计算机辅助设计/制造可切削陶瓷材料的研究进展

张美玲，黄 阳，路荣建，邓 斌

1解放军总医院 口腔修复科，北京 100853；2军事医学科学院附属医院，北京 100076

20世纪70年代计算机辅助设计(computer aided design，CAD)/计算机辅助制造(computer aided manufacturing，CAM)作为新兴技术引用到口腔领域，其在临床中的应用日益广泛[1]。可切削材料的发展层出不穷，目前可供瓷睿刻切削的材料超过5 000种。可切削加工陶瓷是指在常温下即可由传统的加工机械或刀具加工至精确公差并符合形状及表面光洁度要求的陶瓷，简称可加工陶瓷。可供临床切削的陶瓷材料主要包括长石质陶瓷、玻璃陶瓷、渗透陶瓷、氧化铝、氧化锆和混合物陶瓷。本文着重介绍目前经常使用的长石瓷/白榴石增强型陶瓷、锂基类玻璃陶瓷、玻璃渗透氧化铝、氧化锆及混合物陶瓷，为临床选择材料提供参考。

1 长石瓷/白榴石增强型陶瓷

1903年，Land采用强度相对低的长石瓷制作了第一个全瓷冠，长石凭借优良的美学性能而受到广泛关注[2]。与真正的陶瓷材料所不同，长石在结构上更接近于玻璃，其用于制作工艺简单。长石应用时间较长，虽然种类繁多但基本都由细粒度的高玻璃体长石颗粒构成[3]，其临床成功率高，Otto和Schneider[4]对瓷睿刻制作的200例长石质瓷嵌体和高嵌体进行了17年的观察，发现其生存率达到了88.7%。Vitablocs MarkⅡ是长石陶瓷的典型代表，其抗弯强度为120 ～ 160 MPa，断裂韧性为1.2 MPa·m1/2。但由于长石瓷强度低，限制了其在临床中的应用，白榴石增强型玻璃陶瓷随后受到关注。以白榴石为内部增强剂的牙科陶瓷材料的研究始于20世纪80年代，一般将白榴石添加在长石瓷内可使其断裂韧性提高并影响抗弯强度[5]。张飚等[6]研究表明白榴石的含量对K2O-Ai2O3-SiO2系统牙科玻璃陶瓷的断裂韧性有明显影响，在一定范围内该陶瓷的断裂韧性随着白榴石含量的增高而增加。白榴石在增加强度的同时不会影响其美学性能，因此使用广泛。最先被熟知的白榴石增强型长石为IPS Empress，其白榴石晶体含量为30% ～40%，强度为120 MPa。目前长石瓷/白榴石增强型陶瓷主要用于嵌体、贴面、前牙冠的修复，尤其是使用长石陶瓷修复贴面可以获得很好的美学效果。

2 锂基类玻璃陶瓷

二硅酸锂晶体的折射系数为1.55，这使得二硅酸锂玻璃陶瓷在具有高晶相含量的同时，仍能保持很好的半透性效果，可以实现高强度和美学效果的统一，因此受到广泛的关注。最先被大家熟知的二硅酸锂基玻璃陶瓷是IPS Empress 2，主晶相为二硅酸锂，晶相含量超过60%，棒状的二硅酸锂晶体随机分布于玻璃相中，互相嵌合，使玻璃陶瓷的强度提高，其强度是IPS Empress的3倍[7]，可用于前牙三单位的固定义齿并且适应范围可延伸至前磨牙。2006年，一种兼具铸造性和美观性的二硅酸锂陶瓷材料IPS e.max CAD推出，该瓷块烧结前二硅酸锂体积分数为40%，颜色为蓝色，又称蓝瓷，其强度与一般玻璃陶瓷相近(约150 MPa)，瓷块能够轻易被研磨机研磨，烧结过后二硅酸锂体积分数达70%，瓷块的强度提升至360 MPa以上，并在烧结的同时改变瓷块的色相、明度和彩度[8]。一旦成形，e.max CAD全瓷冠与其他传统金属烤瓷牙或二氧化锆瓷牙相比，更不容易破裂，对颌牙的磨耗更小[9]。该瓷块具有良好的美学效果，受到众多医生的追捧。2014年一款氧化锆增强型二硅酸锂(Vita Suprinity)问世，通过特殊工艺，使玻璃陶瓷中含有10%的氧化锆，该瓷块烧结前呈透明色，又称琥珀瓷，强度为180 MPa，烧结后强度达420 MPa。该瓷块具有精细的内部结构，不仅负载能力强、稳定性好，而且具有非常优异的研磨机抛光性能，同时具有良好的透光性、荧光性及乳光效果。蓝瓷和琥珀瓷可制作贴面、嵌体、高嵌体、前后牙单冠以及包括前磨牙在内的三单位固定桥，近年来其应用于种植义齿上部结构也取得良好效果。

3 玻璃渗透氧化铝

Rinke于1996年首次报道采用CAD/CAM技术将工业预成的多孔氧化铝加工成基底冠后，经In-Ceram技术完成玻璃渗透，制做成陶瓷修复体。与常规In-Ceram技术相比，本方法无需复制耐火代型和10 h的氧化铝核瓷冠烧结过程，而是以高纯度a-氧化铝粉为原料，经冷等静压成型，在1 450℃烧结成多孔氧化铝[10]。预成的Ai2O3颗粒大小分布均匀，具有较强的毛细管作用，随后的玻璃渗透可以在普通烤瓷炉内进行，一个全瓷冠的制作时间由原来的4 h缩短为40 ～ 60 min。其三点挠曲强度可达到320 ～ 600 MPa，抗弯强度约10倍于长石瓷，4倍于传统玻璃陶瓷。经过工业预成烧结形成的多孔氧化铝基体即能保证一定的强度又易被机械切削，因此CAD/CAM技术和In-Ceram技术的结合大大提高了口腔陶瓷修复体的制作水平[11]。最早的氧化铝陶瓷In-Ceram Alumia透明度较差，后来通过在其中添加氧化镁提高材料透明度研制出In-Ceram Spinell瓷，但是其强度与In-Ceram Alumia相比下降了将近一半，因此该瓷块只用于嵌体、贴面和前牙单冠的制作。随后又添加氧化锆来提高材料强度研制出In-Ceram Zirconia，但透明度却下降很多[12]。目前国内外已成功地将玻璃渗透氧化铝用于临床制作单冠及前牙前磨牙三单位固定桥并获得较高的成功率。Kern[13]研究发现玻璃渗透氧化铝用于修复前牙单颗牙缺失的10年生存率为95.4%，Pjetursson等[14]研究发现玻璃渗透氧化铝陶瓷用于固定桥修复的5年生存率为86.2%。

4 氧化锆陶瓷

20世纪90年代以来，由于良好的生物相容性、高机械强度以及优越的美观性能，氧化锆陶瓷开始被广泛应用于牙科领域，其抗弯强度超过1 000 MPa，断裂韧性为9 MPa·m1/2[15-16]。氧化锆的切削方式最初为致密切削，致密切削中使用的氧化锆瓷块经过致密烧结，硬度大、切削困难，对切削工艺要求非常之高，因此其使用受到限制。为改善这种情况随后涌现出多孔切削，氧化锆预先烧结至一定硬度后进行切削，最后将加工好的坯体进行二次烧结达到致密化[17-18]。目前临床使用的可切削氧化锆多为二次烧结，这种烧结方式多伴有明显体积收缩，有研究显示这种体积收缩可高达20% ～ 30%，补偿方式为通过计算机放大所需形状来弥补[19-20]。另一方面限制氧化锆应用的为颜色问题，氧化锆颜色为象牙白，这种颜色好比双刃剑，既可以为四环素牙患者提供良好的遮色效果，但同时因其不透明限制了在前牙中的应用[21]。由此引发氧化锆透光性能改善的研究，其中高透和超透氧化锆材料目前得到广泛应用[22-23]，可以保证氧化锆在不进行饰瓷直接上釉染色的同时获得美学效果。氧化锆陶瓷可应用于单冠、嵌体、贴面、磨牙五单位固定桥。

5 聚合物渗透陶瓷

聚合物渗透陶瓷是一种创新的复合型双网状陶瓷，其显著特点是材料内部占主导优势的瓷网结构与高分子聚合物网状结构交叉混合形成一种新的稳定的复合结构[24-25]。这种陶瓷主要优越性在于它的弹性及可切削性。目前常见的使用较多的混合物陶瓷有3M公司推出的ESPE Ulitimate及Vita公司推出的VITA ENAMIC。优韧瓷(Ulitimate)是较早出现的混合物类陶瓷材料，被称为树脂纳米瓷，其将纳米级陶瓷颗粒均匀混合到复合树脂中，陶瓷填料占80wt%。这种材料既具有类似复合树脂的韧性，不易折断，又有类似于玻璃陶瓷的强度及耐磨性能。其理论强度可达210 MPa，但随着在临床中的使用，该款材料出现了较多失败病例，因此该公司于2014年发布指南建议该款材料仅应用于嵌体中，不建议应用于高嵌体及全瓷冠修复中[26]。VITA ENAMIC又称弹性瓷，是由86wt%的陶瓷及14wt%的树脂构成，此款材料具有优良的物理性能，挠曲强度为150 ～ 160 MPa，弹性模量为30 GPa，是目前弹性模量与天然牙本质最接近的材料[27-28]，特别适合制作后牙全冠和极少量牙备轴壁的修复体。因该瓷块对咬合空间的备牙要求降到1 mm，尤其适用于低咬合空间下后牙区的修复。弹性瓷可以保证负载咀嚼力时依旧能获得强度和弹性的平衡[29-30]，所以适合于种植义齿上部结构的修复。

科学理念和技术的不断更新发展，使牙科领域走向数字化口腔医学的发展道路。通过上述对可切削陶瓷材料的研究可见，材料日新月异的发展仍不能完全满足临床中的需求，在数字化技术融入我们生活的同时，CAD/CAM系统同样面临挑战，而更适合CAD/CAM系统切削及临床使用的材料仍需被探索与研发。

1 包旭东， 高学军. 椅旁CAD/CAM数字化修复［J］. 中国实用口腔科杂志， 2016， 9（6）： 321-325.

2 赵昕， 战德松. CAD/CAM系统及可切削材料在口腔修复的应用现状［J］. 中国实用口腔科杂志， 2013， 6（6）： 331-337.

3 刘小舟， 吕培军， 王勇. 口腔可切削材料的研究进展［J］. 北京大学学报（医学版）， 2008， 40（6）： 654-657.

4 Otto T， Schneider D. Long-term clinical results of chairside Cerec CAD/CAM inlays and onlays： a case series［J］. Int J Prosthodont，2008， 21（1）： 53-59.

5 李红， 李明哲， 冉均国， 等. 牙科CAD/CAM可加工微晶玻璃的体外表面抗腐蚀性［J］. 暨南大学学报（自然科学与医学版），2004， 25（3）： 342-345.

6 张飚， 李勇， 刘明文， 等. 白榴石含量对K2O-Al2O3-SiO2系统牙科玻璃陶瓷的断裂韧性影响的实验研究［J］. 口腔医学研究，2009， 25（5）： 562-564.

7 王林虎， 董青山， 马毅慧. CEREC系统及切削材料进展［J］. 医学研究生学报， 2012， 25（1）： 92-94.

8 Fasbinder DJ， Dennison JB， Heys D， et al. A clinical evaluation of chairside lithium disilicate CAD/CAM crowns： a two-year report［J］.J Am Dent Assoc， 2010， 141（Suppl 2）： 10S-14S.

9 张珍珍， 张少锋， 郭嘉文， 等. 二硅酸锂和白榴石基玻璃陶瓷在模拟咀嚼循环下的耐磨性研究［J］. 临床口腔医学杂志， 2015，31（1）： 9-12.

10 侯玉， 武俊杰， 张林祺. 渗透陶瓷性能的研究进展［J］. 国外医学（口腔医学分册）， 2005， 32（5）： 368-369.

11 孙强， 白冰， 郝玉全， 等. CAD/CAM加工的渗透陶瓷的弯曲强度和 Weibull分析［J］. 上海口腔医学， 2004， 13（6）： 549-552.

12 颜志玲， 鲜苏琴， 谭陶， 等. 氧化锆含量对氧化铝渗透陶瓷半透性的影响［J］. 华西口腔医学杂志， 2011， 29（2）： 191-194.

13 Kern M. Fifteen-year survival of anterior all-ceramic cantilever resin-bonded fixed dental prostheses［J］. J Dent， 2017， 56 ： 133-135.

14 Pjetursson BE， Sailer I， Makarov NA， et al. All-ceramic or metalceramic tooth-supported fixed dental prostheses （FDPs）? A systematic review of the survival and complication rates. Part II：Multiple-unit FDPs［J］. Dent Mater， 2015， 31（6）： 624-639.

15 柴枫， 徐凌， 廖运茂， 等. 氧化锆增韧的纳米复合渗透陶瓷粉体性能的研究［J］. 实用口腔医学杂志， 2002， 18（6）： 518-521.

16 Zitzmann NU， Marinello CP， Luthi H. The Procera Allceram allceramic system. The clinical and technical laboratory aspects in the use of a new all-ceramic system［J］. Schweiz Monatsschr Zahnmed，1999， 109（8）： 820-834.

17 Mitov G， Heintze SD， Walz S， et al. Wear behavior of dental Y-TZP ceramic against natural enamel after different finishing procedures［J］.Dent Mater， 2012， 28（8）： 909-918.

18 Kontos L， Schille C， Schweizer E， et al. Influence of surface treatment on the wear of solid zirconia［J］. Acta Odontol Scand，2013， 71（3-4）： 482-487.

19 Schlichting LH， Maia HP， Baratieri LN， et al. Novel-design ultrathin CAD/CAM composite resin and ceramic occlusal veneers for the treatment of severe dental erosion［J］. J Prosthet Dent， 2011， 105（4）： 217-226.

20 Baroudi K， Ibraheem SN. Assessment of Chair-side Computer-Aided Design and Computer-Aided Manufacturing Restorations： A Review of the Literature［J］. J Int Oral Health， 2015， 7（4）： 96-104.

21 Kokubo Y， Sakurai S， Tsumita M， et al. Clinical evaluation of Procera AllCeram crowns in Japanese patients： results after 5 years［J］. J Oral Rehabil， 2009， 36（11）： 786-791.

22 Fabbri G， Mancini R， Marinelli V， et al. Anterior discolored teeth restored with procera all-ceramic restorations： a clinical evaluation of the esthetic outcome based on the thickness of the core selected［J］.Eur J Esthet Dent， 2011， 6（1）： 76-86.

23 温宁， 伊元夫， 刘洪臣， 等. 牙科渗透陶瓷用着色玻璃粉的制备与性能研究［J］. 口腔颌面修复学杂志， 2004， 5（1）： 8-11.

24 El Zhawi H， Kaizer MR， Chughtai A， et al. Polymer infiltrated ceramic network structures for resistance to fatigue fracture and wear［J］. Dent Mater， 2016， 32（11）： 1352-1361.

25 Coldea A， Swain MV， Thiel N. Mechanical properties of polymerinfiltrated-ceramic-network materials［J］. Dent Mater， 2013， 29（4）：419-426.

26 刘峰. 瓷贴面修复技术-从标准到微创牙体预备［M］. 北京：人民卫生出版社， 2017： 1-286.

27 Della Bona A， Corazza PH， Zhang Y. Characterization of a polymerinfiltrated ceramic-network material［J］. Dent Mater， 2014， 30（5）：564-569.

28 He LH， Swain M. A novel polymer infiltrated ceramic dental material［J］. Dent Mater， 2011， 27（6）： 527-534.

29 Lawson NC， Bansal R， Burgess JO. Wear， strength， modulus and hardness of CAD/CAM restorative materials［J］. Dent Mater， 2016，32（11）： e275-e283.

30 Nakashima J， Taira Y， Sawase T. In vitro wear of four ceramic materials and human enamel on enamel antagonist［J］. Eur J Oral Sci， 2016， 124（3）： 295-300.

本刊“病例讨论”栏目征稿

本刊开辟“病例讨论”栏目，属原创性临床论文。

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