长石质和氟磷灰石饰瓷在模拟咀嚼循环条件下耐磨性能的研究

伊远平, 张少锋，郭嘉文, 田蓓敏, 张珍珍, 王 琪, 武小红

(第四军医大学口腔医院修复科 军事口腔医学国家重点实验室, 陕西 西安710032)

长石质和氟磷灰石饰瓷在模拟咀嚼循环条件下耐磨性能的研究

伊远平, 张少锋，郭嘉文, 田蓓敏, 张珍珍, 王 琪, 武小红

(第四军医大学口腔医院修复科 军事口腔医学国家重点实验室, 陕西 西安710032)

目的: 比较模拟咀嚼循环条件下长石质饰瓷与氟磷灰石饰瓷的耐磨性能。方法: 制备2种饰瓷长条形试件各10个，用于物理性能测试和表面形貌观察; 另制备圆盘形试件各6个，分别在水环境、加载力10 N、转速200 r/min的条件下进行120万次循环磨损实验；于每10万次循环节点测量各饰瓷的体积磨损量和表面粗糙度；然后分别在磨损10、70、120万次循环节点观察各饰瓷磨损面的微观形貌， 分析磨损区域的基本组成及其所占比例。结果: 两种饰瓷的体积磨损量、表面粗糙度曲线均呈现正相关近似线性上升趋势，在每个测量节点，氟磷灰石瓷的体积磨损量、表面粗糙度均明显高于长石质瓷(P<0.05)；长石质瓷表面均匀一致，而氟磷灰石瓷表面有较多大小不一且散在分布的气孔；随着加载循环的进行，两种饰瓷的磨痕均由稀疏变为密集，磨损面上均可见磨屑粘着。结论: 在模拟咀嚼循环条件下，氟磷灰石瓷的耐磨性能较长石质瓷差。

齿科陶瓷; 磨损; 三维形貌扫描; 扫描电镜检查

[DOI] 10.15956/j.cnki.chin.j.conserv.dent.2015.02.005

[Chinese Journal of Conservative Dentistry,2015,25(2):84]

瓷修复体由于其较好的美学性能，优良的生物相容性和较高的强度，越来越广泛的应用于口腔修复领域。然而，陶瓷修复体在口腔中长期行使功能时，会因过度磨损而导致修复体产生微裂纹﹑崩瓷，同时造成对颌天然牙的冷热敏感、咬合垂直距离丧失﹑咀嚼系统异常改变、颞下颌关节病变等。因此，磨损性能影响着修复体的服役期限。以往虽已有众多学者对陶瓷的耐磨性能做了大量研究[1-2]，但这些研究都是在某一固定循环节点下的测量比较，尚缺乏全面性和系统性。因此，本研究根据临床常用饰瓷基本组成分类，选用长石质瓷和氟磷灰石瓷两种饰瓷，在模拟口腔咀嚼环境下，将其与滑石瓷配副，动态长期观测，比较两种饰瓷的磨损性能，以期为临床工作提供参考。

1 材料和方法

1.1 主要设备和材料

摩擦磨损实验机(CH-2034Peseux,CSM,瑞士)；场发射扫描电镜(S-4800，日立，日本)；三维形态扫描仪(PS-50，Nanovea,美国)；长石质饰瓷(CERAMCO3,登士柏，美国)；氟磷灰石饰瓷、二硅酸锂铸瓷(IPS e.max ceram,义获嘉，列士敦斯登)；钴铬烤瓷铸造合金(上海贺利氏古莎齿科有限公司)；自凝造牙粉(上海医疗器械股份有限公司)；义齿基托树脂Ⅱ型(上海二医张江生物材料有限公司); 滑石瓷(江苏省海门市天补高频陶瓷厂)。

1.2 试件制备

1.2.1 物理性能测试试件的制备

分别将长石质体瓷和氟磷灰石体瓷瓷粉与专用液体调和后，置入内径为24 mm×7 mm×2 mm的特制模具内，并充分震荡、压实；用专用吸水纸吸除多余液体后，放入专用烤瓷炉内进行烧结。烧结完成后取出各材料试件，分别在喷水冷却条件下依次用180、320、400、600、800、1 200、1 500、2 000、2 500、3 000目耐水砂纸进行打磨，并用金刚石抛光液配合专用抛光盘将其表面抛光至镜面。每种材料各制备出10个20 mm×4 mm×1.6 mm的长条形陶瓷试件用于物理性能的测试和表面形貌观察。

1.2.2 磨损测试试件的制备

首先制备半径为12 mm,厚度为1 mm的有机玻璃圆片共12个作为替代蜡型，然后将其中的6个通过失蜡法制作半径为12 mm,厚度为1 mm的钴铬合金圆盘；另6个通过失蜡法,用e.max press HT瓷块经热压铸造制作成半径为12 mm,厚度为1 mm的圆盘。在上述制备的钴铬合金和IPS e.max press HT铸瓷基底上喷砂，涂结合瓷并进行烧结；然后分别涂长石质体瓷ceramco3和氟磷灰石体瓷IPS e.max ceram，并再次进行烧结；最后取两种陶瓷试件，分别在喷水冷却条件下依次用180、320、400、600、800、1 200、1 500、2 000、2 500、3 000目耐水砂纸进行打磨，并用金刚石抛光液配合专用抛光盘将其表面抛光至镜面，最终制成半径为12 mm,总厚度为 3 mm的完整长石质饰瓷试件和氟磷灰石饰瓷试件。所有试件均包埋于充满自凝树脂的圆形模具中，分别经超声清洗后待用。

1.3 物理性能测试及微观形貌观察

1.3.1抗弯强度和弹性模量的测试

分别将长方形的长石质饰瓷试件和氟磷灰石饰瓷试件置于岛津万能力学实验机上，通过三点弯曲试验检测各材料的抗弯强度和弹性模量；加载参数为：跨距(L)15 mm；加载速度0.5 mm/min。每组测试10个样本，取均值。

1.3.2 维氏硬度的测试

分别将上述两种饰瓷试件置于维氏硬度仪上，并以压痕法检测其表面硬度；每组10个样本，每个样本随机测两个不同区域，加载参数均为300 gf, 15 s。

1.3.3 晶体微观形貌观察

从物理性能测试结束的两种饰瓷试件中各随机抽取3个试件，分别用20 g/L HF酸酸蚀15 s后，蒸馏水冲洗30 s；常规干燥、喷金，扫描电镜观察两种饰瓷的晶相结构。

1.4 磨损测试

选取顶端为半径3.2 mm圆弧状凸起、半径为2.5 mm的圆柱状滑石瓷磨头12个，采用随机数字表法分别与6个长石质瓷和6个氟磷灰石瓷一对一配副后，将其固定在摩擦磨损试验机上；然后在室温下和蒸馏水环境中(模拟口腔环境)进行磨损试验。加载力10 N，频率0.1 Hz，加载模式为匀速圆周运动，转速200 r/min，半径0.01 mm，共加载120万次循环。以每10万次循环作为一个节点，暂停磨损试验机并取出各样本，分别用三维形态扫描仪对其磨损面进行扫描(探头型号为MG140SN:11.01.6755，12 mm；扫描范围7 mm×7 mm,扫描速度为18 mm/s)；然后用三维形态扫描仪自带计算机软件，标示出磨损区域，并计算磨损区域的体积磨损量和表面粗糙度。同时将测量的每个节点的陶瓷磨损体积、表面粗糙度数据用graphpa软件分别绘制出随循环次数的变化曲线。

1.5 表面微观形貌的观察

分别于磨损试验前以及磨损试验初期(循环10万次)、中期(循环70万次)、结束期(循环120万次)4个时间点取各组试件，用750 mL/L乙醇超声清洗30 min、蒸馏水冲洗30 s后干燥、喷金，扫描电镜观察试件的表面形貌；循环120万次的试件用EDX分析两种饰瓷磨损区域的基本组成元素的变化。观察结束后，通过750 mL/L乙醇超声清洗30 min, 去除各试件表面残留的铂金，并继续进行磨损测试，以保证每种材料的测试样本为6个。

1.6 统计学分析

2 结果

2.1 物理性能

氟磷灰石的抗弯强度较长石质瓷高(P<0.05)；但两种饰瓷的弹性模量和硬度之间均无统计学差异(P>0.05)(表1)。

表1 两种饰瓷材料的物理性能比较±s)

*与长石质饰瓷相比P<0.05

2.2 晶体形貌

长石质瓷的晶体大小不一，可见多边形的白榴石晶体散在分布于玻璃基质中(图1a)；氟磷灰石瓷的晶体则大小均一，可见针状的氟磷灰石晶体密集的分布于玻璃基质中(图1b)。

a.长石质瓷的白榴石晶体(×1000)b.氟磷灰石瓷的氟磷灰石晶体(×50000)

图1 两种饰瓷材料的晶相结构比较

2.3 磨损数据统计

随着加载循环次数的增加，长石质饰瓷表面可见一直径逐渐扩大,相对大而表浅的圆形磨损区域， 120万次循环节点的平均高度损失量为1197.2 μm，未见明显的裂纹或崩瓷现象；氟磷灰石饰瓷表面可见一直径逐渐扩大、相对大而深的圆形磨损区域，磨损区域高度损失量较长石质大，120万次循环节点的平均高度的损失量为1693.7 μm，并且在120万次循环时磨损面肉眼可见明显裂纹。

2.4 两种饰瓷体积磨损量及表面粗造度随循环次数变化的比较

随着循环次数的增加，两种饰瓷的体积磨损量均呈正相关近乎线性上升趋势；在每一个测量节点，均为氟磷灰石瓷的体积磨损量大于长石质瓷的体积磨损量(P<0.05)(图2a)。

两种饰瓷的表面粗糙度均呈正相关近乎线性上升趋势；在每一个测量节点，均为氟磷灰石瓷的表面粗糙度大于长石质瓷的表面粗糙度(P<0.05)(图2b)。

2.5 表面微观形貌观察

2.5.1 磨损试验前两种饰瓷表面形貌比较

循环加载前，长石质瓷和氟磷灰石两种饰瓷的表面均较光滑，未见明显的缺陷、裂纹和气孔(图3)。

图2 两种饰瓷体积磨损量及表面粗糙度随循环次数变化曲线

2.5.2 磨损试验初期两种饰瓷表面形貌比较

磨损初期(循环加载至10万次时)低倍镜下可见：两种饰瓷表面均有大小不一的磨损面，其边缘有不规则的片状剥脱后残留的粗糙面，同时还存在相对光滑的面(图4a、d)；其中长石质瓷的磨损面积相对较小，表现为较浅的犁沟状磨痕(图4a),而氟磷灰石瓷的磨损面则表现为较深的犁沟状磨痕，磨痕边缘有稍高起的棱，并可在磨损面观察到大小不一而散在分布的气孔(图4d)。高倍镜下可见：长石质瓷的磨损面有因疲劳磨损而导致的大块片状剥脱(图4b)，氟磷灰石瓷磨损面的气孔周围

可见裂缝、破裂、缺损等三层结构(图4e)，说明同样有疲劳磨损；氟磷灰石瓷磨损面上的犁沟状磨痕(图4f)相对于长石质瓷(图4c)更为密集。

长石质瓷 氟磷灰石瓷

图3 磨损试验前两种饰瓷表面形貌比较(×1 000)

a、b、c为长石质瓷; d、e、f为氟磷灰石瓷

2.5.3 磨损试验中期两种饰瓷表面形貌比较

磨损中期(循环加载至70万次时)低倍镜下可见：长石质饰瓷(图5a)和氟磷灰石瓷(图5d)的磨损面均较其磨损初期增大。高倍镜下可见：两种饰瓷(图5b、c、e、f)的磨损面均可见磨屑粘着，犁沟状磨痕均较磨损初期密集；其中氟磷灰石瓷(图5f)的犁沟状磨痕相较于长石质瓷(图5c)更为密集。

a、b、c为长石质瓷; d、e、f为氟磷灰石瓷

2.5.4 磨损试验末期两种饰瓷表面形貌比较

磨损末期(循环加载至120万次时)低倍镜下可见：两种饰瓷(图6a、d)的磨损面积均较磨损初、中期增大。氟磷灰石瓷磨损面可见明显裂缝。高倍镜下可见：长石质瓷的磨损面为较大的整层片状剥脱之间相互融合后形成的粗糙面，同时存在较浅的犁沟状磨痕，粗糙面边缘为明显裂缝隔开的未脱落片状区(图6b、c)；氟磷灰石的磨损面可见小的片状剥脱间相互融合后形成的高低不平的粗糙面(图6e)和密集的犁沟状磨痕(图6f)。

a、b、 c为长石质瓷; d、e、f为氟磷灰石瓷

2.6 EDX能谱分析

根据厂家提供的数据，氟磷灰石瓷IPS e.max ceram的基本组成元素及所占比例为:SiO2:60%～65%, AL2O3:8%～12%, Na2O:6%～9%, K2O:6%～8%, ZnO:2%～3%, Cao:1%～3%, F:1%～2%，P2O5:0.1%～1%；长石质瓷CERAMCO3的基本组成元素及所占比例为：SiO2：62.2%,AL2O3：9.6%,K2O:12.1%,Na2O:5.0%, CaO: 3.1%, ZrO2:0.0%，MgO:2.4%；滑石瓷的基本组成元素及所占比例为：SiO2: 60.02%, MgO:27.8%,AL2O3:2%～3%,CaO:1%,Fe2O3:0.5%, BaO:2%-3%。本实验于磨损120万次后EDX能谱分析显示:磷灰石磨损区域的Mg、 Ba、 Fe分别增加0.18%、1.86 %、0.44%; 长石质磨损区域的Ba、 Fe分别增加了0.84 %、 0.3%。

3 讨论

多数学者认为，长石质和氟磷灰石这两种饰瓷的耐磨性均较其他齿科陶瓷差，并且能引起相对较多的对颌牙釉质的磨损[3-5]。在口腔领域，以往的陶瓷材料的耐磨性研究都是在较短的循环时间下，并且局限在某一特定的时间点上[3-6]；鲜有长期动态进行两种饰瓷的耐磨性能对比研究。本结果显示：在模拟咀嚼循环下，氟磷灰石饰瓷较长石质饰瓷在口腔中长期的耐磨性能差。

磨损实验中，选择恰当的对磨物配副，对比较、评价陶瓷材料的磨损性能是一个关键因素。Wassel等[7]发现：滑石瓷的摩擦系数与天然牙釉质接近；姚月玲等[8]的体外实验发现：滑石瓷的体积损失量与天然牙釉质最为接近；同时滑石瓷性质稳定，结构单一，易于几何形状的标准化，能克服天然牙釉质结构的差异造成的实验误差。因此本实验选择滑石瓷作为天然牙釉质的代替物。

正常生理咀嚼过程中单个牙齿的咀嚼力在20～120 N[9]，有学者认为通过重力方式控制磨损设备的力为所施加力的3～4倍[10-11]；此外，已有研究显示天然牙釉质的牙尖半径为2～4 mm[12-13]；体外模拟实验加载120万次循环可模拟口腔中5年的临床服役期[14]。因此，为模拟正常口腔咀嚼环境，本实验选取加载力为10 N,顶端半径为3. 2 mm圆弧的圆柱型滑石瓷加载头，加载120万次循环。

陶瓷材料的耐磨性能和磨损面的特征受材料的物理性能(抗弯强度、断裂韧性、硬度)，微观结构(晶体的大小、数量、类型)，表面特征(气孔、缺陷)等众多因素的影响[15-17]。氟磷灰石瓷表面较多大小不一散在分布的气孔、缺陷，这些缺陷很容易被磨除；同时氟磷灰石瓷断裂韧性0.9 MPa m0.5(厂家提供)；长石质瓷断裂韧性[18]1.12 MPa m0.5，氟磷灰石瓷较低的断裂韧性在磨损循环中易产生碎片剥脱，局部碎片剥脱后形成的锐边由于较高的抗弯强度，会再次加速陶瓷的磨损；高低不平的粗糙磨损面产生较大的摩擦力，在较大的摩擦力下，表面粗糙度进一步增加，磨损量增加。因此，在整个磨损循环中，氟磷灰石瓷的表面粗糙度和体积损失量始终高于长石质瓷。氟磷灰石瓷中大小均一的针状氟磷灰石晶体均匀分布在玻璃基质中，在水环境、长时间的疲劳循环加载下，表现为主要是摩擦磨损导致的犁沟状磨痕，摩擦磨损具有较高的切削效率；同时较多气孔、缺陷的存在最终在120万次时出现了明显的裂缝。长石质瓷晶体为大小不一的多边形白榴石晶体，白榴石晶体具有改变裂纹扩展方向的能力，同时可增强陶瓷材料的断裂韧性[19]。在水环境、长时间的疲劳循环加载下，表现为主要是磨损面玻璃基质在水环境下产生许多围绕晶体周围的微小裂缝，随着磨损循环的进行，微裂纹逐渐扩展，磨损面大的片状剥脱，同时在磨损面可见到稀疏的犁沟状磨痕。随着磨损循环的进行，两种饰瓷的磨痕均由稀疏变为密集；在磨损的每一个阶段，氟磷灰石瓷的磨痕均较长石质瓷的磨痕更密集，说明其有较高的磨损速率。 EDX能谱分析显示：在氟磷灰石瓷和长石质瓷磨损区域部分元素有所增加，表明有少量的对颌磨头滑石瓷粘结到磨损区域,这与实验中所观察到的两种饰瓷的磨损表面有多种磨屑颗粒黏着现象一致，磨屑的存在进一步加速了陶瓷的磨损。

材料的磨损性能受多个因素的综合作用，但口腔环境非常复杂，体外实验只能模拟口腔环境中的有限几个因素；加之所用的测试试件均为平面，而在口腔中，无论是牙齿还是修复体，其形状均较复杂，表面各点受力大小均不相同[20]。因此，本结果并不能完全代表材料在口腔中的真实磨损情况，仅为口腔医师了解不同饰瓷修复体的耐磨性能，合理选用设计陶瓷修复体提供参考。

[1]Zakereyya SM. Albashaireh, BDS, MSc,Two- body wear of different ceramic materials opposed to zirconia ceramic [J].JProsthetDent, 2010, 104(2):105-113

[2]Preis V, Behr M, Kolbeck C,etal. Wear performance of substructure ceramics and veneering porcelains[J].DentalMaterials, 2011,27(8):796-804.

[3]Park JH, Park S, Lee K,etal. Antagonist wear of three CAD/CAM anatomic contour zirconia ceramics[J].JProsthetDent, 2014,111(1):20-29.

[4]Kim M, Oh S, Kim J,etal. Wear evaluation of the human enamel opposing different Y- TZP dental ceramics and other porcelains[J].JDent, 2012,40(11):979-988.[5]Jung Y, Lee J, Choi Y,etal. A study on the in vitro wear of the natural tooth structure by opposing zironia or dental porcelain[J].JAdvProsthodont, 2010,2(3):111.

[6]Amer R, Kurklu D, Kateeb E,etal. Three- body wear potential of dental yttrium- stabilized zirconia ceramic after grinding, polishing, and glazing treatments[J].JProsthetDent, 2014.

[7]Wassell RW, Mccabe JF, Walls AW. Wear rates of regular and tempered composites[J].JDent, 1997,25(1):49-52.

[8]姚月玲，马军萍，宋应亮. 不同牙用非贵金属材料与牙釉质间磨耗性能的测试研究[J]. 中国美容医学, 2002,11(2)134-136.

[9]Schindler HJ, Stengel E, Spiess WE. Feedback control during mastication of solid food textures- a clinical- experimental study[J].JProsthetDent, 1998,80(3):330-336.

[10]Heintze SD. How to qualify and validate wear simulation devices and methods[J].DentMater, 2006,22(8):712-734.

[11]Janyavula S, Lawson N, Cakir D,etal. The wear of polished and glazed zirconia against ename. [J].JProsthetDent, 2013, 109(1): 22-29.

[12]Krejci I, Albert P, Lutz F. The influence of antagonist standardization on wear[J].JDentRes, 1999,78(2):713-719.

[13]Jung YG, Peterson IM, Kim DK,etal. Lifetime- limiting strength degradation from contact fatigue in dental ceramics[J].JDentRes, 2000,79(2):722-731.

[14]Ghazal M, Yang B, Ludwig K,etal. Two- body wear of resin and ceramic denture teeth in comparison to human enamel[J].DentalMaterials, 2008,24(4):502-507.

[15]严洪海，黄海蓉，章卓鸣，等. 6种不同修复材料与天然牙牙釉质摩擦、磨耗性能的比较[J]. 上海口腔医学, 2007, 16(3):311-314.

[16]Leyland A. On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behaviour[J].Wear, 2000,246(1):1-11.

[17]Oh WS, Delong R, Anusavice KJ. Factors affecting enamel and ceramic wear: a literature review[J].JProsthetDent, 2002,87(4):451-459.

[18]Quinn JB, Quinn GD, Sundar V. Fracture Toughness of Veneering Ceramics for Fused to Metal (PFM) and Zirconia Dental Restorative Materials[J].JResNatlInstStandTechnol, 2010,115(5):343-352.

[19]Fredericci C, Yoshimura HN, Molisani AL,etal. Effect of temperature and heating rate on the sintering of leucite- based dental porcelains[J].CeramicsInternational,2011,37(3):1073-1078.

[20]Mair LH, Stolarski TA, Vowles RW,etal. Wear: mechanisms, manifestations and measurement. Report of a workshop[J].JDent, 1996,24(1-2):141-148.

Abrasive resistance of feldspathic porcelain and fluorapatite porcelain under simulated oral environment

YI Yuan- ping, ZHANG Shao- feng, GUO Jia- wen, TIAN Bei- min, ZHANG Zhen- zhen, WANG Qi, WU Xiao- hong

(StateKeyLaboratoryofMilitaryStomatology,DepartmentofProsthodontics,SchoolofStomatology,TheFourthMilitaryMedicalUniversity，Xi′an710032，China)

AIM: To compare the wear resistance of feldspathic porcelain(FEP) and fluorapatite porcelain(FLP) in simulated oral environment. METHODS: 10 rectangular samples of each group were subjected to wear test by means of three point bending method and the indentation method, the surface structure was observed by SEM after acid corrosion. 6 disc shaped samples in each group were subjected to wear test by a wear machine under water lubrication condition at the speed of 200 r/min and loading force of 10N. The wear volume and roughness were measured by the three- dimensional profiler scanner per 105cycles. Surface morphology were observed by SEM after 105, 7×105, and 12×105cycles respectively. EDX energy analysis was used to measure the basic composition and the proportion of the wear area. RESULTS: The volume loss, surface roughness of the two porcelains increased linearly with the wear process. The volume loss and surface roughness of FLP were higher than that of FEP at each measurement cycle. SEM images showed that there were many different sizes of pores on FLP surface. With the cyclic loading, the wear scar of the two materials became from sparse to dense. FLP was worn in the form of relatively small particles and relatively dense grooves. FEP was worn in the form of relatively big particles and relatively sparse grooves. There were visible particles adhered to the wear area. CONCLUSION: The wear resistance of fluorapatite porcelain is lower than that of feldspathic porcelain.

dental ceramic; wear; 3D profiling; scanning electron microscopy

2014-09-07

国家自然科学基金资助项目(81371176)

伊远平(1981-), 女, 汉族, 陕西武功人, 硕士生(导师: 张少锋)，主治医师

张少锋, E-mail: sfzhang@fmmu.edu.cn

R783.1

A

1005-2593(2015)02-0084-07