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氧化锆陶瓷是什么材料?性能参数如何?

日期: 2022-06-13
浏览: 682

  随着社会的发展和生活水平的提高,人们对牙齿美观与功能的要求不断提高。在口腔修复技术持续发展的同时,口腔修复材料的种类也在不断更新。目前临床中常用的口腔修复材料有金属、复合树脂和陶瓷材料3大类。金属材料具有强度高、密合性好、耐磨耗并且切割的牙体组织相对较少等特点,但美观性较差。复合树脂材料可塑性强、质量轻、耐腐蚀、美观,但材料机械强度较差。与传统的金属烤瓷冠相比,全瓷冠的强度、硬度、美学性能、抗腐蚀、抗疲劳性能以及生物相容性均比较优越,且质量更轻,全瓷冠不仅具有透光性,其机械性能也与牙本质相类似。陶瓷作为口腔修复材料已有200多年的历史,陶瓷材料具有美观性好、机械强度(硬度、耐磨度、压缩强度、挠曲强度)高、稳定性高、通透性强等特点,在目前的口腔修复中使用较为普遍。

  1

  全瓷材料的分类

  有研究者Kelly根据材料微观构成中玻璃相与晶相含量的不同,将全瓷材料分为三类:

  (1)长石质瓷 主要为玻璃相,由天然的长石、石英、高岭土三组分经高温烧结而成。长石质瓷是最早应用于牙科的陶瓷材料,其光学性能非常接近于牙釉质和牙本质。但由于它的机械性能较差,挠曲强度通常只在60~70 MPa,因此常用作瓷熔附金属修复体 、熔附陶瓷修复体。

  (2)玻璃陶瓷 同时含有玻璃相和晶相,又称微晶玻璃,是经过高温融化、成型、热处理而制成的一类晶相与玻璃相结合的复合材料。与非晶玻璃相比,晶体填料在玻璃相中的添加或生长使玻璃基陶瓷在机械性能和光学性能上有很大的改变,如增加了热膨胀系数和韧性,改变了材料的颜色、乳光性和透明度。

  (3)多晶陶瓷 是一种由晶体直接烧结成的,不含玻璃相、气相的致密陶瓷材料,拥有很高的强度和硬度,运用CAD/CAM 设备进行加工。这类材料因为缺乏玻璃相,通常透明度很低,需要饰以饰面瓷。[1]

  玻璃相为主的玻璃陶瓷具有良好的美学性能,随着晶体数量的增加,其强度越来越高,但透明性变差。

  

<b>氧化锆陶瓷是什么材料?性能参数如何?</b>


  图1 常见口腔陶瓷材料的结构与力学性能比较

  (源自参考文献1)

  该种分类方法暗示了陶瓷成分与适应症的关系。然而,随着当前多晶陶瓷微结构的发展,更多的更多的半透明氧化锆和更坚固透明性下降的玻璃陶瓷的问世对该概念提出了挑战。工业中陶瓷技术的根本发展:这些材料的制造过程已经从天然成分(即长石)转变为合成陶瓷。

  

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  图2 全瓷材料和类陶瓷材料的分类

  (源自参考文献2)

  2015年Gracis等人提出了新的分类方法,每个分类中又根据其组成分为不同的亚群。[2]

  中华口腔医学会口腔美学专业委员会在2019年发表的《全瓷美学修复材料临床应用专家共识》当中按照全瓷材料的化学组成和微观结构的不同进行分类,将全瓷材料分为以下三大类:玻璃基陶瓷(glass-matrix ceramics)、多晶陶瓷(polycrystalline ceramics)以及树脂基陶瓷材料(resin-matrix ceramics)。[3]树脂基陶瓷材料与传统的陶瓷材料相比,由于含有有机物支架而具有特殊的性能,它有以下优势: ①与牙本质的弹性模量更接近; ②降低了材料的脆性和硬度,更易切削; ③更便于使用树脂修补; ④调改后不影响强度,临床操作简便; ⑤对天然牙的磨耗远小于玻璃陶瓷; ⑥不需要热加工处理,其设计和制作可在椅旁完成。[2]

  氧化锆最初在1892年作为一种矿物被发现。之后逐渐被了解、应用在各个领域。由于其熔点高至2715°C,已被广泛用作耐火材料,如应用在航天飞机的外壁。从20世纪60年代,氧化锆开始应用于医学领域。伴随着对氧化锆材料结构以及加工方式研究的进展,氧化锆的性能逐渐提升,临床应用也更加广泛,如用作人工髋关节,以及我们更加熟知的口腔修复体。

  2

  氧化锆的结构和特点

  氧化锆是一种存在单斜晶型(m)、四方晶型(t)和立方晶型(c) 3种形式的多晶材料,在一定温度条件下会相互发生转换。[4]

  

<b>氧化锆陶瓷是什么材料?性能参数如何?</b>


  图3 纯氧化锌晶体随温度发生的相变

  (源自参考文献5)

  当烧结氧化锆冷却至室温时,由于晶体结构发生转变(由四方相转变为单斜相),而单斜晶型的晶胞体积比四方晶型多约4%,氧化锆内部会产生裂纹,降低氧化锆的机械强度。加入稳定氧化物如CaO、 MgO、CeO2、Y2O3可稳定此过程,加入氧化钇的氧化锆陶瓷具有特有的应力诱导相变增韧效应,使其具有极佳的机械性能,抗弯强度可达 900 ~ 1200Mpa。

  另一种在室温下稳定四方相氧化锆的方法是减小晶粒尺寸(平均临界晶粒尺寸<0.3μm)。

  在实际应用当中为获得所需要的晶形和使用性能,通常加入不同类型的稳定剂制成不同类型的氧化锆陶瓷,氧化锆陶瓷根据其微观结构可以分为三种类型:完全稳定的氧化锆(FSZ)、部分稳定的氧化锆(PSZ)、四方氧化锆多晶体(TZP)。如当稳定剂为CaO、 MgO、Y2O3时,分别表示为Ca-PSZ、 Mg-PSZ、 Y-PSZ( Partially Stabilized Zirconia)等。用于牙科材料的氧化锆为氧化钇稳定的四方多晶氧化锆( Yttria-stabilized Tetragonal zirconia polycrystal,Y-TZP)

  氧化锆陶瓷材料具有良好的美学性能、很好的生物相容性以及优异的韧性、强度和抗疲劳性,此外还具有优异的耐磨性。[5]

  大多数研究报告表明,氧化锆最主要的缺点是粘固过程中涂层材料的磨损,影响着陶瓷的强度和界面结合的紧密性。氧化锆的化学惰性也会影响粘接效果,进而影响修复体的功能。全轮廓氧化锆修复体有着不透明、在体内发生低温降解的缺点。[6]

  3

  氧化锆的表面处理

  目前临床上常用的陶瓷粘接剂主要可分为4类:树脂类粘接剂、玻璃离子类粘接剂、树脂加玻璃离子类粘接剂、磷酸盐类粘接剂。其中树脂类粘接剂主要依靠化学粘附及机械嵌合,玻璃离子类粘接剂为物理机械性粘接,磷酸盐类粘接剂则以机械嵌合固位为主。其中树脂类粘接剂占主导地位。

  陶瓷表面处理可提高与树脂之间的粘接力,常见的陶瓷表面处理主要分为机械方法及化学方法。总体来看,喷砂、蚀刻技术和硅烷偶联剂是最常见的方法,但由于氧化锆陶瓷为多晶陶瓷,不含玻璃基质,酸蚀作用有限,学者们通过改变氧化锆表面粗糙度、成分等来改善其机械锁合及化学粘接性能。

  (1)喷砂:研磨或喷砂会使表面发生由四方向单斜的转变,从而使单斜氧化锆晶体含量急剧增加。高速运动的氧化铝颗粒对氧化锆表面强烈冲击的过程,目的是形成粗糙、湿润的粘接面。多项实验证明,使用 50μm的氧化铝颗粒,在小于 0.25MPa 的压力下进行喷砂,是最为适合的选择,可以提升氧化锆全瓷与树脂粘接剂之间粘接的强度和耐久性。

  (2)偶联剂:通过共价键来实现各个界面之间的牢固结合,目前主要有含 10-甲基丙烯酰氧癸基磷酸酯(10-methacryloyloxydecyl dihydrogen phosphate,10-MDP) 成分的底漆和硅烷底漆两大类。

  (3)激光刻蚀:改善氧化锆全瓷表面的微观力学性能,利于在氧化锆表面与树脂之间形成微观机械连接,提高氧化锆全瓷的粘接效果。[7]

  4

  氧化锆的临床应用

  (1)氧化锆底冠加饰面瓷

  研究发现,1年后氧化锆修复体的生存率为 95.3%,2年后为80.2%,是已知材料中较好的结果。临床上造成氧化锆修复失败的主要原因是饰瓷的崩裂。虽然饰瓷具有较好的美学效果,但氧化锆基瓷贴面修复体的瓷崩裂概率较高(三年后为6%-25%),高于玻璃全瓷修复体或者金属烤瓷修复体。断裂韧性、弯曲强度、热膨胀系数和弹性模量等的不匹配会影响饰瓷与氧化锆的结合。[8]

  随着材料的发展,新型的高透性全锆修复体不断出现,改进了氧化锆材料的透明度。如2014年推出PRETTAU ANTERIOR (Zirkonzahn) ,具有与二硅酸锂玻璃陶瓷同样的透光性,且强度远高于玻璃陶瓷( >670MPa) ,可很大程度地取代玻璃陶瓷作为前牙的美学修复。[9]

  

<b>氧化锆陶瓷是什么材料?性能参数如何?</b>


  图4 PRETTAU ANTERIOR (Zirkonzahn)材料特点

  (源自泽康官网)

  全锆修复体与传统的氧化锆底冠加饰面瓷相比,备牙量更小,保留了更多的牙体组织,同时避免了崩瓷造成的修复失败,进一步提高修复成功率。

  (2)氧化锆桩核冠

  氧化锆陶瓷材料具有较好的生物兼容性和不透射性,弹性和硬度也比较好。金属材质稳定性和机械强度较好,但容易断裂、受到腐蚀,且临床核磁共振有伪影。采用氧化锆桩核进行修复,牙体完整程度、颜色等方面的远期效果比较好,且修复后的桩核冠损伤少。

  纤维桩核呈现半透明性,耐腐蚀性较好,与自体牙齿相似度极高,近年来常应用于前牙修复。出现大面积牙体缺损时,咬合力度要求高使得二氧化锆桩核特有的金属机械性优势体现出来。有研究发现,在修复大面积牙体缺损方面,二氧化锆桩核冠优于纤维桩树脂核,对于咬合力度不大的小面积缺损如上颌前牙的修复材料,可选取纤维桩树脂核。[10]

  (3)氧化锆基台

  氧化锆基台与金属相比具有较低的表面自由能和表面润湿性,因此减弱了细菌的附着力,降低植入物周围疾病的风险。[1]氧化锆基台更符合患者的美观要求,生物相容性较好。钛和金属基台可能会透过种植体周围软组织显露,导致边缘组织变灰,美学效果较差。[11]

  

<b>氧化锆陶瓷是什么材料?性能参数如何?</b>


  图5 Components of the implant-abutment-screw system: (a)zirconia abutment, (b) implant fixture,(c)aftermarket abutment screw, and (d)OEM abutment screw.

  (源自参考文献11)

 (素材来自网络,侵删)

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