服役环境对牙科氧化锆陶瓷可靠性和疲劳性能的影响

宣璐 徐雨薇

中图分类号:R783.1 文献标志码：A doi:10.3969/j.issn.1001-3733.2021.06.004

氧化锆陶瓷机械性能优异，医生使用全锆冠时，需要的基牙备牙量较小，能够较大限度地减小对基牙的损害，因此全锆冠逐渐成为修复后牙及后牙牙列缺损与缺失时的首选[1-4]。与传统的氧化锆全瓷冠不同，全锆冠完全是由牙科氧化锆陶瓷构成，其在口内服役的过程中，完全暴露与口腔环境当中，因此全锆冠在潮湿环境中的机械性能和疲劳性能逐渐成为了人们研究的热点[5-8]。

之前人们对于牙科氧化锆陶瓷的机械性能和疲劳性能研究主要集中于在空气环境下[5-9]，对于潮湿环境对牙科锆瓷机械性能和疲劳性能的研究较少。故此，本项研究探讨了潮湿环境对牙科氧化锆陶瓷弯曲强度可靠性和疲劳性能的影响，目的在于为临床使用全瓷冠提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

爱尔创彩透氧化锆(Upcera ST color，深圳爱尔创科技有限公司，以下简称ST锆瓷)，化学成分：ZrO2>98%，Fe2O3<0.3%，Pr2O3<0.2%，Er2O3<0.1%，其他氧化物<0.5%。

自动研磨抛光机(MoPao1000，上海精密仪器仪表有限公司)；万能材料试验机(34SC-5，Instron公司，美国)；ElectroPuls 动态疲劳实验机(E1000，Instron公司，美国)；三维形貌扫描仪(ST400，NANOVEA公司，美国)；体视显微镜(SX3，上海光学仪器一厂)。

1.2 方法

1.2.1 试样制备及分组 按照牙科陶瓷材料国际标准IS06872-2015标准中规定的方法制备试样[10]。取ST锆瓷盘一块(AW 98 mm×14 mm)，按照说明书推荐的放大尺寸制备试样，打磨、抛光烧结后的试样表面，并对4 条长棱做倒角，最终试样尺寸达到28 mm×4 mm×1.2 mm(±0.2 mm)。使用ST400三维形貌扫描仪测量抛光后试样的表面粗糙度(Ra)。用体视显微镜筛选60 个表面光滑平整，无可见缺陷的试样，超声清洗，80 ℃烘干1 h。采用随机数字表对试样分组，每组15 个。A组进行空气环境下的三点弯曲试验，AF组进行空气环境下的疲劳试验，B组在37 ℃人工唾液中进行三点弯曲试验，BF组在37 ℃人工唾液中进行疲劳试验。

1.2.2 3 点弯曲强度测试及其Weibull分析 使用34SC-5型万能材料试验机测试A、B组试样的三点弯曲强度，A组试样测试在空气环境下进行，B组试样测试在人工唾液下进行。两组试样测试时加载压头的直径为4 mm，跨距24 mm，加载速率1 mm/min[10]，采用单向持续加载的方式进行加载，直至试样断裂，记录试样断裂时的最高载荷，并根据以下公式计算试样的三点弯曲强度(σ)。

σ=3PL/2bd2(1)

其中σ(MPa)为试样的三点弯曲强度，P(N)为断裂载荷，L(mm)为加载时的跨距，b、d分别为试样的宽度和厚度(mm)。按照IS06872-2015[9]中的方法对两组试样的三点弯曲强度进行Weibull分析，并计算弯曲强度的Weibull模数(m)、强度均值(σc)和特征断裂强度(σ0)。

1.2.3 疲劳试验及疲劳次数的Weibull分析 使用ElectroPuls动态疲劳实验机进行AF和BF组的三点弯曲疲劳试验(见1.2.1)。两组试样均进行正弦波循环加载，加载频率为10 Hz，加载时的最大载荷(σmax)为其弯曲强度均值(σc)的60%[9]，记录试样断裂时的疲劳次数Nf。按照文献[8]中的方法对两组试样的疲劳次数进行Weibull分析，计算疲劳次数的Weibull模数(m*)和特征断裂次数(Nf,0)，并以此计算两组试样的裂纹扩展速率曲线参数A和n。

1.2.4 裂纹扩展速率曲线的拟合及分析 脆性材料的疲劳裂纹扩展特征可用Pairs定律表述[11],对于循环载荷而言，材料中裂纹每个循环周次的扩展速率da/dN(v，m/cycle)与其外部载荷的应力强度因子范围ΔK有关，如下式所示：

da/dN=AΔKn(2)

式中，ΔK=Kmax-Kmin，Kmax和Kmin分别对应循环加载过程中应力强度因子K的最大值和最小值。对于本研究而言：循环载荷的变化范围为(0，σmax)，因此，Kmin=0，ΔK=Kmax。Kmax与σmax、σ和KIC的关系如(3)所示，式中KIC为ST锆瓷的断裂韧性，由产品说明书可知KIC=5MPa·m1/2。

Kmax=(σmax/σ)KIC(3)

由(3)式可以计算出Kmax的大小，然后将之前计算出的A、n和Kmax代入(2)式，可以算出裂纹扩展速率v，对(2)式两边求对数，作图即得到ST锆瓷材料疲劳断裂的SCG曲线。

1.3 统计学分析

使用SPSS 13.0软件，对A、B两组试样的三点弯曲强度值进行独立样本T检验，检验水准：α=0.05。

2 结 果

2.1 表面形貌及粗糙度

表面形貌见图1。经测定，ST锆瓷抛光后的表面粗糙度值Ra=0.09 μm，达到ISO6872:2015所规定的标准。

图1 ST锆瓷试样抛光后的表面三维形貌

2.2 三点弯曲强度的可靠性

使用Eviews 6.0软件对A、B两组试样的弯曲强度进行Weibull分析，分析结果见图2。

图2 A、B两组试样的弯曲强度Weibull分布图

Weibull分析结果表明，三点弯曲强度的Weibull模数A组大于B组(mA>mB)，两组材料三点弯曲强度Weibull模数m、特征断裂强度σ0如表1。

表1 试样的弯曲强度σc、特征强度σ0及其Weibull模数mTab 1 The bending strength(σc), characteristic strength(σ0) and Weibull modulus(m) of the samples

2.3 疲劳次数的Weibull分析结果

分别对AF组和BF组试样的疲劳次数进行Weibull分析，计算出疲劳次数的Weibull模数(m*)和特征断裂次数(Nf,0)，然后按照文献[9]中的方法分别求得两组试样的SCG曲线参数A和n，结果如表2。

表2 试样的SCG曲线参数A和nTab 2 SCG parameters A and n of the samples

2.4 SCG曲线分析

将以上所求得A、n、ΔK代入(2)式，可求得AF组和BF组试样在不同的应力强度因子作用下的裂纹扩展速率v。AF组和BF组试样在循环载荷作用下的SCG曲线，如图3。

图3 AF组和BF组的SCG曲线

由图3可知，ST锆瓷在空气环境(AF组)和人工唾液(BF组)下的循环疲劳断裂过程中都发生了亚临界裂纹扩展(SCG，v=1×10-11m/cycle)，AF组和BF组材料发生SCG时的应力强度因子ΔK分别为2.77 MPa·m1/2、2.65 MPa·m1/2。

2.5 弯曲强度的统计学分析结果

对A、B组ST锆瓷试样的三点弯曲强度值进行独立样本T检验，检验结果：A组和B组试样的弯曲强度分别为：(1 198.88±118.22) MPa、(1 139.56±143.67) MPa(P>0.05)。

3 讨 论

3.1 服役环境对于牙科氧化锆陶瓷弯曲强度的影响

弯曲强度是评价陶瓷材料力学性能的重要指标之一[10]。牙科锆瓷的三点弯曲强度离散性大，为得到可靠的试验结果，应尽量从同一块或同质坯料上切除尽可能多的试样，进行测试，并对试验结果进行统计学分析[11-12]。本研究中的ST锆瓷试样在测试前均经过了精细的打磨，相当于对所有待测材料的表面进行了同质化处理，最大程度地降低了表面裂纹对于试样弯曲强度和疲劳性能的影响。试样表面的粗糙度为0.09 μm，达到牙科陶瓷材料国际标准(ISO6872:2015)的要求。本研究中两组材料的弯曲强度分别为(1 198.88±118.22) MPa、(1 139.56±143.67) MPa，独立样本T检验结果显示，组间比较无统计学差异。提示，在三点弯曲实验中[11-12]，随着外界载荷的持续加大，裂纹尖端的拉应力持续增大，“最危险裂纹”的扩展速率呈指数级增长。裂纹扩展速度远大于人工唾液环境中的水分子浸润速度，因此在三点弯曲实验中，腐蚀介质对试样的弯曲强度影响较小。

3.2 服役环境对于牙科氧化锆陶瓷弯曲强度可靠性的影响

陶瓷材料的强度试验结果不仅遵循正态分布，也遵循威布尔(Weibull)分布[11]。因此，ISO6872:2015规定对于牙科陶瓷的强度描述时，如果样品数量大于15，应当使用Weibull分布分析强度结果[10]。Weibull模数m是评价陶瓷材料强度可靠性的重要指标之一，m越大表明材料强度的可靠性越好，均一性越佳。本研究中在不同腐蚀介质环境中的A、B两组材料的Weibull模数m分别为11.85和9.61。考虑到两组材料为使用同一瓷盘制备的同种材料，其材质、制备、烧结工艺和加载方式均相同，因此两种陶瓷的缺陷和应力分布应相似，Weibull模数应相近。然而，本研究的试验结果显示，两组材料的Weibull模数m的值相差较大。这说明潮湿环境对于锆瓷材料的惰性强度产生了一定的影响，这一结果与Moustafa等[13]学者的研究结果一致。A组材料的特征强度σ0大于B组，结果表明在潮湿环境中锆瓷材料发生脆性断裂的概率增加。Weibull分析结果提示，潮湿环境加剧了ST锆瓷材料内部裂纹的弥散性，导致其可靠性降低。

3.3 服役环境对于牙科氧化锆疲劳性能的影响

近年来，大量研究结果表明亚临界裂纹扩展(SCG)是导致牙科锆瓷在口内服役时失效的重要原因之一[9，11，13]。本研究结果显示，ST锆瓷在空气环境和人工唾液下的疲劳断裂过程中均出现了SCG，SCG时的应力强度因子ΔK分别对应为2.77 MPa·m1/2、2.65 MPa·m1/2，仅相当于材料断裂韧性(KIC)的55.4%和53%。提示，锆瓷材料在人工唾液中，人工唾液中的水分子进入锆瓷试样的裂纹尖端，形成“楔入效应”[12]，在外部交变载荷持续作用下，裂纹尖端的水分子会在裂纹尖端产生成较大的张应力，降低了裂纹扩展门槛值ΔKth，使得裂纹在较低的应力强度因子作用下发生扩展，提高了锆瓷材料发生SCG的概率。进一步分析得知，在SCG区域内，在相同的应力强度因子作用下，ST锆瓷材料在人工唾液中的裂纹扩展速率大于空气环境中的裂纹扩展速率，结果提示，潮湿环境能够加速ST锆瓷材料的SCG行为，使其寿命缩短。

该研究中所用的牙科氧化锆陶瓷在两种腐蚀环境中进行三点弯曲试验和疲劳试验时均对试样表面进行了严格的打磨和抛光，降低了表面裂纹对试验结果产生的影响。然而，在口腔临床中戴牙时，为了获得较好的咬合关系，医生常常需要对修复体进行调磨，调磨过程会在修复体表面产生大量的裂纹，这些表面裂纹会降低锆瓷修复体的机械性能和疲劳性能[8，14]。已有研究证实，锆瓷修复体长期在口内温热潮湿的环境中服役，其表面会产生水热老化现象，在水分子的作用下，锆瓷修复体表面会发生一定程度的T-M相变，造成机械性能的降低[15-16]，降低使用寿命。因此，建议患者复查时，口腔医生应为其全锆冠表面进行抛光，去除全锆冠表面产生的微裂纹以及单斜相氧化锆，以延长修复体使用寿命。