氮化硅陶瓷牙科修復材料研究進展

姜 磊，方 廈，尹 雙，毛棟梁，潘麗梅，湯學華，楊 建

(1.江蘇省先進無機功能復合材料協同創(chuàng)新中心，南京 210009；2.南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210009； 3.南京久雅口腔醫(yī)療管理有限公司，南京 210016)

0 引 言

牙科修復材料是指用于牙齒缺損修補、牙列缺失替代，從而使牙齒恢復解剖形態(tài)、功能和美觀的材料。隨著世界人口持續(xù)增長，醫(yī)療保健越來越受重視，對牙科修復材料的需求也日益增大。牙科修復材料種類繁多，主要可分為金屬、樹脂和陶瓷三大類。金屬牙科修復材料至今已有2 500多年的歷史，在牙科修復領域應用廣泛，主要用來做充填材料和鑄造冠、橋、種植體、義齒支架、基托等。金屬牙科修復材料(如鈦合金)強度、硬度、耐磨性、耐久性等力學性能普遍優(yōu)于樹脂基材料，其韌性和可加工性也強于陶瓷材料，發(fā)展較為成熟，市場占有率大。但是口腔中電解質環(huán)境復雜，不論是酸性溶液還是堿性溶液都會對金屬產生一定的腐蝕作用。因此金屬植入口腔后會逐漸釋放金屬離子，使口腔中金屬離子濃度逐漸升高，從而抑制細胞增殖分化以及細胞中某些蛋白和細胞因子的合成，甚至產生細胞毒性，誘導細胞凋亡[1]。樹脂基材料(如聚醚醚酮，PEEK)憑借色澤美觀、粘接固位效果好以及可塑性良好等優(yōu)點被廣泛應用于牙體缺損修復領域。但是其在充填過程中會發(fā)生固化收縮，而導致邊緣縫隙增大，從而引起微滲漏和繼發(fā)齲的發(fā)生。陶瓷材料具有良好的色澤穩(wěn)定性、耐磨性、生物相容性以及出色的光學性能和美觀性，用于牙科修復領域已有200多年的時間。自1886年Land制作了第一個長石質全瓷冠以來，全瓷材料逐漸成為牙科修復材料的研究熱點。全瓷材料是指不含金屬內冠的陶瓷修復體，可以分為三類：長石質瓷、玻璃陶瓷、多晶陶瓷。長石質瓷機械性能較差，抗彎強度只有60～70 MPa，現在只用作飾面瓷或貼面瓷。玻璃陶瓷粘接強度不高，且由于氧化鋯等其他材料的發(fā)展，臨床應用逐漸減少。多晶陶瓷主要為氧化鋁和氧化鋯，氧化鋁陶瓷的力學性能遠低于氧化鋯，臨床使用已逐漸被氧化鋯取代[2]。用于牙科修復材料的氧化鋯為氧化釔穩(wěn)定的四方多晶氧化鋯，其具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、耐磨性和生物相容性，抗彎強度可達 900～1 200 MPa，斷裂韌性為 9～10 MPa·m1/2，是致密氧化鋁陶瓷的2倍，玻璃陶瓷的3倍。但氧化鋯陶瓷材料在低溫潮濕條件下會發(fā)生四方相-單斜相轉變，導致體積膨脹，從而引起微裂紋和宏觀裂紋的產生，即產生低溫老化現象，臨床應用中很容易導致人工植入體破折，不得不進行手術翻修。這不但嚴重降低治療的成功率，造成人力財力的浪費，而且還會對患者心理造成創(chuàng)傷。此外，氧化鋯在X射線成像時會出現放射狀偽影，影響醫(yī)生對病況的準確判斷。

研究表明，氮化硅陶瓷與其他牙科陶瓷相比具有更好的生物相容性與化學穩(wěn)定性，以及更高的強度和斷裂韌性，其磨損率遠遠低于金屬和其他陶瓷材料，同時密度比氧化鋁、氧化鋯和鈦合金等更小[3]，而且醫(yī)用級氮化硅具有生物相容性，在體內穩(wěn)定，并且不會影響X射線成像[4]。還有研究表明，氮化硅陶瓷具有比其他生物材料更好的骨整合性能，對于有孔腔的氮化硅陶瓷，骨細胞能夠向其孔內生長[5]。因此，目前氮化硅陶瓷已經成功應用于骨科修復手術[6]，骨科手術用氮化硅種植體實例如圖1所示。近年來研究人員探索氮化硅陶瓷應用于牙科種植體和全瓷冠等牙科修復領域上，并已取得初步的進展。本文在全面總結氮化硅陶瓷性能的基礎上，綜述了氮化硅陶瓷在牙科修復領域的研究進展，并對未來的研究方向進行展望。

圖1 骨科手術用氮化硅種植體實例[6]Fig.1 Examples of silicon nitride implants for orthopedic surgery[6]

1 氮化硅陶瓷性能特點

1.1 力學性能

氮化硅陶瓷力學性能優(yōu)異，具有較高的斷裂強度、優(yōu)良的耐磨性、韌性和抗熱沖擊性，在工業(yè)制造中得以廣泛應用。從表1中可以看出，氮化硅陶瓷密度為3.15～3.26 g/cm3，只有氧化鋯的一半，更接近于牙齒本身密度；彈性模量為300～320 GPa，遠高于鈦合金(105～115 GPa)，與氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(ZTA)相當(350 GPa)；抗彎強度為800～1 100 MPa，高于標準中冠橋修復的強度要求(500 MPa)[7],是氧化鋁陶瓷的2～3倍，接近氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷和釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷(YSZ)的抗彎強度；斷裂韌性為8～11 MPa·m1/2，遠超過牙科陶瓷的最高要求(5 MPa·m1/2)，是氧化鋁陶瓷的2倍，高于氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(5.7 MPa·m1/2)，與氧化鋯陶瓷相當；維氏硬度在13～16 GPa，與氧化鋁陶瓷接近。

表1 氮化硅與其他生物材料的性能比較[8]Table 1 Performance comparison between silicon nitride and other biomaterials[8]

續(xù)表

1.2 射線成像性能

氮化硅陶瓷能很好地阻擋射線透過，因此與氧化物陶瓷、金屬等牙科修復材料相比，氮化硅陶瓷作為生物植入材料在X射線成像時更加清晰。另外氮化硅陶瓷是無磁性的，在計算機斷層掃描(CT)和核磁共振(MRI)成像時能清晰地顯示種植體周圍組織的整合，不會產生通常在鈦合金植入體周圍觀察到的放射狀偽影[9]。這是理想牙科植入材料的一個重要特征。Andreas等[10]將用氮化硅陶瓷制作的夾板和螺釘植入到小豬額骨，圖2(a)是植入10 d后的X射線圖像，展示了氮化硅植入體的位置；圖2(b)、(c)是CT掃描片，氮化硅植入體和周圍的骨頭能被很好地區(qū)分并且沒有產生偽影；圖2(d)是MRI掃描片，顯示沒有引起成像畸變或產生偽影。

圖2 氮化硅實驗板和螺釘植入原位的放射影像((d)中箭頭為氮化硅夾板的位置，在MRI成像中未見)[10]Fig.2 Radiologic images of the Si3N4 plates and screws in situ(in fig.(d) arrow indicates site of the plate， nonvisible in MRI)[10]

1.3 抗菌性

抗菌性是骨科植入體的一個重要需求。細菌感染會使植入體松動，阻礙骨愈合，從而導致骨科手術的失敗。Gorth等[11]首次研究了Si3N4陶瓷、金屬Ti和樹脂材料聚醚醚酮(PEEK)對革蘭氏陰性細菌的體外增殖作用。結果表明，在72 h后，氮化硅陶瓷表面的細菌數量明顯少于Ti和PEEK，說明氮化硅植入體體外抗菌性優(yōu)于Ti和PEEK。Pezzotti等[12]在氮化硅陶瓷圓盤上培養(yǎng)牙齦卟啉單胞菌(PG)，發(fā)現Si3N4盤表面和細菌代謝成分之間的化學相互作用導致PG裂解和代謝下降。Bock等[13]測試了表皮葡萄球菌和大腸桿菌在PEEK、Ti和Si3N4盤上的增殖，結果表明，經過氮熱、氧化、拋光處理以及未處理的氮化硅植入體表面細菌數量遠少于PEEK和Ti。Webster等[14]在大鼠顱蓋內植入Si3N4、Ti和PEEK后接種表皮葡萄球菌，3 個月后，PEEK、Ti和Si3N4表面的組織細菌計數百分比分別為88%、21%和0%。體外實驗和體內實驗研究結果均表明Si3N4陶瓷具有優(yōu)異的抗菌性。

1.4 生物相容性

生物相容性是指生命體組織與非活性材料發(fā)生反應的一種性能，是生物材料研究中始終貫穿的主題。Kue[15]和Sohrabi[16]等在拋光氮化硅陶瓷(RBSN和SRBSN)和聚苯乙烯(PS,設對照組)表面上培養(yǎng)成骨樣細胞系(MG 63) 48 h，通過三氯醋酸(TCA)沉淀3H-胸腺嘧啶放射性測試分析了MG 63細胞的增殖情況，結果表明(見圖3)拋光氮化硅陶瓷上MG 63細胞增殖數量(cpm)與拋光PS相比相差不大。此外，骨鈣素的產生也證實了成骨細胞的代謝正常[15]，而且培養(yǎng)細胞中的炎癥細胞因子(Il-1β，TNF-α)也沒有增加[16]。體外細胞實驗證明氮化硅陶瓷是一種無毒的生物材料。

Howlett等[17]通過實驗證明了氮化硅陶瓷的體內生物相容性，他們將氮化硅陶瓷植入兔股骨髓腔內3個月后，種植體周圍組織沒有發(fā)生任何炎癥反應。另一項研究表明，植入兔脛骨內的Si3N4陶瓷和Ti種植體在術后8 周內均未引起不良反應，骨愈合情況相似[18]。

1.5 骨整合性能

骨整合性能是指在光學顯微鏡下，正常骨和植入體材料之間看不見軟組織，兩者直接接觸，表現為材料和骨組織的連續(xù)性。Neumann等[19]在研究氮化硅陶瓷在骨中的生物相容性時發(fā)現，在小型豬模型中，用氮化硅陶瓷制作的額骨接骨板與螺釘有著令人滿意的骨整合效果，說明氮化硅陶瓷是良好的面部骨外科生物材料。Silva等[18]在兔模型中發(fā)現8周可以實現脛骨與氮化硅陶瓷植入體的結合，由此計算出植入體與人類骨整合時間為12周。如圖4所示，通過掃描電鏡(SEM)評估氮化硅陶瓷植入體周圍的骨形成，發(fā)現植入體表面有新骨生長，并且有向骨髓腔延伸的趨勢，新生骨中可見營養(yǎng)孔的形成，表明新生骨具有良好的質量[20]。Webster等[14]將Si3N4陶瓷、Ti和PEEK 3種植入體分別植入大鼠顱骨模型中進行比較，3個月后，3種植入體表面新生骨的質量比分別為23%、9%和5%，組織學切片也顯示氮化硅陶瓷植入體周圍形成了更好的新骨，這些實驗都說明氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的骨整合性能。

圖3 成骨樣細胞在拋光氮化硅陶瓷和聚苯乙烯上的增殖情況[15]Fig.3 Proliferative capacity of osteoblast-like cells propagated on polished silicon nitride (RBSN and SRBSN) and PS[15]

2 氮化硅牙科種植體

牙科種植是一種修復牙列缺失和缺損的有效手段，已廣泛應用于臨床[21]。圖5是牙科種植效果圖，它采用人工材料(如金屬、陶瓷等)制成種植體(一般類似牙根形態(tài))，經手術方法植入上下頜骨，待手術傷口愈合后在其上部安裝牙冠。選擇牙科種植材料考慮的因素主要包括種植材料的抗旋轉性、抗折斷性以及耐磨性，如果種植材料抗旋轉性較差，患者在咀嚼過程中容易出現牙齒松動的現象[22]。此外相對于人體其他部位種植體材料，牙科種植體材料表面需要具有更高的生物活性。生物活性主要指生物材料與活體骨產生化學鍵合的能力，較高的生物活性有利于加速獲得骨整合效果。

目前常用的牙科種植材料是PEEK、鈦合金等，PEEK力學強度、生物相容性、粘接性能等較差，而鈦合金制作工藝復雜、價格偏高、表面活性較低[23]、不耐磨損，易引起患者過敏反應和牙齦萎縮等問題而影響美觀。氮化硅陶瓷以其優(yōu)異的綜合性能可以很大程度地避免以上問題，是一種極具前景的新型牙科種植材料。1999年阮世紅等[24]制作了氮化硅復合羥基磷灰石涂層種植體(Si3N4-HA)及單一氮化硅種植體(Si3N4)，并采用骨組織形態(tài)計量學方法，從定量、動態(tài)的角度比較了兩種種植體對周圍骨組織的影響。將Si3N4-HA、Si3N4植入Beagle犬雙側股骨干，分別觀察1、3、6、12個月后取出的股骨，進行骨形態(tài)學和動力學參數的測量，觀察種植體-骨界面的骨代謝情況。結果表明，實驗動物的種植區(qū)傷口皆愈合良好，組織無炎癥、腫脹。氮化硅植入6個月時，種植區(qū)的骨基質生成和礦化速度仍然較快，成骨仍較活躍，種植體和骨的結合還在加強。繼續(xù)測試氮化硅復合羥基磷灰石涂層種植體和單一氮化硅種植體與骨界面的剪切強度[25]，結果表明，早期有涂層的種植體其界面結合強度高于無涂層樣品，6個月時兩種種植體與骨界面的剪切強度無顯著性差異，Si3N4-骨界面的結合強度略高，這一結果與骨計量學分析結果一致。羥基磷灰石(HA)涂層種植體穩(wěn)定性高，但HA涂層能否保持長期穩(wěn)定，特別是在咀嚼壓力下能否維持其原有特性，尚須進一步研究。同年，徐連來等[26]采用等離子噴涂技術在氮化硅陶瓷基底上噴涂羥基石灰石涂層，處理后的氮化硅陶瓷表面呈熔合狀態(tài)，HA顆粒較大且大小顆粒表面熔合相嵌，且有明顯的貫通孔道，這有利于骨組織的生長。2005年阮世紅等[27]使用等離子噴涂技術制備了氟磷灰石(FA)涂層氮化硅陶瓷種植體，將其植入動物體內并計算了骨動力學參數。掃描電鏡顯示種植體涂層與骨接觸的部位未見溝隙存在，FA涂層種植體與宿主骨形成骨性結合，這是目前公認的比較理想的結合類型。該結果連同早期報道的HA涂層氮化硅種植體的結果都說明在氮化硅陶瓷種植體涂覆生物活性陶瓷涂層后其早期成骨更為活躍，結合強度也更大。

3 氮化硅樁核冠

樁核冠是修復大面積牙體缺損的一種常用的修復方法。大面積牙體缺損是指患牙冠部硬組織大部缺失，甚至累及牙根。由于剩余的牙體組織量少，無法單獨使用全冠獲得良好固位。為了增加固位，將修復體的一部分插入根管內，這部分修復體被稱為樁。早期的樁和冠是一體的，稱作樁冠；目前已對使用的樁冠進行了改良，如圖6所示，樁和外面的全冠是分開制作的，各自獨立，核是固定于樁之上,與牙冠剩余的牙體硬組織一起形成最終的全冠預備體，為全冠提供固位,故稱作樁核冠。

圖6 樁核冠修復示意圖Fig.6 Schematic diagram of post-core crown restoration

金屬鑄樁核冠會因為微滲漏的存在，發(fā)生不同程度的氧化，長時間使用后金屬離子析出，對牙齦牙體產生顏色滲入，從而影響美觀，而全瓷樁核冠不存在氧化的問題，不會對牙齦及牙體的基本色澤產生影響。Wasanapiarnpong等[28-29]以Y2O3、SiO2、MgO(質量比為3 ∶3 ∶5)作為燒結助劑，在1 650 ℃氮氣氛圍下無壓燒結制備了氮化硅陶瓷并將其用作樁核冠，其楊氏模量和維氏硬度值分別為300 GPa和18.4 GPa，抗彎強度和斷裂韌性分別為980 MPa和6.6 MPa·m1/2。細胞毒性檢測(MTT)結果表明，氮化硅無毒，可以用作牙科材料。Wang等[30]通過凝膠注模成型和無壓燒結制備出多孔氮化硅陶瓷，然后對其進行聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)滲透，固化后得到聚合物滲透Si3N4復合材料(PISNC)，該材料的孔隙率和抗彎強度分別為1.94%～2.28%和273～385.3 MPa，其硬度與彈性模量分別為2.4 GPa和56.1 GPa，與牙釉質相似，咬合時不會對其他牙齒造成傷害。此外，PISNC還表現出優(yōu)異的生物相容性，圖7對比了PISNC、PMMA和Si3N4陶瓷表面培育人體牙齦纖維細胞(HGfs)的情況。由圖可見，1 h后，PMMA表面HGfs的絲狀偽足很少，而PSN60(用固體質量含量為60%的懸浮液制備的PISNC)和Si3N4陶瓷表面HGfs的絲狀偽足或片狀偽足較多且清晰，且隨著培養(yǎng)時間的增加，PSN60和Si3N4陶瓷表面HGfs的增殖數量更多，說明PISNC和Si3N4陶瓷對HGfs的粘附、擴散、增殖有促進作用，有利于其在牙科修復材料中的應用。

圖7 在PISNC、Si3N4及PMMA表面培養(yǎng)不同時間的人體牙齦纖維細胞的SEM照片[30]Fig.7 SEM images of HGfs cultured on sample surfaces of PISNC, Si3N4 and PMMA for different time[30]

4 氮化硅飾面瓷

20世紀60年代問世的瓷熔附金屬(PFM，Porcelain Fused to Metal)技術對于牙科修復材料的發(fā)展而言是一次劃時代的革命，它將低熔瓷熔附于金屬表面制成修復體[31]。這種熔附于金屬表面的瓷稱作飾面瓷，其主要作用是為牙冠提供美觀和咬合功能。飾面瓷早期主要用于金屬基底，現在多用于全瓷冠修復體。飾面瓷要求具有與天然牙相近的顏色、透明度、力學性能以及良好的生物相容性，同時其熱膨脹系數要低于基底材料的10%，以便在二者界面上產生一定的壓應力，利于飾面瓷和基底的結合[32]。目前商售飾面瓷主要與氧化鋯和金屬等基底配套使用，熱膨脹系數在10×10-6/℃左右，與氮化硅的熱膨脹系數(3.0～3.5×10-6/℃)嚴重不匹配，無法用于氮化硅陶瓷。此外，氮化硅陶瓷的顏色通常為黑色，與牙齒顏色相差較大，不能滿足美觀的要求，所以更加迫切需要研發(fā)與氮化硅陶瓷相匹配的飾面瓷，但目前這方面的研究報道有限。

Wananuruksawong等[33]制備了涂覆于氮化硅陶瓷的硼酸鹽飾面瓷，在硼酸鹽玻璃粉中添加5%(質量分數)的氧化鋯粉，混合均勻后加入30%(質量分數)的聚乙烯醇溶液，涂覆在氮化硅陶瓷表面，然后在1 100～1 200 ℃下燒結。制得的飾面瓷呈白色且半透明，起到很好的美觀效果；其熱膨脹系數為3.98×10-6/℃，與作者自制氮化硅陶瓷基底的熱膨脹系數(3.48×10-6/℃)接近，可以粘附在氮化硅陶瓷上而不會開裂、剝落；飾面瓷硬度為4 GPa，與人類牙齒的硬度(3～5 GPa)相當，咬合時不會對天然牙造成損傷。之后的細胞毒性測試表明，該硼酸鹽飾面瓷無毒，且與人的牙齦和牙周組織生物相容[29]，可以安全應用于牙科修復。但該研究只對這種飾面瓷的熱膨脹系數、硬度、色度、細胞毒性進行了探究，忽略了力學性能、化學穩(wěn)定性和放射性等。此外，該硼酸鹽飾面瓷的熱膨脹系數仍大于氮化硅基底的熱膨脹系數，這對兩者的結合強度也會產生不利影響。

5 結論與展望

氮化硅陶瓷具有良好的力學性能、射線成像性能、抗菌性、生物相容性和骨整合性能，已成功應用于骨科修復。近年來，研究人員探索將其用于牙科種植體、樁核冠，已取得了可喜的進展，展現出氮化硅陶瓷在牙科修復材料領域良好的應用前景。但總體上目前的研究才剛剛起步，未來還需從以下方面開展進一步研究:

(1)多孔氮化硅陶瓷用作牙科種植體可以獲得更好的固定與骨整合效果，但是其強度較低，有待進一步提高，同時還需優(yōu)化隙結構；

(2)致密氮化硅陶瓷也可用作牙科種植體，但是需要結合更多的動物實驗來研究；

(3)致密氮化硅陶瓷用作牙冠時硬度較高、加工困難、燒結溫度高，故成本較高，可以通過優(yōu)化工藝、改善燒結助劑進一步降低氮化硅的燒結溫度，還可以通過陶瓷3D打印技術解決陶瓷的成型、加工問題，降低氮化硅的加工成本；

(4)氮化硅本身顏色為灰色或灰黑色，透光性較差，不滿足美觀要求，且目前尚無與氮化硅陶瓷熱膨脹系數相匹配的飾面瓷，相關研究也較少，需要加強氮化硅陶瓷飾面瓷的開發(fā)及其與氮化硅陶瓷界面結合的研究。

可以預見，隨著對氮化硅陶瓷牙科修復材料重視程度的日益提高和相關研究的不斷深入，上述問題將會得到有效解決，氮化硅陶瓷將會在牙科修復領域中得到廣泛應用。