醫(yī)學(xué)論文快速發(fā)表淺析對鈷鉻合金金瓷結(jié)合性能

　　本篇文章是由《口腔醫(yī)學(xué)》論文投稿，雜志創(chuàng)刊于1981年9月，是繼《中華口腔醫(yī)學(xué)雜志》之后全國公開發(fā)行的第二本口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)雜志。原主辦單位為常州市衛(wèi)生局， 原主編尹立喬教授，蘇聯(lián)醫(yī)學(xué)副博士學(xué)位，為國內(nèi)著名的整形外科專家。2002年起轉(zhuǎn)由南京醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院主辦，在南京出版發(fā)行。

　　牙科用貴金屬烤瓷合金機械性能及生物相容性良好，金瓷結(jié)合強度高，但其價格十分昂貴，已逐漸被非貴金屬合金取代[1-2]。非貴金屬合金具有機械強度高、耐腐蝕性較好、價格便宜等優(yōu)勢，部分非貴金屬合金的生物相容性與貴金屬合金相當(dāng)。鈷鉻合金金瓷結(jié)合強度高，且在生物相容性和抗腐蝕性等方面優(yōu)于鎳鉻合金[3-4]，已替代鎳鉻合金成為我國最常用的非貴金屬烤瓷合金。以往制作金屬修復(fù)體主要采用失蠟鑄造法，然而鑄造過程中的熱循環(huán)處理可使合金的剪切粘接強度顯著減小[4-5]。

　　選區(qū)激光熔化(selective laser melting，SLM)技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的，它利用高功率密度的激光束直接熔化金屬粉末，追求直接制造出終端金屬產(chǎn)品，縮短了成型周期[6]。由于SLM加工系統(tǒng)以光斑很小的激光束加工金屬，加工出來的金屬零件有很高的尺寸精度(達0.1 mm)，成型金屬件具有接近100%的相對密度和良好的力學(xué)性能[7-8]。

　　目前人們對SLM技術(shù)制作的鈷鉻合金研究較少，本研究采用剪切力試驗比較鑄造鈷鉻合金與SLM鈷鉻合金的金瓷結(jié)合強度差異，為臨床醫(yī)生和患者選擇最適合的材料提供參考依據(jù)。

　　1 材料和方法

　　1.1 材料和儀器

　　鑄造用StarLoy C鈷鉻合金(Dentsply公司，德國)，成分為Co 59.4%、Cr 24.5%、W 10.0%、Mo 1.0%、Nb 2.0%、Si 1.0%、V 2.0%，彈性模量200 GPa。SLM用Wirobond C+鈷鉻合金(Bego公司，德國)，成分為Co 63.9%、Cr 24.7%、W 5.4%、Mo 5.0%、Si 1.0%，彈性模量為200 GPa。Vita VMK 95瓷粉、遮色膏(Vita公司，德國)，BK Giulini磷酸鹽包埋材(貝克吉利尼公司，德國)，Nautilus 高頻離心真空鑄造機(Kerr公司，德國)，Easy blast筆式噴砂機(貝格公司，德國)，Programat P200烤瓷爐(義獲嘉偉瓦登特公司，列支敦士登)，INSTRON 5848萬能試驗機(INSTRON公司，美國)。

　　1.2 金瓷結(jié)合強度測試

　　1.2.1 試件制備 用鑄造法和SLM制作尺寸為15 mm×10 mm×2 mm的鈷鉻合金試件各10個，經(jīng)110目Al2O3噴砂后用精密卡尺對試件每邊平均選取3點測量金屬試件長、寬、厚度數(shù)據(jù)，并分別取平均值作為實際尺寸。丙酮超聲波清洗試件1 min，吹干備用。在試件中間10 mm×3 mm范圍，按照廠家推薦的程序燒結(jié)一薄層遮色膏、厚度為0.2 mm的遮色瓷、0.9 mm的體瓷，最終在試件中間形成10 mm×3 mm×1.1 mm的瓷層，用精密卡尺選取3點測量和控制瓷層厚度。

　　1.2.2 剪切力測試 用INSTRON 5848萬能試驗機測量金瓷斷裂時的加載力F。制作金屬模具槽，使試件可以順利插入且無晃動，于金屬面處進行加載，速度為0.5 mm·min-1，記錄金瓷斷裂時的加載力F(圖1)。金瓷結(jié)合強度按公式P=F/S計算，其中P為金瓷結(jié)合強度，F(xiàn)為斷裂力值，S為金瓷結(jié)合面積。

　　1.2.3 掃描電鏡(scanning electronic microscope，SEM)檢測和能譜儀(energy dispersive spectrosco-py，EDS)分析 每組隨機選取2個試件，使用熱鑲機進行鑲嵌后在濕砂紙上對需要觀察的實驗面進行研磨，使之平整。研磨完畢后，在拋光機上拋光至無明顯研磨劃痕。金瓷結(jié)合面試件經(jīng)過以上處理后進行酸蝕，丙酮超聲清洗15 min，吹干，噴砂，進行金瓷界面 SEM 形貌觀察及EDS分析。

　　1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

　　采用SPSS 13.0軟件包對實驗數(shù)據(jù)進行分析，采用t檢驗分析金瓷結(jié)合強度，P<0.05為差異具有顯著性。

　　2 結(jié)果

　　2.1 金屬試件尺寸

　　鑄造組合金尺寸為(14.62±0.24)mm×(10.41±0.16)mm×(2.29±0.07)mm，SLM組合金尺寸為(15.09±0.05)mm×(9.90±0.01)mm×(2.06±0.01) mm，SLM組試件的精密度高于鑄造組。

　　2.2 金瓷結(jié)合強度

　　鑄造組、SLM組剪切力分別為(33.11±4.98)、(30.94±5.98)MPa。所有試件金瓷結(jié)合強度均大于ISO所要求的基本值25 MPa。t檢驗表明，組間金瓷結(jié)合強度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。肉眼觀察可見，每個測試樣本均為復(fù)合斷裂，瓷層開裂并脫落后，表面成灰黑色氧化膜，僅有極少量瓷殘留(圖2)。

　　2.3 SEM觀察和EDS分析結(jié)果

　　2組金屬與瓷層之間有一清晰明顯的過渡層，金瓷界面結(jié)合緊密，鑄造組金屬和瓷層內(nèi)氣泡均多于SLM組，SLM組微觀結(jié)構(gòu)更加致密均一(圖3)。對金瓷界面進行EDS分析，觀察關(guān)鍵元素的變化。界面主要元素是 O、Na、Al、Si、K、Sn、Ca，其中 O、Si在界面發(fā)生擴散(圖4)。

　　3 討論

　　目前已有許多關(guān)于不同材料交界面結(jié)合力的研究，其中剪切力試驗應(yīng)用廣泛，但在口腔領(lǐng)域仍然沒有一種能被大家廣泛接受的評價結(jié)合力的方法。其他評價不同材料結(jié)合力的方法有拉伸試驗、扭轉(zhuǎn)測試、雙軸彎曲測試、三點彎曲測試及在離體牙上進行的拉伸試驗等[9]。盡管拉伸試驗應(yīng)用廣泛，但是試驗沒有一個統(tǒng)一的破壞壓力，且樣本準(zhǔn)備過程復(fù)雜繁瑣;經(jīng)過改進的微拉伸試驗宣稱壓力標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，試驗過程難以控制且受多種因素的影響，目前沒有證據(jù)表明上述試驗優(yōu)于傳統(tǒng)的剪切力試驗[10]。本研究采用剪切力試驗方法測量試件的金瓷結(jié)合強度。此種試驗方法簡單易行，試件容易制備，設(shè)計簡單，并可以很快得出結(jié)果，近年來被國內(nèi)外學(xué)者廣泛用于金瓷結(jié)合強度的測量[11]。同時，所有試件統(tǒng)一規(guī)格，采用相同的瓷粉，根據(jù)生產(chǎn)廠家要求的燒結(jié)程序制作。為盡量控制偶然因素的影響，采取20個試件同時一次燒結(jié)方法。因此，所測出的2組合金的金瓷結(jié)合強度具有可比性。

　　本研究采用剪切力試驗來評價SLM鈷鉻合金金瓷結(jié)合強度，試驗結(jié)果顯示SLM鈷鉻合金和傳統(tǒng)鑄造鈷鉻合金的金瓷結(jié)合強度分別為(30.94±5.98)、(33.11±4.98)MPa，2組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義。廖雋琨等[12]研究測得在除氣、980 ℃預(yù)氧化60 s條件下，鈷鉻合金的金瓷結(jié)合強度為(34.43±2.36)MPa，與本實驗測量的金瓷間結(jié)合強度值相近，提示本實驗試件制作和測試方法可信。但Xiang等[13]通過三點彎曲實驗研究認(rèn)為SLM鈷鉻合金的金瓷結(jié)合強度大于傳統(tǒng)鑄造鈷鉻合金。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能有：試件所使用鈷鉻合金來自不同廠家，其合金成分、配方略有不同;其次，本實驗對合金表面的預(yù)處理條件可能更適合于傳統(tǒng)鑄造鈷鉻合金。

　　決定金屬烤瓷修復(fù)體使用壽命的首要因素是金瓷間的結(jié)合強度，影響金瓷結(jié)合強度的因素很多，如金屬表面氧化膜的厚度、金屬和瓷粉熱膨脹系數(shù)的匹配性和機械化學(xué)結(jié)合力大小等。Vita VMK 95瓷粉的熱膨脹系數(shù)為(13.5～13.8)×10-6 ，Wirobond C+鈷鉻烤瓷合金的熱膨脹系數(shù)為(14.1～14.3)×10-6，StarLoy C鈷鉻烤瓷合金的熱膨脹系數(shù)為(14.0～14.3)×10-6，兩者之差控制在0.9×10-6～1.5×10-6的范圍內(nèi)，即具有匹配性。但吳芝凱等[14]認(rèn)為，平均熱膨脹系數(shù)只是評價金瓷匹配性的指標(biāo)之一，合金在烤瓷過程中發(fā)生的固態(tài)相變對金瓷匹配性也有很大的影響，這一問題有待進一步研究。Lombardo等[15]發(fā)現(xiàn)，比較僅用鎢鋼鉆打磨，金屬表面經(jīng)過Al2O3噴砂處理可以顯著提高鈷鉻合金的金瓷結(jié)合力。因此，本實驗所有試件統(tǒng)一進行110目Al2O3噴砂處理，使所有試件具有相同的機械結(jié)合力。鑄造用StarLoy C鈷鉻合金成分和SLM用Wirobond C+鈷鉻合金成分相似，其中易被氧化的Cr、Si的含量幾乎相等，因此2組試件的化學(xué)結(jié)合力相差無幾。導(dǎo)致2組試件金瓷結(jié)合強度差異的因素可能是由于制作方法不同而產(chǎn)生的金屬表面粗糙度和氧化膜厚度的差異。該結(jié)果提示應(yīng)依據(jù)鈷鉻合金的成分、烤瓷爐的狀況，找到最佳的熱處理條件，并通過進一步的研究改變鈷鉻合金的成分和添加元素，形成更加有利于金瓷結(jié)合的氧化膜。

　　SLM制作出的成型件的相對密度接近或達到100%。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)鑄造鈷鉻合金相比較，SLM鈷鉻合金的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，沒有氣泡的產(chǎn)生。對所有試件進行尺寸測量后發(fā)現(xiàn)，對比標(biāo)準(zhǔn)尺寸15 mm×10 mm×2 mm，鑄造組合金尺寸為(14.62±0.24)mm×(10.41±0.16)mm×(2.29±0.07)mm，SLM組合金尺寸為(15.09±0.05)mm×(9.90±0.01)mm×(2.06±0.01)mm。鑄造組最大尺寸誤差達0.41 mm，而SLM組僅為0.1 mm，即與傳統(tǒng)鑄造法相比，SLM制作出的鈷鉻合金試件精度更高，外形更為規(guī)范，且無變形及鑄造缺陷。

　　SLM制作的鈷鉻合金修復(fù)體金瓷結(jié)合強度與傳統(tǒng)鑄造鈷鉻合金相近，超過ISO9693標(biāo)準(zhǔn)的要求。該技術(shù)可以避免技術(shù)人員吸入金屬粉塵[16]。修復(fù)體精密度可達0.1 mm，克服鑄造法缺陷的同時大大地縮短了制作時間，顯著減少了人工勞動量。

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