓷表面, 3 分为所有粘接剂残留在陶瓷表面。

1.6 SEM观察

将试件用数显红外烘烤灯干燥后表面溅射金钯合金,运用扫描电子显微镜观察喷砂、酸蚀前后抛光和上釉锆瓷的表面结构。

1.7 统计学分析

用SPSS 22.0软件对实验结果进行统计学分析,三因素方差分析(three-way ANOVA)后,使用Tukey’s HSD检验进行各组均值间的多重比较分析不同表面预处理方法和储存条件对SBS值的影响。使用Kruskal-Wallis检验分析各组间ARI评分的统计学差异。检验水准α=0.05。

2 结 果

2.1 粘接强度及断面分析

各组SBS的平均值和标准偏差见表2, 冷热循环后粘接残余指数评分如表3。三因素方差分析的结果表明,粘接剂(P<0.001)和储存条件(P<0.001)显著影响锆瓷与托槽的剪切粘接强度;抛光或上釉(P=0.09)组间无统计学差异。其中,除了在上釉、水浴处理时, TM组平均SBS值均显著低于SBU组和PBU组(P<0.01)。在抛光组, 3 种粘接剂冷热循环前后SBS均值无明显改变(P>0.05);在上釉组, TM组、 PBU组冷热循环后SBS均值显著降低(P<0.05)。 SBU在各组中都表现出更好的粘接性能。Kruskal-Wallis检验结果表明,3 种粘接剂间的ARI分数存在显著差异(P<0.001);储存条件(P=0.35)、抛光或上釉(P=0.58)对ARI分数的影响无统计学意义。

表2 剪切粘接强度及多重比较 (MPa)

表3 冷热循环后粘接残余指数评分及多重比较

2.2 SEM观察

喷砂酸蚀前后的锆瓷表面SEM图像如图2,图2A可见抛光锆瓷表面的轻微切割痕迹;图2C可见釉面锆瓷呈现平滑表面;喷砂酸蚀导致锆瓷表面孔隙增多,粗糙度增加,釉面锆瓷(图2D)的表面比抛光锆瓷(图2B)更粗糙。

图2 锆瓷表面的SEM图像(×3 000)

3 讨 论

如何在修复体表面实现托槽稳定牢固的粘接目前仍是正畸医生面临的挑战，为了提高粘接强度和耐久性，一般采用以下两种方式：(1)通过物理粗化增加接触面的相对表面积，同时增强机械嵌合作用；(2)应用有效成分加强界面上分子间物理化学作用力使粘接剂与基体材料和树脂糊剂结合更加紧密[14-16]。常用的表面粗化技术有：机械打磨，AL2O3喷砂，HF酸蚀等。三维光学轮廓仪显示机械打磨后的修复体表面划痕呈波浪状，陶瓷结构被削弱，易产生微裂纹而发生崩瓷，因此本实验选择了对锆瓷表面更为安全的椅旁喷砂和酸蚀处理[17-18]。

在正畸治疗过程中,通常推荐6～10 MPa为理想的粘接强度,小于6 MPa可能导致托槽粘接失败,大于13 MPa会增加脱粘时陶瓷破坏断裂的风险[19-21]。

本研究结果显示,在抛光组,两种通用型粘接剂在37 ℃水浴24 h后的SBS值约为11～13 MPa,且在冷热循环后没有明显改变,能够持久性抵抗水解导致的粘接失效。这要归功于二者共同含有的功能性单体10-MDP,其含有的磷酸酯基团(R-PO42-)能与带正电荷的锆离子(Zr4+)形成稳固的化学键,疏水性甲基丙烯酸酯对复合树脂具有亲和性,长碳链可增强疏水性。这种多功能单体在稳定键合界面以提高键合性能方面发挥着积极作用[8,22]。

Kwak等[9]对粗化后的釉面锆瓷应用含有97%甲基丙烯酸甲酯，3% MDP和0.01%甲氧基苯酚的处理剂，得到了较低的剪切粘接强度(<5 MPa)，表明10-MDP无法在釉面发挥作用。而在本实验中，上釉组显示出较高的即刻SBS值，除了粘接剂组分及浓度不同外，还可能由于喷砂、酸蚀处理暴露了一部分锆瓷基底，增加表面积的同时暴露部分与MDP结合，与Kim等[6]研究观点一致。但是这种结合并不紧密，5 000 次冷热循环模拟口内老化过程后，粘接力明显下降。Lee等[8]建议正畸医生在无法分辨锆瓷修复体表面成分时，同时应用锆瓷底漆和瓷底漆以提高粘接强度，但这将使椅旁操作复杂化。本研究发现，添加硅烷成分的通用粘接剂SBU在24 h水浴组和冷热循环组都得到了较高的SBS值，可以弥补上述不足。硅烷分子水解活化形成硅醇基(-Si-OH)，可以在包括二氧化硅和少量金属氧化物的釉层表面形成-Si-O-Si-O骨架，基于硅烷单体的C=C键，自由基聚合促进硅烷单体末端与树脂基体的甲基丙烯酸酯相互作用，最终实现釉面锆瓷与正畸树脂的稳定结合[23]。另外，本研究显示不含硅烷成分的通用粘接剂PBU冷热循环后的平均SBS值仍高于最低标准。

Kruskal-Wallis检验显示3 种粘接剂的ARI评分有显著差异, TM以0 分为主,但也对应了更低的SBS值,多数未达到最低标准。 SBU、 PBU的脱粘模式主要是托槽与锆瓷之间的树脂层发生断裂,虽得到了较高的ARI评分,但观察未见锆瓷试件的破坏,可能与锆瓷具备高强度这一特点有关[10]。另外,在剪切粘接强度测试时,力量仅施加在一个方向(咬合-牙龈),而在临床实践中,通过正畸钳轻微挤压使力量通过应力集中点可以相对轻松的剥离托槽,故ARI评分能否作为评价修复体安全性的金标准仍存在争议[24]。

本实验的局限性在于口腔的复杂环境受温度,湿度,菌斑等多重因素影响,体外研究无法精确模拟。HF作为强酸具有腐蚀性,生物毒性等,临床操作时具有较高的技术敏感性[25],故在满足粘接标准的前提下可适当简化粗化程序。综上,通用型粘接剂可以同时满足抛光和上釉锆瓷表面的正畸粘接需要,为优化正畸粘接的有效性提供思路。