計算機輔助設(shè)計/制造可切削陶瓷材料的研究進展

張美玲，黃 陽，路榮建，鄧 斌

1解放軍總醫(yī)院 口腔修復(fù)科，北京 100853；2軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院附屬醫(yī)院，北京 100076

20世紀70年代計算機輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)/計算機輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)作為新興技術(shù)引用到口腔領(lǐng)域，其在臨床中的應(yīng)用日益廣泛[1]。可切削材料的發(fā)展層出不窮，目前可供瓷睿刻切削的材料超過5 000種。可切削加工陶瓷是指在常溫下即可由傳統(tǒng)的加工機械或刀具加工至精確公差并符合形狀及表面光潔度要求的陶瓷，簡稱可加工陶瓷。可供臨床切削的陶瓷材料主要包括長石質(zhì)陶瓷、玻璃陶瓷、滲透陶瓷、氧化鋁、氧化鋯和混合物陶瓷。本文著重介紹目前經(jīng)常使用的長石瓷/白榴石增強型陶瓷、鋰基類玻璃陶瓷、玻璃滲透氧化鋁、氧化鋯及混合物陶瓷，為臨床選擇材料提供參考。

1 長石瓷/白榴石增強型陶瓷

1903年，Land采用強度相對低的長石瓷制作了第一個全瓷冠，長石憑借優(yōu)良的美學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注[2]。與真正的陶瓷材料所不同，長石在結(jié)構(gòu)上更接近于玻璃，其用于制作工藝簡單。長石應(yīng)用時間較長，雖然種類繁多但基本都由細粒度的高玻璃體長石顆粒構(gòu)成[3]，其臨床成功率高，Otto和Schneider[4]對瓷睿刻制作的200例長石質(zhì)瓷嵌體和高嵌體進行了17年的觀察，發(fā)現(xiàn)其生存率達到了88.7%。Vitablocs MarkⅡ是長石陶瓷的典型代表，其抗彎強度為120 ～ 160 MPa，斷裂韌性為1.2 MPa·m1/2。但由于長石瓷強度低，限制了其在臨床中的應(yīng)用，白榴石增強型玻璃陶瓷隨后受到關(guān)注。以白榴石為內(nèi)部增強劑的牙科陶瓷材料的研究始于20世紀80年代，一般將白榴石添加在長石瓷內(nèi)可使其斷裂韌性提高并影響抗彎強度[5]。張飚等[6]研究表明白榴石的含量對K2O-Ai2O3-SiO2系統(tǒng)牙科玻璃陶瓷的斷裂韌性有明顯影響，在一定范圍內(nèi)該陶瓷的斷裂韌性隨著白榴石含量的增高而增加。白榴石在增加強度的同時不會影響其美學(xué)性能，因此使用廣泛。最先被熟知的白榴石增強型長石為IPS Empress，其白榴石晶體含量為30% ～40%，強度為120 MPa。目前長石瓷/白榴石增強型陶瓷主要用于嵌體、貼面、前牙冠的修復(fù)，尤其是使用長石陶瓷修復(fù)貼面可以獲得很好的美學(xué)效果。

2 鋰基類玻璃陶瓷

二硅酸鋰晶體的折射系數(shù)為1.55，這使得二硅酸鋰玻璃陶瓷在具有高晶相含量的同時，仍能保持很好的半透性效果，可以實現(xiàn)高強度和美學(xué)效果的統(tǒng)一，因此受到廣泛的關(guān)注。最先被大家熟知的二硅酸鋰基玻璃陶瓷是IPS Empress 2，主晶相為二硅酸鋰，晶相含量超過60%，棒狀的二硅酸鋰晶體隨機分布于玻璃相中，互相嵌合，使玻璃陶瓷的強度提高，其強度是IPS Empress的3倍[7]，可用于前牙三單位的固定義齒并且適應(yīng)范圍可延伸至前磨牙。2006年，一種兼具鑄造性和美觀性的二硅酸鋰陶瓷材料IPS e.max CAD推出，該瓷塊燒結(jié)前二硅酸鋰體積分數(shù)為40%，顏色為藍色，又稱藍瓷，其強度與一般玻璃陶瓷相近(約150 MPa)，瓷塊能夠輕易被研磨機研磨，燒結(jié)過后二硅酸鋰體積分數(shù)達70%，瓷塊的強度提升至360 MPa以上，并在燒結(jié)的同時改變瓷塊的色相、明度和彩度[8]。一旦成形，e.max CAD全瓷冠與其他傳統(tǒng)金屬烤瓷牙或二氧化鋯瓷牙相比，更不容易破裂，對頜牙的磨耗更小[9]。該瓷塊具有良好的美學(xué)效果，受到眾多醫(yī)生的追捧。2014年一款氧化鋯增強型二硅酸鋰(Vita Suprinity)問世，通過特殊工藝，使玻璃陶瓷中含有10%的氧化鋯，該瓷塊燒結(jié)前呈透明色，又稱琥珀瓷，強度為180 MPa，燒結(jié)后強度達420 MPa。該瓷塊具有精細的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅負載能力強、穩(wěn)定性好，而且具有非常優(yōu)異的研磨機拋光性能，同時具有良好的透光性、熒光性及乳光效果。藍瓷和琥珀瓷可制作貼面、嵌體、高嵌體、前后牙單冠以及包括前磨牙在內(nèi)的三單位固定橋，近年來其應(yīng)用于種植義齒上部結(jié)構(gòu)也取得良好效果。

3 玻璃滲透氧化鋁

Rinke于1996年首次報道采用CAD/CAM技術(shù)將工業(yè)預(yù)成的多孔氧化鋁加工成基底冠后，經(jīng)In-Ceram技術(shù)完成玻璃滲透，制做成陶瓷修復(fù)體。與常規(guī)In-Ceram技術(shù)相比，本方法無需復(fù)制耐火代型和10 h的氧化鋁核瓷冠燒結(jié)過程，而是以高純度a-氧化鋁粉為原料，經(jīng)冷等靜壓成型，在1 450℃燒結(jié)成多孔氧化鋁[10]。預(yù)成的Ai2O3顆粒大小分布均勻，具有較強的毛細管作用，隨后的玻璃滲透可以在普通烤瓷爐內(nèi)進行，一個全瓷冠的制作時間由原來的4 h縮短為40 ～ 60 min。其三點撓曲強度可達到320 ～ 600 MPa，抗彎強度約10倍于長石瓷，4倍于傳統(tǒng)玻璃陶瓷。經(jīng)過工業(yè)預(yù)成燒結(jié)形成的多孔氧化鋁基體即能保證一定的強度又易被機械切削，因此CAD/CAM技術(shù)和In-Ceram技術(shù)的結(jié)合大大提高了口腔陶瓷修復(fù)體的制作水平[11]。最早的氧化鋁陶瓷In-Ceram Alumia透明度較差，后來通過在其中添加氧化鎂提高材料透明度研制出In-Ceram Spinell瓷，但是其強度與In-Ceram Alumia相比下降了將近一半，因此該瓷塊只用于嵌體、貼面和前牙單冠的制作。隨后又添加氧化鋯來提高材料強度研制出In-Ceram Zirconia，但透明度卻下降很多[12]。目前國內(nèi)外已成功地將玻璃滲透氧化鋁用于臨床制作單冠及前牙前磨牙三單位固定橋并獲得較高的成功率。Kern[13]研究發(fā)現(xiàn)玻璃滲透氧化鋁用于修復(fù)前牙單顆牙缺失的10年生存率為95.4%，Pjetursson等[14]研究發(fā)現(xiàn)玻璃滲透氧化鋁陶瓷用于固定橋修復(fù)的5年生存率為86.2%。

4 氧化鋯陶瓷

20世紀90年代以來，由于良好的生物相容性、高機械強度以及優(yōu)越的美觀性能，氧化鋯陶瓷開始被廣泛應(yīng)用于牙科領(lǐng)域，其抗彎強度超過1 000 MPa，斷裂韌性為9 MPa·m1/2[15-16]。氧化鋯的切削方式最初為致密切削，致密切削中使用的氧化鋯瓷塊經(jīng)過致密燒結(jié)，硬度大、切削困難，對切削工藝要求非常之高，因此其使用受到限制。為改善這種情況隨后涌現(xiàn)出多孔切削，氧化鋯預(yù)先燒結(jié)至一定硬度后進行切削，最后將加工好的坯體進行二次燒結(jié)達到致密化[17-18]。目前臨床使用的可切削氧化鋯多為二次燒結(jié)，這種燒結(jié)方式多伴有明顯體積收縮，有研究顯示這種體積收縮可高達20% ～ 30%，補償方式為通過計算機放大所需形狀來彌補[19-20]。另一方面限制氧化鋯應(yīng)用的為顏色問題，氧化鋯顏色為象牙白，這種顏色好比雙刃劍，既可以為四環(huán)素牙患者提供良好的遮色效果，但同時因其不透明限制了在前牙中的應(yīng)用[21]。由此引發(fā)氧化鋯透光性能改善的研究，其中高透和超透氧化鋯材料目前得到廣泛應(yīng)用[22-23]，可以保證氧化鋯在不進行飾瓷直接上釉染色的同時獲得美學(xué)效果。氧化鋯陶瓷可應(yīng)用于單冠、嵌體、貼面、磨牙五單位固定橋。

5 聚合物滲透陶瓷

聚合物滲透陶瓷是一種創(chuàng)新的復(fù)合型雙網(wǎng)狀陶瓷，其顯著特點是材料內(nèi)部占主導(dǎo)優(yōu)勢的瓷網(wǎng)結(jié)構(gòu)與高分子聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交叉混合形成一種新的穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)[24-25]。這種陶瓷主要優(yōu)越性在于它的彈性及可切削性。目前常見的使用較多的混合物陶瓷有3M公司推出的ESPE Ulitimate及Vita公司推出的VITA ENAMIC。優(yōu)韌瓷(Ulitimate)是較早出現(xiàn)的混合物類陶瓷材料，被稱為樹脂納米瓷，其將納米級陶瓷顆粒均勻混合到復(fù)合樹脂中，陶瓷填料占80wt%。這種材料既具有類似復(fù)合樹脂的韌性，不易折斷，又有類似于玻璃陶瓷的強度及耐磨性能。其理論強度可達210 MPa，但隨著在臨床中的使用，該款材料出現(xiàn)了較多失敗病例，因此該公司于2014年發(fā)布指南建議該款材料僅應(yīng)用于嵌體中，不建議應(yīng)用于高嵌體及全瓷冠修復(fù)中[26]。VITA ENAMIC又稱彈性瓷，是由86wt%的陶瓷及14wt%的樹脂構(gòu)成，此款材料具有優(yōu)良的物理性能，撓曲強度為150 ～ 160 MPa，彈性模量為30 GPa，是目前彈性模量與天然牙本質(zhì)最接近的材料[27-28]，特別適合制作后牙全冠和極少量牙備軸壁的修復(fù)體。因該瓷塊對咬合空間的備牙要求降到1 mm，尤其適用于低咬合空間下后牙區(qū)的修復(fù)。彈性瓷可以保證負載咀嚼力時依舊能獲得強度和彈性的平衡[29-30]，所以適合于種植義齒上部結(jié)構(gòu)的修復(fù)。

科學(xué)理念和技術(shù)的不斷更新發(fā)展，使牙科領(lǐng)域走向數(shù)字化口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展道路。通過上述對可切削陶瓷材料的研究可見，材料日新月異的發(fā)展仍不能完全滿足臨床中的需求，在數(shù)字化技術(shù)融入我們生活的同時，CAD/CAM系統(tǒng)同樣面臨挑戰(zhàn)，而更適合CAD/CAM系統(tǒng)切削及臨床使用的材料仍需被探索與研發(fā)。

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本刊“病例討論”欄目征稿

本刊開辟“病例討論”欄目，屬原創(chuàng)性臨床論文。

1.病例選擇： 1)疑難病例，特別是涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的疑難病例； 2)容易誤診、漏診且有經(jīng)驗教訓(xùn)的病例； 3)診斷明確，但病情危重、治療棘手的病例； 4)罕見病例； 5)常見病例，但臨床表現(xiàn)形式特殊。以上病例均須最終獲得明確診斷或成功治療，臨床資料應(yīng)齊全，能提供實驗室、影像學(xué)和(或)病理確診依據(jù)。

2.寫作格式： 1)中英文摘要。無須按“目的”、“方法”、“結(jié)果”、“結(jié)論” 格式，簡單介紹病例和診治要點即可。2)正文含導(dǎo)語，設(shè) “病例摘要” 和 “討論” 兩部分。“病例摘要”： 交代清楚患者主訴、病史(包括既往史)、實驗室、影像學(xué)及病理學(xué)檢查結(jié)果、臨床診斷、治療方案、治療結(jié)果等。“討論”： 能較好地體現(xiàn)正確的臨床思維，對讀者的臨床工作有實際借鑒意義； 寫清診斷和治療思路、鑒別診斷要點、治療上應(yīng)注意的問題等，若為罕見病則介紹目前國內(nèi)外的最新進展。3)列出相關(guān)的國內(nèi)外主要參考文獻。