3種高透明度氧化鋯的遮色性能分析

蔡毅超，江磊，鐘冰潔，陳潤，程輝，于皓

傳統氧化鋯材料為一種高強度的口腔修復陶瓷材料，卻存在透明度不佳而無法直接應用于前牙的問題。因此，口腔美學修復需要兼顧全瓷修復體的強度和美觀，需通過在氧化鋯表面增加飾瓷來達到理想的美學效果[1]。然而，研究表明，隨著使用年限的增加，約25%的飾瓷-氧化鋯修復體因飾瓷崩裂而被拆除[2]。因此，有別于傳統的飾瓷-氧化鋯材料的高透明度，單層氧化鋯材料被研發且應用于臨床美學修復治療之中[3]。

經典的高透明度氧化鋯材料(3Y-TZP)由摩爾分數3%的氧化釔和摩爾分數90%以上的四方相氧化鋯組成。隨著氧化釔摩爾分數的增加、氧化鋯材料的立方相增加，其半透明度也增加。當氧化釔摩爾分數達到5%時，立方相氧化鋯約為50%，這種氧化鋯被稱為5Y-TZP或超透氧化鋯[4]。近年來出現的納米粒徑的高透明度氧化鋯(粒徑為100～300 nm)，其色彩學性能尤其是透明度尚存在爭議[5]。

目前，國內外學者對全瓷材料的遮色效果進行了多項研究。陳奕帆等[6]發現，全瓷冠對鈷鉻合金基底有良好的遮色性，雖然亮度和彩度有差別，但顏色一致性在臨床可接受范圍。同時，該團隊對3種深色基底進行氧化鋯全瓷冠修復后，修復體的透明度和色調得到明顯提升[7]。國外學者研究發現，透明度會隨著氧化鋯厚度的減少而增加，同時不同厚度的材料間存在明顯色差(color difference,ΔE)[8-9]。JEONG等[10]研究4種高透氧化鋯材料置于貴金屬、鈷鉻合金金屬及復合樹脂背景下的色彩學參數的變化，發現高透明度氧化鋯材料最終色彩學的表現會被基底色所影響。

在高透明度氧化鋯材料廣泛應用于前牙美學修復和種植修復的現狀下，其透明度是否會隨著厚度的減小而增加尚未可知。此外，高透明度氧化鋯材料制作的修復體在何種厚度下能夠遮蓋色度較暗的氟斑牙、金屬基臺或金屬樁核的背景色也尚未可知。因此，本研究使用分光光度計檢測不同厚度的高透明度氧化鋯試件的透明度參數(transparency parameter，TP)，同時檢測不同厚度的超透和高透明度氧化鋯試件在模擬深牙本質色(A3色)、模擬氟斑牙本質色(C3色)、鈦基臺和金屬樁核背景色下的ΔE值，明確不同厚度的3種高透明度氧化鋯材料的透明度及其對不同背景色的遮色性能，報道如下。

1 材料與方法

1.1 主要儀器和材料 分光光度計(Easyshade Ⅳ，德國Vita Zahnfabrik公司)；牙科數字化切削機(Organical Desktop 8)、超透氧化鋯(質美美學)和高透氧化鋯(質美高透)(德國R+K CAD/CAM Technologie GmbH &Co.KG公司)；納米高透氧化鋯(鋯美高透，中國中新棠國業公司)；黑、白色標準色卡(美國潘通公司)；牙科充填樹脂(Z350，美國 3M公司)；鈦合金(Tritan，德國Dentaurum公司)；鈷鉻合金(Wirobond，德國Bego公司)。

1.2 方法

1.2.1 氧化鋯試件的制備 將3種高透明度氧化鋯材料的A2色鋯塊(成分如表1所示)，按照廠家的說明書要求在牙科數字化切削機上加工成直徑為7 mm的圓形氧化鋯試件，厚度分別為0.8、1.2和1.6 mm。9個實驗組，每組試件制作5片，共切削45片氧化鋯試件，分組信息如表2所示。試件均按照各個廠家說明書要求進行終燒結后拋光備用。

表1 3種高透明度氧化鋯材料成分表Tab.1 Composition of three highly translucent zirconias tested

表2 3種高透明度氧化鋯材料試件分組Tab.2 Grouping of three highly translucent zirconias tested

1.2.2 背景的制備 將A2、A3和C3色的3M充填樹脂分別在模具上制成直徑8 mm、厚度4 mm的背景后拋光備用，其中A2色樹脂背景與A2色氧化鋯材料匹配為標準對照組，A3色樹脂背景模擬深色牙本質，C3色樹脂背景模擬氟斑牙牙本質[11]。將鈦合金和鈷鉻合金分別在模具上制成直徑8 mm、厚度4 mm的背景后拋光備用，模擬臨床中應用鈦基臺和金屬樁核修復時的情況。

1.2.3 透明度參數的檢測 將試件置于標準黑白色色卡上，將分光光度計的測試頭緊貼試件中心，分別測量每個試件的L*、a*和b*值，重復測量3次，取均數并記錄，其中黑背景下測的為LB、aB和bB，白背景下測的為LW、aW和bW。按照以下公式計算各組試件的TP值[10]：

1.2.4 氧化鋯材料遮色性能的檢測 將每個試件依次置于A2色、A3色、C3色、鈦合金和鈷鉻合金背景上，分別測量每個試件的L*、a*和b*值，重復測量3次，取均數并記錄，按照以下公式分別計算各個試件A2背景與其他背景的ΔE[10]：

(ΔL=LA2-LA3/C3/鈦/鈷鉻，Δa=aA2-aA3/C3/鈦/鈷鉻，Δb=bA2-bA3/C3/鈦/鈷鉻)

1.3 統計學處理 采用SPSS 17.0軟件進行統計分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較組間差異(α=0.05)，當P<0.05時，采用SNK-q檢驗進行兩兩比較(α=0.05)。

2 結 果

2.1 高透明度氧化鋯材料的TP值 各組的TP值和ΔE值如表3和表4所示，各組的TP值經統計學分析顯示：對所有受測材料來說，3組氧化鋯材料的TP值均隨厚度的增加而降低，0.8 mm厚度的試件TP值最高，且X組、Y組和Z組的差別均有統計學意義(P<0.05)；1.2 mm厚度的3種材料的TP值差別無統計學意義(P>0.05)；1.6 mm厚度的試件TP值最低，X組、Y組和Z組的差別均有統計學意義(P<0.05)。3種高透明度氧化鋯試件的TP值均隨厚度的增加而降低(圖1)，同種材料間差別有統計學意義(P<0.05)。

表3 不同厚度的高透明度氧化鋯的TP值Tab.3 TP values of highly translucent zirconias with different thickness

表4 不同厚度的3種高透明度氧化鋯在不同背景下的ΔE值Tab.4 ΔE values of three highly translucent zirconias under different backgrounds

2.2 高透明度氧化鋯材料的遮色能力 統計分析比較各組A2背景與其他4種背景產生的ΔE值，結果顯示，各組試件將A2背景更換為其他背景色時產生的ΔE值均<2.7(圖2)。在同種材料同樣厚度的情況下，只有Y2和Y3組將背景更換為深牙本質色、氟斑牙本質色、鈦合金和鈷鉻合金背景色時產生的ΔE值差別無統計學意義(P>0.05)，而X3組在背景為深牙本質色、鈦合金和鈷鉻合金背景時產生的ΔE值<1.2，但是A3組在背景色換為氟斑牙背景C3色時，ΔE值介于1.2～2.7。Z1、Z2和Z3組A2背景更換為A3和鈦合金背景時產生的ΔE值<1.2，然而在背景色換為氟斑牙C3和鈷鉻合金背景色時，ΔE值則介于1.2～2.7。

ΔE：色差。圖2 不同厚度的3種高透明度氧化鋯在不同背景下的ΔE值Fig.2 ΔE values of highly translucent zirconias under different backgrounds

3 討 論

目前臨床應用的牙科氧化鋯材料可以分為3代：第一代氧化鋯材料為經典3Y-TZP，因其具有900～1 200 MPa的高強度而被應用于多單位全瓷修復體底冠的制作，但其透明度不佳[12]。氧化鋯全瓷材料的透明度與氧化鋯材料的粒徑、晶粒和基質的折射率不匹配以及單斜晶、四方相、立方相的折射率不同有關，這些因素導致光線被散射，使其透明度降低[13]。為了改善經典3Y-TZP的透明度，第二代氧化鋯材料降低了Al2O3添加劑的含量并減少材料的孔隙率，從而提高了透明度[14]；第三代則在第二代的基礎上，進一步提高了氧化釔的含量，從而增加了燒結后氧化鋯材料中立方晶相的比例，降低了光通過時雙折射的發生，顯著提高了材料的透明度[15]。然而，由于立方晶相無法進行應力誘導相變增韌，導致5Y-TZP的強度和韌性降低[16]。因此，5Y-TZP材料無法應用于多單位的固定橋修復。近年，有文獻表明[5]，將3Y-TZP的晶粒尺寸降低到納米級，可在提高透明度的同時保持強度和韌性，這種氧化鋯材料被稱為納米氧化鋯材料，其透明度的提高是通過光線在高密度納米顆粒間的直線傳輸來實現的[4]。上述高透明度的氧化鋯材料對深色背景的遮色能力是臨床應用亟待解決的問題。因此本研究選用了具有代表性的3種高透明度氧化鋯材料進行檢測。TP代表一定均勻厚度下在黑白背景上的ΔE，常用于評價材料的透明度[17]。因此，本研究選用TP值來比較3種材料的透明度隨厚度變化的情況。

隨著厚度的增加，3種高透明度氧化鋯的TP值均下降。當厚度達到1.6 mm時，超透氧化鋯的TP值最高，納米高透氧化鋯次之，高透氧化鋯最低。3種高透明度氧化鋯材料的透明度均與厚度呈負相關，與文獻[8-9]的研究結果一致。但本研究中，當材料厚度為0.8 mm時，高透氧化鋯材料(質美高透)和納米高透氧化鋯材料(鋯美高透)的TP值超過超透氧化鋯材料的TP值。這種情況可能與不同氧化鋯的粒徑大小及成分有關。本研究使用的納米級高透氧化鋯材料的平均粒徑為300 nm。研究表明，為了使整體氧化鋯材料更加透明，必須消除來自大粒徑材料的光散射。內部光散射可能來自多個方面，如孔隙、不同的晶相、不完全燒結、雜質、缺陷和晶界等[18]。雖然立方相含量的增加使得超透氧化鋯材料(質美美學)晶體具有較高透明度，但也有研究表明，立方相晶體粒徑較大會導致氧化鋯材料光散射增加，從而導致透明度降低[19-20]，這歸因于四方相晶體固有的雙折射特性。不同晶態方向折射率的各向異性，使相鄰的不同晶態的四方相晶體在晶界處發生反射和折射，導致入射光束發生偏轉，從而降低透明度[21]。以往的研究表明，1 mm厚度的牙本質的TP值為16.4，而1 mm厚度的牙釉質的TP值為18.7[22]。本研究中的3種氧化鋯材料在0.8 mm厚度時均接近牙本質或者牙釉質的透明度；而當厚度為1.2 mm時，3種高透明度的氧化鋯材料的TP值均<15。提示在應用高透明度氧化鋯材料進行美學修復時，如果基牙顏色正常，其修復體厚度應該控制在0.8 mm為宜。

根據推薦的標準[23]，當材料置放于兩種背景下的ΔE值<1.2時，可視為該種材料具有極佳的遮色能力；ΔE值為1.2～2.7時，可視為該材料具有較好的色彩兼容性，說明該材料具有較好的遮色能力；ΔE值>2.7時，可視為該材料的遮色能力較差。

本研究中，各組試件將A2背景更換為其他背景色時產生的ΔE值均<2.7，表明3種高透明度氧化鋯材料在0.8、1.2和1.6 mm厚度下均具有較好的遮色能力。在同種材料同樣厚度的情況下，只有Y2組和Y3組將背景更換為深牙本質色、氟斑牙本質色、鈦基臺金屬和鈷鉻金屬背景色時產生的ΔE值差別無統計學意義，其值為1.2～2.7，說明其具有一定的遮色能力，但無法完全遮住背景色。因此可以認為，1.2 mm以上厚度的高透明度氧化鋯材料應該在針對背景色進行染色后，應用于深牙本質色、氟斑牙、鈦基臺和金屬樁核等情況。本研究中，X3組將背景更換為深牙本質色、鈦合金和鈷鉻合金背景時產生的ΔE值<1.2，提示超透氧化鋯(質美美學)雖然在厚度達到1.6 mm時具有極佳的遮色能力，但卻無法完全遮住氟斑牙C3的背景色(ΔE為1.2～2.7)。Z1、Z2和Z3組A2背景更換為A3和鈦合金背景的時產生的ΔE值<1.2，提示納米高透氧化鋯材料(鋯美高透)對于A3色淺色牙本質以及鈦基臺的背景具有較好的遮色能力，但卻無法完全遮住氟斑牙C3和金屬樁核的背景色(ΔE為1.2～2.7)。本研究中，納米高透氧化鋯材料(鋯美高透)在0.8 mm的厚度上有最小的ΔE值(ΔE值<1.2)，表明納米高透氧化鋯在應用于前牙種植修復時對金屬基臺的遮色能力較好，這可能與納米高透氧化鋯材料(鋯美高透)的粒徑小(300 nm)、材料較為致密、發生的散射多于透射有關。研究表明，對于密度高、純度高的氧化鋯材料，隨著晶粒尺寸的減小和厚度的增加，為了達到類似于牙釉質的透明度，納米晶體3Y-TZP結構是必要的，并且材料厚度與氧化鋯材料的粒徑呈負相關關系[4]。

研究表明，氧化鋯材料的透明度雖然主要與厚度有關，但不能忽略高透明度氧化鋯材料的本身以及粘接樹脂水門汀顏色的影響[24-25]。本研究結果與之一致。高透明度氧化鋯材料應用于氟斑牙時，可能需要通過輔助漂白治療，以獲得最佳的美學效果[26]。另外，也可通過增加修復體厚度(如>1.6 mm)來達到遮蓋氟斑牙背景色的目的。對于種植修復使用的鈦基臺、前牙金屬樁以及深牙本質色，超透氧化鋯和高透氧化鋯均能起到一定的遮色作用，但同時也需要后期對修復體進行染色來保證修復體的美學效果。

本研究具有一定的局限性，作為體外實驗研究無法完全模擬患者口腔內的情況。另外，本研究僅研究了厚度對高透明度氧化鋯材料的透明度和遮色性能的影響，并未考慮粘接樹脂水門汀的可能影響[25]，有待進一步實驗研究。

綜上所述，當高透明度氧化鋯材料應用于氟斑牙、深牙本質色、鈦基臺和金屬樁核等深背景色情況進行美學修復時，修復體在1.2～1.6 mm范圍內才具有較好的遮色能力，但同時也應輔助以漂白、外染色等處理，才能達到最佳美學效果。