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口腔陶瓷修復(fù)材料加工分析

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口腔陶瓷修復(fù)材料加工分析

摘要口腔陶瓷修復(fù)材料以其優(yōu)良的生物相容性、獨特的美學性及穩(wěn)定的化學性等優(yōu)點在口腔修復(fù)中占主導(dǎo)地位。由于口腔陶瓷修復(fù)材料的脆硬特性及義齒的復(fù)雜表面特征,使其在CAD/CAM(計算機輔助設(shè)計與制造)成型加工和后續(xù)的修磨中,存在磨削工藝復(fù)雜、加工破損率高和表面易損傷等難題。充分了解口腔修復(fù)材料專用磨削加工工具及其性能,優(yōu)化設(shè)計加工參數(shù),對降低修復(fù)材料損傷具有重要意義。本文介紹了不同口腔陶瓷修復(fù)材料加工方式和加工工具,闡述了口腔陶瓷修復(fù)材料的磨削去除機理、磨削力及磨削表面質(zhì)量等研究現(xiàn)狀,并提出了后期研究發(fā)展主要方向。

關(guān)鍵詞優(yōu)化設(shè)計;口腔陶瓷;去除機理;磨削

口腔陶瓷修復(fù)體(義齒)色澤接近真牙、耐磨性高并且生物相容性好,不易附著細菌,長期以來一直在口腔領(lǐng)域應(yīng)用??谇籆AD/CAM技術(shù)的發(fā)展,極大地提高了口腔陶瓷修復(fù)體加工效率和質(zhì)量,與之配套的牙科可切削全瓷材料也成為研究熱點[1-3]。2005-2014年,CAD/CAM全瓷修復(fù)體數(shù)量正逐年快速增長[2],并且新型產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。根據(jù)口腔修復(fù)的特點,口腔陶瓷修復(fù)體(義齒)的修復(fù)過程主要包括4個方面:口腔修復(fù)陶瓷材料的制備、成型加工制作、口腔調(diào)磨修復(fù)和臨床使用性能評價[4-5]??谇惶沾尚迯?fù)材料本身具有高硬高脆低韌度的特性,同時,修復(fù)體的表面形貌復(fù)雜、尺寸微小,致使其在成型加工和修磨過程中易出現(xiàn)碎裂、崩邊、微觀裂紋等缺陷,陶瓷修復(fù)體就位、承受反復(fù)咀嚼的咬合力時易折斷,給使用效果帶來很大的負面影響[6-8]。為了延長其臨床壽命,許多研究致力于材料的增強增韌技術(shù),目前使用材料的強度和韌性均獲得很大提高,但同時也增大了修復(fù)體就位前的外形修磨的難度,易出現(xiàn)修復(fù)體表面及亞表面存在不同程度的微裂紋和微破壞,從而影響其臨床壽命。修復(fù)體臨床壽命也不僅僅取決于材料的性能,加工工藝和后續(xù)口腔修復(fù)體調(diào)磨也是不容忽視的影響因素。不論是成型加工還是外形修磨,本質(zhì)都是材料去除的過程。因此,充分了解全瓷材料的磨削去除機理,選擇合理的加工方式及加工工藝,以減輕加工過程中刀具的磨削力和磨削溫度對修復(fù)材料造成的損傷,是提高修復(fù)體表面質(zhì)量、延長其臨床壽命的重要途徑。本文介紹了不同口腔陶瓷修復(fù)材料及其加工方式和加工工具,闡述了口腔陶瓷修復(fù)材料的磨削去除機理、磨削力及磨削表面質(zhì)量等研究現(xiàn)狀,并提出了后期研究發(fā)展的主要方向。

1口腔陶瓷修復(fù)材料

目前,可切削的口腔修復(fù)陶瓷材料主要有長石瓷、玻璃瓷、氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、玻璃滲透陶瓷等5類,圖2為5種義齒陶瓷材料力學性能的區(qū)別[8]。

1.1長石瓷

長石瓷是種硼硅長石質(zhì)玻璃,玻璃基中分布著不規(guī)則的晶粒結(jié)構(gòu),應(yīng)用于前牙貼面、全冠及后牙嵌體等,具有良好的美學效果和接近天然牙齒的磨耗度,經(jīng)研磨拋光后便可于口腔中應(yīng)用。

1.2玻璃瓷

玻璃瓷是一種由微晶體和玻璃相組成的硅酸鹽材料,透光性好,有“變色龍”之稱,切削性能良好,用于貼面、嵌體及前后牙單冠的制作。

1.3氧化鋁瓷

氧化鋁瓷為玻璃基質(zhì)中分散有一定的氧化鋁結(jié)晶,是高強度陶瓷,適用于嵌體、單冠、前牙橋、后牙冠的制作。

1.4氧化鋯瓷

氧化鋯瓷由于特有的應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌效應(yīng),其強度和韌性均優(yōu)于傳統(tǒng)的長石瓷和氧化鋁瓷,有“陶瓷鋼”之稱,成為國內(nèi)外口腔材料最關(guān)注的熱點,可用于冠及固定橋。

1.5玻璃滲透

陶瓷玻璃滲透陶瓷是由至少2種互相交織的材料組成,擁有良好的強度及韌性,適用于后牙的修復(fù)。

2口腔修復(fù)體CAD/CAM系統(tǒng)與加工工具

2.1口腔CAD/CAM系統(tǒng)

口腔修復(fù)體CAD/CAM加工已逐步實現(xiàn)數(shù)字化、智能化,如圖3所示,首先是獲取患牙信息數(shù)據(jù),然后數(shù)字化個性設(shè)計義齒和CAM加工義齒[9]。不同的口腔修復(fù)體材料,其加工工藝會有所不同:一般金屬類材料直接采用義齒雕刻機床進行銑削加工,獲得成品;烤瓷類材料經(jīng)磨削或銑削后要進行燒結(jié),最后修整獲得義齒;一些全瓷材料經(jīng)磨削,然后經(jīng)調(diào)磨、上釉獲得成品,大大提高了牙體修復(fù)的效率及精確度。目前,國內(nèi)外已有十幾種商品化系統(tǒng),較常見的Duret、Lava、Procera、Everest、ZENO、DCS及Cercon等牙科CAD/CAM系統(tǒng)主要集中在技工室,目前成熟的椅旁CAD/CAM系統(tǒng)僅有CEREC系統(tǒng)和E4D等2種系統(tǒng)[10],可制作嵌體、高嵌體、貼面、全冠、烤瓷冠的基底冠、烤瓷橋的橋體支架等。如表1所示,不同的系統(tǒng)其掃描成像系統(tǒng)、加工材料、加工類型及數(shù)控加工中心都是不同的[11]。

2.2口腔陶瓷修復(fù)體加工工具

根據(jù)加工材料及工藝的不同,口腔陶瓷修復(fù)體成型加工工具有金剛石義齒磨針(磨頭)和義齒銑刀2種。對于不同的CAD/CAM加工系統(tǒng),2種義齒刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用范圍也不同。目前,大部分口腔陶瓷修復(fù)體研磨機加工義齒時,分為粗磨(銑)削、半精磨(銑)削、精磨(銑)削3個工序。金剛石義齒磨針有平底磨頭、球磨頭、錐度磨頭(圖4),義齒銑刀主要有圓鼻銑刀、球頭銑刀和立銑刀(圖5)。義齒修磨刀具主要是金剛石車針,對就位前的修復(fù)體進行表面修整和牙體窩洞的制備,根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,有圓頭錐形車針、平頭錐形車針、魚雷形車針、火焰形車針和杵形車針等。2.2.1金剛石磨針金剛石磨針有應(yīng)用于義齒成型加工的金剛石義齒磨針和應(yīng)用于牙科手機上進行義齒修磨及牙體預(yù)備的金剛石車針2種不同類型,二者在結(jié)構(gòu)及性能要求等方面的差別如表2所示。根據(jù)國際標準,金剛石磨針分為5種類型:超粗粒度金剛石磨針(151~213μm,黑色)、粗粒度金剛石磨針(125~150μm,綠色)、標準金剛石磨針(106~125μm,藍色)、細粒度金剛石磨針(53~63μm,紅色)、特細金剛石磨針(20~30μm,黃色)。義齒成型加工一般多采用粗粒度金剛石磨針和標準金剛石磨針[12],唯獨CEREC系統(tǒng)采用細粒度磨針,無需換刀便可實現(xiàn)精準快速陶瓷修復(fù)體成型加工,是目前性能最為穩(wěn)定的系統(tǒng)。(1)金剛石義齒磨針應(yīng)用于CEREC、Duret、Dux、DCS、Roland及Cercon等口腔CAD/CAM系統(tǒng)數(shù)控研磨機[13],主要針對玻璃陶瓷、長石類陶瓷和燒結(jié)的氧化鋯陶瓷等修復(fù)材料進行成型磨削加工。一般錐形義齒磨針用于義齒修復(fù)體的嚙合面部分磨削,其余義齒修復(fù)體部分根據(jù)其形狀的不同,可采用球頭義齒磨針和平底義齒磨針磨削[14]。金剛石義齒磨針制備方法有燒結(jié)金剛石、電鍍金剛石及釬焊金剛石3種,其中前兩者已廣泛應(yīng)用于牙科。燒結(jié)金剛石工具常為多層磨料,成本低,商業(yè)化程度高,但由于燒結(jié)溫度高且時間長,會影響金剛石強度。電鍍金剛石工具為單層磨料,制作簡便,但金剛石出刃高度低,鋒利度不足,易出現(xiàn)金剛石顆粒脫落。釬焊金剛石工具通過化學反應(yīng)將金剛石、結(jié)合劑、基體牢固結(jié)合,較前兩者結(jié)合力大大增強,且出刃高、鋒利度好,但是生產(chǎn)成本高,難以實現(xiàn)量化。(2)金剛石修磨車針動力裝置是牙科低速和高速手機,對陶瓷修復(fù)體進行毛刺去除及外形修整。根據(jù)車針的大小、形狀、應(yīng)用類型和粒度不同,選取牙體預(yù)備及修磨所需的類型以提高精確度,基體頸部顏色標識只限于金剛石修磨車針。2.2.2口腔陶瓷修復(fù)體加工銑刀口腔陶瓷義齒銑削工具主要為金剛石涂層銑刀,專門針對氧化鋯修復(fù)體進行成型加工。金剛石涂層可有效延長刀具壽命、提高切削效率。銑刀整體為硬質(zhì)合金,有直槽型和螺旋槽型,根據(jù)不同口腔CAD/CAM系統(tǒng)要求,金剛石涂層銑刀在刀柄直徑、切削刃數(shù)及切削角度等設(shè)計方面有所不同。切削直徑最小達0.3mm,可實現(xiàn)牙冠邊緣超精加工,保證表面質(zhì)量。

3磨削加工研究

3.1磨削去除機理

材料表面形成機理影響其表面質(zhì)量,不同機理形式反映出不同程度的材料損傷,而機理的形成受材料、刀具、加工方式及參數(shù)影響。若能通過控制變量,優(yōu)化工藝,減少修復(fù)材料的內(nèi)部裂紋及邊緣破損,則可大大提高工作效率。工程陶瓷機理研究已趨于成熟,醫(yī)用陶瓷卻處于初期階段[5]。Malkin等[15]認為研究陶瓷材料高效率、高質(zhì)量加工的磨削機理,其方法有壓痕斷裂力學法和磨削加工觀察法2種。壓痕法側(cè)重小面積地分析力與材料去除的關(guān)系;磨削加工是通過分析磨粒切除材料產(chǎn)生的磨削力、溫度,觀察切屑及表面,而獲取材料去除機理。Warnecke等[16]指出,陶瓷材料去除機理受加工刀具結(jié)構(gòu)、加工量及加工過程中產(chǎn)生的力和溫度相互作用影響。于天來等[17]開展了Y-TZP陶瓷磨削去除機理方面的研究,結(jié)果表明:Y-TZP在磨削加工過程中主要通過塑性變形、脆性斷裂和粉末化等方式去除。韓振魯?shù)龋?8]針對納米ZrO2牙科陶瓷進行磨削去除機理實驗研究,通過觀察發(fā)現(xiàn):最大未變形切屑厚度為5.23μm及以上、1.9~2.1μm、1.9μm以下的材料去除方式分別為脆性去除、塑性與脆性相結(jié)合、塑性去除。Yin[19]對不同的齒科陶瓷進行微細磨削及壓痕實驗,結(jié)果表明:斷裂韌性低的材料如長石類陶瓷以脆性變形為主,而斷裂韌性高的如氧化鋯瓷,以塑性變形為主。Chang等[20]用3款不同粒度金剛石磨頭對4種齒科修復(fù)材料進行磨削實驗,發(fā)現(xiàn)材料去除方式受磨粒影響:用細粒度和極細粒度的磨頭時,4種材料以塑性方式去除;用標準粒度的磨頭進行加工時,會出現(xiàn)部分區(qū)域脆性去除。韓翼剛[21]對VitaMarkII進行壓痕和大深度磨削實驗,通過觀察磨削后的材料表面和分析磨削力變化,綜合壓痕橫向斷裂力學實驗揭示磨削機理,發(fā)現(xiàn)用不同粒度時,磨削的材料都包含塑性去除和脆性去除2種方式,但磨頭粒度越小,塑性區(qū)域越大。

3.2磨削力

磨削力是評價可磨削性優(yōu)劣的一項重要指標,而磨削力的大小與磨具的形狀、硬度、粒度及磨削用量等密切相關(guān),尋求最佳磨削力區(qū)是提高磨削質(zhì)量的重要步驟。劉艷等[22]采用2種不同粒度的釬焊金剛石工具磨削氧化鋯陶瓷,粒度小的磨削力?。粡埗t[23]通過體外磨削VitaMarkII實驗分析了不同的加工參數(shù)和材料所受的切向力、法向力之間的關(guān)系,并利用ANSYS軟件建立試件磨削力預(yù)測模型,結(jié)果表明:隨著材料去除率的增加和最大未變形切屑厚度的增加,磨削力、力比均有所增加,比磨削能減小。彭建輝[24]研究了不同修復(fù)材料下的磨削力,發(fā)現(xiàn)磨削力會隨著進給速度、切削深度增加而增大,但切削深度影響大于進給速度,在不同加工參數(shù)下,白石榴石陶瓷磨削力大于長石瓷磨削力。鮑樂[25]在醫(yī)用氧化鋯磨削仿真與實驗中得出:磨削參數(shù)對磨削力的影響程度由大到小依次為磨削寬度、磨削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度。吳海兵等[26]基于離散型仿真模型對牙科氧化鋯陶瓷磨削加工進行了動態(tài)仿真,仿真結(jié)果表明:在保證表面質(zhì)量的情況下,提高磨頭轉(zhuǎn)速可降低磨削力,保證磨削過程的穩(wěn)定。Yin等[27]采用高進給磨削加工齒科陶瓷,法向力和切向力隨切削深度和最大切屑厚度增大而增大,隨進給速度增大而減小;磨削比能隨切削深度、最大切屑厚度和隨進給速度增大而增大;切削深度大于150μm后,法向力急劇增大。宋曉菲等[28]對長石質(zhì)玻璃瓷與白榴石瓷兩種口腔材料進行了體外調(diào)磨實驗,通過分析發(fā)現(xiàn):切削深度和進給速度變化影響材料的切向力、法向力及磨削能,但對表面粗糙度無影響;在同加工參數(shù)下,白榴石瓷較長石質(zhì)瓷表面質(zhì)量更好。肖行志等[29-30]采用超聲輔助磨削加工牙科氧化鋯,并建立切削力的指數(shù)預(yù)測模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型及理論預(yù)測模型,經(jīng)實驗與模型對比,結(jié)果顯示:基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型更適合磨削氧化鋯加工;同時,實驗與模型都表明切削力會隨著主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切削寬度增大而增大,隨著振幅增大而減小,振頻則無影響。雷小寶等[31]設(shè)計正交試驗?zāi)ハ骷庸の礋Y(jié)氧化鋯齒科陶瓷,根據(jù)結(jié)果建立模型預(yù)測磨削力。H-Meng等[32]提出超聲輔助加工氧化鋯陶瓷的力學模型并經(jīng)實驗驗證,結(jié)果相吻合:切削力會隨著進給速度、磨粒濃度及磨粒角度的增加而增大,隨主軸轉(zhuǎn)速、磨粒尺寸及超聲振幅和頻率的降低而減小,隨著切削深度增加,切削力先增大后減小。

3.3磨削表面質(zhì)量

陶瓷修復(fù)體的表面質(zhì)量是決定修復(fù)體臨床耐磨性及使用壽命的關(guān)鍵因素,而研究表面質(zhì)量則從表面的完整性和表面形貌兩方面入手。光滑的表面能減少口腔細菌黏附,提高美觀效果,使患者感覺舒適[33-34],而表面粗糙度增大及裂紋擴散在一定范圍內(nèi)將會導(dǎo)致陶瓷修復(fù)體強度降低[35],縮短臨床壽命,因此,探索影響表面質(zhì)量因素是至關(guān)重要的。

4結(jié)論

數(shù)控磨削加工齒科陶瓷過程中,刀具結(jié)構(gòu)、路徑選擇及工藝參數(shù)等不可避免會對材料造成一定的損傷,但可以通過改善刀具的磨削性能來減輕材料的破損,提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前,雖然在口腔陶瓷修復(fù)體材料磨削機理及加工工藝規(guī)劃方面取得了一定的研究成果,為陶瓷義齒的高效磨削加工提供了一定的理論與實踐基礎(chǔ),仍存在一些問題需要進一步解決。(1)口腔陶瓷修復(fù)材料磨削過程動態(tài)研究。對微小、復(fù)雜形貌尺寸口腔陶瓷修復(fù)體成型磨削過程刀軌路徑研究不足,同時,在口腔陶瓷修復(fù)體磨削過程中的動態(tài)理論模型、仿真模型的建立與分析也鮮有報道,路徑的規(guī)劃及模型分析是提高義齒加工的精度和效率的重要步驟。(2)口腔修復(fù)術(shù)中陶瓷修復(fù)材料與真牙的磨削機理結(jié)合研究。磨削機理研究為實現(xiàn)低損、低耗及高效率加工提供理論支撐,口腔陶瓷材料作為牙齒修復(fù)的一部分,其磨削機理已有一定探索,而牙體預(yù)備(牙齒磨削)機理研究尚少。對口腔陶瓷修復(fù)材料及真牙磨削機理進行結(jié)合深入研究,不僅能為如何降低牙髓和牙周組織損傷提供有效的臨床指導(dǎo),還利于延長口腔陶瓷修復(fù)體使用壽命。(3)磨削工具優(yōu)化設(shè)計??谇惶沾尚迯?fù)體材料加工用金剛石磨針存在金剛石易脫落、加工能力差及報廢率高等缺陷,需從金剛石磨針結(jié)構(gòu)及制備工藝方面入手,增強基體抗折損力及金剛石黏附力,從而提高口腔修復(fù)效率。(4)評判標準多科綜合。制作出合格的口腔陶瓷修復(fù)體涉及材料學、磨削加工學、精密測量學、生物組織學、生物力學和美學等,而目前研究過于重視單純機械加工或者材料制作,缺乏與臨床應(yīng)用的結(jié)合評判。綜合多學科成立標準評判體系,將為口腔修復(fù)手術(shù)及工具制作提供可靠的參考價值。

作者:趙丹娜 王成勇 周紹波 江文濤 毛學理 鄭李娟 單位:廣東工業(yè)大學機電工程學院 中山大學光華口腔醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)院