陸英，龔旭，王似鋆

1.紹興文理學(xué)院附屬醫(yī)院 紹興市立醫(yī)院 口腔科，浙江 紹興 312000；2.軍事口腔醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室口腔疾病國(guó)家臨床醫(yī)學(xué)研究中心 第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院口腔材料學(xué)教研室，陜西 西安 710032

近年來，隨著材料合成和制備工藝的持續(xù)提升，牙科氧化鋯陶瓷的美學(xué)效果得到了顯著改善，全解剖形態(tài)氧化鋯全瓷冠（以下簡(jiǎn)稱全鋯冠）逐漸被應(yīng)用于后牙牙列缺損與缺失修復(fù)領(lǐng)域[1]。與基底瓷-飾瓷雙層瓷結(jié)構(gòu)的全瓷冠相比，全鋯冠整體的力學(xué)性能更好，基牙預(yù)備量小，且不存在修飾瓷崩瓷風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。作為目前口腔臨床常用的固定義齒修復(fù)材料，牙科氧化鋯陶瓷在口內(nèi)的使用壽命一直是人們關(guān)注熱點(diǎn)的問題[4-8]。PJETURSSON等[9-10]的研究結(jié)果顯示，口腔臨床中氧化鋯單冠和橋體的折裂率高于金屬冠和金屬橋體。氧化鋯橋體在口內(nèi)發(fā)生折裂的直接原因是其折裂部位的斷裂強(qiáng)度低于咀嚼應(yīng)力。然而，現(xiàn)有研究表明，牙科氧化鋯的初始彎曲強(qiáng)度高于人口內(nèi)的咀嚼應(yīng)力[11]，因此，有學(xué)者認(rèn)為可能是咀嚼力的長(zhǎng)期作用使得氧化鋯的內(nèi)部發(fā)生了變化，導(dǎo)致其彎曲強(qiáng)度降低，即氧化鋯發(fā)生了疲勞現(xiàn)象[12-13]。

目前，人們對(duì)于牙科氧化鋯陶瓷疲勞性能的研究主要集中在接觸式疲勞和亞臨界裂紋擴(kuò)展（subcritical crack growth,SCG）兩個(gè)方向，研究結(jié)果表明這兩種體外模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與氧化鋯陶瓷的體外壽命與臨床觀察結(jié)果相差較大[13-14]。此外，也有部分學(xué)者開展了動(dòng)態(tài)循環(huán)對(duì)于牙科氧化鋯陶瓷疲勞性能方面的研究，但由于加載周期較短，無法完全模擬氧化鋯陶瓷在受咀嚼力長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生的變化[15]。因此，本研究擬采用高周次固定幅值循環(huán)加載的方式，體外模擬咀嚼力對(duì)鋯瓷修復(fù)體的長(zhǎng)期作用，考察材料疲勞前后彎曲強(qiáng)度和可靠性的變化，結(jié)合斷口形貌學(xué)分析，探索動(dòng)態(tài)載荷對(duì)氧化鋯陶瓷力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)制，以期為口腔臨床中使用牙科氧化鋯材料提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料 愛爾創(chuàng)牙科氧化鋯陶瓷（Upcera MT，深圳Upcera公司，以下簡(jiǎn)稱MT），主要成分：ZrO2·HfO2·Y2O3≥99%，Y2O34.5%～6%，Al2O3≤0.5%，其他氧化物≤0.5%。

1.2 儀器設(shè)備 體視顯微鏡（XYH-2A，上海光學(xué)儀器一廠），三維形貌掃描儀（ST400，美國(guó)NANOVEA公司），自動(dòng)精密研磨拋光機(jī)（UNIPOL-1502，沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司），電磁式動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（M-1000，天津凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)有限公司），掃描電子顯微鏡（S-4800，日本日立公司）。

1.3 方法

1.3.1 試件制備及分組：取MT氧化鋯瓷盤一塊（尺寸為AW 98 mm×14 mm），按照說明書推薦的放大尺寸切割、燒結(jié)，然后進(jìn)行打磨、拋光，并做出倒角[16]，試件最終長(zhǎng)度＞28 mm，寬度和高度為4 mm×1.2 mm（±0.2 mm）。使用ST400三維形貌掃描儀測(cè)試拋光后試件的表面粗糙度。將拋光后的試件置于體式顯微鏡下觀察，篩選出30個(gè)表面無明顯缺陷的試件，超聲清洗后，60 ℃烘干30 min。然后將試件按照隨機(jī)數(shù)字表分為2組，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，每組15個(gè)[16]。

1.3.2 體外動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)組的體外疲勞實(shí)驗(yàn)在電磁式動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。為充分模擬氧化鋯在口腔內(nèi)服役時(shí)的溫?zé)岢睗癍h(huán)境，本研究采用人工唾液作為腐蝕介質(zhì)，溫度為37 ℃。壓頭直徑為4 mm，跨距為24 mm，加載幅值為0～300 MPa，頻率為10 HZ，加載方式為正弦波，周期為3×106次。疲勞加載完成后，標(biāo)記好試樣與壓頭的接觸區(qū)域，將試樣超聲清洗、干燥后保存，然后測(cè)試彎曲強(qiáng)度。

1.3.3 彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)：彎曲強(qiáng)度測(cè)試在37 ℃的人工唾液中進(jìn)行，調(diào)整試樣位置，對(duì)齊壓頭與標(biāo)記位置，采用單向持續(xù)加載的方式加載，加載速率為0.5 mm/min[16]，直至試件斷裂，記錄試件的斷裂載荷，并根據(jù)公式（1）計(jì)算彎曲強(qiáng)度（σ）。

（1）式中σ（MPa）為試件的彎曲強(qiáng)度，通過計(jì)算后得知；P（N）為試件的斷裂載荷，L（mm）為跨距，b、d分別為試件的寬度（mm）和厚度（mm）。使用Weibull函數(shù)[13]分析σ，并計(jì)算彎曲強(qiáng)度均值（σc）、Weibull模數(shù)（m）和特征斷裂強(qiáng)度（σ0）。

1.4 斷口形貌學(xué)分析 在對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組斷裂后的試件中分別隨機(jī)選取兩個(gè)試件，在掃描電鏡下觀察試件斷面的微觀形貌，并做斷口形貌學(xué)分析。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法 使用SPSS13.0軟件，計(jì)量資料比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 表面粗糙度測(cè)試結(jié)果 使用ST400三維形貌掃描儀測(cè)試試件拋光后的表面粗糙度（Ra），測(cè)試結(jié)果Ra=0.1 μm（見圖1），符合ISO6872∶2015[16]所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 彎曲強(qiáng)度的Weibull分析結(jié)果 使用Weibull函數(shù)分析實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組試件的σc、m和σ0，分析結(jié)果見表1。兩組試件的彎曲強(qiáng)度Weibull分布如圖2所示，Weibull分析結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組彎曲強(qiáng)度的Weibull模數(shù)小于對(duì)照組（m實(shí)驗(yàn)＜m對(duì)照）。

表1 MT鋯瓷實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組試件的σc、σ0和m

2.3 彎曲強(qiáng)度的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn) 對(duì)照組材料的彎曲強(qiáng)度為（1 051.3±98.8）MPa，實(shí)驗(yàn)組的彎曲強(qiáng)度為（890.2±128.2）MPa，2組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.001）。

2.4 掃描電鏡結(jié)果 斷口形貌學(xué)分析顯示，對(duì)照組中存在大量穿晶斷裂，說明材料內(nèi)在結(jié)合強(qiáng)度較高，其致密化程度也相對(duì)較高，但韌性應(yīng)較差。實(shí)驗(yàn)組中發(fā)生穿晶斷裂的區(qū)域減小，可見到較多閉孔和裂紋，說明循環(huán)加載使得實(shí)驗(yàn)組試件內(nèi)部發(fā)生了裂紋擴(kuò)展。見圖3。

3 討論

作為目前口腔固定義齒修復(fù)常用的牙科陶瓷，氧化鋯的機(jī)械性能和疲勞性能一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題[4，6-8，11-15]。盡管氧化鋯是目前牙科中機(jī)械性能較高的陶瓷，但氧化鋯橋體在口內(nèi)服役過程中仍然會(huì)發(fā)生折裂的現(xiàn)象[1，9-10，12]。失效分析結(jié)果顯示，口腔咀嚼力的大小遠(yuǎn)低于氧化鋯修復(fù)體所能承受的最大載荷。排除個(gè)別修復(fù)體由于設(shè)計(jì)、制作過程中不良工藝由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂，人們逐漸意識(shí)到鋯瓷修復(fù)體在口內(nèi)高周次、低應(yīng)力幅值下的折裂屬于疲勞失效[5-6]。在過去一段時(shí)間，人們研究氧化鋯的疲勞性能，主要集中在接觸式疲勞和SCG兩個(gè)方向[13-14]。

接觸式疲勞是指試件受法向和切向載荷重復(fù)作用產(chǎn)生的疲勞，其斷裂機(jī)理為試件在壓應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，表面裂紋發(fā)生擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試件表面局部區(qū)域發(fā)生剝落[14]。這種失效形式，與口腔臨床中的飾瓷-基底瓷的雙層瓷結(jié)構(gòu)修復(fù)體的失敗較為相似。因此，人們常用接觸式疲勞模型來評(píng)價(jià)雙層瓷結(jié)構(gòu)修復(fù)體的疲勞壽命[6，14]。由于接觸式疲勞模型中材料產(chǎn)生的應(yīng)變幅度較小，而氧化鋯屬于高硬度、高彈性模量的脆性材料，低應(yīng)力很難在其表面產(chǎn)生磨損或形成裂紋，故此該模型對(duì)于材料組分均一的全解剖形態(tài)氧化鋯并不適用。近年來，人們逐漸將全鋯冠疲勞壽命的研究重心轉(zhuǎn)向SCG，并取得了一定的成果[11，13]。在SCG的斷裂模型中，材料表面裂紋在切應(yīng)力的作用下，沿切應(yīng)力的方向向工件內(nèi)部擴(kuò)展，其裂紋擴(kuò)展速率低于1×10-11m/cycle。這一特征與鋯瓷修復(fù)體在口內(nèi)發(fā)生的低應(yīng)力、低速率的裂紋擴(kuò)展極為相似。然而，本課題組在前期的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在SCG模型中，材料承受的載荷為其彎曲強(qiáng)度的63.21%[11，13]，對(duì)于彎曲強(qiáng)度為1 000 MPa的牙科氧化鋯陶瓷，在632 MPa的循壞載荷下才會(huì)發(fā)生SCG，而高周次、高載荷（632 MPa）的負(fù)載，與人類正常的咀嚼方式不符。故此，本研究中采用了動(dòng)態(tài)加載模型，結(jié)合Weibull分析針對(duì)牙科氧化鋯的疲勞性能展開研究。

已有研究結(jié)果表明，影響氧化鋯陶瓷疲勞性能的因素主要包括：晶粒尺寸、材料內(nèi)部和表面的缺陷及其分布情況、低溫老化效應(yīng)和服役環(huán)境等[4，13]。本研究中兩組試件的成分和成型工藝完全相同，故初始晶粒尺寸及缺陷分布情況相同。兩組試件的彎曲實(shí)驗(yàn)都是在相同的腐蝕介質(zhì)中加載，故服役環(huán)境一致。對(duì)照組試件在37 ℃人工唾液中加載時(shí)間約為2 min/個(gè)，低溫老化效應(yīng)可忽略。實(shí)驗(yàn)組試件在37 ℃人工唾液中進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷的時(shí)間約為168 h/個(gè)，根據(jù)本課題組前期研究結(jié)果[13]，低溫老化作用對(duì)于試件機(jī)械性能的影響亦可忽略。因此，本研究中兩組材料結(jié)果的影響因素主要是循環(huán)加載。實(shí)驗(yàn)組先進(jìn)行300 MPa、10 Hz，正弦波，3×106次的動(dòng)態(tài)加載，再完成彎曲強(qiáng)度測(cè)試。其中300 MPa的循環(huán)應(yīng)力，與口內(nèi)咀嚼應(yīng)力的幅值范圍接近。3×106次的動(dòng)態(tài)加載相當(dāng)于人口內(nèi)15年的咀嚼次數(shù)[17]。因此，本研究中的動(dòng)態(tài)加載過程能夠在體外模擬牙科氧化鋯陶瓷使用15年后發(fā)生的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠預(yù)測(cè)氧化鋯陶瓷在口腔臨床使用15年后的情況。

本研究中的所有試件在測(cè)試前均進(jìn)行了嚴(yán)格的打磨、拋光，降低了表面裂紋對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。本研究中，對(duì)照組未經(jīng)任何處理即進(jìn)行了彎曲強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果能夠表征材料的初始彎曲強(qiáng)度。對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的彎曲強(qiáng)度均值（σc）分別為（1051.3±98.8）MPa和（890.2±128.2）MPa（P=0.001），與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組的σc下降了15%，其與多位學(xué)者的研究結(jié)果一致[18-20]。由于兩組陶瓷的成型工藝相同，σc的組間差異主要來源于體外高周次的動(dòng)態(tài)載荷，這說明高周次動(dòng)態(tài)載荷會(huì)導(dǎo)致牙科氧化鋯陶瓷的彎曲強(qiáng)度降低，這與臨床觀察結(jié)果一致[1，9]。對(duì)照組試件的彎曲強(qiáng)度的Weibull模數(shù)為12.29，符合牙科氧化鋯陶瓷正常的Weibull模數(shù)范圍。疲勞后試件彎曲強(qiáng)度的Weibull模數(shù)為7.77，相較于疲勞前下降了36.8%，特征強(qiáng)度（σ0）為946.5 MPa，下降了13.6%，σ0表示試件發(fā)生斷裂的概率為63.21%時(shí)的彎曲強(qiáng)度。結(jié)果提示高周次的動(dòng)態(tài)載荷能夠降低牙科氧化鋯陶瓷彎曲強(qiáng)度的可靠性，提升其發(fā)生折裂的概率，與多位學(xué)者的研究結(jié)果一致[19-20]。ISO6872∶2015[16]要求牙科氧化鋯陶瓷作為三單位以上橋體的彎曲強(qiáng)度＞800 MPa[16]。在本研究中的試件疲勞前彎曲強(qiáng)度均大于800 MPa，疲勞后的彎曲強(qiáng)度＞800 MPa的概率下降至80%。結(jié)果提示，三單位及以上全解剖形態(tài)氧化鋯陶瓷橋體在口內(nèi)的使用15年以上時(shí)，部分修復(fù)體的彎曲強(qiáng)度已不能滿足后牙牙列需求。且全鋯冠、橋于口內(nèi)長(zhǎng)期使用，材料表面會(huì)出現(xiàn)水熱老化現(xiàn)象[13，21]，據(jù)BADARNEH等[22]的最新研究發(fā)現(xiàn)，水熱老化現(xiàn)象會(huì)降低氧化鋯的耐磨性能和彎曲強(qiáng)度。

斷口形貌學(xué)分析結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組的試件斷口整體相對(duì)光滑、平坦，斷口晶粒較為完整，晶粒面較為光滑，斷口形貌呈冰糖狀，存在大量閉孔，試件晶粒間的結(jié)合力變?nèi)?，以沿晶斷裂為主。?duì)照組的試件斷口以穿晶斷裂為主，裂紋穿過晶粒內(nèi)部，對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)造成了損害，斷口晶粒破壞嚴(yán)重，屬于典型的脆性斷裂，這也說明對(duì)照組中試件內(nèi)部的晶粒間結(jié)合強(qiáng)度高，致密化程度高，但韌性較差。斷口形貌學(xué)分析結(jié)果與本研究中的彎曲強(qiáng)度結(jié)果一致。

綜上所述，本研究通過體外模型，有效模擬了氧化鋯修復(fù)體在高周次動(dòng)態(tài)載荷作用下的疲勞行為。受設(shè)備限制，本研究只考察了應(yīng)力和疲勞對(duì)于材料的影響。然而，在口腔實(shí)際應(yīng)用中，氧化鋯修復(fù)體還會(huì)受到水熱老化、食物咀嚼磨損等因素的影響，而且脫粘接、修復(fù)體頸緣不密合等因素都會(huì)導(dǎo)致修復(fù)體的失效，因此，全解剖形態(tài)氧化鋯冠橋修復(fù)體在口內(nèi)的實(shí)際使用壽命可能會(huì)更短。對(duì)于口內(nèi)服役時(shí)間超過較長(zhǎng)的氧化鋯陶瓷修復(fù)體，其內(nèi)部出現(xiàn)的裂紋，目前無法通過技術(shù)手段完全消除，建議醫(yī)師提示患者修復(fù)體可能面臨的折裂風(fēng)險(xiǎn)，提醒患者定期檢查修復(fù)體，于復(fù)查時(shí)通過拋光清除表面裂紋，以延長(zhǎng)氧化鋯陶瓷修復(fù)體的使用壽命[23]。