服役環(huán)境對(duì)牙科氧化鋯陶瓷可靠性和疲勞性能的影響

宣璐 徐雨薇

中圖分類號(hào):R783.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi:10.3969/j.issn.1001-3733.2021.06.004

氧化鋯陶瓷機(jī)械性能優(yōu)異，醫(yī)生使用全鋯冠時(shí)，需要的基牙備牙量較小，能夠較大限度地減小對(duì)基牙的損害，因此全鋯冠逐漸成為修復(fù)后牙及后牙牙列缺損與缺失時(shí)的首選[1-4]。與傳統(tǒng)的氧化鋯全瓷冠不同，全鋯冠完全是由牙科氧化鋯陶瓷構(gòu)成，其在口內(nèi)服役的過程中，完全暴露與口腔環(huán)境當(dāng)中，因此全鋯冠在潮濕環(huán)境中的機(jī)械性能和疲勞性能逐漸成為了人們研究的熱點(diǎn)[5-8]。

之前人們對(duì)于牙科氧化鋯陶瓷的機(jī)械性能和疲勞性能研究主要集中于在空氣環(huán)境下[5-9]，對(duì)于潮濕環(huán)境對(duì)牙科鋯瓷機(jī)械性能和疲勞性能的研究較少。故此，本項(xiàng)研究探討了潮濕環(huán)境對(duì)牙科氧化鋯陶瓷彎曲強(qiáng)度可靠性和疲勞性能的影響，目的在于為臨床使用全瓷冠提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

愛爾創(chuàng)彩透氧化鋯(Upcera ST color，深圳愛爾創(chuàng)科技有限公司，以下簡稱ST鋯瓷)，化學(xué)成分：ZrO2>98%，F(xiàn)e2O3<0.3%，Pr2O3<0.2%，Er2O3<0.1%，其他氧化物<0.5%。

自動(dòng)研磨拋光機(jī)(MoPao1000，上海精密儀器儀表有限公司)；萬能材料試驗(yàn)機(jī)(34SC-5，Instron公司，美國)；ElectroPuls 動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)(E1000，Instron公司，美國)；三維形貌掃描儀(ST400，NANOVEA公司，美國)；體視顯微鏡(SX3，上海光學(xué)儀器一廠)。

1.2 方法

1.2.1 試樣制備及分組 按照牙科陶瓷材料國際標(biāo)準(zhǔn)IS06872-2015標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法制備試樣[10]。取ST鋯瓷盤一塊(AW 98 mm×14 mm)，按照說明書推薦的放大尺寸制備試樣，打磨、拋光燒結(jié)后的試樣表面，并對(duì)4 條長棱做倒角，最終試樣尺寸達(dá)到28 mm×4 mm×1.2 mm(±0.2 mm)。使用ST400三維形貌掃描儀測量拋光后試樣的表面粗糙度(Ra)。用體視顯微鏡篩選60 個(gè)表面光滑平整，無可見缺陷的試樣，超聲清洗，80 ℃烘干1 h。采用隨機(jī)數(shù)字表對(duì)試樣分組，每組15 個(gè)。A組進(jìn)行空氣環(huán)境下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，AF組進(jìn)行空氣環(huán)境下的疲勞試驗(yàn)，B組在37 ℃人工唾液中進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，BF組在37 ℃人工唾液中進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

1.2.2 3 點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測試及其Weibull分析 使用34SC-5型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試A、B組試樣的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，A組試樣測試在空氣環(huán)境下進(jìn)行，B組試樣測試在人工唾液下進(jìn)行。兩組試樣測試時(shí)加載壓頭的直徑為4 mm，跨距24 mm，加載速率1 mm/min[10]，采用單向持續(xù)加載的方式進(jìn)行加載，直至試樣斷裂，記錄試樣斷裂時(shí)的最高載荷，并根據(jù)以下公式計(jì)算試樣的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度(σ)。

σ=3PL/2bd2(1)

其中σ(MPa)為試樣的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，P(N)為斷裂載荷，L(mm)為加載時(shí)的跨距，b、d分別為試樣的寬度和厚度(mm)。按照IS06872-2015[9]中的方法對(duì)兩組試樣的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度進(jìn)行Weibull分析，并計(jì)算彎曲強(qiáng)度的Weibull模數(shù)(m)、強(qiáng)度均值(σc)和特征斷裂強(qiáng)度(σ0)。

1.2.3 疲勞試驗(yàn)及疲勞次數(shù)的Weibull分析 使用ElectroPuls動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行AF和BF組的三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)(見1.2.1)。兩組試樣均進(jìn)行正弦波循環(huán)加載，加載頻率為10 Hz，加載時(shí)的最大載荷(σmax)為其彎曲強(qiáng)度均值(σc)的60%[9]，記錄試樣斷裂時(shí)的疲勞次數(shù)Nf。按照文獻(xiàn)[8]中的方法對(duì)兩組試樣的疲勞次數(shù)進(jìn)行Weibull分析，計(jì)算疲勞次數(shù)的Weibull模數(shù)(m*)和特征斷裂次數(shù)(Nf,0)，并以此計(jì)算兩組試樣的裂紋擴(kuò)展速率曲線參數(shù)A和n。

1.2.4 裂紋擴(kuò)展速率曲線的擬合及分析 脆性材料的疲勞裂紋擴(kuò)展特征可用Pairs定律表述[11],對(duì)于循環(huán)載荷而言，材料中裂紋每個(gè)循環(huán)周次的擴(kuò)展速率da/dN(v，m/cycle)與其外部載荷的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK有關(guān)，如下式所示：

da/dN=AΔKn(2)

式中，ΔK=Kmax-Kmin，Kmax和Kmin分別對(duì)應(yīng)循環(huán)加載過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子K的最大值和最小值。對(duì)于本研究而言：循環(huán)載荷的變化范圍為(0，σmax)，因此，Kmin=0，ΔK=Kmax。Kmax與σmax、σ和KIC的關(guān)系如(3)所示，式中KIC為ST鋯瓷的斷裂韌性，由產(chǎn)品說明書可知KIC=5MPa·m1/2。

Kmax=(σmax/σ)KIC(3)

由(3)式可以計(jì)算出Kmax的大小，然后將之前計(jì)算出的A、n和Kmax代入(2)式，可以算出裂紋擴(kuò)展速率v，對(duì)(2)式兩邊求對(duì)數(shù)，作圖即得到ST鋯瓷材料疲勞斷裂的SCG曲線。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 13.0軟件，對(duì)A、B兩組試樣的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度值進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)：α=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 表面形貌及粗糙度

表面形貌見圖1。經(jīng)測定，ST鋯瓷拋光后的表面粗糙度值Ra=0.09 μm，達(dá)到ISO6872:2015所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 ST鋯瓷試樣拋光后的表面三維形貌

2.2 三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度的可靠性

使用Eviews 6.0軟件對(duì)A、B兩組試樣的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行Weibull分析，分析結(jié)果見圖2。

圖2 A、B兩組試樣的彎曲強(qiáng)度Weibull分布圖

Weibull分析結(jié)果表明，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度的Weibull模數(shù)A組大于B組(mA>mB)，兩組材料三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度Weibull模數(shù)m、特征斷裂強(qiáng)度σ0如表1。

表1 試樣的彎曲強(qiáng)度σc、特征強(qiáng)度σ0及其Weibull模數(shù)mTab 1 The bending strength(σc), characteristic strength(σ0) and Weibull modulus(m) of the samples

2.3 疲勞次數(shù)的Weibull分析結(jié)果

分別對(duì)AF組和BF組試樣的疲勞次數(shù)進(jìn)行Weibull分析，計(jì)算出疲勞次數(shù)的Weibull模數(shù)(m*)和特征斷裂次數(shù)(Nf,0)，然后按照文獻(xiàn)[9]中的方法分別求得兩組試樣的SCG曲線參數(shù)A和n，結(jié)果如表2。

表2 試樣的SCG曲線參數(shù)A和nTab 2 SCG parameters A and n of the samples

2.4 SCG曲線分析

將以上所求得A、n、ΔK代入(2)式，可求得AF組和BF組試樣在不同的應(yīng)力強(qiáng)度因子作用下的裂紋擴(kuò)展速率v。AF組和BF組試樣在循環(huán)載荷作用下的SCG曲線，如圖3。

圖3 AF組和BF組的SCG曲線

由圖3可知，ST鋯瓷在空氣環(huán)境(AF組)和人工唾液(BF組)下的循環(huán)疲勞斷裂過程中都發(fā)生了亞臨界裂紋擴(kuò)展(SCG，v=1×10-11m/cycle)，AF組和BF組材料發(fā)生SCG時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK分別為2.77 MPa·m1/2、2.65 MPa·m1/2。

2.5 彎曲強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果

對(duì)A、B組ST鋯瓷試樣的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度值進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果：A組和B組試樣的彎曲強(qiáng)度分別為：(1 198.88±118.22) MPa、(1 139.56±143.67) MPa(P>0.05)。

3 討 論

3.1 服役環(huán)境對(duì)于牙科氧化鋯陶瓷彎曲強(qiáng)度的影響

彎曲強(qiáng)度是評(píng)價(jià)陶瓷材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一[10]。牙科鋯瓷的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度離散性大，為得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)盡量從同一塊或同質(zhì)坯料上切除盡可能多的試樣，進(jìn)行測試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[11-12]。本研究中的ST鋯瓷試樣在測試前均經(jīng)過了精細(xì)的打磨，相當(dāng)于對(duì)所有待測材料的表面進(jìn)行了同質(zhì)化處理，最大程度地降低了表面裂紋對(duì)于試樣彎曲強(qiáng)度和疲勞性能的影響。試樣表面的粗糙度為0.09 μm，達(dá)到牙科陶瓷材料國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO6872:2015)的要求。本研究中兩組材料的彎曲強(qiáng)度分別為(1 198.88±118.22) MPa、(1 139.56±143.67) MPa，獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果顯示，組間比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。提示，在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中[11-12]，隨著外界載荷的持續(xù)加大，裂紋尖端的拉應(yīng)力持續(xù)增大，“最危險(xiǎn)裂紋”的擴(kuò)展速率呈指數(shù)級(jí)增長。裂紋擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于人工唾液環(huán)境中的水分子浸潤速度，因此在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中，腐蝕介質(zhì)對(duì)試樣的彎曲強(qiáng)度影響較小。

3.2 服役環(huán)境對(duì)于牙科氧化鋯陶瓷彎曲強(qiáng)度可靠性的影響

陶瓷材料的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果不僅遵循正態(tài)分布，也遵循威布爾(Weibull)分布[11]。因此，ISO6872:2015規(guī)定對(duì)于牙科陶瓷的強(qiáng)度描述時(shí)，如果樣品數(shù)量大于15，應(yīng)當(dāng)使用Weibull分布分析強(qiáng)度結(jié)果[10]。Weibull模數(shù)m是評(píng)價(jià)陶瓷材料強(qiáng)度可靠性的重要指標(biāo)之一，m越大表明材料強(qiáng)度的可靠性越好，均一性越佳。本研究中在不同腐蝕介質(zhì)環(huán)境中的A、B兩組材料的Weibull模數(shù)m分別為11.85和9.61。考慮到兩組材料為使用同一瓷盤制備的同種材料，其材質(zhì)、制備、燒結(jié)工藝和加載方式均相同，因此兩種陶瓷的缺陷和應(yīng)力分布應(yīng)相似，Weibull模數(shù)應(yīng)相近。然而，本研究的試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩組材料的Weibull模數(shù)m的值相差較大。這說明潮濕環(huán)境對(duì)于鋯瓷材料的惰性強(qiáng)度產(chǎn)生了一定的影響，這一結(jié)果與Moustafa等[13]學(xué)者的研究結(jié)果一致。A組材料的特征強(qiáng)度σ0大于B組，結(jié)果表明在潮濕環(huán)境中鋯瓷材料發(fā)生脆性斷裂的概率增加。Weibull分析結(jié)果提示，潮濕環(huán)境加劇了ST鋯瓷材料內(nèi)部裂紋的彌散性，導(dǎo)致其可靠性降低。

3.3 服役環(huán)境對(duì)于牙科氧化鋯疲勞性能的影響

近年來，大量研究結(jié)果表明亞臨界裂紋擴(kuò)展(SCG)是導(dǎo)致牙科鋯瓷在口內(nèi)服役時(shí)失效的重要原因之一[9，11，13]。本研究結(jié)果顯示，ST鋯瓷在空氣環(huán)境和人工唾液下的疲勞斷裂過程中均出現(xiàn)了SCG，SCG時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK分別對(duì)應(yīng)為2.77 MPa·m1/2、2.65 MPa·m1/2，僅相當(dāng)于材料斷裂韌性(KIC)的55.4%和53%。提示，鋯瓷材料在人工唾液中，人工唾液中的水分子進(jìn)入鋯瓷試樣的裂紋尖端，形成“楔入效應(yīng)”[12]，在外部交變載荷持續(xù)作用下，裂紋尖端的水分子會(huì)在裂紋尖端產(chǎn)生成較大的張應(yīng)力，降低了裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth，使得裂紋在較低的應(yīng)力強(qiáng)度因子作用下發(fā)生擴(kuò)展，提高了鋯瓷材料發(fā)生SCG的概率。進(jìn)一步分析得知，在SCG區(qū)域內(nèi)，在相同的應(yīng)力強(qiáng)度因子作用下，ST鋯瓷材料在人工唾液中的裂紋擴(kuò)展速率大于空氣環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率，結(jié)果提示，潮濕環(huán)境能夠加速ST鋯瓷材料的SCG行為，使其壽命縮短。

該研究中所用的牙科氧化鋯陶瓷在兩種腐蝕環(huán)境中進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)時(shí)均對(duì)試樣表面進(jìn)行了嚴(yán)格的打磨和拋光，降低了表面裂紋對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。然而，在口腔臨床中戴牙時(shí)，為了獲得較好的咬合關(guān)系，醫(yī)生常常需要對(duì)修復(fù)體進(jìn)行調(diào)磨，調(diào)磨過程會(huì)在修復(fù)體表面產(chǎn)生大量的裂紋，這些表面裂紋會(huì)降低鋯瓷修復(fù)體的機(jī)械性能和疲勞性能[8，14]。已有研究證實(shí)，鋯瓷修復(fù)體長期在口內(nèi)溫?zé)岢睗竦沫h(huán)境中服役，其表面會(huì)產(chǎn)生水熱老化現(xiàn)象，在水分子的作用下，鋯瓷修復(fù)體表面會(huì)發(fā)生一定程度的T-M相變，造成機(jī)械性能的降低[15-16]，降低使用壽命。因此，建議患者復(fù)查時(shí)，口腔醫(yī)生應(yīng)為其全鋯冠表面進(jìn)行拋光，去除全鋯冠表面產(chǎn)生的微裂紋以及單斜相氧化鋯，以延長修復(fù)體使用壽命。