張倩倩 高姍姍 于海洋 岳 莉

（口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院，成都 610041）

陶瓷修復(fù)材料在口內(nèi)與對(duì)頜天然牙或修復(fù)體接觸形成摩擦副，實(shí)現(xiàn)咀嚼功能，在行使功能時(shí)除受到來(lái)自對(duì)頜牙及食物各個(gè)方向的應(yīng)力作用外，還受到口腔復(fù)雜液體環(huán)境的作用。唾液腺腫瘤患者、灼口綜合癥患者因缺乏唾液的潤(rùn)濕作用，會(huì)導(dǎo)致修復(fù)材料表面的快速磨損[1]。因此潤(rùn)滑環(huán)境對(duì)修復(fù)材料的摩擦磨損至關(guān)重要。椅旁玻璃陶瓷在人工唾液環(huán)境下的耐磨性優(yōu)于天然牙釉質(zhì)的耐磨性[2]，但口腔是復(fù)雜的液體環(huán)境，其pH值范圍可達(dá)1～13[3]。胃酸逆流和口腔中細(xì)菌的新陳代謝產(chǎn)酸等因素導(dǎo)致口內(nèi)pH值下降[4]。食物和飲料的不同pH值影響口內(nèi)pH環(huán)境，常見(jiàn)飲料的pH值范圍為3～8[5]。有學(xué)者分析在不同pH靜態(tài)環(huán)境下牙科陶瓷表面溶解性能的改變[3，6]，在酸性環(huán)境下陶瓷表面的溶解主要表現(xiàn)為離子交換，而堿性環(huán)境下則以二氧化硅玻璃結(jié)構(gòu)破壞為主。陶瓷材料和天然牙磨損性能的不匹配是牙科陶瓷材料在臨床使用中遇到的主要問(wèn)題之一，會(huì)導(dǎo)致對(duì)頜天然牙的過(guò)度磨損等醫(yī)源性損害，或過(guò)頻的周期性更換所產(chǎn)生的醫(yī)療負(fù)擔(dān)等。了解椅旁修復(fù)用玻璃陶瓷的摩擦磨損行為，既有助于臨床醫(yī)生為患者選擇合適的修復(fù)材料達(dá)到良好的修復(fù)效果，也有利于開(kāi)發(fā)更合適口腔修復(fù)用的牙科陶瓷材料。為了評(píng)價(jià)椅旁修復(fù)用玻璃陶瓷是否能在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境下保持良好的性能，本實(shí)驗(yàn)?zāi)M口內(nèi)不同pH環(huán)境，研究椅旁修復(fù)用玻璃陶瓷的摩擦磨損行為。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和樣本準(zhǔn)備

選擇4種不同晶體增強(qiáng)型椅旁修復(fù)用玻璃陶瓷作為研究對(duì)象：長(zhǎng)石質(zhì)增強(qiáng)型玻璃陶瓷（Vita MarkⅡ，VITA Zahnfabrik，Germany；VM），白榴石增強(qiáng)型玻璃陶瓷（IPS Empress CAD，Ivoclar Vivadent，Liechtenstein；EC），二 硅 酸 鋰 增 強(qiáng)型 玻 璃 陶 瓷（IPS e.max CAD，IvoclarVivadent，Liechtenstein；EX）和氧化鋯增強(qiáng)型二硅酸鋰玻璃陶瓷（Vita Suprinity，VITA Zahnfabrik，Germany；VS）。水冷環(huán)境下用高速切割機(jī)（Struersminitom，Struers，Denmark）金剛砂片（Struers， Denmark）將材料切割成5 mm×5 mm×2 mm的小塊，按照廠家推薦的程序進(jìn)行燒結(jié)。將所有樣本用自凝樹(shù)脂（EpoFix，Struers，Denmark）包埋，凝固后在水冷環(huán)境下用#800，#1200，#2400 和 #4000 砂紙（Struers，Copenhagen，Denmark）進(jìn)行打磨。用3 μm 的氧化鋁懸浮液（Struers，Copenhagen，Denmark）拋 光5 min，再 用0.04 μm的OPNondry （Struers，Copenhagen，Denmark）拋光10 min。樣本在白光干涉三維形貌儀下觀察確認(rèn)表面粗糙度均＜ 20 nm。最后超聲清洗15 s。

1.2 摩擦磨損測(cè)試

采用高精度微動(dòng)摩擦磨損測(cè)試儀（Rtec，USA）進(jìn)行球面模型體外兩體磨損測(cè)試，自動(dòng)記錄測(cè)試過(guò)程中摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化。對(duì) 磨 球 為 直 徑6.35 mm的 Si3N4球[7]。測(cè) 試 參數(shù)：法向載荷（Fn）為50 N， 往復(fù)幅度（D）為500 μm， 往復(fù)頻率（F）為2 Hz，循環(huán)次數(shù)（N）為10 000次[2]。選擇人工唾液作為潤(rùn)滑液，配方：NaCl （125.6 mg/ L）， KCl（963.9 mg/ L），KSCN（189.2 mg/ L）， KH2PO4（654.5 mg/L）， Urea（200.0 mg/L）， Na2SO4·10H2O （763.2 mg/ L），NH4Cl （178 mg/L）， CaCl2·2H2O （227.8 mg/L），NaHCO3（630.8 mg/L）。分別用乳酸、二氧化碳和氫氧化鈉將人工唾液的pH值調(diào)節(jié)到2、7和12[8]。將每種材料樣本隨機(jī)分成3組，每組10個(gè)樣本，分別在酸性、中性和堿性環(huán)境下測(cè)試。每個(gè)樣本進(jìn)行10次測(cè)試，通過(guò)白光干涉三維形貌儀觀測(cè)磨斑的最大磨損深度，通過(guò)掃描電鏡（SEM）觀察磨斑形貌。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS Statistics 22.0軟件對(duì)平均摩擦系數(shù)和最大磨損深度進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA ，LSD 和 SNK），檢驗(yàn)水準(zhǔn)為P= 0.05。

2 結(jié)果

2.1 不同pH環(huán)境下4種玻璃陶瓷的摩擦行為

不同pH環(huán)境下4種椅旁修復(fù)用玻璃陶瓷的摩擦系數(shù)如圖1所示。在中性和堿性環(huán)境下，在2 000次循環(huán)之后，所有測(cè)試玻璃陶瓷的摩擦系數(shù)都趨于穩(wěn)定；在2 000次循環(huán)之前，VM和EC的摩擦系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而快速增加，EX和VS的摩擦系數(shù)增長(zhǎng)較慢。在酸性環(huán)境下，在2 000次循環(huán)之后，所有測(cè)試玻璃陶瓷的摩擦系數(shù)都趨于穩(wěn)定；在2 000次循環(huán)之前，4種玻璃陶瓷的摩擦系數(shù)都隨循環(huán)次數(shù)逐漸降低。VM、EC、EX和VS的平均摩擦系數(shù)在中性環(huán)境 下 分 別 為0.455 3±0.143 7，0.4398±0.1259，0.3814±0.102 5和0.409 9±0.104 2；在 堿 性 環(huán)境 下 分 別 為0.453 1±0.114 8，0.429 3±0.088 9，0.374 9±0.008 2和0.417 0±0.106 6；在 酸 性 環(huán)境 下 分別為0.260 5±0.032 2，0.258 1±0.048 6，0.231 9±0.034 9和0.239 7±0.035 3。4種 玻璃陶瓷的平均摩擦系數(shù)在酸性環(huán)境下最低，在中性和堿性環(huán)境下差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 不同pH環(huán)境下4種椅旁用玻璃陶瓷的摩擦系數(shù)圖

2.2 不同pH環(huán)境下玻璃陶瓷的磨損行為

圖2 顯示不同pH環(huán)境下4種椅旁玻璃陶瓷的最大磨損深度：VM最大，依次是EC，VS 和EX。4種玻璃陶瓷在酸性環(huán)境下耐磨性增加，在堿性環(huán)境下耐磨性降低。

圖2 不同pH環(huán)境下4種玻璃陶瓷的最大磨損深度

4種椅旁玻璃陶瓷磨斑中部的SEM形貌特征如圖3所示。對(duì)于VM，在中性和堿性環(huán)境下，磨損表面剝脫后展現(xiàn)出高低不平的鱗狀表面（圖3A，B）；在酸性環(huán)境下，出現(xiàn)小凹坑（圖3C）。EC在中性環(huán)境下出現(xiàn)粗糙的類似點(diǎn)蝕的剝脫表面（圖3D）；在堿性環(huán)境下，剝脫較少，且磨斑表面粗糙（圖3E）；在酸性環(huán)境下，磨斑出現(xiàn)淺犁溝和較光滑剝脫表面（圖3F）。在中性和堿性環(huán)境下，EX的磨斑為脫落表層下光滑的表面伴隨淺犁溝，堿性環(huán)境下尚未脫落的表層形成大量垂直于往復(fù)方向的裂紋（圖3G，H）；在酸性環(huán)境下，EX的磨斑表面較光滑，犁溝更淺（圖3I）。在中性和堿性環(huán)境下，VS的磨損表面展示為碎屑和裂紋，少許淺犁溝（圖3J，K）；在酸性環(huán)境下，VS磨斑表面可見(jiàn)淺犁溝和尚未剝脫的表層（圖3L）。

圖3 不同pH環(huán)境下4種椅旁玻璃陶瓷典型的磨斑形貌（SEM圖）

3 討論

采用往復(fù)式微動(dòng)摩擦磨損測(cè)試是口腔牙齒/修復(fù)體磨耗過(guò)程的一種簡(jiǎn)化模式。10000次循環(huán)，2Hz的往復(fù)頻率相當(dāng)于口內(nèi)連續(xù)磨損5000s的時(shí)間。若是模擬正常咀嚼過(guò)程，每天咀嚼時(shí)對(duì)頜牙間在咬合力作用下總接觸時(shí)間大約15～30 min，可模擬口內(nèi)正常咀嚼過(guò)程3～5天。該實(shí)驗(yàn)采用Si3N4球作為對(duì)磨磨頭是因?yàn)镾i3N4為口腔臨床常用的牙科陶瓷材料，其起始摩擦系數(shù)和穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)較低，具有優(yōu)越的生物相容性和耐磨性。

本文所用的4種椅旁用玻璃陶瓷在臨床使用時(shí)直接與對(duì)頜牙或修復(fù)體接觸形成摩擦副，其表面磨損特征受到口內(nèi)復(fù)雜的生物力學(xué)環(huán)境及材料本身的結(jié)構(gòu)和組成影響。長(zhǎng)石質(zhì)和白榴石增強(qiáng)型玻璃陶瓷其結(jié)構(gòu)和組成成分與臨床所用的體瓷有相似之處，其磨損特征也較類似。VM和EC的晶體含量較EX和VS少，在相同的磨損環(huán)境下，VM和EC中低強(qiáng)度的玻璃基質(zhì)更易被磨損，表面粗糙度增加[9]，導(dǎo)致VM和EC有較高的摩擦系數(shù)。同時(shí)，EX和VS中相互交叉排列的細(xì)長(zhǎng)型晶體能有效地阻止裂紋擴(kuò)展，減少材料的磨損剝脫，降低磨損表面的粗糙度。同時(shí)，酸性液體可能與材料表面的接觸角最小[1]，潤(rùn)濕性最好，對(duì)磨損表面起到很好的潤(rùn)滑作用，從而降低摩擦系數(shù)。

4種玻璃陶瓷是由硅氧四面體結(jié)構(gòu)的玻璃基質(zhì)和分布在基質(zhì)中的晶體組成。在中性和酸性環(huán)境下，玻璃基質(zhì)的破壞以水合氫離子和堿性離子的滲透為主，水分子擴(kuò)散到陶瓷框架中，與游離的氧原子反應(yīng)生成氫氧根離子，氫氧根離子又與陶瓷中的堿性離子反應(yīng)以維持平衡[10]，反應(yīng)較慢。在酸性環(huán)境下，玻璃基質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞還通過(guò)水合氫離子與陶瓷表面中的陽(yáng)離子交換完成[11]，破壞較中性環(huán)境下快速。當(dāng)可溶性陽(yáng)離子從陶瓷表面析出后，留下多孔的水化硅氧層[6]。在酸性環(huán)境下，4種玻璃陶瓷的耐磨性增強(qiáng)，與之前測(cè)試的結(jié)果一致[1]，可能原因?yàn)棰俨ＡЩ|(zhì)破壞產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，可有效阻止磨損過(guò)程中裂紋的擴(kuò)展，增加耐磨性。②接觸表面與大尺寸的有機(jī)酸分子的接觸摩擦小于與水分子的接觸摩擦，在酸性環(huán)境下，接觸表面的磨損率較中性和堿性環(huán)境下低，材料更耐磨。在堿性環(huán)境下，還存在硅氧結(jié)構(gòu)的破壞[3，12]，當(dāng)pH＞9時(shí)，液體環(huán)境可對(duì)玻璃基質(zhì)進(jìn)行持續(xù)溶解[13]。當(dāng)可溶性陽(yáng)離子從表面析出后，留下多孔的水化硅氧層，但在堿性環(huán)境下，硅氧結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步溶解，使表面因水溶性陽(yáng)離子析出形成的多孔水化硅氧層結(jié)構(gòu)破壞[5]，耐磨性降低。

不同pH環(huán)境下，VM的磨損機(jī)制為磨粒磨損和剝脫。由于VM表面承受高的壓應(yīng)力作用，導(dǎo)致低強(qiáng)度的基質(zhì)破壞出現(xiàn)致密且深的犁溝，基質(zhì)斷裂后晶體顆粒從基質(zhì)脫落[14]，暴露出較粗糙的下表面。EC的磨損機(jī)制與VM相似，但在酸性環(huán)境下，磨斑表面表現(xiàn)出淺犁溝和較光滑的表面。不同pH環(huán)境下，EX 和VS的磨損類型為磨粒磨損。材料表面受到局部高應(yīng)力作用導(dǎo)致低強(qiáng)度的基質(zhì)中出現(xiàn)微裂紋和淺犁溝。在循環(huán)往復(fù)的交變剪切應(yīng)力作用下，表層下區(qū)域易受到拉應(yīng)力作用，陶瓷對(duì)拉應(yīng)力的抵抗較弱，導(dǎo)致裂紋在基質(zhì)和晶體中擴(kuò)展和表層剝脫，暴露出較光滑的下表 面。

4 結(jié)論

本研究得到如下結(jié)論：4種椅旁玻璃陶瓷的耐磨性是 EX最耐磨，其次為 VS和EC，VM最不耐磨，該結(jié)果可以為臨床選擇修復(fù)材料提供參考。4種玻璃陶瓷在酸性環(huán)境下耐磨性增大，在堿性環(huán)境下耐磨性降低，且在酸性環(huán)境下摩擦系數(shù)最小。VM的磨損機(jī)制為磨粒磨損和剝脫；EC在中性和堿性環(huán)境下的磨損機(jī)制為磨粒磨損和剝脫，但在酸性環(huán)境下表現(xiàn)為磨粒磨損；EX和VS的磨損機(jī)制為磨粒磨損。