醫學論文快速發表淺析對鈷鉻合金金瓷結合性能

　　本篇文章是由《口腔醫學》論文投稿，雜志創刊于1981年9月，是繼《中華口腔醫學雜志》之后全國公開發行的第二本口腔醫學專業雜志。原主辦單位為常州市衛生局， 原主編尹立喬教授，蘇聯醫學副博士學位，為國內著名的整形外科專家。2002年起轉由南京醫科大學口腔醫學院主辦，在南京出版發行。

　　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、價格便宜等優勢，部分非貴金屬合金的生物相容性與貴金屬合金相當。鈷鉻合金金瓷結合強度高，且在生物相容性和抗腐蝕性等方面優于鎳鉻合金[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。以往制作金屬修復體主要采用失蠟鑄造法，然而鑄造過程中的熱循環處理可使合金的剪切粘接強度顯著減小[4-5]。

　　選區激光熔化(selective laser melting，SLM)技術是20世紀90年代中期發展起來的，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品，縮短了成型周期[6]。由于SLM加工系統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性能[7-8]。

　　目前人們對SLM技術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鈷鉻合金的金瓷結合強度差異，為臨床醫生和患者選擇最適合的材料提供參考依據。

　　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、厚度數據，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)。金瓷結合強度按公式P=F/S計算，其中P為金瓷結合強度，F為斷裂力值，S為金瓷結合面積。

　　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。金瓷結合面試件經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 統計學分析

　　采用SPSS 13.0軟件包對實驗數據進行分析，采用t檢驗分析金瓷結合強度，P<0.05為差異具有顯著性。

　　2 結果

　　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，組間金瓷結合強度差異無統計學意義(P>0.05)。肉眼觀察可見，每個測試樣本均為復合斷裂，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，金瓷界面結合緊密，鑄造組金屬和瓷層內氣泡均多于SLM組，SLM組微觀結構更加致密均一(圖3)。對金瓷界面進行EDS分析，觀察關鍵元素的變化。界面主要元素是 O、Na、Al、Si、K、Sn、Ca，其中 O、Si在界面發生擴散(圖4)。

　　3 討論

　　目前已有許多關于不同材料交界面結合力的研究，其中剪切力試驗應用廣泛，但在口腔領域仍然沒有一種能被大家廣泛接受的評價結合力的方法。其他評價不同材料結合力的方法有拉伸試驗、扭轉測試、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]。盡管拉伸試驗應用廣泛，但是試驗沒有一個統一的破壞壓力，且樣本準備過程復雜繁瑣;經過改進的微拉伸試驗宣稱壓力標準統一，試驗過程難以控制且受多種因素的影響，目前沒有證據表明上述試驗優于傳統的剪切力試驗[10]。本研究采用剪切力試驗方法測量試件的金瓷結合強度。此種試驗方法簡單易行，試件容易制備，設計簡單，并可以很快得出結果，近年來被國內外學者廣泛用于金瓷結合強度的測量[11]。同時，所有試件統一規格，采用相同的瓷粉，根據生產廠家要求的燒結程序制作。為盡量控制偶然因素的影響，采取20個試件同時一次燒結方法。因此，所測出的2組合金的金瓷結合強度具有可比性。

　　本研究采用剪切力試驗來評價SLM鈷鉻合金金瓷結合強度，試驗結果顯示SLM鈷鉻合金和傳統鑄造鈷鉻合金的金瓷結合強度分別為(30.94±5.98)、(33.11±4.98)MPa，2組間差異無統計學意義。廖雋琨等[12]研究測得在除氣、980 ℃預氧化60 s條件下，鈷鉻合金的金瓷結合強度為(34.43±2.36)MPa，與本實驗測量的金瓷間結合強度值相近，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為SLM鈷鉻合金的金瓷結合強度大于傳統鑄造鈷鉻合金。導致這一結果的原因可能有：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處理條件可能更適合于傳統鑄造鈷鉻合金。

　　決定金屬烤瓷修復體使用壽命的首要因素是金瓷間的結合強度，影響金瓷結合強度的因素很多，如金屬表面氧化膜的厚度、金屬和瓷粉熱膨脹系數的匹配性和機械化學結合力大小等。Vita VMK 95瓷粉的熱膨脹系數為(13.5～13.8)×10-6 ，Wirobond C+鈷鉻烤瓷合金的熱膨脹系數為(14.1～14.3)×10-6，StarLoy C鈷鉻烤瓷合金的熱膨脹系數為(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，即具有匹配性。但吳芝凱等[14]認為，平均熱膨脹系數只是評價金瓷匹配性的指標之一，合金在烤瓷過程中發生的固態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]發現，比較僅用鎢鋼鉆打磨，金屬表面經過Al2O3噴砂處理可以顯著提高鈷鉻合金的金瓷結合力。因此，本實驗所有試件統一進行110目Al2O3噴砂處理，使所有試件具有相同的機械結合力。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組試件的化學結合力相差無幾。導致2組試件金瓷結合強度差異的因素可能是由于制作方法不同而產生的金屬表面粗糙度和氧化膜厚度的差異。該結果提示應依據鈷鉻合金的成分、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觀察發現，與傳統鑄造鈷鉻合金相比較，SLM鈷鉻合金的微觀結構更加致密，沒有氣泡的產生。對所有試件進行尺寸測量后發現，對比標準尺寸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，外形更為規范，且無變形及鑄造缺陷。

　　SLM制作的鈷鉻合金修復體金瓷結合強度與傳統鑄造鈷鉻合金相近，超過ISO9693標準的要求。該技術可以避免技術人員吸入金屬粉塵[16]。修復體精密度可達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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　　[8] 楊永強， 吳偉輝， 來克嫻， 等. 金屬零件選區激光熔化直接快速成形工藝及最新進展[J]. 航空制造技術， 2006(2)： 本文選自《華西口腔醫學雜志》2014年第2期，版權歸原作者和期刊所有。