小載荷下干濕環境對長石質玻璃飾瓷與氟磷灰石飾瓷磨損性能的影響研究*

伊遠平，張珍珍，賀 林，張少鋒△，楊 昊，賀 專

1.西安市第三醫院口腔科(西安710018)；2.空軍軍醫大學口腔醫院修復科(西安710032)；3.西安交通大學材料學院(西安710049)

為了滿足口腔修復體顏色的個性化需求，尤其是透光性差的金屬或全瓷修復體，通常在其表面通過燒結飾瓷來完成修復體的制作。然而，修復體與對合在行使咀嚼功能時，飾瓷的磨損性能影響著修復體的使用效果及壽命，因此其磨損性能就變得尤為重要。飾瓷材料的磨損性能不僅取決于材料本身的組織結構和力學性能[1]，還會受咀嚼力、唾液、溫度、食物等因素的影響[2-4]。以往眾多學者對飾瓷的磨損性能做了大量研究[5-6]，這些研究僅限于某一固定較大載荷、單一環境。口腔環境的特異性導致的較小咀嚼力和唾液較少的情況也是普遍存在的：齲齒、牙周病、義齒不合適等導致的咀嚼力變小或唾液分泌減少，關節病變導致的咀嚼力變小，唾液腺的退行性變，全身因素方面(干燥綜合征或維生素缺乏、內分泌紊亂)等。小載荷作用下的干濕環境如何影響著飾瓷材料的磨損性能有待進一步研究，本實驗選用臨床常用的長石質玻璃飾瓷(CERAMCO3)和氟磷灰石飾瓷(IPS e.max ceram)兩種不同成分飾瓷，將其與滑石瓷配副，比較2 N小載荷下干濕環境對兩者磨損性能的影響，以期為臨床工作提供參考。

材料和方法

1 主要設備和材料 摩擦磨損實驗機(CH-2034Peseux，CSM，瑞士)；三維形態掃描儀(PS-50，Nanovea，美國)；場發射掃描電鏡(S-4800，日立，日本)；CERAMCO3(登士柏，美國)；IPS e.max ceram(義獲嘉，列士敦斯登)；滑石瓷(江蘇省海門市天補高頻陶瓷廠)。

2 試件制備 首先制作φ=24 mm，d=11 mm的有機玻璃圓片24個，以此作替代蠟型；分別通過失蠟法和熱壓鑄造法制備鈷鉻合金和e.max press HT鑄瓷基底各12個；利用粉漿涂塑法分別在兩組基底上涂CERAMCO3和IPS e.max ceram飾瓷，燒結后的樣品用耐水砂紙打磨拋光至3000目，最終制成φ=24 mm，d=3 mm的完整飾瓷試件。

3 磨損測試 將飾瓷試件與滑石瓷磨頭進行一對一配副并固定于摩擦磨損試驗機。滑石瓷為：頂端φ=6.4 mm的圓弧狀凸起，下方φ=5 mm的圓柱狀；分別在干燥環境和唾液環境下，加載力F=2 N、轉速200 r/min，加載循環60萬次，每20萬次作為一個節點，利用PS-50型號三維形態掃描儀自動計算出磨損區域的體積磨損量和表面粗糙度，并用graphpad軟件繪制磨損曲線。

4 表面微觀形貌的觀察 利用S-4800場發射掃描電鏡，分別在飾瓷試件磨損的初期和終期(20萬次和60萬次)，觀察樣品磨損面，進行微觀表征。

結 果

1 干燥環境和唾液環境下飾瓷體積磨損量隨循環次數的變化 CERAMCO3和IPS e.max ceram兩種飾瓷在干燥環境和唾液環境下體積磨損量隨著循環次數的變化趨勢(圖1)。隨著磨損循環的進行，兩者的體積磨損量均呈現出單調上升趨勢，經過60萬次循環后，CERAMCO3與IPS e.max ceram在唾液環境下的磨損量分別為1.306 mm3與1.76 mm3，在干燥環境下的磨損量分別為0.297 mm3與0.54 mm3，兩者在唾液環境下的磨損量都顯著高于干燥環境，并且其差異均具有統計學意義(P<0.05)。將同種環境下兩種飾瓷的體積磨損量進行比較后得出：在干燥環境下，即使經歷了60萬次磨損循環，IPS e.max ceram的體積磨損量僅僅稍大于CERAMCO3的體積磨損量，分別為0.54 mm3與0.297 mm3，差異無統計學意義(P>0.05)；在唾液環境下，每一個測量節點的體積磨損量均為IPS e.max ceram大于CERAMCO3，差異具有統計學意義(P<0.05)。

圖1 兩種飾瓷在干濕環境下體積磨損量隨循環次數的變化

2 干燥環境和唾液環境下兩種飾瓷表面粗糙度隨循環次數的變化 CERAMCO3和IPS e.max ceram兩種飾瓷在干燥環境和唾液環境下磨損面粗糙度隨著循環次數的變化趨勢(圖2)。兩者的表面粗糙度均隨著循環次數的增加而增大，并且均呈單調上升趨勢，表面粗糙度與體積磨損量呈現正相關性。唾液環境下的表面粗糙度均顯著高于干燥環境，60萬次磨損循環后，唾液環境下，CERAMCO3和IPS e.max ceram分別達到了82.528m與104.923m；而在干燥環境下，分別為32.704m與51.645m，并且差異具有統計學意義(P<0.05)。將同一環境下兩者的表面粗糙度進行比較可以看出：干燥環境下兩種飾瓷的表面粗糙度相近，差異無統計學意義(P>0.05)；唾液環境下每個測量節點的表面粗糙度均為IPS e.max ceram大于CERAMCO3，差異具有統計學意義(P<0.05)。

圖2 兩種飾瓷在干濕環境下磨面粗糙度隨循環次數的變化

3 干燥環境下兩種飾瓷的磨面形貌 在磨損試驗初期20萬次，低倍鏡下(×35)：兩種飾瓷的磨損面積均較小，IPS e.max ceram表面有較多散在分布、大小不一的氣孔和缺陷。高倍鏡下(×500)：兩者磨損類型相似，磨損面上均可見由于摩擦副反復接觸而誘發的疲勞剝落，以及剝脫后殘留下的粗糙面，在剝脫邊緣及氣孔缺陷處有微裂紋的擴展。 在終期60萬次，兩者的磨損面積顯著增大，犁溝狀磨痕加深、加密。高倍鏡下：兩者磨損機制類似，為疲勞剝落所主導。磨損面可見高低不平、邊緣不規則翹起的局部粗糙面(圖3)。

A、B分別為CERAMCO3飾瓷的初期及終期；C、D分別為IPS e.max ceram飾瓷的初期及終期

圖3干燥環境下磨損試驗初期及終期飾瓷磨損面微觀形貌

4 唾液環境下兩種飾瓷的磨面形貌 磨損初期20萬次，與相同載荷下的干燥環境相比，CERAMCO3與IPS e.max ceram的磨損面積均明顯增大，犁溝狀磨痕程度顯著增加。高倍鏡下：犁溝狀磨痕較為寬大，高低起伏，可見局部剝落殘留的粗糙面，磨損機制為犁溝狀磨痕及疲勞剝落共同作用。磨損終期60萬次，兩者磨損面積均顯著增大。高倍鏡下，兩者的磨損機制仍為由犁溝狀磨痕及疲勞剝落共同作用，犁溝狀磨痕加深、加密(圖4)。

A、B分別為CERAMCO3飾瓷的初期及終期；C、D分別為IPS e.max ceram飾瓷的初期及終期

圖4唾液環境下磨損試驗初期及終期飾瓷磨損面微觀形貌

討 論

飾瓷具有優良的透光性能，能夠較好的滿足患者對修復體美觀性能的個性化需求，因此在烤瓷冠及全瓷冠的制作中普遍應用；然而，修復體在口腔中行使功能，其耐磨性能一直受到臨床醫生們的關注。CERAMCO3與IPS e.max ceram是臨床常用的兩種飾瓷材料，前者是一種主晶相為白榴石的長石質玻璃陶瓷，主要應用在金屬或是氧化鋯修復體表面，燒結溫度為920 ℃；后者是一種主晶相為氟磷灰石的玻璃陶瓷，主要應用在鑄瓷修復體表面，燒結溫度為750 ℃。這兩種飾瓷在相對較小載荷作用下的干濕環境對其磨損性能影響的研究鮮見。該實驗顯示：CERAMCO3與IPS e.max ceram在唾液環境下的體積磨損量、表面粗糙度均顯著大于干燥環境下的測量數值；干燥環境下，兩者耐磨性能無統計學差異；唾液環境下，CERAMCO3表現出較好的耐磨性能。文獻報道：在10 N載荷環境下[7]，這兩種飾瓷材料的磨損性能測量數值均呈現干燥環境大于唾液環境下。磨面粗糙度與飾瓷磨損體積呈現正相關關系，即磨面粗糙度越大，磨損體積也越大。

電鏡圖片顯示：相同磨損環境下的兩種飾瓷的磨損類型相似。干燥環境下的磨損機制主要為摩擦副反復接觸而誘發的疲勞剝脫；唾液環境下的磨損機制由初期的疲勞剝落逐漸變為犁溝狀磨痕及疲勞剝落的共同作用。陶瓷材料容易產生由于疲勞磨損導致的亞表層的微裂紋[8]，在唾液環境下，液體介質會加速將材料表面的接觸應力傳遞至微裂紋處，從而形成附加的張應力，進一步加速疲勞裂紋的擴展以及陶瓷材料磨損表面的剝脫。飾瓷材料是由大量的脆性玻璃基質和晶體組成，小載荷作用下液體分子對磨損性能的影響就會更加顯著，IPS e.max ceram玻璃基質的體積分數較CERAMCO3更高[5]；其次，IPS e.max ceram作為低熔瓷，在制作過程中易形成氣孔、缺陷，磨損過程中這些氣孔又易形成銳邊加速材料的磨損[9]，再者，CERAMCO3中的白榴石晶體散在分布在玻璃基質中，白榴石晶體增加了材料的斷裂韌性[10]。在這些因素的共同作用下表現為：唾液環境較干燥環境下高的體積磨損量和面粗糙度，并且水環境下CERAMCO3較IPS e.max ceram有更好的耐磨性能。

陶瓷修復體在口腔中行使咀嚼功能，其耐磨性能會受到多種因素的影響；同時口腔環境相對較為復雜(溫度及pH值、唾液分泌的多少、咀嚼力的大小等)，體外磨損實驗只能有限的模擬口腔環境中的一種或兩種磨損機制；再者實驗所用的試件均為平面，在口腔中不論是牙齒還是修復體，它們的形狀及結構較為復雜，使得各個受力點情況不盡相同，因此，在更多因素作用下的飾瓷材料磨損性能還有待進一步研究。該研究結果僅為臨床工作中全面合理評價飾瓷材料的磨損性、新型陶瓷的研制和開發能提供實驗數據，為口腔醫師合理選用陶瓷修復體提供參考。