熱循環和機械循環對切削Ti2448和純鈦金瓷結合強度的影響

譚勇高勃

1.川北醫學院附屬醫院口腔科，南充 637000；2.第四軍醫大學口腔醫院修復科，西安 710032

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熱循環和機械循環對切削Ti2448和純鈦金瓷結合強度的影響

譚勇1高勃2

1.川北醫學院附屬醫院口腔科，南充 637000；2.第四軍醫大學口腔醫院修復科，西安 710032

［摘要］目的 研究熱循環和機械循環對切削Ti2448和純鈦金瓷結合強度的影響。方法 按照ISO 9693的標準分別制作純鈦和Ti2448烤瓷試件各30個，每種試件均隨機分為3組，A組為對照組，在37 ℃水浴中保存24 h；B組和C組在5～55 ℃水浴中熱循環3 000次，在每一個溫度下保持60 s，然后采用載荷50 N、頻率4 Hz，機械循環20 000次（B組）或40 000次（C組）。采用三點彎曲實驗測試試件的金瓷結合強度，通過掃描電鏡和能譜分析金瓷剝脫面和金瓷結合界面的顯微結構和成分組成，對結果進行兩因素方差分析和Tukey檢驗。結果 A組中，純鈦試件的金瓷結合強度（29.21 MPa±2.20 MPa）明顯小于Ti2448試件（44.86 MPa±1.75 MPa）（P＜0.01）；純鈦試件和Ti2448試件中，C組與A組之間均有統計學差異（P＜0.01）。掃描電鏡和能譜分析結果顯示，Ti2448瓷剝脫面有明顯的瓷殘留，而純鈦瓷剝脫面無明顯瓷殘留。結論 熱循環和機械循環處理降低了Ti2448和純鈦的金瓷結合強度。

［關鍵詞］熱循環； 機械循環； Ti2448； 純鈦； 金瓷結合強度

Ti2448（Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn）合金是一種國產新型β型鈦合金，具有較低的彈性模量和優良的機械性能［1］、生物學性能以及耐腐蝕性能［2-4］；同時其烤瓷性能也能夠滿足臨床應用的要求［5］。隨著計算機輔助設計與制作（computer aided design/computer aided manufacture，CAD/CAM）技術在口腔領域的廣泛應用，與之配套的可切削材料的研究迅速發展。筆者前期研究采用Wieland CAD/CAM系統制作的Ti2448烤瓷單冠基底冠具有良好的邊緣和內部適合性，且都在臨床可接受范圍內［6］，Ti2448做為可切削的口腔修復材料具有較好的應用前景。

口腔環境十分復雜，烤瓷修復體在口腔內使用時會受到這些復雜因素的影響。比如，咀嚼運動會對修復體產生摩擦力、壓縮力、剪切力和沖擊力，溫度變化會引起修復體材料的老化等。烤瓷修復體長期受到這些復雜因素的影響，可能會導致烤瓷修復體發生瓷崩、瓷裂等損壞現象。因此，如要將Ti2448合金引入CAD/CAM系統并制作出滿足臨床要求的Ti2448烤瓷修復體，還必須了解Ti2448烤瓷修復體遠期臨床使用效果。本實驗采用熱循環機模擬口內溫度變化，采用機械循環模擬口內修復體受力方式（如壓力、沖擊力等受力情況），研究這些因素對切削Ti2448烤瓷修復體金瓷結合強度的影響，并與純鈦對照，以期對切削Ti2448烤瓷修復體的遠期效果有所了解。

1 材料和方法

1.1 材料和設備

Ti2448合金（中國科學院金屬研究所），純鈦（德國威蘭德國齒科技術有限公司，德國），SYJ-150型低速片切機（沈陽科晶自動化設備有限公司），TegraPol-25 型自動拋磨機（Struers公司，丹麥），Duceratin Kiss瓷粉（Degudent公司，德國），純鈦（寶雞市鼎鼎鈦制品有限公司），丙酮、丙三醇（西安化學試劑廠），碳化硅（SiC）砂紙（廣州市順成磨料五金有限公司），Multimat99型烤瓷爐（Densply公司，瑞士），JSM6460型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）（JEOL公司，日本），AGS-10KNG型萬能材料試驗機（島津公司，日本），BPS2筆式噴砂機（天津海德醫療設備廠），DK7732型電火花線切割機（深圳市東方線切割設備有限公司），冷熱循環機、疲勞實驗機（第四軍醫大學）。

1.2 試件制作

將純鈦和Ti2448合金切割成尺寸為25 mm×3 mm× 0.6 mm的試件，各選取X線檢測無明顯缺陷的30個試件，用180～1 200號SiC砂紙逐級打磨成規格為25 mm× 3 mm×0.5 mm的試件。根據Duceratin Kiss瓷粉說明采用直徑120 μm的Al2O3砂粒，噴嘴與試件表面成45o并相距1 cm，在0.2 MPa壓力下每個試件均勻重復噴砂20次；噴砂后高壓蒸汽槍沖洗，去離子水清洗，室溫下自然干燥備用。

參照ISO 9693的規定制作試件（圖1），在試件中間8 mm×3 mm的區域，依次涂粘接瓷（0.1 mm）、遮色瓷（0.2 mm）、牙本質瓷（0.7 mm），每涂完一瓷層即依照規定程序進行一次燒結，上瓷過程中利用自制的夾具控制瓷層厚度。純鈦烤瓷試件和Ti2448烤瓷試件各制備30個。

圖 1 試件示意圖Fig 1 Diagram of specimen

1.3 實驗分組

將制作的30個純鈦烤瓷試件和30個Ti2448烤瓷試件，均隨機分為A、B、C 3組，每組10個試件。A組為對照組，試件在37 ℃水浴中保存24 h。B、C組試件先在5～55 ℃水浴中熱循環3 000次，在每一個溫度下保持60 s，溫度之間轉換時間15 s；然后將試件固定在PMMA樹脂底座上，置于疲勞試驗機加載臺上，使加載頭（圓錐體球型末端，半徑3.18 mm）對準烤瓷中央，采用載荷50 N、頻率4 Hz，機械循環20 000次（B組）或40 000次（C組），整個過程在37 ℃水浴條件下進行。

1.4 金瓷結合強度的測試

在萬能試驗機上，將試件對稱的置于三點彎曲裝置上（支點和壓頭曲率半徑l.0 mm，兩支點跨距20 mm），烤瓷面位于加載面的反面，以1.0 mm·min-1恒定加載速度垂直加壓于金屬表面，直至試件瓷層末端的金瓷界面分離，記錄力值（Ffail）。根據公式τb= k·Ffail（τb為金瓷結合強度，k為校正系數，與金屬試件的厚度和彈性模量有關，按ISO 9693提供公式計算得到Ti2448和純鈦的k值分別為5.25和4.36），計算金瓷結合強度。

1.5 金瓷界面和金瓷分離模式

在純鈦和Ti2448的A組中分別選擇1個試件采用SEM分析金瓷界面的顯微結構。金瓷結合強度測試后，在C組中分別選擇1個試件采用SEM和X射線能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）觀察金瓷剝脫面的顯微結構和成分組成。

1.6 統計分析

采用SPSS 17.0軟件進行統計分析，對金瓷結合強度進行兩因素方差分析（以金瓷結合強度為因變量，材料和疲勞條件作為固定因子），采用Tukey檢驗進行多重比較。

2 結果

2.1 金瓷結合強度

純鈦和Ti2448試件的結合強度分析見表1和表2。兩因素方差分析顯示，材料和機械熱循環因素的交互作用無統計學意義（P=0.104），材料、機械熱循環因素單獨作用有統計學意義（P=0.000）。A組中，純鈦試件的結合強度（29.21 MPa±2.20 MPa）小于Ti2448試件（44.86 MPa±1.75 MPa）（P＜0.01）；純鈦試件中，B組與A組之間具有統計學差異（P＜0.05），C組與A組之間具有統計學差異（P＜0.01）；Ti2448試件中，B組與A組之間無統計學差異（P＞0.05），C組與A組之間具有統計學差異（P＜0.01）。C組與A組相比，純鈦試件和Ti2448試件的金瓷結合強度分別降低了8.17 MPa和5.25 MPa，分別占A組的27.97%和11.70%，C組Ti2448試件的金瓷結合強度是純鈦試件的1.88倍。

表 1 兩因素方差分析結果Tab 1 Results of two-way analysis of variance for the experimental conditions

表 2 純鈦和Ti2448試件的結合強度Tab 2 The bond strength of commercial pure Ti and Ti2448 specimen MPa

2.2 金瓷分離模式

金瓷剝脫面的SEM和EDS分析結果見圖2～4。1）純鈦瓷剝脫面無明顯瓷殘留。EDS分析純鈦試件表面a點主要元素為Ti（圖3上），b點含有Si、Al、Na、K元素，這些是組成瓷的重要元素，另外b點還含少量Ti的元素（圖3下），這表明純鈦金瓷分離面主要在鈦氧化層與金屬基底之間，屬于黏附性斷裂。2）Ti2448瓷剝脫面有明顯的瓷殘留，并且與金屬基底結合牢固。EDS分析顯示Ti2448試件表面a點主要元素為Si、Al、Na、K（圖4上），這些是組成瓷的重要元素，b點主要元素為Ti、Nb、Zr、Sn（圖4下），這些是Ti2448組成元素，這表明Ti2448金瓷分離面主要發生在金屬氧化層與瓷層之間以及氧化層內和瓷層內，屬于混合斷裂。

圖 2 純鈦和Ti2448金瓷的剝脫面 SEM × 400Fig 2 The debonding surface of commercial pure Ti and Ti2448 SEM × 400

圖 3 純鈦金瓷剝脫面的EDS掃描圖Fig 3 The EDS elemental analyses on commercial pure Ti debonding surface

圖 4 Ti2448金瓷剝脫面EDS掃描圖Fig 4 The EDS elemental analyses on Ti2448 debonding surface

2.3 金瓷界面

金瓷界面的SEM觀察見圖5。純鈦試件的氧化層結構疏松，存在明顯的孔隙；Ti2448試件的瓷層與金屬基體相互交錯，結合緊密。

圖 5 金瓷界面 SEM × 5 000Fig 5 Alloy metal-ceramic interfaces SEM × 5 000

3 討論

評價金瓷結合強度的方法主要有剪切法、拉伸法、彎曲法、扭轉法等，這些方法都屬于靜態機械試驗，未考慮口內環境對金瓷修復體的影響。為了了解金瓷修復體的金瓷結合強度在口腔中使用后隨著時間推移的變化情況，以期對其遠期效果有所了解，在口外實驗中必須考慮口內環境因素的影響。

口內環境會引起牙科材料的物理化學性能改變。溫度變化會促進材料老化［7］，重復進行的咀嚼運動也會導致材料發生機械疲勞［8］。Myers等［9］認為水環境會加劇瓷材料的強度降低，其原因可能是由于不同氧化物的溶解，以及鈦專用瓷粉中堿性氧化物含量較普通瓷粉高［7］。Scherrer等［8］提出，為了避免修復后出現嚴重的失敗現象，所有的材料及其聯合體在機械實驗前都應該進行疲勞實驗。

熱循環在一定程度上可以模擬烤瓷修復體在口內的溫度變化環境，已經有許多學者［10-11］研究了熱循環對烤瓷修復體金瓷結合強度的影響。Tróia等［12］和Oyafuso［13］選擇三點彎曲強度實驗，試件寬度為3 mm，熱循環參數為3 000次，5～55 ℃，浸潤時間為10 s，結果發現熱循環對純鈦金瓷結合沒有影響。Mohsen［10］將熱循環參數設為6 000次，5～55℃，浸潤時間為20 s，轉換時間為10 s，結果發現熱循環降低了純鈦和Ti-6Al-4V合金金瓷結合強度。不同學者研究得出不同的論，可能是因為熱循環實驗目前沒有統一的實驗標準，研究者設計的每個實驗所采用的熱循環的參數不相同從而得到了不同的實驗結論，熱循環的主要參數包括循環溫度、循環次數、試件浸潤和轉換時間等，另外試件的尺寸對實驗結果也有影響。試件在每個溫度的浸潤時間過短則不能在金瓷界面產生理想的溫度梯度。為了模擬更逼真的口內環境，Tróia等［12］建議延長在每個水浴中的浸潤時間。參考以前學者的實驗設計，本實驗將浸潤時間延長至60 s。學者［11］認為6 000次的熱循環相當于5年的臨床使用時間，因此本實驗選擇的3 000次循環次數推測相當于2.5年的臨床使用時間。

機械循環在一定程度上可模擬修復體在口內的咀嚼運動，但目前對于機械循環實驗沒有統一的標準。Oyafuso等［13］設計將10 N載荷加載在金瓷聯合體的金屬面并循環20 000次，而Vásquez等［14］設計將50 N機械載荷加載在烤瓷面，認為這種試件受力方式更接近于修復體在口內環境中的受力。綜合之前研究，本實驗選擇50 N載荷，循環20 000次和40 000次，頻率4 Hz。Morgan等［15］估計100 000機械循環相當于5年的臨床使用時間，因此推測20 000次和40 000次循環分別相當于1年和2年的臨床使用時間。

本實驗中經3 000次熱循環和40 000次機械循環處理后，純鈦試件和Ti2448試件的金瓷結合強度分別降低了8.17 MPa和5.25 MPa，占對照組初始強度的27.97%和11.70%。這提示純鈦金瓷結合強度抗熱循環和機械循環的能力低于Ti2448。試件剝脫面電鏡分析顯示Ti2448試件的烤瓷斷裂模式屬于混合斷裂，純鈦屬于黏附性斷裂，這提示Ti2448獲得了比純鈦高的金瓷結合強度。金瓷結合界面的電鏡觀察顯示，純鈦表面生成了明顯的氧化層，氧化層結構疏松，并且存在散在孔隙，相反Ti2448金瓷界面未見明顯的氧化層，并且瓷與合金基體結合緊密。研究發現，熱循環使用的人工唾液組成元素Ca、P能通過一些孔隙進入金瓷界面導致氧化物溶解，從而降低金瓷結合強度。因此推測純鈦表面氧化層的散在孔隙會促進水介質進入金瓷界面，從而導致金瓷結合強度降低。另外，溫度變化可以在金瓷界面引起重復應力，從而降低金瓷結合強度，這主要與金瓷之間的熱膨脹系數不匹配有關。本實驗中，Ti2448的線性熱膨脹系數（9.52×l0-6·℃-1）與Duceratin Kiss瓷粉的線性熱膨脹系數（8.7×l0-6·℃-1）相差0.82× l0-6·℃-1，純鈦的線性熱膨脹系數（10.1×l0-6·℃-1）與瓷粉的的線性熱膨脹系數相差1.4×l0-6·℃-1，因此純鈦金瓷界面在熱循環時可能產生比Ti2448更高的應力從而降低金瓷結合強度。

綜上，3 000次熱循環和40 000次機械循環處理明顯降低了Ti2448和純鈦的金瓷結合強度，處理后Ti2448金瓷結合強度明顯高于純鈦金瓷結合強度。

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（本文編輯 李彩）

［中圖分類號］R 783.2

［文獻標志碼］A ［doi］ 10.7518/hxkq.2016.01.011

［收稿日期］2015-06-22； ［修回日期］ 2015-09-20

［作者簡介］譚勇，住院醫師，碩士，E-mail：420735302@qq.com

［通信作者］高勃，教授，博士，E-mail：gaobo@fmmu.edu.cn

Effects of thermal and mechanical cycling on the metal-ceramic bond strength of machine-milled Ti2448 alloy and puretitanium

Tan Yong1， Gao Bo2.
（1. Dept. of Stomatology， Affiliated Hospital of North Sichuan Medical College， Nanchong 637000， China； 2. Dept. of Prosthodontics， School of Stomatology， The Fourth Military Medical University， Xi’an 710032， China）

Correspondence: Gao Bo， E-mail: gaobo@fmmu.edu.cn.

［Abstract］Objective To evaluate the effects of thermal and mechanical cycling on the metal-ceramic bond strength of machine-milled Ti2448 alloy and commercial pure titanium （cp Ti）. Methods Ceramic-cp Ti （n=30） specimens and ceramic-Ti2448 combinations （n=30） were prepared in accordance with ISO 9693. The specimens from each metal-ceramic combination were randomly divided into three subgroups. In group A or the control group， the specimens were only stored in distilled water for 24 h at 37 °C； in groups B and C， the specimens were subjected to 3 000 cycles of thermal cycling between 5 and 55 °C for a dwell time of 60 s and to mechanical cycling of 20 000 or 40 000 cycles with 50 N load and 4 Hz in distilled water at 37 °C. A crack initiation test was performed using a universal testing machine in accordance with ISO 9693. Failure types at the metal-ceramic interface and the morphological and elemental composition of this interface were analyzed using a scanning electron microscope and an energy dispersive spectrometer. Statistical analysis was performed via two-way ANOVA and Tukey’s adjustment test （α=0.05）. Results The bond strength of the ceramic-Ti2448 combination was significantly higher than that of the ceramic-cp Ti combination regardless of fatigue conditions （44.86 MPa±1.75 MPa and 29.21 MPa±2.20 MPa for Ti2448 and cp Ti， respectively； P＜0.01）. The mean bond strengths of ceramic-cp Ti and ceramic-Ti2448 combinations in group C were significantly lower than that of group A （P＜0.01）. Although ceramic-cp Ti combination failed adhesively at the metal-ceramic interface without the ceramic on the substrate surface， Ti2448 frameworks exhibited cohesive failure； as a result， large amounts of residual porcelain were retained on the specimens. Conclusion The metal-ceramic bond strength of cp Ti and Ti2448 is decreased by thermal and mechanical cycling.

［Key words］thermal cycling； mechanical cycling； Ti2448； pure titanium； metal-ceramic bond strength