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口腔陶瓷修复材料加工分析

摘要口腔陶瓷修复材料以其优良的生物相容性、独特的美学性及稳定的化学性等优点在口腔修复中占主导地位。由于口腔陶瓷修复材料的脆硬特性及义齿的复杂表面特征,使其在CAD/CAM(计算机辅助设计与制造)成型加工和后续的修磨中,存在磨削工艺复杂、加工破损率高和表面易损伤等难题。充分了解口腔修复材料专用磨削加工工具及其性能,优化设计加工参数,对降低修复材料损伤具有重要意义。本文介绍了不同口腔陶瓷修复材料加工方式和加工工具,阐述了口腔陶瓷修复材料的磨削去除机理、磨削力及磨削表面质量等研究现状,并提出了后期研究发展主要方向。

关键词优化设计;口腔陶瓷;去除机理;磨削

口腔陶瓷修复体(义齿)色泽接近真牙、耐磨性高并且生物相容性好,不易附着细菌,长期以来一直在口腔领域应用。口腔CAD/CAM技术的发展,极大地提高了口腔陶瓷修复体加工效率和质量,与之配套的牙科可切削全瓷材料也成为研究热点[1-3]。2005-2014年,CAD/CAM全瓷修复体数量正逐年快速增长[2],并且新型产品不断出现。根据口腔修复的特点,口腔陶瓷修复体(义齿)的修复过程主要包括4个方面:口腔修复陶瓷材料的制备、成型加工制作、口腔调磨修复和临床使用性能评价[4-5]。口腔陶瓷修复材料本身具有高硬高脆低韧度的特性,同时,修复体的表面形貌复杂、尺寸微小,致使其在成型加工和修磨过程中易出现碎裂、崩边、微观裂纹等缺陷,陶瓷修复体就位、承受反复咀嚼的咬合力时易折断,给使用效果带来很大的负面影响[6-8]。为了延长其临床寿命,许多研究致力于材料的增强增韧技术,目前使用材料的强度和韧性均获得很大提高,但同时也增大了修复体就位前的外形修磨的难度,易出现修复体表面及亚表面存在不同程度的微裂纹和微破坏,从而影响其临床寿命。修复体临床寿命也不仅仅取决于材料的性能,加工工艺和后续口腔修复体调磨也是不容忽视的影响因素。不论是成型加工还是外形修磨,本质都是材料去除的过程。因此,充分了解全瓷材料的磨削去除机理,选择合理的加工方式及加工工艺,以减轻加工过程中刀具的磨削力和磨削温度对修复材料造成的损伤,是提高修复体表面质量、延长其临床寿命的重要途径。本文介绍了不同口腔陶瓷修复材料及其加工方式和加工工具,阐述了口腔陶瓷修复材料的磨削去除机理、磨削力及磨削表面质量等研究现状,并提出了后期研究发展的主要方向。

1口腔陶瓷修复材料

目前,可切削的口腔修复陶瓷材料主要有长石瓷、玻璃瓷、氧化铝瓷、氧化锆瓷、玻璃渗透陶瓷等5类,图2为5种义齿陶瓷材料力学性能的区别[8]。

1.1长石瓷

长石瓷是种硼硅长石质玻璃,玻璃基中分布着不规则的晶粒结构,应用于前牙贴面、全冠及后牙嵌体等,具有良好的美学效果和接近天然牙齿的磨耗度,经研磨抛光后便可于口腔中应用。

1.2玻璃瓷

玻璃瓷是一种由微晶体和玻璃相组成的硅酸盐材料,透光性好,有“变色龙”之称,切削性能良好,用于贴面、嵌体及前后牙单冠的制作。

1.3氧化铝瓷

氧化铝瓷为玻璃基质中分散有一定的氧化铝结晶,是高强度陶瓷,适用于嵌体、单冠、前牙桥、后牙冠的制作。

1.4氧化锆瓷

氧化锆瓷由于特有的应力诱导相变增韧效应,其强度和韧性均优于传统的长石瓷和氧化铝瓷,有“陶瓷钢”之称,成为国内外口腔材料最关注的热点,可用于冠及固定桥。

1.5玻璃渗透

陶瓷玻璃渗透陶瓷是由至少2种互相交织的材料组成,拥有良好的强度及韧性,适用于后牙的修复。

2口腔修复体CAD/CAM系统与加工工具

2.1口腔CAD/CAM系统

口腔修复体CAD/CAM加工已逐步实现数字化、智能化,如图3所示,首先是获取患牙信息数据,然后数字化个性设计义齿和CAM加工义齿[9]。不同的口腔修复体材料,其加工工艺会有所不同:一般金属类材料直接采用义齿雕刻机床进行铣削加工,获得成品;烤瓷类材料经磨削或铣削后要进行烧结,最后修整获得义齿;一些全瓷材料经磨削,然后经调磨、上釉获得成品,大大提高了牙体修复的效率及精确度。目前,国内外已有十几种商品化系统,较常见的Duret、Lava、Procera、Everest、ZENO、DCS及Cercon等牙科CAD/CAM系统主要集中在技工室,目前成熟的椅旁CAD/CAM系统仅有CEREC系统和E4D等2种系统[10],可制作嵌体、高嵌体、贴面、全冠、烤瓷冠的基底冠、烤瓷桥的桥体支架等。如表1所示,不同的系统其扫描成像系统、加工材料、加工类型及数控加工中心都是不同的[11]。

2.2口腔陶瓷修复体加工工具

根据加工材料及工艺的不同,口腔陶瓷修复体成型加工工具有金刚石义齿磨针(磨头)和义齿铣刀2种。对于不同的CAD/CAM加工系统,2种义齿刀具的结构设计及应用范围也不同。目前,大部分口腔陶瓷修复体研磨机加工义齿时,分为粗磨(铣)削、半精磨(铣)削、精磨(铣)削3个工序。金刚石义齿磨针有平底磨头、球磨头、锥度磨头(图4),义齿铣刀主要有圆鼻铣刀、球头铣刀和立铣刀(图5)。义齿修磨刀具主要是金刚石车针,对就位前的修复体进行表面修整和牙体窝洞的制备,根据结构不同,有圆头锥形车针、平头锥形车针、鱼雷形车针、火焰形车针和杵形车针等。2.2.1金刚石磨针金刚石磨针有应用于义齿成型加工的金刚石义齿磨针和应用于牙科手机上进行义齿修磨及牙体预备的金刚石车针2种不同类型,二者在结构及性能要求等方面的差别如表2所示。根据国际标准,金刚石磨针分为5种类型:超粗粒度金刚石磨针(151~213μm,黑色)、粗粒度金刚石磨针(125~150μm,绿色)、标准金刚石磨针(106~125μm,蓝色)、细粒度金刚石磨针(53~63μm,红色)、特细金刚石磨针(20~30μm,黄色)。义齿成型加工一般多采用粗粒度金刚石磨针和标准金刚石磨针[12],唯独CEREC系统采用细粒度磨针,无需换刀便可实现精准快速陶瓷修复体成型加工,是目前性能最为稳定的系统。(1)金刚石义齿磨针应用于CEREC、Duret、Dux、DCS、Roland及Cercon等口腔CAD/CAM系统数控研磨机[13],主要针对玻璃陶瓷、长石类陶瓷和烧结的氧化锆陶瓷等修复材料进行成型磨削加工。一般锥形义齿磨针用于义齿修复体的啮合面部分磨削,其余义齿修复体部分根据其形状的不同,可采用球头义齿磨针和平底义齿磨针磨削[14]。金刚石义齿磨针制备方法有烧结金刚石、电镀金刚石及钎焊金刚石3种,其中前两者已广泛应用于牙科。烧结金刚石工具常为多层磨料,成本低,商业化程度高,但由于烧结温度高且时间长,会影响金刚石强度。电镀金刚石工具为单层磨料,制作简便,但金刚石出刃高度低,锋利度不足,易出现金刚石颗粒脱落。钎焊金刚石工具通过化学反应将金刚石、结合剂、基体牢固结合,较前两者结合力大大增强,且出刃高、锋利度好,但是生产成本高,难以实现量化。(2)金刚石修磨车针动力装置是牙科低速和高速手机,对陶瓷修复体进行毛刺去除及外形修整。根据车针的大小、形状、应用类型和粒度不同,选取牙体预备及修磨所需的类型以提高精确度,基体颈部颜色标识只限于金刚石修磨车针。2.2.2口腔陶瓷修复体加工铣刀口腔陶瓷义齿铣削工具主要为金刚石涂层铣刀,专门针对氧化锆修复体进行成型加工。金刚石涂层可有效延长刀具寿命、提高切削效率。铣刀整体为硬质合金,有直槽型和螺旋槽型,根据不同口腔CAD/CAM系统要求,金刚石涂层铣刀在刀柄直径、切削刃数及切削角度等设计方面有所不同。切削直径最小达0.3mm,可实现牙冠边缘超精加工,保证表面质量。

3磨削加工研究

3.1磨削去除机理

材料表面形成机理影响其表面质量,不同机理形式反映出不同程度的材料损伤,而机理的形成受材料、刀具、加工方式及参数影响。若能通过控制变量,优化工艺,减少修复材料的内部裂纹及边缘破损,则可大大提高工作效率。工程陶瓷机理研究已趋于成熟,医用陶瓷却处于初期阶段[5]。Malkin等[15]认为研究陶瓷材料高效率、高质量加工的磨削机理,其方法有压痕断裂力学法和磨削加工观察法2种。压痕法侧重小面积地分析力与材料去除的关系;磨削加工是通过分析磨粒切除材料产生的磨削力、温度,观察切屑及表面,而获取材料去除机理。Warnecke等[16]指出,陶瓷材料去除机理受加工刀具结构、加工量及加工过程中产生的力和温度相互作用影响。于天来等[17]开展了Y-TZP陶瓷磨削去除机理方面的研究,结果表明:Y-TZP在磨削加工过程中主要通过塑性变形、脆性断裂和粉末化等方式去除。韩振鲁等[18]针对纳米ZrO2牙科陶瓷进行磨削去除机理实验研究,通过观察发现:最大未变形切屑厚度为5.23μm及以上、1.9~2.1μm、1.9μm以下的材料去除方式分别为脆性去除、塑性与脆性相结合、塑性去除。Yin[19]对不同的齿科陶瓷进行微细磨削及压痕实验,结果表明:断裂韧性低的材料如长石类陶瓷以脆性变形为主,而断裂韧性高的如氧化锆瓷,以塑性变形为主。Chang等[20]用3款不同粒度金刚石磨头对4种齿科修复材料进行磨削实验,发现材料去除方式受磨粒影响:用细粒度和极细粒度的磨头时,4种材料以塑性方式去除;用标准粒度的磨头进行加工时,会出现部分区域脆性去除。韩翼刚[21]对VitaMarkII进行压痕和大深度磨削实验,通过观察磨削后的材料表面和分析磨削力变化,综合压痕横向断裂力学实验揭示磨削机理,发现用不同粒度时,磨削的材料都包含塑性去除和脆性去除2种方式,但磨头粒度越小,塑性区域越大。

3.2磨削力

磨削力是评价可磨削性优劣的一项重要指标,而磨削力的大小与磨具的形状、硬度、粒度及磨削用量等密切相关,寻求最佳磨削力区是提高磨削质量的重要步骤。刘艳等[22]采用2种不同粒度的钎焊金刚石工具磨削氧化锆陶瓷,粒度小的磨削力小;张二红[23]通过体外磨削VitaMarkII实验分析了不同的加工参数和材料所受的切向力、法向力之间的关系,并利用ANSYS软件建立试件磨削力预测模型,结果表明:随着材料去除率的增加和最大未变形切屑厚度的增加,磨削力、力比均有所增加,比磨削能减小。彭建辉[24]研究了不同修复材料下的磨削力,发现磨削力会随着进给速度、切削深度增加而增大,但切削深度影响大于进给速度,在不同加工参数下,白石榴石陶瓷磨削力大于长石瓷磨削力。鲍乐[25]在医用氧化锆磨削仿真与实验中得出:磨削参数对磨削力的影响程度由大到小依次为磨削宽度、磨削深度、主轴转速、进给速度。吴海兵等[26]基于离散型仿真模型对牙科氧化锆陶瓷磨削加工进行了动态仿真,仿真结果表明:在保证表面质量的情况下,提高磨头转速可降低磨削力,保证磨削过程的稳定。Yin等[27]采用高进给磨削加工齿科陶瓷,法向力和切向力随切削深度和最大切屑厚度增大而增大,随进给速度增大而减小;磨削比能随切削深度、最大切屑厚度和随进给速度增大而增大;切削深度大于150μm后,法向力急剧增大。宋晓菲等[28]对长石质玻璃瓷与白榴石瓷两种口腔材料进行了体外调磨实验,通过分析发现:切削深度和进给速度变化影响材料的切向力、法向力及磨削能,但对表面粗糙度无影响;在同加工参数下,白榴石瓷较长石质瓷表面质量更好。肖行志等[29-30]采用超声辅助磨削加工牙科氧化锆,并建立切削力的指数预测模型、BP神经网络预测模型及理论预测模型,经实验与模型对比,结果显示:基于BP神经网络预测模型更适合磨削氧化锆加工;同时,实验与模型都表明切削力会随着主轴转速、进给速度、切削宽度增大而增大,随着振幅增大而减小,振频则无影响。雷小宝等[31]设计正交试验磨削加工未烧结氧化锆齿科陶瓷,根据结果建立模型预测磨削力。H-Meng等[32]提出超声辅助加工氧化锆陶瓷的力学模型并经实验验证,结果相吻合:切削力会随着进给速度、磨粒浓度及磨粒角度的增加而增大,随主轴转速、磨粒尺寸及超声振幅和频率的降低而减小,随着切削深度增加,切削力先增大后减小。

3.3磨削表面质量

陶瓷修复体的表面质量是决定修复体临床耐磨性及使用寿命的关键因素,而研究表面质量则从表面的完整性和表面形貌两方面入手。光滑的表面能减少口腔细菌黏附,提高美观效果,使患者感觉舒适[33-34],而表面粗糙度增大及裂纹扩散在一定范围内将会导致陶瓷修复体强度降低[35],缩短临床寿命,因此,探索影响表面质量因素是至关重要的。

4结论

数控磨削加工齿科陶瓷过程中,刀具结构、路径选择及工艺参数等不可避免会对材料造成一定的损伤,但可以通过改善刀具的磨削性能来减轻材料的破损,提高产品质量。目前,虽然在口腔陶瓷修复体材料磨削机理及加工工艺规划方面取得了一定的研究成果,为陶瓷义齿的高效磨削加工提供了一定的理论与实践基础,仍存在一些问题需要进一步解决。(1)口腔陶瓷修复材料磨削过程动态研究。对微小、复杂形貌尺寸口腔陶瓷修复体成型磨削过程刀轨路径研究不足,同时,在口腔陶瓷修复体磨削过程中的动态理论模型、仿真模型的建立与分析也鲜有报道,路径的规划及模型分析是提高义齿加工的精度和效率的重要步骤。(2)口腔修复术中陶瓷修复材料与真牙的磨削机理结合研究。磨削机理研究为实现低损、低耗及高效率加工提供理论支撑,口腔陶瓷材料作为牙齿修复的一部分,其磨削机理已有一定探索,而牙体预备(牙齿磨削)机理研究尚少。对口腔陶瓷修复材料及真牙磨削机理进行结合深入研究,不仅能为如何降低牙髓和牙周组织损伤提供有效的临床指导,还利于延长口腔陶瓷修复体使用寿命。(3)磨削工具优化设计。口腔陶瓷修复体材料加工用金刚石磨针存在金刚石易脱落、加工能力差及报废率高等缺陷,需从金刚石磨针结构及制备工艺方面入手,增强基体抗折损力及金刚石黏附力,从而提高口腔修复效率。(4)评判标准多科综合。制作出合格的口腔陶瓷修复体涉及材料学、磨削加工学、精密测量学、生物组织学、生物力学和美学等,而目前研究过于重视单纯机械加工或者材料制作,缺乏与临床应用的结合评判。综合多学科成立标准评判体系,将为口腔修复手术及工具制作提供可靠的参考价值。

作者:赵丹娜 王成勇 周绍波 江文涛 毛学理 郑李娟 单位:广东工业大学机电工程学院 中山大学光华口腔医学院附属口腔医院

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