两种烧结方式对牙科用氧化锆半透性的影响

江月梅，杨 瑛，詹文辉

(南昌大学附属口腔医院修复1科，南昌 330006)

二氧化锆陶瓷作为口腔材料的使用已有十年之久[1]。但其作为基底瓷，颜色较单一，半透明性较差，要满足前牙的美学修复以及我国患者人群牙齿颜色的复杂性，需通过饰面瓷来调节[2]。如果氧化锆与牙本质的颜色及半透明性相一致，那么饰面瓷的厚度就会相对减少，备牙量降低后，既可保护活髓牙又能满足美学修复的需要[3-5]。通过改变氧化锆全瓷材料的配方和微观结构，可以明显提高氧化锆的透光性[6]，烧结与氧化锆的微观结构有密切关系，最终的烧结温度、升温速率、保温时间会直接影响烧结密度，从而影响材料的透射率[7]。

目前，牙科氧化锆的烧结方式都是采用无压烧结，该方式升温速率慢、保温时间长、烧结温度高。微波烧结是在微波电磁能的作用下材料内部分子或离子动能增加，可降低烧结活化能，从而加速陶瓷材料的致密化速度，降低烧结温度，缩短烧结时间[8]。国内外关于微波烧结对牙科用氧化锆半透性的影响鲜有报道。本实验选用目前牙科常用的氧化锆材料，探讨微波烧结对其半透性的影响，并与常规烧结对比，为今后微波烧结在氧化锆中的应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

Zenostar氧化锆(德国wieland公司)，Lave氧化锆(美国3M公司)，微波烧结炉(MW-L0316，长沙隆泰科技有限公司)，PR-650光谱扫描色度仪(美国Photo Research公司)，电子天平(SartoriusBS-224S，上海存联工贸有限公司)，场发射扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM，美国FEI公司)。

1.2 试件制备

本实验使用Zeonstart和Lava两种常用的牙科氧化锆。用精密切割机分别从Zeonstart和Lava的预成氧化锆坯体中切取厚0.6 mm，直径15 mm的圆盘状试件各10个。

1.3 试件分组和烧结

将Zeonstart和Lava两种品牌氧化锆分别分为2组：常规烧结组(CS组)、微波烧结组(MS组)，每组每个品牌氧化锆试件各5个。CS组氧化锆分别按照厂家推荐的烧结参数进行烧结：Zeonstart最高烧结温度1490 ℃，保温120 min；Lava最高烧结温度1500 ℃，保温120 min。MS组均用MW-L0316微波烧结炉进行烧结：Zeonstart和Lava均以每分钟15 ℃升温至最高温度1420 ℃，保温30 min，切断微波的输入，随炉冷却。

1.4 试件加工

烧结完成后可见所有氧化锆试件均匀收缩，其两端面保持平行无变形。所有的试件依次使用400、600、800、1000、1200目的耐水砂纸进行双面打磨抛光，使最终的厚度为(0.5±0.02)mm，打磨完成后的试件放在蒸馏水中超声振洗10 min，自然干燥24 h。

1.5 透射率的测量

试件测量采用PR650光谱光度仪在暗室中测量，测量光源为标准A光源(色温2856 K)，通过PHOTO RESEARCH颜色分析软件转换为D65光源(色温6500 K)。工作波段为400～760 nm，间隔4 nm扫描1次，照度为20 001×，10°视场，探视头对要测定的部位进行精确测量，工作距离95 mm，工作环境温度18～25 ℃，相对湿度50%～60%。

1.6 密度测试

氧化锆试件的实际密度用Archimedes法测量。将试件置于(70±5)℃烘箱中干燥，并在干燥器中冷却至室温称重，测得室温下的干重(W1)，精确到0.001 g，后将试件放入蒸馏水中煮沸，冷却至室温，称量饱和试件在水中的浮重(W2)。将其从水中取出，用饱含水的多层纱布将试件表面多余的水分擦掉，称量饱和试件在空气中的湿重(W3)，实验重复3次取均值。根据公式d=ρ×W1/(W3-W2)计算氧化锆试件的实际密度。ρ为水在室温下的密度，取0.996 8 g·cm-3(26 ℃)，RD=d/d理论×100%，理论密度d理论取6.10 g·cm-3。

1.7 扫描电镜观察

从每组中随机选取1个试件用电镜扫描观察，总共4个试件，先用金刚石抛光膏将试件表面进行抛光，其次在低于每组烧结温度50 ℃的温度下进行热腐蚀半小时，清洗，室温干燥，在每个试件抛光面行喷金后用场发射扫描电镜观察微观结构，用直线截点法测量晶粒大小的平均值。

1.8 统计学方法

使用GraphPad Prism5统计分析软件，采用双因素方差分析两种烧结方法和两种品牌对氧化锆试件的透光率值和密度值的影响。同一烧结方式下，采用两样本t检验分析不同品牌氧化锆对其密度与透光率值的影响。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2组Zenostar和Lava氧化锆的密度、相对密度和透射率比较

MS组两种品牌氧化锆的透射率值大于CS组，但差异无统计学意义(P>0.05)。MS组和CS组Zenostart的透射率均小于Lava，差异有统计学意义(P<0.001)。2组不同品牌的密度及相对密度比较差异均无统计学意义(P>0.05)。见表1。

2.2 2组Zenostar和Lava氧化锆的显微结构

CS和MS烧结后Zenostar和Lava氧化锆的SEM结果见封三图1—2，CS和MS烧结的氧化锆试件晶粒间均排列紧密，致密度相似，但CS组的Zenostar(450 nm)和Lava(550 nm)晶粒尺寸大于MS组的Zenostar(为400 nm)和Lava(460 nm)，CS组的氧化锆可见一些异常长大，晶粒均匀度相对较差，而MS组的氧化锆晶粒大小均匀。

图1 Zenostar氧化锆的显微结构(SEM×20 000) 图2 Lava氧化锆的显微结构(SEM×20 000)

表1 2组Zenostar和Lava氧化锆的密度、相对密度和透射率比较

*P<0.001与Lava比较。

3 讨论

在牙科修复领域中，常用的半透性材料测量方法包括直接法和间接法。直接法是测量材料的透射率(transmittance，T)，而间接法是测量材料的对比系数(contrast ratio，CR)值和透射系数(translucency parameter，TP)值，这3个指标的测量精度和稳定性均相同[9]，但透射系数和对比系数并不能准确地反映不同材料之间半透性的差异[10]。所以，本实验中采用直接法对半透明材料氧化锆的透射率进行测量。目前，常用的测色仪器有分光光度计、色差计、白度仪及计算机测色仪等。本实验选用的是分光光度计，此仪器的敏感性较高，其原理是使用传感器测定试件表面反射光线各个波长的反射率[11]。

微波加热是体加热，即材料把吸收的微波能转化成材料内部分子的动能和势能，材料整体同时均匀加热，因此加热和烧结速度非常快，内外同时发热而使试样内部温度梯度小，可以使材料内部热应力减少到最小，因为烧结温度低、时间短，晶粒来不及长大，内外同时发热而使试样内部温度梯度小，可以使材料内部热应力减少到最小[12]。在微波烧结的过程中，由于微波加热时热量是从内到外的传导，在待烧结材料的周围会存在一个温度较高的能量区，烧结温度越高，材料表面辐射的热量就越大，这将会使材料和周围的环境形成极大的温度梯度，假如没有很好的保温装置，将会因为材料的内外温度差过大而使烧结不均匀，严重开裂，最终造成烧结失败。氧化锆在室温时几乎不吸收微波能，只有当温度达到300～500 ℃以上时，它的损耗正切值才变得很大[13]，混合加热能解决氧化锆在室温时的低损耗难题[13]。本实验结果显示，与CS组相比，MS组Lava和Zenostar氧化锆晶粒尺寸小且均匀一致，密度、相对密度和透射率比较差异无统计学意义(P>0.05)。Lava氧化锆的T值大于Zenostar氧化锆(P<0.001)。提示微波烧结所得的氧化锆的晶粒尺寸更小，显微结构更均匀，分析原因可能因为烧结方式及保温时间缩短所致，保温时间的缩短可能使晶粒变小。WILSON等[14]认为微波烧结过快的升温速率对氧化锆的机械性能产生不利的影响。

半透性是指穿过混浊介质传播的光的相对量，半透性使全瓷修复体具有独特的立体感和生动感，是成功模拟天然牙美学的关键，其产生是因为材料内部各物相对光的折射率不同而在相邻或不同物相之间的界面处发生散射的结果[15]。散射是影响氧化锆半透性的主要原因[16]，光的主要散射中心之一是晶粒间的气孔，且气孔率越大，光的散射就越强烈，透光率越低[17]。实验证明如果闭口气孔存在率从0.85%下降到0.25%，透光率将上升33%[18]。半透明的陶瓷材料应在烧结的过程中尽量减少气孔。密度是评价材料致密度最直接的指标，所以氧化锆的密度与其的半透性紧密有关[7]。本实验中氧化锆的半透性2组比较无明显差异，究其原因微波烧结所得的氧化锆的密度与常规烧结的密度相近，都是致密烧结，但微波烧结的优势在于烧结温度低、速度快、烧结时间缩短。

近年相关研究[6]显示，通过改变氧化锆全瓷材料的配方和晶相结构，可以明显提高氧化锆材料的透光性。本实验结果显示Lava的半透性均大于Zenostar。不同品牌氧化锆的原材料、生产工艺、及添加剂有差异，使得氧化锆的烧结工艺，如最终烧结温度、保温时间、整个烧结时间不同[19]，并可以改变二次烧结后的氧化锆的相对密度和粒径，增加陶瓷微结构的组成，从而影响氧化锆的半透性[20]。