牙科树脂渗透氧化锆陶瓷材料的制备与性能研究

许青

摘要通过利用三点抗弯强度试验测定了材料的抗弯、弹性模量，并用单面切口梁法测量了材料的断裂韧性，利用纳米压痕测量系统测量了材料的硬度，并用SEM观察了其微观组织，研制一种用于牙科树脂渗透性的氧化锆陶瓷材料，并对其力学性质进行测试。该树脂渗入的氧化锆陶瓷（PICN）具有135～266 MPa、41.3～99.3 GPa的弹性模量、2.20～4.04 Mpa m1/2的断裂韧性、1.93～10.83 GPa的硬度。SEM结果表明，PICN材料中的树脂充分渗入到陶瓷的孔洞中，该材料的力学性能接近于人的牙釉质和牙本质，是一种很有前途的新型材料。

关键词  牙科树脂渗透；氧化锆陶瓷；性能

0引言

随着人们生活水平的不断提高，人们对牙齿缺损的修复和处理也越来越迫切，因此选用美观、生物相容性好、与牙齿的组织特性相适应的修复材料是获得长期、稳定、成功的关键，目前临床上最常用的两种修复材料是陶瓷和树脂。近年来，随着CAD/CAM技术的不断发展，陶瓷、树脂等材料在口腔修复中得到了广泛的应用，由于其良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蚀性以及与自然牙齿相似的审美特性，使其成为人们的理想选择。但由于陶瓷材料本身的脆性，在承受载荷作用下，其变形大于0.1%～0.3%时就会出现脆化断裂；树脂材料具有色泽好、操作简单、对对颌牙磨损小等优点，但其力学性能低（强度低、易磨损）成为其应用的主要障碍。虽然随着树脂填料的开发和纳米复合树脂的问世，其力学性能得到了提高，但是其临床应用效果并不理想，所以在口腔材料领域寻找一种既有陶瓷又有树脂等多种优势的新型口腔修复材料，其应用前景十分广阔。

1氧化锆基口腔材料的研究概况

氧化锆基口腔材料主要包括骨架基体（多用氧化钇稳定的四边形氧化锆多晶3Y-TZP）和基底表面的贴片材料（牙齿陶瓷），它们是通过持续的机械和热循环工艺结合在一起，最后会对材料的特性造成破坏。因为骨架和贴面材料的性质不同会出现粘接的问题，所以贴面瓷很容易出现崩裂。目前，虽然在临床上已经大量生产和使用了氧化锆基材料，但是陶瓷的断裂问题还没有得到很好地解决。近十年来，人们一直在致力于利用氧化锆基骨架来解决牙基体表面的裂纹问题，然而对于每个参数对材料性能的影响却没有一个确切的结论，所以关键参数的确定和评价对材料使用寿命的影响是非常广泛的。

本文从氧化锆（3Y-TZP）牙科陶瓷材料研究方向的差异性出发，将具有陶瓷贴面的氧化锆基牙材料按有关的全部研究参数分类如下：第一，材料与热循环，与材料特性及热循环效果有直接关系的任何参数，例如热膨胀系数、模数、化学、扩散等，相变、晶体结构、冶金学特性、热循环/人为低温老化；第二，生产过程，所有与生产过程中直接或间接有关的参数，例如热等静压/无压烧结、染色处理/着色、表面处理/机处理/研磨、衬垫、贴面技术、精整热处理；第三，几何特性，与尺寸、形状、结构和疲勞相关的参数，例如边缘设计/完成线、厚度比、弯曲/倾斜度、形状和尺寸。

2材料和方法

2.1试件制备

第一，粉末制备采用日本Tosoh公司的纳米氧化锆粉末（型号：TZ-3YB-E，颗粒尺寸：28 nm），选择聚乙二醇，根据试验要求将粉末进行称量。

第二，将氧化锆粉末和造孔剂按照一定的比例进行干燥和冷却等静压成形，然后将其置于矩形的铬合金模具内，在20 MPa的压力下对氧化锆板材进行挤压。保压30 s后，将氧化锆薄片置于橡塑模中真空抽气，置于冷等静压机的汽缸中，使压力达到200 MPa，并维持5 min，然后进行减压，以获得氧化锆生坯。

第三，将冷等静压的生坯置于烧结炉中进行烧结，加热速率为5 ℃/min，加热温度为500 ℃，保温1 h，再加热到1 300 ℃并持续6 h。

第四，对试样进行加工，将烧结试样在磨具上、下两面均磨得平滑，然后用2.5 μm和1 μm的金刚石磨料膏分别打磨和抛光，维氏硬度、断裂韧性试验用的试样应经过抛光，直至镜面。将研磨后的样品用蒸馏水冲洗干净，放入烤炉中，70 ℃烘干24 h待用。

2.2性能测试

第一、三点弯曲强度试验根据ISO6872口腔陶瓷材料标准进行，试验组与控制组（20×3*2.5 mm），在通用试验机上（Instron5566，INSTRON，Norwood，马萨诸塞州）进行，测定了试样断裂时最大负荷P，即支点间距为16 ㎜，负载速度为0.5 ㎜/min。

第二，用单面切割梁法测量材料的断裂韧性。将试件固定到切割刀的刀柄上，利用内圆切片机在特殊切削液的作用下，以3 000转/分钟的速度进行切割。在6 ㎜×3 ㎜×20 ㎜的试样中间，以0.2 ㎜的宽度和3 ㎜的深度，分别对5个样品进行三点弯曲试验。该试样的跨度是16 ㎜，载荷速率是0.05 ㎜/min，进行断裂韧度的计算。

2.3统计学分析

利用SPSS22.0（SPSSInc、Chicago、IL、USA）等统计软件对所有的检测结果进行了分析和处理，两组样品的机械性能试验结果都是由单一因子变异数进行的，P<0.05为显著差异。

3讨论

早在60至70年代，为了进一步提高其性能，已有学者提出了一种新型的高分子互穿网络（IPN）。IPN由于其独特的拓扑和协同作用，开辟了一种全新的制备方法，在功能性材料方面有着得天独厚的优势。

PICN比陶瓷支架具有更好的机械性能，挠曲强度是一种具有重要意义的脆性材料性能指标。PICN的抗弯承载力在134.67～265.65 MPa之间，符合自然牙本质（212.9～41.9 MPa）的挠曲强度，其抗弯性高，可有效地抵抗咬合力和压应力，达到了口腔修复材料的使用需求，其弹性模量随抗弯强度的增加而增大，PICN具有41.3～99.3 GPa的弹性模量，比人造牙釉质（48～105.5 GPa）稍低。

至今，尚无一种材料具有超过此值的弹性模量。结果发现，受到载荷时，高弹性模量材料吸收应力较低，在界面产生应力集中，载荷过多的传导至牙体组织，造成应力集中，在受到过大的冲击载荷时，强度低的牙体组织将首先折裂。如果采用弹性模量与牙体相近似的材料，其受到较大的冲击载荷时先于牙体组织折断，从而起到缓冲作用，从而有效地保护牙齿的组织，减少发生牙折的几率，与常规修复材料相比，PICN能更好地保护牙齿。

PICN的断裂韧度也比其它修补材料有显著提高，PICN的断裂韧性随树脂组分的增大而降低，其主要原因在于：在1 300 ℃以上，材料的力学性能占主导地位。PICN的断裂韧性随树脂的增大而降低，但降低的程度有所降低，说明树脂对PICN具有一定的增韧效果。有关增韧机理的研究较多，其机理主要是树脂在多孔陶瓷中的渗透、断裂分支和裂缝弯曲，PICN比传统的牙科陶瓷材料具有更好的防护作用。

4结语

PICN的弯曲强度、弹性模量、断裂韧性、硬度等各项性能指标都达到了较高的水平，可以满足口腔修复材料的使用需求。

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