戴詩琪 陳晨 謝海峰

氧化鋯全瓷修復體常規(guī)通過樹脂基粘接材料粘固在基牙上，其粘接力主要來源于微機械固位和化學粘接[1]，其中微機械固位與粘接材料的機械性能密切關聯[2-3]。在樹脂基材料中，流動樹脂與樹脂水門汀的結構構成類似，均具有良好的流動性和較低的粘度，都有被應用于全瓷修復體粘接的用途[4]。可以推測，倘使在獲得同樣化學粘接的條件下，由于流動樹脂與樹脂水門汀在機械性能上的差異有可能因影響微機械固位從而影響粘接性能。當前研究即比較流動樹脂和樹脂水門汀對氧化鋯的粘接強度，及其彈性模量和泊松比，并通過三維有限元(3DFE)分析這兩種粘接材料在剪切粘接過程中的應力分布，以期為判斷兩種樹脂基材料粘固氧化鋯全瓷修復體的成績提供實驗資料。

1 材料與方法

1.1 材料

氧化釔穩(wěn)定的四方相氧化鋯片(94% ZrO2， 6% Y2O3， 深圳Santo 科技有限公司)； 通用型光固化樹脂水門汀Choice 2(批號：2000000446；Bisco公司，美國)；流動樹脂Clearfil Majesty ES Flow(批號：5D0282，Kuraray公司，日本)； Beautifil Flow Plus F00(批號： 081966, Shofu公司，日本)；氧化鋯底涂劑Single Bond Universal(批號： 90809A)、光固化復合樹脂FiltekTMZ250(批號： NA79786)(3M公司，美國)，相關信息見表 1。

表 1 主要材料的相關信息

Lndp-Ⅱ噴砂機 (天津嘉年富通醫(yī)療設備有限公司)；冷熱循環(huán)儀 (TC-501F，蘇州威爾實驗用品有限公司公司)；萬能材料試驗機 (Instron Model 3365，Electro Plus公司，美國)；掃描電子顯微鏡(SEM，S-4 800，Hitachi公司，日本)。

1.2 試件的制作與剪切粘接強度(SBS)測試

制備90 枚氧化鋯瓷片(燒結后尺寸 10 mm×10 mm×1 mm)，拋光后在距離粘接面10 mm處使用直徑為50 μm氧化鋁顆粒噴砂20 s，壓強為0.25 MPa，超聲清洗后烘干。在瓷片粘接面涂布氧化鋯底涂劑Single Bond Universal，空氣揮發(fā)20 s，無油空氣吹干。

制作90 枚FiltekTMZ250光固化復合樹脂柱(直徑3 mm，高2 mm)，光固化完全后進行打磨拋光，控制厚度誤差為±0.02 mm。

根據使用的樹脂水門汀或流動樹脂Clearfil Majesty ES Flow流動樹脂、Beautifil Flow Plus F00流動樹脂、Choice 2樹脂水門汀，將所有氧化鋯瓷片隨機分成3 組CM組、BF組、C組，制作瓷片/樹脂水門汀(或流體樹脂)/復合樹脂柱結構的粘接試件(n=30)。

各組粘接試件由復合樹脂圓柱在5 N力持續(xù)加壓下以樹脂水門汀或流動樹脂粘接于氧化鋯預處理面獲得，加壓時去除多余樹脂水門汀，隨后沿界面四個側邊方向及樹脂頂端分別光照固化40 s。

各組粘接試件一半置于37 ℃水儲24 h，另一半使用冷熱循環(huán)機5 ℃和55 ℃溫度下循環(huán)8 000 次，停留時間15 s， 隨后37 ℃水儲3 個月。通過萬能測試機進行剪切粘接強度(SBS)測試，加載速度為1.0 mm/min，記錄最大載荷(F)和剪切模量 (G)。根據剪切強度公式：P=F/S， 計算每個試件的剪切粘接強度，其中P為剪切粘接強度(MPa)，F為加載斷裂時的最大載荷(N)，S為粘接面積(mm2)。

為了比較老化因素和粘接劑因素對剪切粘接強度的影響以及交互作用，在驗證結果符合正態(tài)分布和方差齊性后，對所有數據進行雙因素方差分析(ANOVA)，并進行多重檢驗(LSD' test)。顯著性水平為0.05，統(tǒng)計軟件使用SPSS 25.0。

在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察加載斷裂后的瓷片粘接面，冰記錄試件的斷裂模式。內聚斷裂：瓷片粘接面未暴露，斷裂產生于復合樹脂柱或樹脂水門汀內部；混合斷裂:瓷片粘接面部分暴露，同時粘接面有復合樹脂或樹脂水門汀殘余;粘接斷裂；瓷片粘接面完全暴露，沒有復合樹脂或樹脂水門汀殘余。

1.3 彈性模量和樹脂泊松比

根據Warfield等[5]和Chabrier等[6]等提出的慢應變速率測試法獲得復合樹脂的泊松比和彈性模量。分別制作3 種樹脂基材料和FiltekTMZ250復合樹脂(高6 mm，直徑5 mm)圓柱體(n=6)，使用光固化燈使其固化完全后進行打磨拋光，控制誤差在±0.02 mm內。體積模量測試模具及剖面如圖 1所示，其中模具由三個部分組成，不銹鋼約束環(huán)以及兩個不銹鋼活塞。樣品在23 ℃干燥保存24 h。每種樹脂基材料分為兩組(n=3)，放于萬能試驗機測試平臺上進行壓縮測試，一組完全不受限制地逐載至1 000 N，加載速度1 mm/min，獲得彈性模量。另一組在活塞之間以相同速率逐漸加載至5 000 N，由剛性不銹鋼環(huán)徑向約束。環(huán)孔僅比每個樣品直徑稍寬(0.05 mm)，以允許其插入環(huán)中而不允許其膨脹。描繪出每個試樣的應力-應變曲線圖，使用回歸和相關分析確認應力-應變曲線最后部分為線性，沒有超過彈性變形區(qū)域后，根據其切線角獲得彈性模量(E)和體積模量(B)，根據公式V=0.5-E/6B 算出試樣的泊松比(v)。

圖 1 體積模量測試模具(A)及剖面圖(B)

氧化鋯彈性模量和泊松比參考廠家數據(分別為210 GPa和0.3)。

1.4 三維有限元(3D FE)分析

使用ABAQUS 6.14軟件(Dassault Systemes有限公司，法國)創(chuàng)建與剪切粘接強度測試中粘接試件、加載頭尺寸、位置完全相同的具有良好力學相似性和幾何相似性的三維有限元模型：瓷片大小設置為10 mm×10 mm，厚度設為1 mm，樹脂柱厚度設為2 mm，粘接劑厚度設為50 μm(不大于臨床要求的最高100 μm)[7]，施加的應力設為50 N(低于粘接強度測試的最低斷裂載荷)[8]，使用2 mm×3 mm的矩形剛性桿將力施加在圓柱體的頂部。設置所有材料為各向同性，均勻和線性彈性。Von Mises 應力(VMS)是基于剪切應變能的一種等效應力，通過應力等值線來表示模型內部的應力分布情況，我們分析加載過程中每個試件中的VMS分布，并計算了不同部分的最大VMS值。

2 結 果

2.1 剪切粘接強度(SBS)

各組的SBS值及斷裂模式如表 2所示。通過雙因素ANOVA分析顯示組間SBS值具有統(tǒng)計學差異(P老化=0.000，P材料=0.000)，兩因素之間無相互作用(P=0.295)。多重檢驗結果表明各組SBS值均有統(tǒng)計學差異。CM組老化前后平均值均最高，BF組老化前后均最低，且老化后與C組無統(tǒng)計學差異。

表 2 各組SBS結果和斷裂模式

老化前后各組試件中，BF組粘接斷裂占比最高。老化后CM、C組粘接斷裂所占比例不變，混合斷裂增加，內聚斷裂減少；BF組老化后粘接斷裂和內聚斷裂降低，混合斷裂增加。剪切粘接試樣、測試過程及不同斷裂模式的試件典型SEM如圖 2所示。

2.2 彈性模量和泊松比

計算后的各樹脂基材料彈性模量和泊松比平均值如表 3所示。

2.3 有限元結果

如圖 3所示，各組中最大應力主要集中于復合樹脂柱非粘接端，但3 組最大VMS值接近。在粘接層及氧化鋯粘接面，3 組最大VMS值從大到小依次為BF、C、CM組。各組在各部件中的最大VMS值如表 4所示。

圖 3 模擬剪切試驗的有限元模型中的應力分布圖

表 4 各組的最大應力值

3 討 論

流動樹脂可以通過降低填料粒徑[9-10]，對填料表面改性[11]，或改變基質成分[12]等方式在維持高填料含量水平的基礎上改善粘度和流動性，因此很好的兼顧了機械性能。ISO 10477標準[13]對全瓷修復體粘接的要求是大于5 MPa， 以往研究中使用了通用粘接劑以后獲得的樹脂水門汀對氧化鋯的粘接強度在10～25 MPa之間[14]，本研究中各組SBS值在11～20 MPa間，因此流動樹脂與樹脂水門汀一樣，都提供滿足氧化鋯的粘接強度。SBS測試和斷裂模式觀察結果發(fā)現，無論老化前后，高填料含量的流動樹脂剪切粘接強度都最高，低填料含量流動樹脂粘接強度都最低，而填料含量居中的樹脂水門汀粘接強度介于兩者之間。三種樹脂基材料以粘接斷裂為主，其中低填料含量流動樹脂粘接斷裂占比到達86.7%，表明其與氧化鋯的粘接強度稍差，這與SBS結果反映的趨勢基本一致。水的長期滲透作用使粘接界面的樹脂基質降解[15]。本研究中，經過老化后三種粘接試件SBS值均有一定程度的降低，但粘接斷裂占比不變或稍降低。表明老化因素對粘接試件仍然有一定的削弱作用，與以往研究一致[16]。當前實驗對各組采取了相同的陶瓷表面處理，選擇的樹脂基材料也均不含有任何潛在的與氧化鋯陶瓷形成化學粘接的成分，因此各產品粘接強度上的差異應是來源于微機械固位的差異。為了分析和解釋這種差異，該實驗通過3DFE對粘接界面進行應力分析。

本課題組在同等測試條件下計算了不同樹脂基材料的彈性模量和泊松比，而不是采用廠家提供的數據進行對比，確保有限元分析的準確性和材料的可比較性，因為不同廠家報道的數據可能分別來自于不同的操作人員、測試方法、環(huán)境和儀器，這會使得數據間不具備可比性。根據當前的結果，在三種樹脂基材料中，高填料含量流動樹脂彈性模量最低，低填料含量流動樹脂彈性模量最高，樹脂水門汀介于兩者之間。與彈性模量不同，三種材料的泊松比呈現了接近的數值。

當前實驗根據所測的彈性模量和泊松比數據建立3DFE模型對剪切加載下的粘接試件進行應力分析。VMS是強度評估的主要參考指標[17]，通過觀察VMS分布圖可以看出應力大小的分布區(qū)域，尤其是應力較大的集中部位。因此本研究通過比較不同模型中的VMS分布來分析不同粘接材料對剪切模型的影響。根據有限元分析結果，三種材料的彈性模量和泊松比參數對復合樹脂柱非粘接端的最大應力分布無明顯差異，但是對粘接層及氧化鋯粘接面的應力分布具有一定影響。根據以往研究發(fā)現，粘接水門汀層的彈性模量增加，集中在粘接層內的應力更高[18]。在本研究中，彈性模量最高的低填料含量流動樹脂在粘接層和氧化鋯粘接面的最大應力值最高，也更有可能形成應力集中區(qū)，從而導致粘接界面的裂紋出現、擴展甚至疲勞性破壞；彈性模量最低的高填料含量流動樹脂則有利于應力的分散和傳導，減少破壞應力，提高修復體的遠期保存率。因此，氧化鋯全瓷材料的粘接性能及耐久性與樹脂基粘接材料本身的彈性模量密切相關。當然，考慮到粘接材料的彈性模量對冠修復后修復體和牙體組織長期疲勞負荷下的抗折性能的影響，對粘接材料的彈性模量最佳范圍的確定仍需進一步研究。

基于上述分析可以推論，無論是流動樹脂還是樹脂水門汀在經過適當的陶瓷表面處理后都能夠用于粘接氧化鋯全瓷修復體，這兩類樹脂基粘接材料中，材料類型并非影響粘接強度的因素，但有限元顯示了彈性模量對剪切粘接應力分布的影響。在一定范圍內，彈性模量小的樹脂材料的應力緩沖作用更有利于獲得較高的粘接性能和耐久性。