口腔陶瓷修復(fù)材料加工分析
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摘要口腔陶瓷修復(fù)材料以其優(yōu)良的生物相容性、獨(dú)特的美學(xué)性及穩(wěn)定的化學(xué)性等優(yōu)點(diǎn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(jì)；口腔陶瓷；去除機(jī)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(xì)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(diǎn)［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(diǎn)，口腔陶瓷修復(fù)體（義齒）的修復(fù)過程主要包括4個(gè)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(jià)［4－5］。口腔陶瓷修復(fù)材料本身具有高硬高脆低韌度的特性，同時(shí)，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(shí)易折斷，給使用效果帶來很大的負(fù)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(qiáng)增韌技術(shù)，目前使用材料的強(qiáng)度和韌性均獲得很大提高，但同時(shí)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(jī)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(jī)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(xué)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(xué)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)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(shí)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(gè)性設(shè)計(jì)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(huì)有所不同：一般金屬類材料直接采用義齒雕刻機(jī)床進(jìn)行銑削加工，獲得成品；烤瓷類材料經(jīng)磨削或銑削后要進(jìn)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(jì)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(jī)加工義齒時(shí)，分為粗磨（銑）削、半精磨（銑）削、精磨（銑）削3個(gè)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(jìn)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(jī)上進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)金剛石磨針（106～125μm，藍(lán)色）、細(xì)粒度金剛石磨針（53～63μm，紅色）、特細(xì)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(biāo)準(zhǔn)金剛石磨針［12］，唯獨(dú)CEREC系統(tǒng)采用細(xì)粒度磨針，無需換刀便可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(jī)［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(jìn)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(shí)間長，會(huì)影響金剛石強(qiáng)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(xué)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(qiáng)，且出刃高、鋒利度好，但是生產(chǎn)成本高，難以實(shí)現(xiàn)量化。（2）金剛石修磨車針動(dòng)力裝置是牙科低速和高速手機(jī)，對陶瓷修復(fù)體進(jìn)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(biāo)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(jìn)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(jì)方面有所不同。切削直徑最小達(dá)0．3mm，可實(shí)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(jī)理
材料表面形成機(jī)理影響其表面質(zhì)量，不同機(jī)理形式反映出不同程度的材料損傷，而機(jī)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(jī)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(rèn)為研究陶瓷材料高效率、高質(zhì)量加工的磨削機(jī)理，其方法有壓痕斷裂力學(xué)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(jī)理。Warnecke等［16］指出，陶瓷材料去除機(jī)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(jī)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(jìn)行磨削去除機(jī)理實(shí)驗(yàn)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(jìn)行微細(xì)磨削及壓痕實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)材料去除方式受磨粒影響：用細(xì)粒度和極細(xì)粒度的磨頭時(shí)，4種材料以塑性方式去除；用標(biāo)準(zhǔn)粒度的磨頭進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分區(qū)域脆性去除。韓翼剛［21］對VitaMarkII進(jìn)行壓痕和大深度磨削實(shí)驗(yàn)，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(xué)實(shí)驗(yàn)揭示磨削機(jī)理，發(fā)現(xiàn)用不同粒度時(shí)，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(jià)可磨削性優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，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(shí)驗(yàn)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(huì)隨著進(jìn)給速度、切削深度增加而增大，但切削深度影響大于進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行了動(dòng)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(jìn)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(jìn)給速度增大而減??；磨削比能隨切削深度、最大切屑厚度和隨進(jìn)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(jìn)行了體外調(diào)磨實(shí)驗(yàn)，通過分析發(fā)現(xiàn)：切削深度和進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，實(shí)驗(yàn)與模型都表明切削力會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)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(jì)正交試驗(yàn)?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(xué)模型并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果相吻合：切削力會(huì)隨著進(jìn)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(xì)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(kuò)散在一定范圍內(nèi)將會(huì)導(dǎo)致陶瓷修復(fù)體強(qiáng)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(huì)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(jī)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(shí)踐基礎(chǔ)，仍存在一些問題需要進(jìn)一步解決。（1）口腔陶瓷修復(fù)材料磨削過程動(dòng)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(shí)，在口腔陶瓷修復(fù)體磨削過程中的動(dòng)態(tài)理論模型、仿真模型的建立與分析也鮮有報(bào)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(jī)理結(jié)合研究。磨削機(jī)理研究為實(shí)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(jī)理已有一定探索，而牙體預(yù)備（牙齒磨削）機(jī)理研究尚少。對口腔陶瓷修復(fù)材料及真牙磨削機(jī)理進(jìn)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(jì)?？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(bào)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)多科綜合。制作出合格的口腔陶瓷修復(fù)體涉及材料學(xué)、磨削加工學(xué)、精密測量學(xué)、生物組織學(xué)、生物力學(xué)和美學(xué)等，而目前研究過于重視單純機(jī)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(xué)科成立標(biāo)準(zhǔn)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(jià)值。
作者：趙丹娜 王成勇 周紹波 江文濤 毛學(xué)理 鄭李娟 單位：廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 中山大學(xué)光華口腔醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院
