不同功率的Er∶YAG 激光對白榴石玻璃陶瓷與樹脂粘接面粘接強度的影響

秦嬌嬌,馬昂,王靜,吳慶翠,李怡然,朱亞平,焦珊,王成坤

（吉林大學口腔醫院牙體牙髓科，吉林 長春 130021）

隨著口腔臨床技術的發展，計算機輔助設計和計算機輔助制造（computer aided design/computer aided manufacture，CAD/CAM）修復技術的應用越來越普遍。由于優異的生物相容性［1］、獨特的美學性能［2-4］以及優良的物理性能［2］，玻璃陶瓷被廣泛應用于CAD/CAM 修復技術。白榴石玻璃陶瓷是臨床最為常見的可切削玻璃陶瓷之一。近年來，摻鉺釔鋁石榴石（erbium-doped∶ yttriumaluminium-garnet，Er∶YAG）激光被引入口腔醫學領域，且在口腔軟硬組織疾病的治療中起到至關重要的作用［5-6］。由于Er∶YAG 激光對硬組織的蝕刻作用［7］，許多研究者考慮將Er∶YAG 激光用于瓷修復體粘接面的預處理［2，8-11］，但迄今為止，Er∶YAG 激光對于瓷修復體粘接面粘接強度的影響是否達到臨床預期并未得到一致的結論［11-13］。本研究旨在使用不同功率的Er∶YAG 激光處理白榴石玻璃陶瓷表面，研究其對瓷修復體粘接面粘接強度的影響，以期指導Er∶YAG 激光在臨床上的應用。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和儀器IPS Empress CAD 白榴石玻璃陶瓷塊、光固化復合樹脂（型號Tetric N-Ceram）、硅烷預處理劑（型號Monobond N）和樹脂粘合劑套裝（型號Multilink N）均購自列支敦士登義獲嘉偉瓦登特公司，9.5%氫氟酸（吉林省登泰克牙科材料有限公司）。金剛石線切割機（型號STX-202A，沈陽科晶公司），數控超聲波清洗器（型號KQ3200DB，昆山市超聲儀器有限公司），LIGHTWALKER AT 雙波長激光治療儀（型號M021-5AF/1，德國Fotona 公司），電熱恒溫培養箱（型號DHP-9052 型，上海一恒科學儀器有限公司），電子萬能試驗機（型號DNS20，長春試驗機研究所有限公司），光學立體顯微鏡（型號SZX16，日本Olympus 公司），場發射環境掃描電子顯微鏡（型號XL-30 ESEM FEG，美國FEI 公司）。

1.2 樣本分組及表面處理使用金剛石線切割機將IPS Empress CAD 白榴石玻璃陶瓷塊切割為84 個7 mm×6 mm×3 mm 的瓷片樣本，所有樣本根據不同處理方法隨機分為對照組、酸蝕組、2 W激光組、4 W 激光組、6 W 激光組、8 W 激光組和10 W 激光組，每組12 個樣本。各組分別隨機選取10 個樣本行硬石膏包埋處理，然后將所有樣本依次在600 目、800 目和1 200 目的砂紙上打磨至光滑后進行超聲清洗。干燥后對各組所有樣本進行表面處理，其中對照組不作處理；酸蝕組使用9.5%的氫氟酸酸蝕處理60 s 后，進行充分的沖洗和干燥；2 W 激光組、4 W 激光組、6 W 激光組、8 W 激光組和10 W 激光組均使用Er∶YAG 激光處理，各組處理功率分別為2、4、6、8 和10 W（對應能量分別為100、200、300、400 和500 mJ，頻率均為20 Hz），各組均選用SP 脈寬模式，水氣值均為4，使用非接觸式手具H02，噴嘴垂直放置在距離樣本表面7 mm 的位置，對樣本的表面進行20 s 掃描，全過程伴隨冷卻。將所有樣本進行超聲清洗，取未包埋樣本以備掃描電鏡（SEM）觀察（n＝2），包埋樣本進行粘接處理（n＝10）。

1.3 粘接樣本制備用毛刷在包埋樣本上均勻涂布硅烷預處理劑，待其反應60 s 后，用強氣流吹掉多余材料，并用毛刷均勻涂布樹脂粘合劑。將光固化復合樹脂填入直徑約4 mm、高度約9 mm 的模具中，施加穩定的載荷，將樹脂與瓷樣本進行粘接。用探針去除多余粘合劑和樹脂，而后將樣本進行80 s（每側20 s）的光固化。最后將樣本于37℃的蒸餾水中水浴保存24 h，以備剪切粘接強度（shear bond strength，SBS）測試。

1.4 SBS 測試測量水浴完成后的樣本粘接直徑，而后置于電子萬能試驗機的模具中，以0.75 mm·min－1的恒定速度垂直施加載荷，直至樣本發生粘接破壞。記錄粘接破壞時的最大載荷，采用公式計算SBS 值。SBS（MPa）＝P/A＝4P/πd2，其中P 為粘接破壞時的最大載荷（N），A 為粘接面積（mm2），d 為粘接直徑（mm）。

1.5 粘接失效模式觀察及統計使用光學立體顯微鏡（20 倍放大倍率）檢查粘接斷面，確定其失效模式并進行個數統計。粘接斷面失效模式分為3 種：①粘合劑失效模式（adhesive failure mode），粘接失效完全發生在樹脂與陶瓷材料的粘接界面；②內聚失效模式（cohesive failure mode），粘接失效完全發生在樹脂材料或者陶瓷材料內部；③混合失效模式（mixed failure mode），粘合劑失效模式和內聚失效模式的組合。

1.6 統計學分析采用SPSS 26.0 統計軟件進行統計學分析。各組樣本的SBS 值均符合正態分布，以表示，多組間樣本均數比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD-t檢驗。以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 各組樣本的SBS 值與對照組比較，其他各組樣本SBS 值均升高（P＜0.01）。2 W 激光組、4 W 激光組、6 W 激光組、8 W 激光組和10 W 激光組樣本SBS 值依次升高且各組間比較差異均有統計學意義（P＜0.01）。與酸蝕組比較，2 W 激光組、4 W 激光組、6 W 激光組和8 W 激光組樣本SBS 值均降低（P＜0.01），但10 W 激光組樣本SBS 值差異無統計學意義（P＞0.05）。見表1。

表1 不同方法處理后各組樣本SBS 值Tab.1 SBS values of samples in various groups after treated with different methods（n＝10，，P/MPa）

表1 不同方法處理后各組樣本SBS 值Tab.1 SBS values of samples in various groups after treated with different methods（n＝10，，P/MPa）

*P＜0.01 compared with control group；ΔP＜0.01 compared with acid etching group.

2.2 各組樣本粘接失效模式除6 W 激光組出現1 個混合失效模式以外，其余各組均為粘合劑失效模式，無內聚失效模式出現。見表2。

2.3 各組樣本的表面形貌各組處理后瓷片樣本表面的SEM 圖片見圖1，放大倍數均為4 000 倍。對照組為未經處理的陶瓷表面，相對較為光滑（圖1A）；酸蝕組樣本表面可見許多深淺不一的不規則凹槽，呈現出十分明顯的“蜂窩狀”結構（圖1B）；2 W 激光組樣本表面可見小范圍的瓷層剝脫形成的凹坑狀改變，4 W 激光組樣本表面凹坑的面積和深度有所增加，6 W 激光組樣本表面可見連續的大塊剝脫，8 W 激光組和10 W 激光組樣本表面可見凹坑數量增多，呈現出明顯的“鱗片狀”外觀（圖1C～G）。

表2 不同方法處理后各組樣本失效模式Tab.2 Failure modes of samples in various groups after treated with different methods

圖1 不同方法處理后各組樣本的表面形態（SEM,×4 000）Fig.1 Surface morphology of samples in various groups after treated with different methods（SEM，×4 000）

3 討論

間接陶瓷修復體的遠期效果主要取決于樹脂粘合劑與陶瓷之間持久且穩定的微機械互鎖或者化學鍵合［14］，增加兩者微機械互鎖主要是通過增加瓷修復體粘接面的表面粗糙度，通常采用機械和化學方法，機械方法包括金剛石鉆頭處理［4］、砂紙盤打磨及噴砂［11］等，化學方法主要是指采用氫氟酸酸蝕［4，11］處理。根據陶瓷種類的不同，表面處理的方法也不同，對于玻璃陶瓷而言，氫氟酸處理是目前臨床上最有效［4］且最常用［10］的方法。氫氟酸蝕刻主要是消除玻璃陶瓷的玻璃相，使晶體顆粒暴露出來，在陶瓷表面形成了普遍的微孔，從而促進樹脂水門汀的微機械固位，因而可以提供有效的粘接強度［4，11］。但這種方法也有存在缺點：氫氟酸處理不但臨床操作時間長且處理后難以完全去除，還會增加軟組織燒傷的風險［15］。因此，尋找一種合適的處理瓷修復體粘接面的方法是必要的。近年來，Er∶YAG 激光被認為是處理瓷修復體粘接面可能的替代方法［15］，目前關于這方面的研究正在進行但尚有不足。因此，本文作者考慮使用Er∶YAG激光來處理玻璃陶瓷表面，并以氫氟酸酸蝕處理組作為對比標準。

在通過各種方法處理完瓷修復體粘接面后，使用硅烷偶聯劑可以提高處理表面的潤濕性并促進樹脂的甲基丙烯酸酯基與陶瓷中的二氧化硅之間形成共價鍵，從而形成促進粘合的結構層［2，10］。因此本實驗同時使用硅烷預處理劑處理瓷修復體粘接面。

在本研究中，使用不同功率的Er∶YAG 激光處理白榴石玻璃陶瓷表面，并且測定了處理后的陶瓷材料與樹脂之間的SBS 值，結果顯示：與對照組比較，氫氟酸處理組和激光處理各組樣本的SBS 值均有不同程度升高，提示Er∶YAG 激光輻照可以在一定程度上增強白榴石玻璃陶瓷表面的粘接性能，但不同功率激光所引起的增強效果并不相同。目前認為可以應用Er∶YAG 激光處理牙科陶瓷材料表面［16］，因Er∶YAG 激光蝕刻通過將光能轉化成熱能，局部高溫可以在陶瓷表面形成微爆破［17］，從而去除陶瓷的玻璃相［12］而產生粗糙的表面［18］，以此來增加陶瓷表面的粘接強度。但激光參數不同時所釋放的能量不同，對陶瓷表面粘接效果的影響亦不相同，本研究選擇不同功率作為研究變量。

本研究結果顯示：隨著Er∶YAG 激光處理功率的增加，玻璃陶瓷表面與樹脂之間的SBS 亦增加，這與其他學者的研究結果［12-13］一致。其原理可能是隨著激光功率的增加，提供給陶瓷表面的熱量也增加，進而可以提供更加粗糙的陶瓷表面，促進了陶瓷與樹脂粘合劑之間的微機械互鎖，因而檢測到的SBS 值隨之增加。但其功率并非越大越好，過高的功率可能會引起材料的過度老化［19］及陶瓷表面的破壞，因此本實驗結合臨床操作及以往研究的數據設置，以10 W 作為研究的最大功率。

本研究結果顯示：當Er∶YAG 激光的處理功率未達到10 W 時，陶瓷與樹脂之間的SBS 值并不能夠達到類似氫氟酸組的程度，但當功率達到10 W 時，則可達到。研究［12］表明：盡管以5 W 的Er∶YAG 激光照射能有效地增強樹脂與長石質瓷之間的粘接強度，但仍不能作為氫氟酸的替代方法，這一結果與本研究結果相符。YAVUZ 等［11］研究結果表明：Er∶YAG（10 W）激光處理長石質玻璃陶瓷時，可以得到與氫氟酸處理瓷表面相似的粘接強度。但上述研究與本實驗的玻璃陶瓷種類不同，由于成分不同，不同種類陶瓷對于激光處理的反應是否相同，仍有待進一步研究。

本研究同時進行了粘接斷面失效模式統計，結果顯示：失效模式主要表現為粘合劑失效，還有極少數混合失效，但并未出現內聚失效模式。有研究者［9］提出：混合失效在臨床上較粘合劑失效更可取，因為這種類型的失效通常顯示出足夠的界面粘接力。由此可以推斷，盡管通過各種表面處理可提高樹脂與白榴石玻璃陶瓷表面之間的粘接強度，但這種結合仍然不夠牢固，并且低于樹脂復合材料和陶瓷的內聚力。同時，本研究中內聚失效模式的缺失也表明：Er∶YAG 激光處理并未引起陶瓷的內部弱化，這與其他文獻［20-24］的結論一致，也為Er∶YAG 激光應用于臨床提供了理論依據。

本研究結果表明：氫氟酸處理及不同功率的Er∶YAG 激光處理均不同程度地改變白榴石玻璃陶瓷的表面形貌。氫氟酸蝕刻的陶瓷表面表現出十分明顯的“蜂窩狀”結構。激光處理的陶瓷表面則呈現出不同程度的凹坑樣改變，當處理功率為2 W、4 W 和6 W 時，陶瓷表面表現為隨處理功率增加，凹坑的面積和深度增加，當激光處理功率達到8 和10 W 時，陶瓷表面凹坑面積和深度有所下降但數量增加呈現出“鱗片狀”外觀。結合本實驗中SBS 值的變化可以推斷：廣泛的粗糙表面更有助于瓷修復體粘接面與樹脂粘合劑之間的微機械互鎖。氫氟酸處理后陶瓷表面的SBS 值與10 W 功率的Er∶YAG 激光處理結果相似，但是兩者的樣本表面形貌卻差異較大。可能與本實驗中氫氟酸酸蝕的時間有關，有研究者［23］提出：氫氟酸腐蝕60 s或更長時間可能會產生負面影響，因為會在陶瓷表面形成深而薄的不規則區域，粘合劑難以擴散至其中，從而存在降低粘接效果的可能性。同時，也可能是由于氫氟酸處理后陶瓷表面的酸蝕劑難以完全去除，殘余的酸蝕劑影響了樹脂粘合劑進入玻璃陶瓷的微孔區域，進而影響微機械互鎖的形成，因而一定程度上降低了粘接強度。

綜上所述，Er∶YAG 激光輻照可以在一定程度上增強樹脂與白榴石玻璃陶瓷表面之間的SBS，并且當激光功率達到10 W 時，可以考慮將Er ∶YAG 激光作為氫氟酸的替代來進行白榴石玻璃陶瓷表面的預處理。