牙科氧化锆陶瓷半透明性的影响因素及提高方法的研究进展

2017-12-20 17:12 来源:口腔颌面修复学杂志
作者:林冰 鲍旭东 陈剑锋阅读量:7234

    随着材料学的发展和人们审美意识的提高,全瓷修复体因其良好的美学性能得到广泛应用。氧化锆陶瓷修复体因其拥有良好的力学性能、生物相容性,以及对放射性医学检查结果影响较小、对对颌天然牙磨损较小等原因,逐渐成为修复后牙缺失缺损的首选。但氧化锆全瓷修复体的基底瓷颜色较单一,半透明性较差,要满足前牙的美学修复以及我国患者人群牙齿颜色的复杂性,需通过饰面瓷来调节。当修复体的颜色与形态可比拟天然牙后,同时拥有较一致的半透明性才能使修复体栩栩如生。如果氧化锆陶瓷的基底冠与牙本质的颜色及半透明性相一致,那么所需要的饰面瓷的厚度就会相对减少,备牙量降低后,既可保护活髓牙又能满足美学修复需要。

    目前测量半透明性时常用的参数有:CR(contrast ratio)值,在0-1之间变化,越透明的材料越接近0;半透明性参数(translucency parameter,TP),与人类视觉对半透明性的评价更相关,TP值越大表示材料越拥有越好半透明性。全瓷修复底层材料的半透明性是影响最终修复效果的重要评价指标。熊芳发现牙本质的透射系数范围为0.0418-0.0482mm-1。如果氧化锆陶瓷的透射系数范围可与之相同,对于重建牙齿的3D美学效果修复将会是重大突破。影响氧化锆陶瓷半透明性的因素众多,并且不单独存在而是相互影响。寻找多种影响因素间的平衡关系是目前要突破的重点难点,现就目前已发现的影响氧化锆陶瓷透明性的微观因素,以及目前国内外学者的研究进展作详细综述。

    1.氧化锆陶瓷半透明性的影响因素

    1.1陶瓷粉体颗粒直径

    晶粒的直径尺寸大小会影响透射率。直径小且均匀的颗粒能实现致密排列,这样使得密度增加,气孔数目减少,气孔孔径减小,对半透明性的提高有决定性影响。目前全瓷体系粉体的颗粒直径为0.5-5.0μm,在此范围内,颗粒尺寸对半透明性影响较小。当晶粒的直径与可见光波长(380-780nm)越接近时,光的射散越大,透射率越低;晶粒尺寸小于入射光波长时,透射率较高。若氧化锆粉体中存在过多的杂质或异种金属氧化物颗粒,会致微观颗粒大小不一,折射率也不尽相同,增加了气孔率,晶界结构变得复杂,光的散射增加。因此,减少或消除氧化锆粉体中的杂质、异种氧化物也可提高烧结后氧化锆的光透射率。

    1.2烧结温度

    最终的烧结温度、保温时间直接影响烧结密度从而影响材料的透射率。烧结密度随温度的升高使陶瓷逐渐致密化,晶粒直径随温度升高长大,密度增加使得陶瓷的透射率提高。但烧结温度要控制晶粒直径在合理的范围内生长。有研究发现,随着烧结温度的增加,透射率提高,特别是90nm的氧化锆粉体最为明显。

    1.3气孔率

    光的主要射散中心是晶粒间的气孔,且不同的晶粒的折射率差别越大,散射越大,透射率越低。氧化锆晶体的折射为2.20,空气的折射率为1.00,如此大的差别使气孔成为氧化锆陶瓷中最大的散射中心。实验证明如果闭口气孔存在率从0.85%下降到0.25%,透光率将上升33%。应建新发现,当气孔率一定时,透射率随散射粒子直径的增大也呈周期性地出现极大值和极小值,且气孔率越高,透射率随气孔直径的抖动幅度越大;当气孔率逐渐减小,陶瓷透射率随散射因子直径的增大,减小幅度呈现周期性变化,且透射率明显增加。

    1.4添加稳定剂种类

    透射率受添加相的直接影响小,而是改变了氧化锆陶瓷的相对密度、晶粒直径来调节陶瓷的半透明性。添加相的存在也可能使氧化锆陶瓷的光学均匀性发生改变,即增加了陶瓷微观结构的成分。

    1.5添加着色剂种类

    天然牙有一定的颜色,因此烧结后的氧化锆块也需要呈现出与天然牙相匹配的颜色。镨离子使氧化锆呈黄色,铁离子使氧化锆呈褐色等。添加CeO2后氧化锆材料的明度为85左右。添加Fe2O3能显著降低氧化锆陶瓷(3Y-TZP)明度。

    1.6真空环境和烧结次数

    在进行饰面瓷堆塑过程中需要反复烧结,李江认为陶瓷试件在真空中反复烧烤超过5次,会出现明度下降,透射率增加。原因是材料中的气孔在热力学范畴内是不稳定的,所有的气孔都趋向于收缩,随烧结温度升高,晶粒长大,气孔受应压力而收缩或者被排除掉。氧化锆烧结末期,团聚体增加,随着开放性气孔数量和孔径减少,对光的散射减少,透射率增加。

    1.7晶界

    晶界结构对陶瓷的半透明性有较大的影响。氧化锆陶瓷材料的晶界通常不只有一种相,若存在的第二相或多相的晶体与主晶体差别较大,会导致晶界结构复杂化和不连续化,入射光经晶界时会发生不规则的散射、折射、反射,导致透光率下降。若晶界排列规则,光的通路连续,会有效降低入射光的透射损失,材料的半透明性也相对较好。

    2.提高氧化锆陶瓷半透明性的研究进展

    2.1应用纳米陶瓷粉末

    近几年出现了纳米级氧化锆粉体,如日本TOSOH公司推出的氧化锆粉体直径为40nm、90nm。由于粉体粒度小,粒度差别小,粉粒扩散路径均匀,烧结时气孔扩散的路程被缩短,易排除气孔使3Y-TZP陶瓷结构均匀。因为纳米级氧化锆粉的应用,使得改善3Y-TZP陶瓷的半透明性有了新的研究进展。另外在氧化锆构筑的微孔隙支架上渗入其他复合材料如熔融玻璃,能显著提高半透明性。

    2.2升温速率

    王宇华就升温速率对氧化锆陶瓷半透明性的影响做了研究,发现使用波长为380-720nm的可见光照射下,升温速率为100℃/h组陶瓷的透射率较高,为7.904%,全光透射率也较高,为26.66%。随着升温速率的提高,试件的全光透射率呈下降表现。电镜结果显示,升温速率在100℃/h时,粒径范围在250-350nm居多,且大小较均匀。实验还发现随着升温速率的提高,晶粒的大小呈现两极分化状态。升温越快,越容易出现较大和较小的颗粒共存的情况。本研究的结果表明:如果在常压空气中烧结纳米氧化锆陶瓷,采用100℃/h的升温速率,可烧得具有较好半透明性的氧化锆陶瓷。

    2.3添加氧化物稳定剂

    部分稳定的氧化锆四方相晶体(t-ZrO2)目前在口腔修复学领域广泛应用,t-ZrO2在1173℃-2370℃时稳定存在,若加入氧化物稳定剂如Y2O3时,四方相晶体可以在常温下稳定存在。稳定的t相晶体具有出色的力学性能。

    2.4真空环境

    氧化锆在真空的环境下烧结时,气泡易从熔融状态的瓷体中排出,提高了氧化锆的致密度,从而增加了氧化锆的半透明性。

    2.5微波烧结的应用

    目前,氧化锆陶瓷修复体的常规烧结方法为无压烧结,参数设置为:在烧结过程中按3-8℃·min-1的升温速率升高到1350-1550℃,随后保温2-4h,整个烧结时间约为6-10h。微波烧结是一种整体加热,材料把吸收的微波能转化为材料内部分子的动能和势能,使材料所有分子能同时运动、均匀的加热。在整个加热的过程中,材料内部的温度梯度无或较小,所以材料内部的应力能减少到最小,这样即便升温速率很高也较少导致材料的开裂。Kim等认为微波二次烧结得到的氧化锆致密度更接近理论值6.10g/cm3,得到的晶粒尺寸与常规烧结相比更小也更均匀,晶粒可达到纳米级,大小约为300-400nm。江月梅进行了微波烧结与常规烧结氧化锆陶瓷对比实验,实验结果发现,微波烧结所得的氧化锆陶瓷的密度,相对密度,TP值可达到常规烧结方法所得的各项标准,或是有微小的性能提高,但是否可通过优化微波烧结参数设置得到更优良的性能,仍需进一步探究和实验。

    2.6热等静压技术的应用

    热等静压技术(HIP)是一种使陶瓷粉末在烧结过程中不断致密化的技术。HIP主要用于消除烧结体中的剩余气孔从而提高材料性能。3M公司的Lava氧化锆全瓷材料就是采用此种方法来实现3Y-TZP的致密化。在HIP作用下,晶界开始扩散移动,随之气孔被动的不断的沿着晶界做扩散运动,并相互融合、消失;气孔在表面张力的作用下球化而成球形,并不断地减小直至消失。宏观表现为烧结试样的致密度不断增大,几乎达到理论密度。然而,晶粒内部的气孔不会随着晶界的运动而被完全排除,故陶瓷中还会有很少量的残留气孔存在。李树先认为最佳的热等静压烧结参数为:1300℃×1h,压力150MPa,此时氧化锆快达到最佳力学性能,HV和KIC分别为14.2MPa和17.7MPa·m1/2。用XRD和SEM分析3Y-TZP陶瓷的组织结构发现,烧结后3Y-TZP陶瓷中ZrO2几乎全部以四方相形式存在,且ZrO2平均晶粒尺寸在1-3μm之间,主要的断裂模式是沿晶断裂,并伴随有少量的穿晶断裂。

编辑: 陆美凤

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