材料的力学性质主要是指材料在外力作用下表现出的抵抗变形和抗断裂方面的特性。口腔材料应具有良好的力学性能才能保证修复体在咀嚼应力作用下保持正常的功能。早期铸造陶瓷力学性能不佳,在临床使用中失败率较高,主要表现为冠破裂,如Dicor八硅云母系可铸造玻璃陶瓷因其优良的可切削性能和半透明性曾一度格外引人注目,但机械性能欠佳,临床应用3年的失败率为35%,7年失败率达40%,因此Dicor陶瓷冠已于1994年停产[5]。因此,研究开发新型的玻璃陶瓷材料有着重要的临床意义。前期预实验中确定了不同热处理条件对玻璃陶瓷的力学性能和显微结构的影响,初步确定了实验的热处理程序为:玻璃胚体在电烤箱中以 10 ℃/min升温至退火点,保温30 min,炉内自然冷却;然后从室温以10 ℃/min的速度升温至 606 ℃,保温30 min;再按同样的速度升温至880 ℃保温30 min,随炉自然冷却至室温。此次实验着重探讨不同配方玻璃陶瓷在相同热处理条件下力学性能和显微结构的差异及相互关系。
陶瓷材料常采用三点和四点弯曲实验来评价其强度,三点弯曲法的优点是在测试一些脆性较大的材料时较为敏感,四点弯曲法的优点是试件制备方法简单,加载时瓷材料易与金属材料分离。国内外较多采用三点弯曲实验来评价口腔陶瓷材料强度[6]。该文采用三点弯曲实验测定弯曲强度,直接测量随应力而产生的形变来测定弹性模量,试件尺寸及加载条件符合常规处理,实验结果具有可比性。玻璃陶瓷本质上有很高的断裂强度,实际使用中经常发生断裂破坏,其原因就是玻璃陶瓷内部结构的复杂性导致微裂纹和缺陷很多。材料中的裂纹、缺陷成为应力的倍增器,裂纹的大小、数量和分布状态是随机的,这是造成材料数据离散度大的原因,从测定的数据中可以看出各组数据的标准差都很大。断裂强度有赖于裂纹的数目和严重性,最重要的是位于表面的裂 纹[7-8],因此对试件进行研磨、抛光处理能显著提高强度测试的准确性。
二硅酸锂微晶玻璃是由STOOKEY、BEALL和ECHEVERIA等首先研发出来的[9],通过控制晶化可以生成棒状的二硅酸锂主晶相。二硅酸锂晶体属于正立方体结构,Si-O四面体的顶点由Li+占据,对网络进行修饰。据HALLMANN等[10]的研究,二硅酸锂微晶玻璃的机械性能得到提高的主要原因在于玻璃基质中存在少量的磷酸锂,分布在二硅酸锂晶体表面,这些磷酸盐晶体产生放射状的压应力,当陶瓷表面或内部出现裂纹时可以阻止裂纹的进一步扩展,从而提高力学性能。G1、G2、G3号玻璃陶瓷采用了不同的配方,但3种型号玻璃陶瓷的主晶相均为二硅酸锂,在测试结果可以看出3种玻璃陶瓷的弯曲强度和弹性模量大致相同,无明显差异。但是对测试数据的研究中发现,晶化后G1、G3号玻璃陶瓷的弯曲强度最大值大于晶化后G2号玻璃陶瓷,晶化后G1、G3号玻璃陶瓷的最高弯曲强度分别达到424.8,405.8 MPa,而晶化后G2号玻璃陶瓷的最大弯曲强度只有385.5 MPa。ISO6872标准要求Ⅱ型牙科陶瓷的最小抗弯强度应达到100 MPa[11],三单位固定桥饰面瓷的抗弯曲强度需达到300 MPa,临床上常用的铸造陶瓷IPS e.max Press强度达到250-400 MPa。实验中G1、G2、G3号玻璃陶瓷的弯曲强度满足国际标准,亦不逊色于IPS e.max Press,能满足临床使用的要求,有着良好的开发前景。
硬度是固体材料抵抗弹性形变、塑性形变或破坏的能力,或抵抗其中2种或3种情况同时发生时的能力,表示材料表面局部区域抵抗压缩变形和断裂的能力,是衡量材料软硬程度的指标。一般来讲,微晶玻璃的硬度由其中的晶相和玻璃相共同决定[12]。硬度与耐磨性有密切关系,硬度越大的材料其耐磨性越强,这一特性实际可以影响材料在正常使用下的耐久性,同时陶瓷的硬度也经常被视为检测对天然牙磨耗的指标[13]。在此次实验所初步确定的热处理制度下,各型号的玻璃陶瓷努普硬度分别为G1号(4 465.7±74.0) MPa,G2号(4 357.8±63.2) MPa,G3号(4 506.6±80.1) MPa,牙釉质的努普硬度为3 430-4 310 MPa,可见这一新型牙用玻璃陶瓷的硬度与人体釉质硬度非常接近,能满足临床使用需要,而且不会导致天然牙体组织的过度磨耗。
材料的性能受其内在结构的影响,玻璃陶瓷的力学性能主要由其显微结构所决定。玻璃陶瓷是一种多相多晶体,除晶相外还有玻璃相和气相。晶体的大小、形态、分布、取向、晶界、表面的结构特征不同,致使材料性能上出现差异[14-15]。因此研究玻璃陶瓷的显微结构,不仅可以帮助判断玻璃陶瓷材料质量上的优劣,还可以指导配方的筛选、制作工艺的改进。扫描电镜照片中,G1、G3号玻璃陶瓷的显微结构相似,晶体形态为棒状,大小均匀,晶体含量较高,G2号玻璃陶瓷晶体形态呈片状,大小不均匀,晶体含量较高。对比3种玻璃陶瓷的力学性能,虽然从统计分析上3种玻璃陶瓷的力学性能无显著差异,但是对比测试数据可见,G2号玻璃陶瓷的最大弯曲强度小于G1、G3号玻璃陶瓷,这是由其微观结构所决定的,棒状结构的晶体均匀、无序的分布在玻璃基体中形成自锁结构阻止裂纹的扩展,在断裂过程中增加裂纹扩展路径的长度,需要消耗更多的能量,有效提高玻璃陶瓷的弯曲强度,改善材料的强度和韧性。
前期实验中优化了晶化热处理程序,此次实验的目的在于筛选配方,玻璃陶瓷类材料的优势在于其良好的美学性能,将在下一步的实验中对自配方的二硅酸锂玻璃陶瓷美学性能做出研究,并和市面上目前的铸造玻璃陶瓷类材料进行理化性能和美学性能的对比,为自配方二硅酸锂玻璃陶瓷的临床应用提供实验基础。
实验中采用熔融法进行玻璃陶瓷的制备,制备方法与临床铸造陶瓷的加工方法一致,实验结果贴近临床实际情况。不同的配方和不同的热处理制度导致玻璃陶瓷显微结构的差异,从而影响玻璃陶瓷的力学性能。此次实验研制出的新型牙用玻璃陶瓷努普硬度与牙釉质接近,不会引起天然牙的过度磨耗。通过对新型玻璃陶瓷的弯曲强度和弹性模量、努普硬度的测定,可见该新型玻璃陶瓷的力学性能能够满足临床使用要求,有着良好开发的前景。
中国组织工程研究杂志出版内容重点:生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程