黃凌霞，王煥平，白雪倩，高宇雨，陳建治

氧化釔穩(wěn)定四方相氧化鋯(Y-TZP)陶瓷憑借良好的生物相容性、美學(xué)及力學(xué)性能，已經(jīng)成為間接修復(fù)體制備材料的理想選擇；臨床成功的修復(fù)不僅由上述這些性能決定，可靠的粘接也很重要[1]。臨床上常出現(xiàn)氧化鋯修復(fù)體脫落，斷裂界面主要發(fā)生在氧化鋯陶瓷與樹脂粘接劑之間[2]。陶瓷與樹脂粘接劑形成粘接力的原理為兩者的化學(xué)性結(jié)合、機(jī)械鎖合、物理性吸附和浸潤作用。由于氧化鋯穩(wěn)定性強(qiáng)，難以與粘接劑形成化學(xué)鍵相結(jié)合，經(jīng)氫氟酸酸蝕及單獨(dú)使用硅烷偶聯(lián)劑也并未明顯提高粘接強(qiáng)度[3]。因此，國內(nèi)外學(xué)者將目光聚集于氧化鋯表面處理的研究，包括通過機(jī)械處理粗化表面以增加粘接面積和微機(jī)械嵌合作用，還包括制備硅涂層活化表面和使用含酸性功能單體粘接劑的化學(xué)處理方法[4]，從而達(dá)到增強(qiáng)粘接的目的。氧化鋯的表面特性(微觀形貌和粗糙度)是影響粘接效果的重要因素，表面處理是提高粘接強(qiáng)度的重要途徑。對(duì)于氧化鋯粘接前最佳表面處理技術(shù)的選擇，學(xué)術(shù)界仍存爭議。Al2O3噴砂是目前臨床最常用的方法，但存在影響氧化鋯力學(xué)性能的問題。

近幾年，激光因擁有精確、高效、清潔等優(yōu)勢，成為研究材料表面改性的熱門。飛秒激光作為超短脈沖激光的代表，具有更精細(xì)、可控性更強(qiáng)、“冷”加工等優(yōu)點(diǎn)，在美容整形、眼病醫(yī)治、顯微外科手術(shù)領(lǐng)域等備受青睞，也逐漸應(yīng)用于口腔，如正畸托槽和鈦種植體的表面改性等，更加適合材料的表面處理，進(jìn)而改善材料表面性能，是一種很有前景的處理材料表面的技術(shù)[5]。然而，關(guān)于飛秒激光對(duì)氧化鋯陶瓷蝕刻后粘接性能的研究很少。因此，本研究擬對(duì)氧化鋯陶瓷表面進(jìn)行不同方式的機(jī)械處理，獲取微米級(jí)別粗糙度，增加粗糙度和粘接表面積，加強(qiáng)微機(jī)械嵌合力，比較不同激光蝕刻及臨床常用的噴砂處理方式對(duì)氧化鋯粘接效果的影響，以期為氧化鋯粘接性能的改良提供有效方法。

1 材料與方法

1.1 主要材料和設(shè)備

氧化鋯陶瓷(ZrO293.0%～95.0%，Y2O34.0%～6.0%，Al2O3<0.5%，其他氧化物<0.5%)(浙江丹斯登生物材料有限公司，中國)，NX3樹脂粘接系統(tǒng)(Kerr，美國)，飛秒激光(CoherentCorp，美國)，Er：YAG激光(Fotona，德國)，Nd：YAG激光(Fotona，德國)，雙筆式噴砂機(jī)(Basic classic，德國)，冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SU8010，日本)，探針式表面輪廓儀(DektaXT，Bruker，德國)，體式顯微鏡(F12萊卡，德國)，電熱恒溫水浴槽(HH600，上海景邁儀器設(shè)備有限公司)。

1.2 離體牙的收集

選擇50顆牙冠無損的上頜第三磨牙，且未曾受過任何化學(xué)治療，于蒸餾水中-20 ℃儲(chǔ)存，離體牙30 d內(nèi)使用[6]。

1.3 瓷塊試件的制備與分組

1.3.1 制備 使用慢速切割機(jī)將氧化鋯陶瓷胚體水冷均勻切割成5.0 mm×5.0 mm×7.5 mm尺寸的瓷胚共80件，在燒結(jié)爐中燒結(jié)成4 mm×4 mm×6 mm的瓷塊，使用拋光機(jī)120 r/min，依次用400、600、800、1 000 目水砂紙拋光至平面平整一致，用無水乙醇超聲震洗5 min，壓縮空氣吹干備用。

1.3.2 分組 將瓷塊隨機(jī)分成5組，分別為A、B、C、D、E組，每組16個(gè)，按組別分別進(jìn)行以下表面處理：A組：對(duì)照組，不做任何處理；B組：噴砂處理組，在0.20 MPa下，距瓷塊表面1 cm，110 μm的Al2O3顆粒(APA110)均勻垂直持續(xù)噴射21 s[7-8]；C組：Er：YAG激光蝕刻組，波長為2 940 nm，脈沖頻率20 Hz，脈寬70 μs(SSP)，能量200 mJ，先均勻鋪蓋石墨粉薄層于瓷塊表面，光纖頭距其1 mm，垂直照射10 s[9-10]；D組：Nd：YAG激光蝕刻組，波長為1 064 nm，脈沖頻率20 Hz，脈寬120 μs(MSP)，能量200 mJ，先均勻鋪蓋一層石墨粉薄層于瓷塊表面，光纖頭距其1 mm，垂直照射20 s[11]；E組：飛秒激光蝕刻組，波長為800 nm，頻率5 kHz，脈寬35 fs，光斑直徑10 μm，獲得能量為0.015 mJ/pulse，速度0.25 mm/s，間隔40 μm[12]。所有試件經(jīng)無水乙醇超聲震洗5 min，壓縮空氣吹干備用。

圖1 蝕刻氧化鋯瓷塊的飛秒激光設(shè)備及掃描方向Fig.1 Femtosecond laser device and laser scanning direction for processing zirconia ceramic blocks

1.4 方法

1.4.1 掃描電鏡(scanning electron microscopy，SEM)形貌觀察 從A～E組每組瓷塊中隨機(jī)選取1個(gè)，用碳導(dǎo)電膠帶固定于鋁臺(tái)，在掃描電子顯微鏡下觀察分析表面形貌。

1.4.2 表面粗糙度值(Ra)測定 從A～E組每組剩余的瓷塊中隨機(jī)選5個(gè)，探針式輪廓測量儀依次按組別測量每個(gè)瓷塊的表面粗糙度，每個(gè)瓷塊表面測取2次，得出各組表面粗糙度值取平均值，精確度為0.01 μm。

1.4.3 牙本質(zhì)粘接面的預(yù)備 將50顆離體牙水冷下，用快速渦輪手機(jī)沿釉牙骨質(zhì)界磨除牙根，將牙冠近中面制備成平整面，并用拋光車針拋光，暴露至釉牙本質(zhì)界下0.5 mm，盡量光滑平整一致，將牙本質(zhì)逐個(gè)用自凝塑料包埋于聚乙烯管(內(nèi)徑20 mm，高25 mm)中央，充分顯露粘接面，并保證其與管口所在平面平行，依次用220、400、600、800、1 000目水砂紙依次打磨20 s，無水乙醇超聲振洗5 min，壓縮空氣吹干備用。

1.4.4 測試試件的制作與粘接 5組瓷塊(A～E組，n=10)均用NX3通用樹脂粘接系統(tǒng)進(jìn)行粘接，嚴(yán)格按照樹脂粘接劑使用說明書，將Primer均勻涂抹于牙本質(zhì)粘接面20 s，壓縮空氣輕吹5 s，再均勻涂布Adhesive 15 s，用壓縮空氣先輕吹5 s，再強(qiáng)吹15 s，使之稀薄，以免粘接劑聚集。同時(shí)，將Adhesive均勻涂布于瓷塊15 s，用壓縮空氣先輕吹5 s，再強(qiáng)吹15 s。將雙管自混樹脂混合后均勻涂布于瓷塊表面，瓷塊置于離體牙上，中心相對(duì)，以質(zhì)量500 g的砝碼靜止持續(xù)加壓，用小毛刷去除周圍多余粘接劑，從四周及上方光照，每側(cè)20 s，共100 s，所有試件室溫放置1 h，后置于37 ℃水浴中保存24 h后取出。

1.4.5 剪切強(qiáng)度(shear bond strength，SBS)測試 使用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)50件試件進(jìn)行剪切強(qiáng)度的測試。采用自制夾具固定試件，盡量調(diào)整至加載頭平面與粘接面貼合，加載速度為0.5 mm/min，垂直加載至試件上的瓷塊脫落，如圖2所示。記錄粘接破壞時(shí)所加最大荷載剪切力。根據(jù)公式“P=F/S”計(jì)算并記錄剪切強(qiáng)度數(shù)值，測試精度為0.01 MPa，P為剪切強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)為最大剪切力(N)，S為粘接面積(mm2)。

圖2 測試試件剪切強(qiáng)度裝置Fig.2 Device for testing shear strength of test piece

1.4.6 斷裂模式及表面形貌觀察 體式顯微鏡下觀察各組試件的斷裂界面，來判斷樣本粘接界面的破壞形式，斷裂模式如下：①粘接破壞：斷裂界面發(fā)生于牙本質(zhì)與氧化鋯粘接界面；②內(nèi)聚破壞：斷裂界面發(fā)生在樹脂層或瓷層內(nèi)，發(fā)生于粘接力足夠大時(shí)；③混合破壞：既有粘接破壞，又有內(nèi)聚破壞。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 25.0分析軟件(IBM，美國)對(duì)剪切強(qiáng)度分別采用單因素方差分析(one-way ANOVA)及LSD最小顯著t檢驗(yàn)，分別比較各組間的總體差異和兩兩比較5組樣本；對(duì)粗糙度進(jìn)行單因素方差分析及Dunnett檢驗(yàn)法，分別比較各組間的總體差異和兩兩比較5組樣本。各項(xiàng)分析的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均為α=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 SEM觀察結(jié)果

SEM圖像(圖3)顯示了不同方法表面處理后的氧化鋯表面分別放大1 000倍和5 000倍的形貌?？梢娢唇?jīng)處理的氧化鋯表面均勻布滿晶體顆粒，砂紙打磨后在其表面留下淺劃痕。噴砂處理后，形成任意分布的卷邊等凹凸不平的不規(guī)則形狀，晶體消失，有微小斷裂。Er：YAG激光蝕刻后，分布深淺不一的凹陷和微突起，可見裂紋。Nd：YAG激光蝕刻后，可見細(xì)淺的線性凹陷以大致相同的方向穿行，間隔不一，也可見裂紋。飛秒激光蝕刻后，表面可見粗細(xì)均勻一致的等間距分布的微凹槽陣列，微凹槽內(nèi)的基質(zhì)被移除，微深度相對(duì)較大，但未見裂紋。

2.2 表面粗糙度

氧化鋯經(jīng)不同處理后表面微觀形貌發(fā)生了顯著變化，各組的Ra值與SEM圖像基本呈一致趨勢。A～E組Ra測量結(jié)果分別為(0.34±0.07)、(1.29±0.25)、(0.66±0.11)、(0.49±0.11)、(1.05±0.20)μm。Ra值從大到小分別是B組、E組、C組、D組、A組，結(jié)果顯示，F(xiàn)=59.71，P=0.000，各組之間的差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，可認(rèn)為不同表面處理均對(duì)Ra值產(chǎn)生影響，其中，噴砂組與飛秒激光組的Ra值均大于其他任意組別(P<0.05)。

2.3 剪切強(qiáng)度

各組SBS值見表1所示，結(jié)果顯示：SBS值從大到小依次為：E組、B組、C組、D組、A組，不同的表面粗化處理對(duì)SBS值產(chǎn)生的影響有顯著差異(P<0.05)，獲得SBS值最高的處理方法為飛秒激光。

2.4 斷裂模式分析

A～E組氧化鋯斷裂模式分布狀況見表1，經(jīng)24 h老化后的測試組均未出現(xiàn)內(nèi)聚破壞。其中，未經(jīng)表面處理組全都為粘接破壞，經(jīng)不同表面粗化技術(shù)處理后，混合破壞所占比有所上升，Er：YAG激光組與Nd：YAG激光組出現(xiàn)極個(gè)別混合破壞，仍以粘接破壞為主，相比之下，噴砂組與飛秒激光組的優(yōu)勢在于較少出現(xiàn)粘接破壞，以混合破壞為主。另外，粘接劑-牙本質(zhì)界面體現(xiàn)了優(yōu)良的粘接性能，均未發(fā)現(xiàn)粘接破壞。

圖3 不同處理后的氧化鋯表面SEM圖像Fig.3 Zirconia surface SEM images after different treatments

表1 不同表面處理方式對(duì)應(yīng)強(qiáng)度表Tab.1 Strengths according to surface treatments

3 討 論

良好的粘接是間接修復(fù)體修復(fù)成功的必要條件，氧化鋯與樹脂粘接劑的粘接力主要通過以下機(jī)制獲?。阂皇翘沾杀砻娼?jīng)粗化后可與粘接劑形成微機(jī)械鎖結(jié)作用，二是兩者通過化學(xué)鍵形成化學(xué)結(jié)合[11]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)照組陶瓷的表面非常光滑，其初始粗糙度不能提供充分的微機(jī)械固位，且斷裂后的粘接界面未見粘接劑殘留，未形成有效粘接強(qiáng)度。眾所周知，氧化鋯的惰性非常強(qiáng)，由于不含玻璃基質(zhì)和Si—OH基團(tuán)，通過氫氟酸酸蝕和使用硅烷偶聯(lián)劑這些對(duì)硅酸鹽陶瓷有效的處理，均難以達(dá)到令人滿意的粘接效果[3]，后者往往需要在陶瓷表面制備硅涂層，聯(lián)合使用硅烷偶聯(lián)劑才能使瓷與粘接劑形成化學(xué)結(jié)合，但由于操作繁雜、價(jià)格昂貴，未能在臨床普及。

機(jī)械鎖結(jié)可以通過表面粗化來達(dá)成。本研究將噴砂與三種不同激光蝕刻的粗化方法進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果顯示，這四種技術(shù)均使其粘接性能帶來了不同程度的變化，相比對(duì)照組，噴砂組與飛秒激光組的Ra與SBS值的提升程度均大于Er：YAG激光組與Nd：YAG激光組，且噴砂組與飛秒激光組大部分的斷裂面清晰可見島狀分布的殘留粘接劑，進(jìn)一步表明這兩種處理方法對(duì)提升氧化鋯與樹脂粘接劑的粘接性能帶來更大變化。

噴砂是臨床最常用的表面粗化技術(shù)，李新等研究了不同壓強(qiáng)(0.1、0.2、0.4和0.6 MPa)、粒徑(50和110 μm)和噴射時(shí)間(7、14、21 s)對(duì)牙科氧化鋯材料粘接強(qiáng)度及表面喪失的影響[7-8]，認(rèn)為采用110 μm的Al2O3顆粒在0.2 MPa下噴射21 s為最優(yōu)參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)參照此參數(shù)，Al2O3顆粒沖撞氧化鋯平面后散布于陶瓷表面，增加潤濕性和表面自由能，去除表面污染物[13]，同時(shí)還獲得了凹凸不平的不規(guī)則粗糙面，為粘接界面形成機(jī)械鎖結(jié)提供有利條件。據(jù)報(bào)道[14]，10-MDP中含有磷酸功能基團(tuán)，能與氧化鋯的鋯原子化學(xué)結(jié)合后形成牢固的化學(xué)鍵，噴砂結(jié)合MDP 可滿足陶瓷與粘接劑之間的機(jī)械鎖結(jié)與化學(xué)結(jié)合，獲得可靠的粘接力。本實(shí)驗(yàn)采用的粘接劑中含有GPDM，雖然不等同于MDP，但屬于磷酸酯類功能單體，可與陶瓷的鋯原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，結(jié)果確實(shí)證明噴砂能提高氧化鋯與樹脂粘接劑的粘接強(qiáng)度。然而從SEM圖像中仍可發(fā)現(xiàn)氧化鋯表面出現(xiàn)微斷裂，氧化鋯有沿這個(gè)裂紋應(yīng)力集中區(qū)斷裂的趨勢[15]，降低遠(yuǎn)期機(jī)械強(qiáng)度。噴砂像把雙刃劍，尤其在噴射時(shí)間過長、壓力過大、顆粒粒徑過粗時(shí)，會(huì)造成熱損傷及裂紋。因此，仍需要更多的研究來確定合適的噴砂條件，在確保機(jī)械性能的前提下提高粘接強(qiáng)度，形成理想的遠(yuǎn)期修復(fù)效果。

激光蝕刻氧化鋯的原理是將光能轉(zhuǎn)化為熱能，氧化鋯吸收激光能量后發(fā)生微爆破，破壞基質(zhì)及溶解晶體，構(gòu)成凹坑、孔隙等形態(tài)粗化表面，形成微機(jī)械嵌合作用，達(dá)到提高氧化鋯的粘接性能的效果[16]。同時(shí)還可去除表面原吸附物和污染物，提高表面能和浸潤性[17]。陶瓷表面的性狀變化程度取決于激光輻射的能量密度和陶瓷的類型。Cavalcanti等研究發(fā)現(xiàn)，與高能量強(qiáng)度(400和600 mJ)相比，低能量強(qiáng)度(200 mJ)對(duì)改變陶瓷表面形貌效果較好，且表面更少發(fā)生裂紋等熱損傷，是一種較適宜的參數(shù)[10]。而對(duì)于激光蝕刻后的氧化鋯表面能否提供足夠的機(jī)械固位力從而提高陶瓷與粘接劑的粘接強(qiáng)度，不同學(xué)者的觀點(diǎn)存在分歧[18-19]。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，相比空白對(duì)照組與Nd：YAG激光組，盡管Er：YAG激光蝕刻后的Ra得到了較大提升，但SBS與Nd：YAG激光組無明顯差別，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于飛秒激光與噴砂處理。另外，這兩種激光后的氧化鋯斷裂界面較少有粘接劑殘留，以粘接破壞為主，進(jìn)一步表明經(jīng)這兩種激光蝕刻后的氧化鋯粘接強(qiáng)度提升的程度并不理想。結(jié)合SEM圖像分析，Er：YAG激光組表面形成了淺層突起和粗細(xì)不同的淺層凹陷，伴裂紋；Nd：YAG激光組多為細(xì)淺的線形粗糙面，也伴裂紋。因此，可以認(rèn)為這兩種激光蝕刻后形成的粗糙面不能使粗糙度達(dá)到足以與粘接劑形成充分的微機(jī)械嵌合作用，且易造成陶瓷表面的熱損傷和裂紋，粘接效果遠(yuǎn)不及噴砂，與Li等研究結(jié)果趨勢一致[20]。而Sofi[21]與Usumez等[22]實(shí)驗(yàn)表明，Er：YAG激光與Nd：YAG激光照射后氧化鋯與樹脂粘接劑的粘接強(qiáng)度得到了明顯改善，且明顯優(yōu)于噴砂組，與他們研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異可能來自于激光不同的設(shè)備參數(shù)設(shè)置(蝕刻時(shí)間、激光的脈寬、頻率、輸出功率與能量密度等)、是否為接觸式照射及不同種類的氧化鋯。

傳統(tǒng)的機(jī)械表面處理方法會(huì)使氧化鋯表面產(chǎn)生熱損傷等負(fù)作用，而飛秒激光在飛秒范圍內(nèi)發(fā)射超短脈沖(1 fs=1×10-15s)，向蝕刻材料表面?zhèn)鬟f極低熱量。本實(shí)驗(yàn)中，飛秒激光蝕刻后氧化鋯的微凹槽寬度幾乎等同光斑直徑大小，約10 μm，說明它是高精密度的“冷”加工，只在蝕刻處產(chǎn)生非常小的熱影響。高精度的實(shí)現(xiàn)可以通過專用軟件設(shè)定脈沖能量等參數(shù)，輕松地制備出預(yù)設(shè)的圖形。本實(shí)驗(yàn)參照Mara等對(duì)飛秒激光等不同表面處理技術(shù)在循環(huán)加載后對(duì)氧化鋯的粘接強(qiáng)度的影響研究結(jié)果[12]，選用速度0.25 mm/s，間隔40 μm，獲得的能量為0.015 mJ/pulse，從SEM圖像可以看到蝕刻后的氧化鋯表面具有相互平行排列且呈周期性分布的微凹槽陣列，可以使粘接劑與氧化鋯的微凹槽相互交織，相比初始光滑的粘接面，提高了表面粗糙度和有效粘接表面積。

聚焦微凹槽，可見許多不規(guī)則的粗糙納米級(jí)顆粒無序地分布于其內(nèi)壁及槽底，與水稻葉結(jié)構(gòu)相似，水稻葉表面無規(guī)則分布的微突起形成了沿著葉脈有規(guī)律排列的溝槽陣列，液滴只可能順著溝槽方向流動(dòng)滾落，且向著根部流動(dòng)；同理，若將液滴放置于飛秒激光后的微凹槽陣列，液滴則會(huì)順著微凹槽方向伸長，更偏向于沿著微凹槽走向向前后延展，沿著微凹槽滾落下去為其主要滾動(dòng)方向，飛秒激光制備的微納級(jí)各向異性的結(jié)構(gòu)讓其獲得各向異性的液滴滾動(dòng)特性[23-24]。從本實(shí)驗(yàn)的Ra與SBS值分析，與噴砂組相比，飛秒激光組的Ra值未見優(yōu)勢，但SBS值更高，推測是因?yàn)轱w秒激光蝕刻后的氧化鋯發(fā)生了表面改性，粘接劑更傾向于沿著微凹槽走向延展并滾落入微凹槽內(nèi)，有利于粘接劑滲透入陶瓷的微觀孔隙，使其充分分布于微凹槽內(nèi)，增大有效粘接面積，兩者形成良好的微機(jī)械嵌合作用。本實(shí)驗(yàn)證明，飛秒激光蝕刻對(duì)提升氧化鋯的粘接性能有顯著影響，與之前的研究結(jié)果[12,25-26]一致，可以認(rèn)為飛秒激光制出特有的具浸潤性同時(shí)具備粗化效果、清潔的表面可大大提升氧化鋯與粘接劑的短期粘接強(qiáng)度，是一種很有前景的表面技術(shù)。

口內(nèi)是一個(gè)復(fù)雜潮濕的環(huán)境，粘接界面的水解作用可導(dǎo)致粘接失敗，而氧化鋯表面有親水性，因此口內(nèi)粘接系統(tǒng)薄弱的環(huán)節(jié)更容易發(fā)生在氧化鋯與樹脂粘接劑之間[2]。有文獻(xiàn)指出，超短脈沖激光蝕刻的氧化鋯表面區(qū)域由親水性轉(zhuǎn)為疏水性，與水可以形成Cassie接觸，從而能夠有效減弱粘接界面的水解作用，對(duì)抗口內(nèi)唾液的老化作用，改善粘接持久性能[27]。氧化鋯經(jīng)該粗化技術(shù)處理后，在口內(nèi)環(huán)境老化后的粘接持久性能是否與該研究結(jié)果一致還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1)采用噴砂、Er：YAG激光、Nd：YAG激光與飛秒激光，均使氧化鋯表面微觀形貌產(chǎn)生顯著變化；(2)采用噴砂、Er：YAG激光、Nd：YAG激光與飛秒激光，均可提高氧化鋯表面的粗糙度，且飛秒激光與噴砂組的粗糙度大于Er：YAG激光組與Nd：YAG激光組；(3)氧化鋯飛秒激光蝕刻與噴砂處理后可獲得較高的SBS，大于Er：YAG激光組與Nd：YAG激光組，可能是由于后兩者形成的粗糙面不能使粗糙度達(dá)到足以與樹脂粘接劑形成充分的微機(jī)械鎖結(jié)；(4)飛秒激光蝕刻后可獲得周期性分布的微凹槽陣列表面的氧化鋯，具有較好的粘接性能，且優(yōu)于噴砂處理，是一種有前景的氧化鋯表面處理方法。