不同調磨方式對牙科氧化鋯修複體彎曲強度與疲勞壽命的影響

引言

在眾(zhong) 多的口腔材料中，釔穩定型氧化鋯具有機械強度和生物相容性，受到口腔醫生的廣泛關(guan) 注。氧化鋯是以多晶結構存在，主要是單斜相、四方相和立方相，加入釔穩定劑後，在自然狀態下以四方相穩定狀態存在，但修複體(ti) 長期暴露於(yu) 口腔環境中，受到咀嚼力量、溫度以及pH值變化的影響，會(hui) 從(cong) 四方相轉變為(wei) 單斜相，從(cong) 而出現機械強度的降低，但這屬於(yu) 客觀因素影響且是一個(ge) 長期的過程。調磨後材料內(nei) 部會(hui) 產(chan) 生什麽(me) 樣的變化、是否會(hui) 對修複體(ti) 使用壽命產(chan) 生影響、如何調磨可以降低這種影響，經查閱文獻，尚未見相關(guan) 報道。在實際臨(lin) 床工作中，為(wei) 了使氧化鋯修複體(ti) 具有更好的適合性，咬合調整，調牙合過程是否會(hui) 對材料的性能產(chan) 生影響是醫生和患者共同關(guan) 注的問題，因此，需要進一步研究來證實。本研究通過控製不同轉速、不同壓力對氧化鋯修複體(ti) 進行調牙合，同時進行三點彎曲實驗，應用Weibull分析評價(jia) 材料的疲勞性能，分析調磨方式對氧化鋯修複體(ti) 疲勞性能的影響機製。為(wei) 臨(lin) 床正確的調牙合、延長氧化鋯修複體(ti) 的使用壽命提供可靠的實驗依據。

1 材料和方法

1.1 試件製備及分組

將氧化鋯瓷按相應的收縮比例切割並燒結，分別製作規格為(wei) 20mm×4mm×2mm的試件52個(ge) （A組，不調磨）和20mm×4mm×2.4mm的試件157個(ge) （B組48個(ge) 、C組56個(ge) 、D組53個(ge) ），B、C、D三組試件在高2.0mm處用耐久性標記筆標記，並將其固定在夾具上，用粒度為(wei) 105μm金剛砂車針，在噴水狀態下均勻調磨至標記線消失（模擬臨(lin) 床調磨），調磨過程中車針和試件始終保持平行接觸，三組調磨時轉速分別控製在150000r/min、200000r/min和250000r/min，此過程均由同一醫師在相同條件下製備完成。

1.2 疲勞加載

將每個(ge) 實驗組試件1、2、3組分別用电子raybet加載0次、10⁶次、10⁷次。所有待加載試件用氰基丙烯酸粘固於(yu) 鋼製模具後，將模具固定於(yu) Instron 5848微動循環試驗機加載台上，用直徑為(wei) 4mm的碳化鎢小球進行加載；加載頭對準試件中心位置，調整至預載10N，消除不良接觸後，設置為(wei) 正弦波加載，加載力50~250N，加載頻率2Hz，機器自動記錄波形及數據。所有試驗均在25°C，相對濕度為(wei) 40%RH環境下進行。按照文獻[5]中的方法對試樣的疲勞次數進行Weibull分析，計算疲勞次數的Weibull模數（m*）和特征斷裂次數（Nf,0），並以此計算各組試樣的裂紋擴展速率曲線參數A和n。

1.3 彎曲強度測試

將所有試件用丙酮浸泡2h，脫離模具，無水乙醇清洗後烘幹箱幹燥，之後分別放置於(yu) 試驗機上進行三點彎曲強度測試。加載麵位於(yu) 循環加載張力側(ce) ，加載位置為(wei) 試件中心，加載頭直徑4mm，跨距設置為(wei) 16mm，加載速度0.5mm/min，直至試件斷裂，記錄數據。利用公式計算三點彎曲強度：

σ=2wb23Pl

式中σ為(wei) 彎曲強度（MPa），P為(wei) 斷裂負荷（N），l為(wei) 跨距（mm），w為(wei) 試件寬度（mm），b為(wei) 試件厚度（mm）。按照ISO6872-2015[6]中的方法對四組試件的三點彎曲強度進行Weibull分析，並計算彎曲強度的Weibull模數（m）和特征斷裂強度（σ0）。

1.4 表麵形貌觀察

將所有試件充分超聲蕩洗，幹燥，用導電雙麵膠固定在S-4800型場發射掃描電子顯微鏡（Hitachi，日本）工作台上，進行真空噴金處理，放入掃描電鏡中，設置5.0KV加速電壓，拍照並觀察其表麵形貌。

1.5 統計學分析

采用SPSS 20.0軟件進行分析，計量資料采用（x̄±s）表示，多組間比較采用重複測量方差分析，組間兩(liang) 兩(liang) 比較采用獨立t檢驗；計數資料采用構成比、率表示，組間比較采用χ²檢驗。

2 結果

2.1 各組試件彎曲強度比較

不加載時，B、C、D三組的m和σ0均高於(yu) A組（P<0.05）；加載次數為(wei) 10⁶次、10⁷次時，B、C、D三組的m和σ0均低於(yu) A組（P<0.05）；隨著加載次數的增多，A組m和σ0並無明顯變化（P>0.05）；B、C、D三組加載次數為(wei) 10⁶次、10⁷次時的m和σ0均低於(yu) 不加載（P<0.05）；B、C、D三組加載次數為(wei) 10⁶次、10⁷次時的m和σ0比較差異無統計學意義(yi) （P>0.05）。

2.2 各組試件的疲勞壽命比較

B、C、D三組的裂紋擴展速率曲線參數A大於(yu) A組，n小於(yu) A組（均P<0.05）；B、C、D三組的裂紋擴展速率曲線參數A和n比較差異無統計學意義(yi) （P>0.05）。

2.3 各組試件表麵形貌比較

A組試件經不同次數循環加載後，表麵無明顯變化，呈現出清晰的晶粒不規則排列分布。B組、C組、D組表麵均出現一些相互平行且深淺不一的劃痕，劃痕之間有剝脫顆粒附著，且隨著加載次數的增多，片狀剝脫和微小裂紋越明顯。

3 討論

雖然氧化鋯陶瓷材料在牙齒修複中有很多優(you) 點，但也存在一些不足，其製成的口腔修複體(ti) 在長期反複咀嚼力的作用下仍存在斷裂、失效的風險，這種現象屬於(yu) 疲勞失效。在實際的臨(lin) 床工作中，試戴修複體(ti) 的時候需要進行調整使其具有更精準的咬合關(guan) 係，那麽(me) 氧化鋯修複體(ti) 在經過調磨之後強度是否會(hui) 發生改變？在長期反複咀嚼的作用下對其疲勞性能和使用壽命會(hui) 產(chan) 生不良影響嗎？國內(nei) 外關(guan) 於(yu) 此類研究並不多見，這也是不少口腔醫生和患者普遍關(guan) 注的熱點問題。因此，關(guan) 於(yu) 氧化鋯陶不同調磨處理方式的影響尚需探討和研究。

在氧化鋯修複體(ti) 的製備過程中，調磨是一個(ge) 關(guan) 鍵的步驟，調磨過程可以改善氧化鋯修複體(ti) 的表麵粗糙度和適應性，影響其性能。彎曲強度是評價(jia) 陶瓷材料力學性能的重要指標之一。本研究結果顯示，不加載時，B、C、D三組的彎曲強度較A組有所升高。這是因為(wei) 調磨過程使氧化鋯陶瓷從(cong) 四方相轉變為(wei) 單斜相，相變過程中為(wei) 阻止裂紋進一步擴張會(hui) 產(chan) 生一定體(ti) 積的膨脹和剪切應變，使其強度增強。m和σ0均為(wei) 材料的特征參數，分別表示材料的機械性能及疲勞性能，σ0越大，表示材料強度越大，m越大，表示強度結果越集中，均一性越佳，材料內(nei) 部裂紋分布範圍越小，結構可靠性越強。在臨(lin) 床應用中，修複體(ti) 由於(yu) 長期受到咬合力和咀嚼負荷的作用，可能會(hui) 出現強度降低和疲勞破壞的情況，從(cong) 而影響修複體(ti) 的可靠性和壽命。本研究設置試件的循環加載次數為(wei) 10⁶次和10⁷次，可模擬修複體(ti) 使用1年後的情況。結果顯示，隨著加載次數的增多，A組m和σ0並無明顯變化，表明A組試件具有良好的結構可靠性和抗疲勞性。不加載時，B、C、D三組的m和σ0均高於(yu) A組，而加載次數為(wei) 10⁶次、10⁷次時，上述三組的m和σ0又較A組降低，提示加載操作導致試件結構可靠性降低，材料體(ti) 出現了疲勞性，在一定程度上增加脆性斷裂風險，形貌觀察結果也證實了這一點。分析原因：首先，調磨過程中產(chan) 生的磨粒和磨屑可能會(hui) 損傷(shang) 氧化鋯材料的表麵，引入微裂紋和缺陷，從(cong) 而降低其強度；其次，調磨過程中摩擦產(chan) 生的熱量可能會(hui) 引起材料的熱應力，導致晶體(ti) 結構的改變和材料內(nei) 部的殘餘(yu) 應力，進而影響其力學性能。盡管本研究中B、C、D三組試件經過加載後材料強度有所降低，但仍高於(yu) 天然牙齒的強度（265MPa）。

亞(ya) 臨(lin) 界裂紋擴展（Subcritical crack growth, SCG）是口腔修複體(ti) 失效的主要原因之一，在口腔修複體(ti) 使用過程中，由於(yu) 受到咀嚼、咬合等力的作用，修複體(ti) 材料可能會(hui) 出現微小的裂紋，這些裂紋如果擴展到臨(lin) 界尺寸，就會(hui) 導致修複體(ti) 的失效，而SCG就是指這些微小裂紋在達到臨(lin) 界尺寸之前的發展過程。SCG的速度和方向受到多種因素的影響，包括材料的性質、應力狀態、溫度等，這些因素都會(hui) 影響修複體(ti) 的使用壽命和安全性。在本研究中，B、C、D三組的裂紋擴展速率曲線參數A小於(yu) A組，n大於(yu) A組，說明加載操作會(hui) 使氧化鋯材料發生SCG，從(cong) 而降低其疲勞壽命。在載荷作用下，氧化鋯陶瓷中存在著一些微小的裂紋，這些裂紋在外界應力的作用下會(hui) 逐漸擴展並最終導致材料的破壞，而氧化鋯陶瓷的表麵處理和調磨過程會(hui) 直接影響到裂紋的擴展行為(wei) ，從(cong) 而影響到修複體(ti) 的疲勞壽命。可見，在口腔修複體(ti) 的設計和製作過程中，需要考慮到SCG的問題，采取相應的措施來防止裂紋的擴展，例如，選擇具有優(you) 良抗裂性能的材料，設計合理的結構，控製加工過程中的殘餘(yu) 應力等，從(cong) 而提高修複體(ti) 的性能和臨(lin) 床效果，對於(yu) 已經存在的SCG，需要定期進行檢查和維護，及時發現並處理可能的問題。