齒科氧化鋯材料半透明性對比研究*

林 冰 邵翌鑫 王 博 陳劍鋒

人眼能夠通過顏色、亮度、半透明性、乳光等光學特征的細小變化來區別天然牙與修復體義齒[1]。因此，為了滿足患者對美觀的需求，制作的修復體應力求與天然牙在形態結構和光學特征等方面保持一致[2-6]，全瓷修復體系開始逐漸替代金瓷修復體系[2,7-9]。為了彌補氧化鋯材料低透光性的特點，氧化鋯內冠經常與長石質飾面瓷聯合應用以呈現更自然的外觀[10,11]，當修復體內冠的半透明性較好時，使用透明色粘接劑粘接修復完成后，牙齒反射的光中包含牙本質的顏色，呈現出自然美觀的美學修復效果，使修復體自然地展現在天然牙列中[12]。可見光區的波長范圍是380nm～780nm，對于氧化鋯材料這種具有半透明性的材料來說，透射率百分比（T%）是描述材料半透明性的最直接評價方法[13]。

1.材料與方法

本實驗所研究的齒科氧化鋯材料樣品來自12家齒科材料制造公司,均為無色的初燒結鋯塊，（見表1）。

表1 實驗分組設計

1.1 主要設備 紫外/可見/近紅外分光光度計（Perkin Elmer，Lambda 750S，United States），掃描電鏡（卡爾蔡司，SUPRA 55 SAPPHIRE,Germany），氧化鋯燒結爐（Zirkonzahn，Zironofen600,Italy），鑄瓷爐（Ivoclar Vivadent，EP600,Fürstentum Liechtenstein），離子鍍膜儀（EIKO，IB-3，Japan)，打磨機（Marathon，Multhi600，Korea），超聲波清洗機（潔盟清洗設備有限公司，JP-008，中國），高精度數顯卡尺（QST EXPRESS，中國），水砂紙（STARCKE，MATADOR WASSERFEST，Germany），金剛砂拋光磨頭（北苑特種陶瓷有限公司，中國），95%醫用酒精（山東利爾康醫療科技有限公司，中國）。

1.2 樣品制備[11]使用打磨機和金剛砂刀片從預燒結的氧化鋯鋯盤上低速切取尺寸為（12.50mm×12.50mm×0.63mm)±0.05mm大小的樣品。氧化鋯和壓鑄瓷塊樣品按照廠家推薦的程序燒結完成。二次燒結后的氧化鋯瓷片和壓鑄瓷塊樣品進行低速打磨拋光和調整厚度。使用2500目、3000目、5000目、7000目水砂紙依次對樣品進行精細拋光。流水沖洗后將其放入超聲波清洗機中，配合95%酒精溶液超聲清洗5min，洗凈后使用壓縮空氣吹干樣品并放入防塵袋中保存。樣品最終尺寸為（10mm×10mm×0.5mm)±0.05mm，（見圖1）。

圖1 制作完成的樣品

1.3 直接測量方法 根據儀器使用說明，對分光光度計Lambda 750S 設置如下主要參數：“測試范圍:780nm～380nm”“狹縫寬度：2nm”；資料間隔:1.00nm”“縱坐標類型:%T”。將樣品放入分光光度計的測量夾具中。對各組5個樣品分別進行測量，各個樣品重復測量3次并記錄數據，（見圖2）。

圖2 樣品夾具放置在紫外分光光度計中

1.4 掃描電鏡分析 使用離子鍍膜儀對不導電的氧化鋯樣品觀察面進行噴金處理，根據儀器使用說明，鍍膜厚度為5nm～10nm，噴金時間為20min。處理過的樣品依次放入掃描電鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）觀察臺上，觀察放大20000 倍的樣品表面形貌，測量樣品晶粒尺寸范圍及對樣品進行化學元素分析。

1.5 統計學分析 使用SPSS 19.0 軟件對實驗結果進行單因素方差分析及LSD 多重比較檢驗，（P<0.05）。

2.結果

2.1 直接測量法分析結果12組樣品可見光區透射率測量結果（見表2）。12組樣品透射率LSD多重比較檢驗結果（見表3）。經統計學分析可知,鑄瓷材料與氧化鋯材料在可見光區的平均透射率存在統計學差異，IPS e.max Press壓鑄瓷塊在可見光區的平均透射率明顯高于氧化鋯材料。11種氧化鋯材料的可見光區平均透射率從高到低排序為：VITA HT White>Vitang YZ>Besmile·Bojingci TT>Zirkonzahn HT>XTcera X-CERA ST>Besmile HT>AiditeHT>Zotion HT>Upcera ST>Noritake NW-STML>Wieland Dental T。

表2 12組樣品可見光區透射率測量結果

表3 12組樣品透射率的多重T檢驗結果

2.2 SEM 分析結果12 組樣品在20000 倍時的SEM 圖像（見圖3)。利用SEM 系統測量工具在圖像中隨機選取100個清晰飽滿晶粒進行晶粒尺寸測量，測量結果具有代表性，能反映出晶粒尺寸范圍。照片經觀察及測量發現：I 組樣品的氧化鋯晶粒尺寸在300nm～1100μm 間浮動，其他10 組樣品的氧化鋯晶粒尺寸在50nm～900nm 間浮動，為納米級氧化鋯晶粒。A 組、E 組、I 組樣品中含有較多未長大的氧化鋯晶粒（<50nm）。C 組、K 組樣品中見氧化鋯晶粒緊密排列，極少有孔隙形成；A 組、B 組、D組、H 組、J 組樣品中較少有孔隙形成，孔隙直徑約50nm～200nm；E組、F組、G組樣品中有較多的孔隙形成，孔隙直徑約100nm～300nm；I 組樣品中有較多的大尺寸孔隙形成，孔隙直徑約300nm～750nm。H 組樣品中可以明顯觀察到氧化鋯晶粒成球形，晶粒尺寸比其他組更均勻，大部分長大的氧化鋯晶粒尺寸在400nm～700nm 間浮動。L 組樣品中可以觀察到不規則排列的片層狀二硅酸鋰晶體及明顯的孔隙。

圖3 12組樣品20000倍SEM圖像

2.3 齒科氧化鋯材料成分分析結果11種齒科氧化鋯材料所含主要元素及元素的質量百分比平均值（wt%）如表4 所示。在被測量的11 組齒科氧化鋯材料中，測量樣品的主要成分為：氧化鋯ZrO2、氧化釔Y2O3、氧化鋁Al2O3、氧化鉿HfO2。

表4 11種齒科氧化鋯材料所含元素的質量百分比平均值（wt%）

3.討論

該研究對11種齒科氧化鋯材料和1種二硅酸鋰玻璃陶瓷材料的半透明性水平進行了分析。實驗樣品均選用無色的氧化鋯瓷塊，排除了顏色對材料半透明性的影響[14]。本實驗所選擇的樣品，可以直觀的比較常用國產齒科氧化鋯材料與進口齒科氧化鋯材料在半透明性方面的差別，相對客觀的評價了國產齒科氧化鋯材料半透明性的發展水平，彌補了國產齒科氧化鋯材料半透明性研究數據的空白。

在實驗設計方面，國內外學者普遍使用半透明參數（Translucency Parameters，TP）來評價齒科氧化鋯材料的半透明性[2,11,14]。然而，直接測量法是評價材料半透明性較直觀和準確的方法。由于測量設備的要求，使用透射率百分比（T%）來評估齒科氧化鋯材料半透明性的數據較少[1,12,15,16]。以往的研究對國產齒科氧化鋯材料缺乏關注，并且實驗對象設置較少，一般設置4～6組，各組3～5個樣品[12,15,16]。為使實驗結果更客觀，本實驗共設置12組、各組5個樣品，總計60個測量樣品，并對測量樣品的表面進行了精細拋光處理，降低了表面粗糙度對半透明性測量造成的誤差。在相同實驗條件下，各個樣品經反復多點多次測量，具有較高的臨床指導意義。

Vagkopoulou、Kim[17，18]等學者認為，晶粒尺寸的大小影響材料的半透明性，擁有較小晶粒尺寸的齒科氧化鋯材料具有更高的半透明性。當晶粒尺寸在納米級別時，由孔隙引起光散射的影響會顯著降低。大于50nm的孔隙會引起明顯的光散射，當孔隙直徑在光的波長范圍內時，具有最大散射率。因此，當多晶材料的晶粒尺寸小、尺寸均勻且孔隙率及孔隙直徑小時，其顯示出高透射率[17，18]。本實驗中，通過對晶粒尺寸的觀察分析發現，I組樣品同時存在較小的納米級氧化鋯晶粒和較大的微米級氧化鋯晶粒，并含有較多未長大的氧化鋯晶粒，導致晶粒排列不緊密，出現較多的孔隙，且多數孔隙直徑較大，部分孔隙直徑達300nm以上，使氧化鋯材料表現出較低的透光率。在半透明性相對較高的樣品中，C組、D組、J組樣品晶粒間緊密排列，孔隙極少且直徑較小；擁有最高透射率的H組樣品中的晶粒呈球形，晶粒尺寸比其他組更均勻為400nm～700nm，晶粒尺寸的均勻性可能是影響氧化鋯材料半透明性的重要原因。E組、F組、G組樣品雖然晶粒間孔隙較多，但是G組表現出較高的透光率；晶粒分布較好的A組、B組、K組樣品透光率卻較低。本實驗觀察到的二硅酸鋰玻璃陶瓷晶體排列不規則，存在較多孔隙，是二硅酸鋰玻璃陶瓷中半透明性較低的材料，但是其半透明性仍然遠高于具有高半透明性的氧化鋯材料，這反映出材料本身之間半透明性差距。

齒科氧化鋯材料與其他齒科陶瓷材料相比，具有高強度、高抗斷裂性、高斷裂韌性和高維氏硬度的優勢。當氧化釔（Y2O3）的含量在3mol時，齒科氧化鋯材料表現出最佳的綜合力學性能[19]。本實驗通過對材料的成分分析發現，與3.0wt%（Y）相比，Y元素的質量百分比平均值為A組3.5wt%、B組3.23wt%、E組3.22wt%，Y2O3含量相對偏高；I組2.41wt%、K組2.37wt%，Y2O3含量相對偏低，這五組樣品表現出相對較低的透光率。C組樣品中所含Y元素為2.87wt%，在電鏡觀察中，C組與K組晶粒分布相似，但是在透光率方面相差較大。在齒科氧化鋯材料中添加有約0.25 wt%的氧化鋁（Al 0.13wt%），它能有效的防止齒科氧化鋯材料的低溫降解（Low Temperature Degradation，LTD）。在透光率較低A組與B組中添加了較少的Al2O3，Al元素的質量百分比平均值為A組0.06wt%、B 組0.06wt%。G 組中添加的Al2O3（0.04wt%）最少，但是添加了較多的HfO2（Hf 2.93wt%），雖然晶粒的分布中有較多的孔隙形成，但是仍然具有較好的半透明性。HfO2含量較少的三組中Hf元素的質量百分比平均值為E組2.2wt%、J組2.26wt%、K組2.16wt%，這三組中透光率較好的J組添加的Y含量更接近3.0wt%。

根據本實驗的研究結果，IPS e.max Press 壓鑄瓷塊的可見光區平均透射率可達到38.90%±1.55%。在臨床應用中，對于輕度變色的基牙，需要使用帶遮色效果的樹脂粘接劑進行粘接。以往的研究認為[20]，樹脂粘接劑會使鑄瓷修復體變色，這是造成美學效果改變主要原因。2018年Prieto[21]等學者認為，齒科用樹脂粘接劑（義獲嘉 Variolink N 高度美學瓷貼面粘接套裝，Bleach XL 帶遮色效果的漂白色）雖然在修復體粘接完成時可以獲得良好的遮色效果，但經過長時間的熱老化作用，粘接樹脂出現顏色改變。經過本實驗的研究，當需要修復的前牙為中重度四環素牙、金屬樁核等基牙顏色較深時，選擇半透明性合適的氧化鋯基核貼面既具有一定的遮色能力，又能較好的恢復美學效果，比如貝施美·鉑晶瓷牌TT 特透瓷塊、VITA牌HT White 瓷塊，都具有較高的半透明性。但是，當患者的美學期望過高時，應謹慎使用。

由于材料機械強度的限制，臨床推薦標準氧化鋯內冠的厚度為0.5mm，全鋯全瓷修復體的臨床推薦厚度為1mm，上飾瓷的雙層氧化鋯全瓷修復體的臨床推薦厚度為1.5mm～2mm[11]。不斷提高氧化鋯材料半透明性的最終目的是拋棄飾面瓷的使用。在美觀方面，隨著氧化鋯陶瓷半透明性的提高和分層彩色氧化鋯陶瓷進入市場，可以依據基牙的顏色和齒科氧化鋯材料的半透明性作為參考，選擇顏色及半透明性與基牙相近的氧化鋯材料。如果拋棄飾面瓷，選用全鋯全瓷修復體，這樣既能滿足顏色的和諧統一，又能采用更保守的牙齒預備設計，較小的修復空間既能滿足修復體強度的要求又能保留更多健康的牙體組織。具有較高半透明性的全鋯全瓷修復體既能表現出良好的美學效果，又能解決氧化鋯內冠與飾面瓷的瓷分層問題。飾面瓷雖然相對美觀，但是Geminiani[22]等學者認為，當飾面瓷的厚度超過2mm時，修復體斷裂破壞機率增加，金瓷修復體的失敗率高于全瓷修復體，而且賤金屬基底比貴金屬基底的失敗率更高。學者們不斷探索通過界面二氧化碳（CO2）激光照射、摻鉺釔鋁石榴石（Er：YAG）激光照射等提高飾面瓷與氧化鋯基核結合強度的方法，并收獲了一定效果[23]。但是Lundberg[24]等學者認為，物理學測試所檢測到的強度增加是否具有臨床意義，還需要進一步的驗證。增加結合界面無疑是增加了全瓷修復失敗的潛在風險，眾多研究表明，全鋯全瓷修復體的廣泛應用是全瓷修復的發展趨勢。作為反應美學效果的一個重要指標，了解所使用材料的半透明性十分必要。

綜上所述，Ivoclar Vivadent 公司生產的IPS e.max Press易美壓鑄瓷塊的半透明性高于本實驗所測量的其他氧化鋯材料的半透明性。半透明性較高的VITA HT White 瓷塊的氧化鋯晶粒形態尺寸均勻，是各國材料需要進一步研究靠攏的目標。齒科氧化鋯材料的半透明性受晶粒尺寸、晶粒分布及添加氧化物的質量等因素相互影響。在臨床應用時，可以根據基牙的位置、顏色、半透明性及修復空間等因素選擇半透明性相適應的齒科氧化鋯材料進行修復。