兩種燒結方式對牙科用氧化鋯半透性的影響

江月梅，楊 瑛，詹文輝

(南昌大學附屬口腔醫院修復1科，南昌 330006)

二氧化鋯陶瓷作為口腔材料的使用已有十年之久[1]。但其作為基底瓷，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，需通過飾面瓷來調節[2]。如果氧化鋯與牙本質的顏色及半透明性相一致，那么飾面瓷的厚度就會相對減少，備牙量降低后，既可保護活髓牙又能滿足美學修復的需要[3-5]。通過改變氧化鋯全瓷材料的配方和微觀結構，可以明顯提高氧化鋯的透光性[6]，燒結與氧化鋯的微觀結構有密切關系，最終的燒結溫度、升溫速率、保溫時間會直接影響燒結密度，從而影響材料的透射率[7]。

目前，牙科氧化鋯的燒結方式都是采用無壓燒結，該方式升溫速率慢、保溫時間長、燒結溫度高。微波燒結是在微波電磁能的作用下材料內部分子或離子動能增加，可降低燒結活化能，從而加速陶瓷材料的致密化速度，降低燒結溫度，縮短燒結時間[8]。國內外關于微波燒結對牙科用氧化鋯半透性的影響鮮有報道。本實驗選用目前牙科常用的氧化鋯材料，探討微波燒結對其半透性的影響，并與常規燒結對比，為今后微波燒結在氧化鋯中的應用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

Zenostar氧化鋯(德國wieland公司)，Lave氧化鋯(美國3M公司)，微波燒結爐(MW-L0316，長沙隆泰科技有限公司)，PR-650光譜掃描色度儀(美國Photo Research公司)，電子天平(SartoriusBS-224S，上海存聯工貿有限公司)，場發射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM，美國FEI公司)。

1.2 試件制備

本實驗使用Zeonstart和Lava兩種常用的牙科氧化鋯。用精密切割機分別從Zeonstart和Lava的預成氧化鋯坯體中切取厚0.6 mm，直徑15 mm的圓盤狀試件各10個。

1.3 試件分組和燒結

將Zeonstart和Lava兩種品牌氧化鋯分別分為2組：常規燒結組(CS組)、微波燒結組(MS組)，每組每個品牌氧化鋯試件各5個。CS組氧化鋯分別按照廠家推薦的燒結參數進行燒結：Zeonstart最高燒結溫度1490 ℃，保溫120 min；Lava最高燒結溫度1500 ℃，保溫120 min。MS組均用MW-L0316微波燒結爐進行燒結：Zeonstart和Lava均以每分鐘15 ℃升溫至最高溫度1420 ℃，保溫30 min，切斷微波的輸入，隨爐冷卻。

1.4 試件加工

燒結完成后可見所有氧化鋯試件均勻收縮，其兩端面保持平行無變形。所有的試件依次使用400、600、800、1000、1200目的耐水砂紙進行雙面打磨拋光，使最終的厚度為(0.5±0.02)mm，打磨完成后的試件放在蒸餾水中超聲振洗10 min，自然干燥24 h。

1.5 透射率的測量

試件測量采用PR650光譜光度儀在暗室中測量，測量光源為標準A光源(色溫2856 K)，通過PHOTO RESEARCH顏色分析軟件轉換為D65光源(色溫6500 K)。工作波段為400～760 nm，間隔4 nm掃描1次，照度為20 001×，10°視場，探視頭對要測定的部位進行精確測量，工作距離95 mm，工作環境溫度18～25 ℃，相對濕度50%～60%。

1.6 密度測試

氧化鋯試件的實際密度用Archimedes法測量。將試件置于(70±5)℃烘箱中干燥，并在干燥器中冷卻至室溫稱重，測得室溫下的干重(W1)，精確到0.001 g，后將試件放入蒸餾水中煮沸，冷卻至室溫，稱量飽和試件在水中的浮重(W2)。將其從水中取出，用飽含水的多層紗布將試件表面多余的水分擦掉，稱量飽和試件在空氣中的濕重(W3)，實驗重復3次取均值。根據公式d=ρ×W1/(W3-W2)計算氧化鋯試件的實際密度。ρ為水在室溫下的密度，取0.996 8 g·cm-3(26 ℃)，RD=d/d理論×100%，理論密度d理論取6.10 g·cm-3。

1.7 掃描電鏡觀察

從每組中隨機選取1個試件用電鏡掃描觀察，總共4個試件，先用金剛石拋光膏將試件表面進行拋光，其次在低于每組燒結溫度50 ℃的溫度下進行熱腐蝕半小時，清洗，室溫干燥，在每個試件拋光面行噴金后用場發射掃描電鏡觀察微觀結構，用直線截點法測量晶粒大小的平均值。

1.8 統計學方法

使用GraphPad Prism5統計分析軟件，采用雙因素方差分析兩種燒結方法和兩種品牌對氧化鋯試件的透光率值和密度值的影響。同一燒結方式下，采用兩樣本t檢驗分析不同品牌氧化鋯對其密度與透光率值的影響。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 2組Zenostar和Lava氧化鋯的密度、相對密度和透射率比較

MS組兩種品牌氧化鋯的透射率值大于CS組，但差異無統計學意義(P>0.05)。MS組和CS組Zenostart的透射率均小于Lava，差異有統計學意義(P<0.001)。2組不同品牌的密度及相對密度比較差異均無統計學意義(P>0.05)。見表1。

2.2 2組Zenostar和Lava氧化鋯的顯微結構

CS和MS燒結后Zenostar和Lava氧化鋯的SEM結果見封三圖1—2，CS和MS燒結的氧化鋯試件晶粒間均排列緊密，致密度相似，但CS組的Zenostar(450 nm)和Lava(550 nm)晶粒尺寸大于MS組的Zenostar(為400 nm)和Lava(460 nm)，CS組的氧化鋯可見一些異常長大，晶粒均勻度相對較差，而MS組的氧化鋯晶粒大小均勻。

圖1 Zenostar氧化鋯的顯微結構(SEM×20 000) 圖2 Lava氧化鋯的顯微結構(SEM×20 000)

表1 2組Zenostar和Lava氧化鋯的密度、相對密度和透射率比較

*P<0.001與Lava比較。

3 討論

在牙科修復領域中，常用的半透性材料測量方法包括直接法和間接法。直接法是測量材料的透射率(transmittance，T)，而間接法是測量材料的對比系數(contrast ratio，CR)值和透射系數(translucency parameter，TP)值，這3個指標的測量精度和穩定性均相同[9]，但透射系數和對比系數并不能準確地反映不同材料之間半透性的差異[10]。所以，本實驗中采用直接法對半透明材料氧化鋯的透射率進行測量。目前，常用的測色儀器有分光光度計、色差計、白度儀及計算機測色儀等。本實驗選用的是分光光度計，此儀器的敏感性較高，其原理是使用傳感器測定試件表面反射光線各個波長的反射率[11]。

微波加熱是體加熱，即材料把吸收的微波能轉化成材料內部分子的動能和勢能，材料整體同時均勻加熱，因此加熱和燒結速度非?？?，內外同時發熱而使試樣內部溫度梯度小，可以使材料內部熱應力減少到最小，因為燒結溫度低、時間短，晶粒來不及長大，內外同時發熱而使試樣內部溫度梯度小，可以使材料內部熱應力減少到最小[12]。在微波燒結的過程中，由于微波加熱時熱量是從內到外的傳導，在待燒結材料的周圍會存在一個溫度較高的能量區，燒結溫度越高，材料表面輻射的熱量就越大，這將會使材料和周圍的環境形成極大的溫度梯度，假如沒有很好的保溫裝置，將會因為材料的內外溫度差過大而使燒結不均勻，嚴重開裂，最終造成燒結失敗。氧化鋯在室溫時幾乎不吸收微波能，只有當溫度達到300～500 ℃以上時，它的損耗正切值才變得很大[13]，混合加熱能解決氧化鋯在室溫時的低損耗難題[13]。本實驗結果顯示，與CS組相比，MS組Lava和Zenostar氧化鋯晶粒尺寸小且均勻一致，密度、相對密度和透射率比較差異無統計學意義(P>0.05)。Lava氧化鋯的T值大于Zenostar氧化鋯(P<0.001)。提示微波燒結所得的氧化鋯的晶粒尺寸更小，顯微結構更均勻，分析原因可能因為燒結方式及保溫時間縮短所致，保溫時間的縮短可能使晶粒變小。WILSON等[14]認為微波燒結過快的升溫速率對氧化鋯的機械性能產生不利的影響。

半透性是指穿過混濁介質傳播的光的相對量，半透性使全瓷修復體具有獨特的立體感和生動感，是成功模擬天然牙美學的關鍵，其產生是因為材料內部各物相對光的折射率不同而在相鄰或不同物相之間的界面處發生散射的結果[15]。散射是影響氧化鋯半透性的主要原因[16]，光的主要散射中心之一是晶粒間的氣孔，且氣孔率越大，光的散射就越強烈，透光率越低[17]。實驗證明如果閉口氣孔存在率從0.85%下降到0.25%，透光率將上升33%[18]。半透明的陶瓷材料應在燒結的過程中盡量減少氣孔。密度是評價材料致密度最直接的指標，所以氧化鋯的密度與其的半透性緊密有關[7]。本實驗中氧化鋯的半透性2組比較無明顯差異，究其原因微波燒結所得的氧化鋯的密度與常規燒結的密度相近，都是致密燒結，但微波燒結的優勢在于燒結溫度低、速度快、燒結時間縮短。

近年相關研究[6]顯示，通過改變氧化鋯全瓷材料的配方和晶相結構，可以明顯提高氧化鋯材料的透光性。本實驗結果顯示Lava的半透性均大于Zenostar。不同品牌氧化鋯的原材料、生產工藝、及添加劑有差異，使得氧化鋯的燒結工藝，如最終燒結溫度、保溫時間、整個燒結時間不同[19]，并可以改變二次燒結后的氧化鋯的相對密度和粒徑，增加陶瓷微結構的組成，從而影響氧化鋯的半透性[20]。