3 種粘接劑分別粘接金屬托槽至拋光及上釉鋯瓷的粘接強度

曹宇 劉佳 張惠超 許競予 余嶺 葉素榮 楊陸一

隨著人們對頜面部美學的日益追求,越來越多的成人患者接受正畸治療,患者帶有的修復體需要與正畸托槽進行粘接的比例呈上升趨勢[1]。與此同時,青少年作為正畸患者主體,易患齲齒和外傷,美學修復逐漸被接受和喜愛[2-3]。在美學修復材料中,鋯瓷陶瓷因其機械性能好,生物相容性佳等優點,而被廣泛選擇[4-5]。

目前,應用CAM/CAD技術制造的整體式鋯瓷有拋光和上釉兩種表面處理方式,它們為托槽粘接提供了完全不同的基底,卻鮮有報道將其對比研究。對于拋光鋯瓷, Al2O3噴砂后應用含有酸性單體的底涂劑進行表面處理被認為是有效提高粘接力的方法[6-7]。但有報道稱鋯瓷底漆并不能在釉面發揮作用,建議表面粗化后使用硅烷偶聯劑成分的瓷底漆[8-9]。然而,在臨床環境中,正畸醫生很難從視覺上區分2 種表面處理。

通用型粘接劑操作簡單,技術敏感性低并被報道可應用于陶瓷粘接[10-11]。本研究旨在探討應用通用型粘接劑是否可以同時滿足拋光和上釉鋯瓷表面的正畸粘接需要,為正畸臨床提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與主要設備

鋯瓷(Wieland Dental,德國);Worknc CAM/CAD系統(Sescoi,法國);W-50H打磨拋光機(廣州崧安電子科技有限公司);筆試噴砂儀(佛山市穩健醫療器械有限公司);光固化燈(桂林市啄木鳥醫療器械有限公司);冷熱循環儀(Proto-Tech,美國);場發射掃描電子顯微鏡(Carl Zeiss,德國);體式顯微鏡(Olympus,日本);上頜中切牙托槽(Shinye?,浙江新亞); 9.5% HF(長春登泰克牙科材料有限公司);釉膏及釉液(Ivoclar Vivadent,列支敦士登)。本研究中使用的粘接材料見表1,通用型粘接劑Single Bond Universal(SBU)、 Prime&Bond Universal(PBU)是單瓶裝光固化通用型粘接劑, TransbondTMMIP+transbondTMXT是正畸光固化粘接劑,其中TransbondTMMIP是預處理劑。

表1 本研究中使用的粘接材料及其組成

1.2 鋯瓷試件的制備

應用CAD/CAM系統設計,將鋯瓷胚體用低速金剛石設備切割后燒結成型。制作成120 個面積為10 mm×10 mm,厚度為2 mm的試件,使用電子數顯卡尺檢測試件尺寸,精確度0.01 mm。拋光組用打磨拋光機和320#、400#、600#水砂紙將粘接面磨光;上釉組將釉膏與釉液混合成糊劑,涂在每個試件的預粘接面上,800 ℃重新燒結90 s。為確保表面處理一致,所有步驟均由一名牙科技師根據制造商的說明完成。將制作完成試件用自凝樹脂包埋,確保釉面和拋光表面暴露在外。

1.3 試件的分組及粘接

所有試件預粘接面用粒度50 μm AL2O3在0.28 MPa壓力下噴砂10 s,噴砂距離為10 mm,清洗,干燥,然后用9.5%HF蝕刻20 s,蒸餾水沖洗15 s,風干。將拋光組和上釉組試件分別隨機分成3組(共6 組,n=20),分別用TM、 SBU通用粘接劑、 PBU通用粘接劑進行粘接。

各分組嚴格按照制造商的說明操作,使用新的毛刷涂抹粘接劑于試件預粘接面,輕微撥動粘接劑20 s,空氣噴涂5 s使粘接劑散開至表面光滑、均勻,兩組通用型粘接劑光固化10 s,光照強度1 200 mW/cm2。隨后,將TransbondTMXT樹脂復合糊劑涂在每個上頜中切牙金屬托槽的基底上,托槽放置在鋯瓷試件粘接面的中心位置并加壓,牙科探針去除多余粘接劑,光固化燈從托槽4 個方向(切方,齦方,近中,遠中)分別光照10 s。每組試件粘接完成后再隨機分成2 組(n=10),在不同的儲存條件下(37 ℃水浴保存24 h/37 ℃水浴保存24 h后進行5 000 次冷熱循環)測試剪切粘接強度。冷熱循環時在5 ℃和55 ℃水中停留的時間為30 s,移動時間為5 s。

1.4 剪切粘接強度測試

粘接試件置于特制夾具中固定,加載頭平面與托槽粘接面上緣均勻接觸,萬能力學試驗機[島津, 日本]以1.0 mm/min的恒定速度施加剪切載荷,直至試件脫落(圖1)。剪切粘接強度(SBS)值(MPa)等于斷裂時最大加載力(N)除以粘接面積(13.26 mm2)[12]。以上實驗操作均由1 人完成。

圖1 剪切強度測試示意圖

1.5 粘接斷面分析

使用立體顯微鏡在10 倍放大率下觀察斷裂試件表面形態并根據粘接殘留指數(ARI)進行評分[13]。0分為陶瓷表面無粘接劑殘留, 1 分為≤50%的粘接劑殘留在陶瓷表面, 2 分為>50%的粘接劑殘留在陶瓷表面, 3 分為所有粘接劑殘留在陶瓷表面。

1.6 SEM觀察

將試件用數顯紅外烘烤燈干燥后表面濺射金鈀合金,運用掃描電子顯微鏡觀察噴砂、酸蝕前后拋光和上釉鋯瓷的表面結構。

1.7 統計學分析

用SPSS 22.0軟件對實驗結果進行統計學分析,三因素方差分析(three-way ANOVA)后,使用Tukey’s HSD檢驗進行各組均值間的多重比較分析不同表面預處理方法和儲存條件對SBS值的影響。使用Kruskal-Wallis檢驗分析各組間ARI評分的統計學差異。檢驗水準α=0.05。

2 結 果

2.1 粘接強度及斷面分析

各組SBS的平均值和標準偏差見表2, 冷熱循環后粘接殘余指數評分如表3。三因素方差分析的結果表明,粘接劑(P<0.001)和儲存條件(P<0.001)顯著影響鋯瓷與托槽的剪切粘接強度;拋光或上釉(P=0.09)組間無統計學差異。其中,除了在上釉、水浴處理時, TM組平均SBS值均顯著低于SBU組和PBU組(P<0.01)。在拋光組, 3 種粘接劑冷熱循環前后SBS均值無明顯改變(P>0.05);在上釉組, TM組、 PBU組冷熱循環后SBS均值顯著降低(P<0.05)。 SBU在各組中都表現出更好的粘接性能。Kruskal-Wallis檢驗結果表明,3 種粘接劑間的ARI分數存在顯著差異(P<0.001);儲存條件(P=0.35)、拋光或上釉(P=0.58)對ARI分數的影響無統計學意義。

表2 剪切粘接強度及多重比較 (MPa)

表3 冷熱循環后粘接殘余指數評分及多重比較

2.2 SEM觀察

噴砂酸蝕前后的鋯瓷表面SEM圖像如圖2,圖2A可見拋光鋯瓷表面的輕微切割痕跡;圖2C可見釉面鋯瓷呈現平滑表面;噴砂酸蝕導致鋯瓷表面孔隙增多,粗糙度增加,釉面鋯瓷(圖2D)的表面比拋光鋯瓷(圖2B)更粗糙。

圖2 鋯瓷表面的SEM圖像(×3 000)

3 討 論

如何在修復體表面實現托槽穩定牢固的粘接目前仍是正畸醫生面臨的挑戰，為了提高粘接強度和耐久性，一般采用以下兩種方式：(1)通過物理粗化增加接觸面的相對表面積，同時增強機械嵌合作用；(2)應用有效成分加強界面上分子間物理化學作用力使粘接劑與基體材料和樹脂糊劑結合更加緊密[14-16]。常用的表面粗化技術有：機械打磨，AL2O3噴砂，HF酸蝕等。三維光學輪廓儀顯示機械打磨后的修復體表面劃痕呈波浪狀，陶瓷結構被削弱，易產生微裂紋而發生崩瓷，因此本實驗選擇了對鋯瓷表面更為安全的椅旁噴砂和酸蝕處理[17-18]。

在正畸治療過程中,通常推薦6～10 MPa為理想的粘接強度,小于6 MPa可能導致托槽粘接失敗,大于13 MPa會增加脫粘時陶瓷破壞斷裂的風險[19-21]。

本研究結果顯示,在拋光組,兩種通用型粘接劑在37 ℃水浴24 h后的SBS值約為11～13 MPa,且在冷熱循環后沒有明顯改變,能夠持久性抵抗水解導致的粘接失效。這要歸功于二者共同含有的功能性單體10-MDP,其含有的磷酸酯基團(R-PO42-)能與帶正電荷的鋯離子(Zr4+)形成穩固的化學鍵,疏水性甲基丙烯酸酯對復合樹脂具有親和性,長碳鏈可增強疏水性。這種多功能單體在穩定鍵合界面以提高鍵合性能方面發揮著積極作用[8,22]。

Kwak等[9]對粗化后的釉面鋯瓷應用含有97%甲基丙烯酸甲酯，3% MDP和0.01%甲氧基苯酚的處理劑，得到了較低的剪切粘接強度(<5 MPa)，表明10-MDP無法在釉面發揮作用。而在本實驗中，上釉組顯示出較高的即刻SBS值，除了粘接劑組分及濃度不同外，還可能由于噴砂、酸蝕處理暴露了一部分鋯瓷基底，增加表面積的同時暴露部分與MDP結合，與Kim等[6]研究觀點一致。但是這種結合并不緊密，5 000 次冷熱循環模擬口內老化過程后，粘接力明顯下降。Lee等[8]建議正畸醫生在無法分辨鋯瓷修復體表面成分時，同時應用鋯瓷底漆和瓷底漆以提高粘接強度，但這將使椅旁操作復雜化。本研究發現，添加硅烷成分的通用粘接劑SBU在24 h水浴組和冷熱循環組都得到了較高的SBS值，可以彌補上述不足。硅烷分子水解活化形成硅醇基(-Si-OH)，可以在包括二氧化硅和少量金屬氧化物的釉層表面形成-Si-O-Si-O骨架，基于硅烷單體的C=C鍵，自由基聚合促進硅烷單體末端與樹脂基體的甲基丙烯酸酯相互作用，最終實現釉面鋯瓷與正畸樹脂的穩定結合[23]。另外，本研究顯示不含硅烷成分的通用粘接劑PBU冷熱循環后的平均SBS值仍高于最低標準。

Kruskal-Wallis檢驗顯示3 種粘接劑的ARI評分有顯著差異, TM以0 分為主,但也對應了更低的SBS值,多數未達到最低標準。 SBU、 PBU的脫粘模式主要是托槽與鋯瓷之間的樹脂層發生斷裂,雖得到了較高的ARI評分,但觀察未見鋯瓷試件的破壞,可能與鋯瓷具備高強度這一特點有關[10]。另外,在剪切粘接強度測試時,力量僅施加在一個方向(咬合-牙齦),而在臨床實踐中,通過正畸鉗輕微擠壓使力量通過應力集中點可以相對輕松的剝離托槽,故ARI評分能否作為評價修復體安全性的金標準仍存在爭議[24]。

本實驗的局限性在于口腔的復雜環境受溫度,濕度,菌斑等多重因素影響,體外研究無法精確模擬。HF作為強酸具有腐蝕性,生物毒性等,臨床操作時具有較高的技術敏感性[25],故在滿足粘接標準的前提下可適當簡化粗化程序。綜上,通用型粘接劑可以同時滿足拋光和上釉鋯瓷表面的正畸粘接需要,為優化正畸粘接的有效性提供思路。