氧化鋯修復體光學性能的研究進展*

陳春霞 張亞東

在牙科陶瓷中，氧化釔穩定四方多晶氧化鋯陶瓷(yttia stabilized tetragonal zirconia，Y-TZP)機械強度高達1000MPa，可達到修復體所需機械強度，但它的不足之處在于顏色半透明性較差，這給美學修復過程造成不便[1]。臨床上通過增加飾面瓷來滿足美學要求,但這又會引起牙齒預備量大，天然牙受損風險增加，同時帶來修復體崩瓷的風險，導致修復失敗[2]。因此如何提高氧化鋯材料的美學效果一直是研究熱點，本文對氧化鋯陶瓷光學性能的影響因素做一綜述。

1.氧化鋯晶相結構對顏色的影響

氧化鋯有三種晶相：在1170℃表現為m 態斜方相，在2370～1170℃為t 態四方相，在2680～2370℃為c 態立方相，三種晶相在一定條件下可以相互轉化，加入不同添加劑(CaO，Y2O3等)可以把氧化鋯穩定在不同晶相狀態[3]。Y-TZP 強度高，但美觀性能不是最好[4]，這是因為氧化鋯表面產生散射和折射光線量大于透射光線，導致呈現出的白色與牙體顏色相差較大。然而，有學者[5]發現，當四方相晶體減少，立方相晶體增加，氧化鋯的半透明度增加。不同晶相氧化鋯表現出不同的光學特性，這是因為立方相阻止了晶界上的光的折射和散射，導致光的透過率下降。Baldissara P 等[6]把新型立方相超高透光度(UT)和超透光度(ST)氧化鋯與二硅酸鋰(L-DIS)玻璃陶瓷做成A2 色整體式冠進行比較，測試的最大厚度(UT1.5)下，ST1.0 和UT1.0冠也顯示出比L-DIS 明顯更高的半透明度。作者認為立方相氧化鋯表現良好的透光性，這是因為立方晶體具有各向同性折射率，從而減少Y-TZP 陶瓷典型的晶界高散射。當大多數四方晶體被各向同性立方晶體取代時，陶瓷半透明度得到提高[7]。但四方晶相氧化鋯被立方晶相取代，是否影響氧化鋯的強度，需要進一步的研究證明。

2.氧化鋯透光性對顏色的影響

透光率是表示光線透過介質的能力，是透過透明或半透明體的光通量It與其入射光通量I0的百分率，以T 表示，即T=It/ I0。物體的顏色是由它對入射光的反射與吸收的量和波長選擇性不同造成的，透光率與色度值之間存在著相關性，是決定物體顏色的重要因素之一。

當一部分沒有反射的光線穿透半透明材料產生散射和透射，特別是表面之下的散射更利于模仿天然牙的外觀效果。如果大部分光線被吸收或漫反射，材料就呈現出不透明外觀；如果光線在材料內散射或者大部分光線透射，物體就呈現半透明外觀。氧化鋯是半透明材料，1mm 厚度氧化鋯透光率在20%～50%之間[8]。有學者[9]對三種品牌(Lava、Upcera、Doceram)不同顏色、不同厚度(0.9mm、0.6mm、0.3mm)的氧化鋯瓷片進行透光率測量，不同品牌之間瓷片的透光率無差異，不同厚度瓷片的透光率范圍分別為13.67%～27.47%、18.05%～33.96%、25.24%～39.73%，差異有統計學意義。隨著瓷片厚度增加，透光率降低；隨著瓷片亮度增加，透光率升高；瓷片越偏藍色，透光率越高。

氧化鋯陶瓷的可見光透光率(VLTP)小于50%時，不能很好復制天然牙顏色[10]。近幾年，生產廠家把氧化鋯透光率分為五個等級：低透、中透、高透、超透、超高透光率。低透、中透氧化鋯是以四方相氧化鋯材料作為骨架，再滲透高透光率的玻璃材料，兼顧兩種陶瓷優點；高透、超透、超高透氧化鋯多用作整體式氧化鋯。目前臨床應用的氧化鋯材料種類繁多，其透光率各有不同，比如1mm 厚度的DD cubeX2、DD cubeX2ML、Cercon xt 氧化鋯透光率達49%；日本Kuraray 公司推出0.5mm厚度STML、UTML 氧化鋯透光率分別為38%、43%；國內愛爾創公司推出1mm 厚度ST 超透氧化鋯透光率達43%、玉瓷TT 白色氧化鋯瓷塊達49%。以上常用氧化鋯材料最高透光率49%，仍然小于50%，單純依靠氧化鋯材料本身很難逼真再現天然牙顏色。另外，Carrabba M[11]研究認為0.5mm 厚度的KATANA Zirconia UTML 氧化鋯透光率43%，彎曲強度為557MPa，其強度低于四方相氧化鋯材料(1200MPa)，這將增加超高透氧化鋯折裂的風險，為此推薦臨床最低厚度為0.8mm 以保證強度，但厚度增加，將導致透光率下降[12]。

3.氧化鋯瓷層厚度對顏色的影響

透明和半透明的物體越厚，透光率越小，觀察到物體的顏色也會發生改變，厚度是影響氧化鋯陶瓷光學特性的一個重要因素[13]。厚度為1.0mm的人牙本質的透光率值為16.4，人牙釉質為18.1。厚度為1.0mm 四方相氧化鋯陶瓷的透光率為5.5～13.5，小于人牙本質和牙釉質的透光率，所以單純應用氧化鋯材料逼真再現天然牙顏色十分困難。由基底瓷和飾面瓷構成的雙層氧化鋯修復體是最常見的解決方式，基底瓷厚度通常為0.5～1.0mm 和飾面瓷厚度為0.4～0.7mm[14]，可以使修復體更加逼真且富有質感。

3.1 氧化鋯基底加飾面瓷 氧化鋯全瓷修復體的基底瓷顏色較單一，半透明性較差，要滿足前牙的美學修復以及我國患者人群牙齒顏色的復雜性，需加飾面瓷調節，使得修復體的顏色與形態可比擬天然牙，擁有較一致的半透明性。

基底瓷厚度與飾面瓷厚度均會對氧化鋯的顏色產生影響，進一步影響臨床修復效果。史也等[15]選取4 種不同顏色的氧化鋯瓷塊(pure 色、light 色、meduim 色、intense 色)厚度為0.5mm的正方形試件各10 件，依次分為A、B、C、D 四組，并均勻涂塑B3 色的牙本質瓷1.0mm，用Crystaleye 比色儀依次測量全部試件的色度值，并選用Crystaleye分析軟件中的Vita Classical 比色板對試件進行比色，結果發現ABCD 四組試件組間的亮度值、紅綠值、黃藍值差異均具有統計學意義。四組試件組間的色差值均大干1.5，即肉眼可辨識出四組試件的顏色差。應用Crystaleye 分析軟件中的Vita Classical 比色板的比色結果均為B3。其中與B3比色片色差值最小的為C 組試件。這提示我們在基底瓷厚度(0.5mm)，飾面瓷厚度(1.0mm)且顏色相同的情況下，不同顏色的基底瓷使修復體的色度值發生變化，基底瓷的顏色可較大程度影響修復體的最終顏色，可通過選擇基底瓷的顏色以達到與天然牙匹配的色彩。而當氧化鋯基底瓷厚度不變，納米氟磷灰石飾面瓷厚度為0.5mm、1.0mm、1.5mm時，用分光光度計檢測，隨著總厚度的增加，亮度降低、色調值增加、飽和度無有意義的變化[16]。Wittneben J 等[17]在氧化鋯基底冠上加以飾面瓷，并評估粉紅色美學評分(PES)和白色美學評分(WES)值，結果氧化鋯修復體表現出令人滿意的美學效果。

3.2 整體式氧化鋯 臨床上應用飾面瓷解決氧化鋯修復體透光性差的問題，同時也帶來了新的問題。氧化鋯基底上的飾面瓷厚度需要超過1mm，試件的顏色才能滿足美學要求，達到肉眼不能區分的程度，否則基底瓷顏色會影響美學效果。這意味著要大量磨除牙體才能做足夠厚的飾面瓷，患者天然牙受損增加。由于飾面瓷和基底冠之間結合較差，臨床上氧化鋯修復體的失敗多由于飾面瓷斷裂[18]。不加飾面瓷的整體式氧化鋯成了解決氧化鋯修復體崩瓷問題的有效方案。

整體氧化鋯修復體具有無分層、更簡單和制作時間短的優勢。為此，不少學者研究整體式氧化鋯的透光性。Tabatabaian F 等[19]把兩種不同整體式氧化鋯陶瓷制成三種厚度，覆蓋在A4 色遮蓋的基礎材料或預備體上，評估底色對整體式氧化鋯陶瓷的最終顏色的影響。他們指出：整體式氧化鋯陶瓷的厚度影響其最終的顏色。為了達到臨床可接受的最終顏色，整體式氧化鋯陶瓷的最小厚度應該是0.9mm，這項研究的結果僅限于兩種具有特定色調的陶瓷品牌和測試的基材色調，其他基材色調與其他品牌整體式氧化鋯的匹配產生的顏色效果仍需要繼續研究。在此基礎上Tabatabaian F 等[20]繼續研究并提出，當牙齒背景是A2、A3 色調時，整體式氧化鋯厚度≥1.1mm 可達到臨床接受的顏色效果。Kim 等[21]把氧化鋯試樣分五組，打磨厚度2mm試樣逐漸減薄至1mm，反射分光光度計在D65 光源下檢測試樣，發現厚度越薄亮度降低，色調增加，而飽和度減少，發紅、發藍和透明度趨勢增加。氧化鋯厚度越薄，基底顏色越容易透出下面覆蓋的粘接劑以及基牙顏色，需要對粘接劑、品牌和色調以及基底遮蔽進行更多的研究，以確定特定基礎材料所需的最小陶瓷厚度，增加整體式氧化鋯修復體的美學效果。

透光率更高的單塊氧化鋯陶瓷以及透明度較低的氧化鋯基底都具有同樣特性，氧化鋯厚度增加，氧化鋯的美學效果增加。然而，增加氧化鋯厚度勢必會增加牙體組織預備量，增加活髓牙牙體預備穿髓的風險以及因剩余牙體組織減少帶來的強度降低的問題。目前，科學證據支持在前牙區不涉及美學的區域，如舌面，使用整體式氧化鋯，氧化釔穩定四方多晶氧化鋯陶瓷修復體的最小厚度為0.5mm[22]即可滿足要求。

4.氧化鋯染色方式對顏色的影響

由于氧化鋯瓷塊顏色欠佳，臨床上多采用染色的方式來提高美學效果，但并不改變陶瓷的晶相結構[23]。所采用的染色劑是過渡金屬或稀土金屬氧化物，制備技術的關鍵在于，著色劑均勻分布在陶瓷基底中。牙科氧化鋯陶瓷的染色方法分為浸泡染色法和預成染色法。前者是液態，后者是固態，其操作方式不同，染色后的效果也不同。

4.1 浸泡染色法對氧化鋯顏色影響 浸泡染色法又名外染色法，是將預燒結氧化鋯浸入含有專用金屬氧化物離子的染色液中滲透，然后燒結。染色后的全鋯義齒顏色均勻，后期亦可根據需求進行個性化染色。這種染色方法在一定程度上影響氧化鋯的光學性能。

劉小麗[24]將不同厚度的Upcera-ST 白色氧化鋯浸泡在專用的A2 色染色液中，在不同時間段測量亮度、色調、彩度值，發現浸泡染色時間對Upcera-ST 白色氧化鋯陶瓷燒結后的表面色彩特征和染色滲透深度有影響。試件厚度相同時，隨著浸泡染色時間增加，表面色彩的明度降低，彩度增加。若浸泡染色時間相同，隨著試件厚度增加，表面色彩的明度降低，彩度升高。時間和厚度存在交互影響，厚度小的試件需要較長的浸泡時間才能達到所期望的色彩，厚度大的試件要較短的時間即可達到所期望的色彩。隨著浸泡染色時間增加，染色劑滲透深度增大，表面明度降低，彩度增加。為此，作者提出，為了獲得較好的染色效果，全鋯冠的牙體預備中應盡可能制備出1.2mm 左右的空間，浸泡染色時間控制在120～180s 為宜。Giti R等[25]研究認為增加染色液用量，氧化鋯塊亮度降低，色調和飽和度增加，使之看起來更紅、更黃。減小氧化鋯塊厚度，氧化鋯塊亮度、色調、飽和度均增加，使得氧化鋯塊具有紅、黃的外觀，這與Gülce Alp 等[26]人在研究染色技術和氧化鋯塊厚度對半透明氧化鋯顏色的影響中的結果一致。Kaplan等[27]人將氧化鋯盤分別浸入含有NiCl2、MoCl3、NiCl2+MoCl3溶液中染色，質量百分比為：0.1wt%、0.25wt%、0.5wt%，染色時間為5s、30s、60s。研究后得出結論：氧化鋯塊顏色與染色液成分、濃度密切相關，與時間無關；濃度為0.1wt%、0.25wt%含MoCl3的染色液可達到臨床接受的顏色。

4.2 預成染色法對氧化鋯顏色的影響 預成染色法又名內染色法，將稀土氧化物和過渡金屬氧化物等著色劑添加到氧化鋯粉體中，切削燒結后呈現出最終顏色，是對氧化鋯材料的整體著色。王興明等[28]在3Y-TZP 粉體中分別添加不同質量分數的Fe2O3、Er2O3、CeO2Pr6O11等氧化物著色劑粉體。結果發現添加4 種氧化物著色劑后，陶瓷表面色澤均勻，正反面色差小，添加Fe2O3、Pr6O11、CeO2的陶瓷均呈黃色，添加Er2O3的陶瓷呈粉紅色，Fe2O3與Er2O3的添加對陶瓷的紅綠值影響較大,而Pr6O11和CeO2的添加對黃藍值影響較大。劉麗菲[29]研究將不同金屬氧化物(Fe2O3、CeO2、Co2O3、NH4VO3)添加到氧化鋯粉體中，發現Co2O3、NH4VO3著色力最強，添加少量即可呈亮麗的色彩，在不加Al2O3增韌劑的彩色氧化鋯陶瓷試樣中，Fe2O3使試樣呈深紅色；Co2O3+NiO 使試樣呈綠色，通過調配比例，制得了令人滿意的增韌彩色氧化鋯陶瓷制品。陳劍鋒等[30]把不同質量分數Fe2O3、CeO2粉體加入氧化鋯粉體中，燒結后形成終燒體，經VITA Easyshade 比色儀進行顏色測定后，發現添加CeO2后材料的明度為85 左右，色調稍有降低，顏色色調向黃綠色相偏移。添加Fe2O3能顯著降低氧化鋯陶瓷的明度，使材料色調向黃紅色相偏移。李皓鵬等[31]研究了在氧化鋯陶瓷加入Fe2O3和Al2O3的摻雜，制得的Al2O3-Fe2O3/ 3Y-TZP 梯度復合陶瓷，色度由紅黃向白色呈梯度變化，這與天然牙顏色分布規律一致。其力學性能也呈梯度變化并從無色端到有色端逐漸降低，撓曲強度≥800MPa，撓曲強度亦呈梯度下降，仍可滿足后牙長橋修復需求。

5.時間對氧化鋯顏色的影響

口腔是一個潮濕的化學環境，溫度在4～60℃變化，PH 在6.0～7.9 之間，修復材料在咀嚼、吞咽等動作時會承受合力。在這樣的環境下，修復體老化會受到溫度、晶體尺寸、表面缺陷、制造工藝、穩定氧化物的百分比和分布等多種因素影響，特別是最后一個因素可以顯著加速氧化鋯的老化，導致微裂紋的產生，韌性降低，磨損增加，變粗糙和斑塊堆積，隨著時間推移，修復體的表面降解，這將明顯影響氧化鋯的光學性能[32]。Sibel 等[33]認為在不考慮核心厚度的前提下，時間的推移對全瓷材料的光學性能有明顯的影響。Alghazzawi 等[34]研究發現隨著老化時間的延長，修復體透光度降低，陶瓷材料變得更加不透明，變暗；氧化鋯的半透明度參數受明暗度變化的影響，氧化鋯的乳光效果受黃色/ 藍色變化的影響，原因在于半透明材料存在可見光譜中較短波長的光散射。它在反射光下顯示為藍色，在透射光下顯示為橙黃色。Kim等[35]研究著色液用量對氧化鋯乳光效果的影響發現在白色和黑色背景上的反射模式和透射模式中，著色液應用次數的增加導致氧化鋯透明度降低，樣品較深，乳光參數值(OP)減小，樣品表現為淡黃色。Lee 研究[36]人類牙釉質OP 值，當厚度在0.9～1.3mm 范圍時，其數值為19.8～27.6。Cho MS等[37]分別測量0.4mm 厚度的氧化鋯瓷塊、1～1.5mm 厚度的氧化鋯基底復合飾瓷的OP 值，其數值分別為1.6～6.1、1.3～5.0。據報道[36]，OP 值至少在9 左右可改善修復體的自然外觀，OP 值在4～9 之間的修復材料可能被認為是肉眼只能輕微辨認出的乳濁度。目前，氧化鋯材料的OP 值低于人類牙釉質，應開發能夠模擬天然牙齒乳光度的氧化鋯材料。

6.展望

氧化鋯陶瓷因其出色的理化性質備受臨床醫生關注，但顏色是否能再現天然牙顏色一直是研究的熱點，以往研究集中四方晶相氧化鋯的色澤研究，隨著立方晶相氧化鋯的出現，它出色的光學特性受到人們關注，但機械強度仍需進一步研究，尋找兩者之間的平衡關系是目前要突破的重點。