可切削硅酸鋰陶瓷具有很好的色澤和較高的抗彎強度,它既可用于單層冠,也可以用作氧化鋯基底冠的飾面瓷,再通過燒結或者粘接方式合成全瓷冠。本文研究了單層冠、燒結雙層冠和粘接雙層冠等 3 種結構形式的全瓷冠修復體在典型載荷作用下應力分布差異。建立了下頜第一磨牙單層冠、燒結雙層冠和粘接雙層冠等 3 種全瓷冠的三維數值模型,分別對其施加垂直集中載荷和八點均布載荷兩種典型載荷,通過數值計算分析 3 種全瓷冠各部分的應力極值和應力分布。結果表明,3 種瓷冠在兩種載荷作用下的最大應力均小于材料的彎曲強度。燒結雙層冠和粘接雙層冠應力分布形式大體相同,與單層冠應力分布趨勢不同。粘接雙層冠與燒結雙層冠相比,飾面瓷應力更大。在采用可切削硅酸鋰陶瓷單層冠作為磨牙修復體時,在多次咀嚼載荷作用下高應力區可能導致全瓷冠的使用壽命縮短。與燒結雙層冠相比,粘接雙層冠的飾面瓷可能存在更大崩瓷的風險。本文結論可為可切削硅酸鋰陶瓷材料在實際全瓷冠修復臨床應用中提供參考意見。
引用本文: 林曉敏, 徐遠志, 楊啟祥, 張東升. 可切削硅酸鋰全瓷冠的力學差異性研究. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(1): 48-52. doi: 10.7507/1001-5515.201604055 復制
全瓷修復是口腔修復學發展的主流趨勢。伴隨著計算機輔助設計與制造(computer aided design/computer aided manufacture, CAD/CAM)技術的發展,可切削陶瓷的不斷應用打破了傳統以鑄造為主的口腔修復方式,大大縮短了修復體的制備周期,減少了燒結過程引起的瓷冠內部應力,消除了工藝缺陷,是一種有前景的全瓷加工技術。目前國際市場上已經有多套口腔修復體 CAD/CAM 商品系統,其臨床應用也日益擴大[1]。
氧化鋯陶瓷的抗彎強度高達 900~1 200 MPa,抗壓強度約 2 000 MPa,具有良好的耐腐蝕性和生物相容性,因此已經廣泛地運用于全瓷冠內冠的制作[2-3]。而玻璃陶瓷具有良好的透光性,色澤與牙釉質相近,是理想的全瓷冠飾面瓷材料[4-5]。有文獻報道,可采用氧化鋯作為基底瓷,玻璃陶瓷作為飾面瓷,通過燒結或者粘接的方式形成全瓷冠,分別稱為燒結雙層冠和粘接雙層冠[6-9],CAD/CAM 粘接雙層冠構造如圖 1 所示。另外,由于二硅酸鋰玻璃陶瓷(產品名為 IPS e.max CAD)的彎曲強度達到 360 MPa,兼備了良好色澤和力學強度,可直接用于單層冠制作[10-11]。

為了系統研究 IPS e.max CAD 陶瓷的使用方法,本文分析了 3 種采用 IPS e.max CAD 制作的全瓷冠在承受典型咀嚼載荷下的應力分布。3 種瓷冠包括:①IPS e.max CAD 單層冠;②IPS e.max CAD 飾面瓷燒結在氧化鋯基底瓷上構成燒結雙層冠;③IPS e.max CAD 飾面瓷粘接在氧化鋯基底瓷上構成粘接雙層冠。通過建立 3 種全瓷冠的有限元模型,在典型的咀嚼載荷形式下分析全瓷冠結構的應力分布,以及 3 種全瓷冠不同的力學行為,為可切削硅酸鋰全瓷冠在口腔修復臨床應用提供力學分析依據。
1 材料與方法
1.1 瓷冠模型的建立
利用標準牙模型(D50-500A,江蘇昆山)翻制石膏模,利用加入顯影硫酸鋇(干混懸劑Ⅱ型061213,青島東風化工有限公司)的自凝造牙粉(造牙粉Ⅱ型 080601,上海二醫張江生物材料有限公司)替代全瓷各瓷層材料制作實體磨牙冠,再經微計算機斷層掃描技術(micro computed tomography, Micro-CT)(GE company, USA)掃描后獲得高對比度各層形態圖像,利用三維圖像建模軟件 Simpleware 重建修復體的三維模型[12]。
單層冠的有限元模型包括瓷冠、粘接劑和樹脂基體 3 個部分。燒結雙層冠的有限元模型包括飾面瓷、基底瓷、粘接劑(選用 3M RelyXARC 粘接劑,3M RelyXARC 為產品名稱)和樹脂基體 4 個部分。粘接雙層冠的有限元模型包括飾面瓷、飾面瓷基底瓷層粘接劑(選用Variolink Ⅱ 粘接劑,Vario-link Ⅱ為產品名稱)、基底瓷、基底瓷基體層粘接劑(選用 3M RelyXARC 粘接劑,3M RelyXARC 為產品名稱)和樹脂基體等 5 部分。
將 Simpleware 中的模型導入逆向工程軟件 Geomagic Studio9.0 中進行光滑處理,轉化為形狀階段后,探測輪廓線生成三角面片,然后適當調整面片數量,最終將三角面片轉化為非均勻有理樣條(nonuniform rational B-spline, NURBS)曲面,再將點云數據轉化成實體模型。進一步導入有限元分析前處理軟件 Hypermesh11.0,通過實體化,布爾操作,劃分網格,設置材料屬性,設置接觸等一系列的操作,本文共建立出 3 種結構的全瓷冠有限元網格模型,如圖 2所示。

所有瓷冠材料均考慮為均質、連續、各項同性的線彈性材料,3 種模型中各組成部分的材料參數如表 1 所示。采用 Hypermesh11.0 對模型進行網格劃分,并驗證模型的收斂性,各模型單元數與節點數如表 2 所示。


1.2 邊界條件與加載方式
由于牙根受牙槽骨的固定約束,以及牙周組織對牙體的支撐作用,修復體在咀嚼過程中整體的移動量非常小。考慮到本文主要研究全瓷冠修復體內部的應力分布,因此本文中,在修復體牙本質底面所有節點施加固定約束,限制 3 個方向的位移和轉動。
本文考慮了全瓷冠的兩種典型載荷方式,一種是中央窩處的垂直集中載荷,加載值為 600 N;另一種是模擬均布咬合力的八點分布載荷,每個點處施加 75 N的垂直集中載荷,合力為 600 N[13]。最后,將模型導入到有限元計算軟件 Abaqus6.10 中計算分析。
2 結果
2.1 均布載荷作用下的應力分布情況
3 種瓷冠在八節點均布載荷作用下,瓷冠內部應力分布比較均勻,最大載荷遠遠小于瓷冠材料的彎曲強度。以燒結雙層冠為例,八節點均布載荷下基底瓷下表面的應力云圖如圖 3 所示。3 種瓷冠在承受八節點均布載荷時,單層冠、燒結雙層冠和粘接雙層冠等 3 種全瓷冠,最大主應力極值分別為 77.8 MPa、91.9 MPa 和 108.5 MPa,均未超出各自材料的強度,3 種瓷冠都是安全的。

2.2 集中載荷作用下的應力分布情況
在集中載荷作用下,各瓷層的應力極值均出現在加載點下方,應力分布云圖呈現出比較規律的由中間向四周擴散的趨勢。當咬合力為 600 N時,3 種瓷冠各部分應力極值如表 3 所示。瓷冠各部分最大應力均未超出各自材料的強度,證明在這種加載方式下,3 種瓷冠的靜態承載能力滿足要求。

單層冠上、下表面的應力分布如圖 4 所示,最大米塞斯應力出現在加載點周圍,最大主應力(207.3 MPa)出現在加載點下方。對比 IPS e.max CAD 的彎曲強度 360 MPa,最大主應力不會導致瓷冠的整體破壞。

如圖 5 所示,燒結雙層冠在集中咬合載荷作用下的應力分布與先期研究結果類似[14],飾面瓷上表面集中載荷處承受較大的接觸壓應力,氧化鋯基底冠下表面承受最大主應力(215.7 MPa),但最大主應力遠遠小于氧化鋯的抗彎強度。

由于粘接雙層冠的飾面瓷以粘接的方式與基底瓷固定,在承受集中咬合載荷時,粘接雙層冠飾瓷下表面出現了較大的最大主應力極值(167.4 MPa),如圖 6所示。對比粘接雙層冠和燒結雙層冠飾面瓷下表面應力值(25.9 MPa)發現:粘接雙層冠飾面瓷承受更大的拉應力,在長期的咀嚼載荷作用下,有可能引發源于飾面瓷下表面的裂紋,繼而擴展,引起飾面瓷崩瓷。雖然粘接雙層冠氧化鋯基底瓷下方最大主應力有所下降,但考慮到氧化鋯具有很高的抗彎強度,減小基底瓷的拉伸應力并不能有效提高全瓷冠的安全性。

3 討論
以 IPS e.max 為代表的可切削硅酸鋰玻璃陶瓷具有良好的色澤和較高的機械強度,在口腔修復中的應用越來越廣泛。CAD/CAM 技術應用于全瓷修復具有加工便捷、邊緣適合性好、精確度高等優點,是一種快捷的修復方式,具有廣闊的臨床應用前景。本文通過建立全瓷冠修復體的三維有限元模型,討論了用硅酸鋰玻璃陶瓷制作的 3 種全瓷冠在咀嚼載荷作用下的應力分布情況,對臨床修復技術具有指導意義。本研究主要分析全瓷冠結構的應力分布情況,而牙周膜和牙槽骨等結構對全瓷冠的應力分布影響很小,故在建模時將其忽略。
對于 IPS e.max CAD 單層冠,在承受中央窩集中咬合力作用時,最大拉應力達到了 207.3 MPa。這個應力雖然低于 IPS e.max CAD 陶瓷的抗彎強度 360 MPa,但是從長期使用的角度出發是具有一定的風險的。陶瓷作為一種脆性材料,按照疲勞極限的近似估計方法,其疲勞極限為 0.35 倍的抗彎強度,即 126 MPa。由于單層冠的最大拉應力高于 IPS e.max CAD 陶瓷材料的疲勞極限,這類瓷冠往往僅具有有限的使用壽命。實際上口腔內的咀嚼力是十分復雜的,成年人的磨牙每天可以經歷多達1 400 個咀嚼循環,最大咀嚼力可達 342~1 280 N。有文獻報道,在經過疲勞載荷作用后,全瓷冠承載能力將下降[15-18]。由此可見,在采用 IPS e.max CAD 單層冠作為磨牙修復體時,應盡可能避免高應力區的產生。
粘接雙層冠采用粘接的形式將 IPS e.max CAD 飾面瓷與氧化鋯基底瓷結合,與燒結雙層冠相比,大大簡化了口腔修復的流程。有限元計算結果表明,由于在飾面瓷和基底瓷之間增加了粘接劑層,增大了粘接雙層冠飾面瓷下方的拉應力,這提示粘接雙層冠的飾面瓷可能承受更大崩瓷的風險。雖然氧化鋯基底瓷的內部拉應力有所降低,但是考慮到氧化鋯極高的抗拉強度,這種優勢可以忽略。臨床發現,以氧化鋯陶瓷為基底瓷全瓷冠失效的主要形式是飾面瓷崩瓷[19-21]。顯然,粘接雙層冠并不能達到減小飾面瓷的內部應力,從而有效避免飾面瓷崩裂的目的。
可切削硅酸鋰陶瓷材料具有很多優勢,不僅具有很好的色澤,同時具有較高的強度,陶瓷的可切削性能大大簡化了全瓷冠的制備工藝。本文系統地分析了利用可切削硅酸鋰陶瓷材料(IPS e.max CAD)制備的第一磨牙單層冠、粘接與燒結雙層冠在典型咀嚼載荷作用下的力學差異,結果表明:選擇可切削硅酸鋰陶瓷材料(IPS e.max CAD)制備磨牙單層冠應慎重,因為高應力會導致材料的承載能力下降;以氧化鋯為基底瓷、可切削硅酸鋰陶瓷材料(IPS e.max CAD)為飾面瓷制備的燒結雙層冠可以有效地分散飾面瓷的應力,延長全瓷冠的使用壽命;而粘接雙層冠并不能達到減小飾面瓷的內部應力的目的。以上結論,為可切削硅酸鋰全瓷冠在口腔修復臨床應用提供了力學分析依據,以期為今后的臨床應用提供更充實的參考數據。
全瓷修復是口腔修復學發展的主流趨勢。伴隨著計算機輔助設計與制造(computer aided design/computer aided manufacture, CAD/CAM)技術的發展,可切削陶瓷的不斷應用打破了傳統以鑄造為主的口腔修復方式,大大縮短了修復體的制備周期,減少了燒結過程引起的瓷冠內部應力,消除了工藝缺陷,是一種有前景的全瓷加工技術。目前國際市場上已經有多套口腔修復體 CAD/CAM 商品系統,其臨床應用也日益擴大[1]。
氧化鋯陶瓷的抗彎強度高達 900~1 200 MPa,抗壓強度約 2 000 MPa,具有良好的耐腐蝕性和生物相容性,因此已經廣泛地運用于全瓷冠內冠的制作[2-3]。而玻璃陶瓷具有良好的透光性,色澤與牙釉質相近,是理想的全瓷冠飾面瓷材料[4-5]。有文獻報道,可采用氧化鋯作為基底瓷,玻璃陶瓷作為飾面瓷,通過燒結或者粘接的方式形成全瓷冠,分別稱為燒結雙層冠和粘接雙層冠[6-9],CAD/CAM 粘接雙層冠構造如圖 1 所示。另外,由于二硅酸鋰玻璃陶瓷(產品名為 IPS e.max CAD)的彎曲強度達到 360 MPa,兼備了良好色澤和力學強度,可直接用于單層冠制作[10-11]。

為了系統研究 IPS e.max CAD 陶瓷的使用方法,本文分析了 3 種采用 IPS e.max CAD 制作的全瓷冠在承受典型咀嚼載荷下的應力分布。3 種瓷冠包括:①IPS e.max CAD 單層冠;②IPS e.max CAD 飾面瓷燒結在氧化鋯基底瓷上構成燒結雙層冠;③IPS e.max CAD 飾面瓷粘接在氧化鋯基底瓷上構成粘接雙層冠。通過建立 3 種全瓷冠的有限元模型,在典型的咀嚼載荷形式下分析全瓷冠結構的應力分布,以及 3 種全瓷冠不同的力學行為,為可切削硅酸鋰全瓷冠在口腔修復臨床應用提供力學分析依據。
1 材料與方法
1.1 瓷冠模型的建立
利用標準牙模型(D50-500A,江蘇昆山)翻制石膏模,利用加入顯影硫酸鋇(干混懸劑Ⅱ型061213,青島東風化工有限公司)的自凝造牙粉(造牙粉Ⅱ型 080601,上海二醫張江生物材料有限公司)替代全瓷各瓷層材料制作實體磨牙冠,再經微計算機斷層掃描技術(micro computed tomography, Micro-CT)(GE company, USA)掃描后獲得高對比度各層形態圖像,利用三維圖像建模軟件 Simpleware 重建修復體的三維模型[12]。
單層冠的有限元模型包括瓷冠、粘接劑和樹脂基體 3 個部分。燒結雙層冠的有限元模型包括飾面瓷、基底瓷、粘接劑(選用 3M RelyXARC 粘接劑,3M RelyXARC 為產品名稱)和樹脂基體 4 個部分。粘接雙層冠的有限元模型包括飾面瓷、飾面瓷基底瓷層粘接劑(選用Variolink Ⅱ 粘接劑,Vario-link Ⅱ為產品名稱)、基底瓷、基底瓷基體層粘接劑(選用 3M RelyXARC 粘接劑,3M RelyXARC 為產品名稱)和樹脂基體等 5 部分。
將 Simpleware 中的模型導入逆向工程軟件 Geomagic Studio9.0 中進行光滑處理,轉化為形狀階段后,探測輪廓線生成三角面片,然后適當調整面片數量,最終將三角面片轉化為非均勻有理樣條(nonuniform rational B-spline, NURBS)曲面,再將點云數據轉化成實體模型。進一步導入有限元分析前處理軟件 Hypermesh11.0,通過實體化,布爾操作,劃分網格,設置材料屬性,設置接觸等一系列的操作,本文共建立出 3 種結構的全瓷冠有限元網格模型,如圖 2所示。

所有瓷冠材料均考慮為均質、連續、各項同性的線彈性材料,3 種模型中各組成部分的材料參數如表 1 所示。采用 Hypermesh11.0 對模型進行網格劃分,并驗證模型的收斂性,各模型單元數與節點數如表 2 所示。


1.2 邊界條件與加載方式
由于牙根受牙槽骨的固定約束,以及牙周組織對牙體的支撐作用,修復體在咀嚼過程中整體的移動量非常小。考慮到本文主要研究全瓷冠修復體內部的應力分布,因此本文中,在修復體牙本質底面所有節點施加固定約束,限制 3 個方向的位移和轉動。
本文考慮了全瓷冠的兩種典型載荷方式,一種是中央窩處的垂直集中載荷,加載值為 600 N;另一種是模擬均布咬合力的八點分布載荷,每個點處施加 75 N的垂直集中載荷,合力為 600 N[13]。最后,將模型導入到有限元計算軟件 Abaqus6.10 中計算分析。
2 結果
2.1 均布載荷作用下的應力分布情況
3 種瓷冠在八節點均布載荷作用下,瓷冠內部應力分布比較均勻,最大載荷遠遠小于瓷冠材料的彎曲強度。以燒結雙層冠為例,八節點均布載荷下基底瓷下表面的應力云圖如圖 3 所示。3 種瓷冠在承受八節點均布載荷時,單層冠、燒結雙層冠和粘接雙層冠等 3 種全瓷冠,最大主應力極值分別為 77.8 MPa、91.9 MPa 和 108.5 MPa,均未超出各自材料的強度,3 種瓷冠都是安全的。

2.2 集中載荷作用下的應力分布情況
在集中載荷作用下,各瓷層的應力極值均出現在加載點下方,應力分布云圖呈現出比較規律的由中間向四周擴散的趨勢。當咬合力為 600 N時,3 種瓷冠各部分應力極值如表 3 所示。瓷冠各部分最大應力均未超出各自材料的強度,證明在這種加載方式下,3 種瓷冠的靜態承載能力滿足要求。

單層冠上、下表面的應力分布如圖 4 所示,最大米塞斯應力出現在加載點周圍,最大主應力(207.3 MPa)出現在加載點下方。對比 IPS e.max CAD 的彎曲強度 360 MPa,最大主應力不會導致瓷冠的整體破壞。

如圖 5 所示,燒結雙層冠在集中咬合載荷作用下的應力分布與先期研究結果類似[14],飾面瓷上表面集中載荷處承受較大的接觸壓應力,氧化鋯基底冠下表面承受最大主應力(215.7 MPa),但最大主應力遠遠小于氧化鋯的抗彎強度。

由于粘接雙層冠的飾面瓷以粘接的方式與基底瓷固定,在承受集中咬合載荷時,粘接雙層冠飾瓷下表面出現了較大的最大主應力極值(167.4 MPa),如圖 6所示。對比粘接雙層冠和燒結雙層冠飾面瓷下表面應力值(25.9 MPa)發現:粘接雙層冠飾面瓷承受更大的拉應力,在長期的咀嚼載荷作用下,有可能引發源于飾面瓷下表面的裂紋,繼而擴展,引起飾面瓷崩瓷。雖然粘接雙層冠氧化鋯基底瓷下方最大主應力有所下降,但考慮到氧化鋯具有很高的抗彎強度,減小基底瓷的拉伸應力并不能有效提高全瓷冠的安全性。

3 討論
以 IPS e.max 為代表的可切削硅酸鋰玻璃陶瓷具有良好的色澤和較高的機械強度,在口腔修復中的應用越來越廣泛。CAD/CAM 技術應用于全瓷修復具有加工便捷、邊緣適合性好、精確度高等優點,是一種快捷的修復方式,具有廣闊的臨床應用前景。本文通過建立全瓷冠修復體的三維有限元模型,討論了用硅酸鋰玻璃陶瓷制作的 3 種全瓷冠在咀嚼載荷作用下的應力分布情況,對臨床修復技術具有指導意義。本研究主要分析全瓷冠結構的應力分布情況,而牙周膜和牙槽骨等結構對全瓷冠的應力分布影響很小,故在建模時將其忽略。
對于 IPS e.max CAD 單層冠,在承受中央窩集中咬合力作用時,最大拉應力達到了 207.3 MPa。這個應力雖然低于 IPS e.max CAD 陶瓷的抗彎強度 360 MPa,但是從長期使用的角度出發是具有一定的風險的。陶瓷作為一種脆性材料,按照疲勞極限的近似估計方法,其疲勞極限為 0.35 倍的抗彎強度,即 126 MPa。由于單層冠的最大拉應力高于 IPS e.max CAD 陶瓷材料的疲勞極限,這類瓷冠往往僅具有有限的使用壽命。實際上口腔內的咀嚼力是十分復雜的,成年人的磨牙每天可以經歷多達1 400 個咀嚼循環,最大咀嚼力可達 342~1 280 N。有文獻報道,在經過疲勞載荷作用后,全瓷冠承載能力將下降[15-18]。由此可見,在采用 IPS e.max CAD 單層冠作為磨牙修復體時,應盡可能避免高應力區的產生。
粘接雙層冠采用粘接的形式將 IPS e.max CAD 飾面瓷與氧化鋯基底瓷結合,與燒結雙層冠相比,大大簡化了口腔修復的流程。有限元計算結果表明,由于在飾面瓷和基底瓷之間增加了粘接劑層,增大了粘接雙層冠飾面瓷下方的拉應力,這提示粘接雙層冠的飾面瓷可能承受更大崩瓷的風險。雖然氧化鋯基底瓷的內部拉應力有所降低,但是考慮到氧化鋯極高的抗拉強度,這種優勢可以忽略。臨床發現,以氧化鋯陶瓷為基底瓷全瓷冠失效的主要形式是飾面瓷崩瓷[19-21]。顯然,粘接雙層冠并不能達到減小飾面瓷的內部應力,從而有效避免飾面瓷崩裂的目的。
可切削硅酸鋰陶瓷材料具有很多優勢,不僅具有很好的色澤,同時具有較高的強度,陶瓷的可切削性能大大簡化了全瓷冠的制備工藝。本文系統地分析了利用可切削硅酸鋰陶瓷材料(IPS e.max CAD)制備的第一磨牙單層冠、粘接與燒結雙層冠在典型咀嚼載荷作用下的力學差異,結果表明:選擇可切削硅酸鋰陶瓷材料(IPS e.max CAD)制備磨牙單層冠應慎重,因為高應力會導致材料的承載能力下降;以氧化鋯為基底瓷、可切削硅酸鋰陶瓷材料(IPS e.max CAD)為飾面瓷制備的燒結雙層冠可以有效地分散飾面瓷的應力,延長全瓷冠的使用壽命;而粘接雙層冠并不能達到減小飾面瓷的內部應力的目的。以上結論,為可切削硅酸鋰全瓷冠在口腔修復臨床應用提供了力學分析依據,以期為今后的臨床應用提供更充實的參考數據。