引用本文
崔新悦, 佟岱, 王新知, 沈志坚. 对比切削与胶态成型工艺制作的氧化锆陶瓷的透光性与遮色效果. 北京大学学报(医学版), 2018,50(1): 85-90.
CUI Xin-yue, TONG Dai, WANG Xin-zhi, SHEN Zhi-jian. Comparison of the translucency and color masking effect of the zirconia ceramics made by milling and gel deposition. Journal of Peking University(Health Sciences), 2018,50(1): 85-90.  
Doi: 10.3969/j.issn.1671-167X.2018.01.015
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对比切削与胶态成型工艺制作的氧化锆陶瓷的透光性与遮色效果
崔新悦1, 佟岱1,2, 王新知1,△, 沈志坚3
北京大学口腔医学院·口腔医院, 1. 修复科, 2. 义齿加工中心 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室 口腔数字医学北京市重点实验室, 北京 100081;
3. Department of Materials and Environmental Chemistry, Arrhenius Laboratory, Stockholm University, S-106 91 Stockholm, Sweden
收稿日期: 2017-10-09
摘要

目的 利用切削素烧瓷块法与三维(three dimensional,3D)胶态成型法制作遮色效果不同的3种氧化锆陶瓷,对比其在不同厚度下的透光性及对异色离体牙的遮色效果,为临床口腔修复提供材料选择依据。方法 制备90片直径14 mm的A2色氧化锆圆盘试件,分成3组( n=30):(1)CZ组,采用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)/计算机辅助制造(computer aided manufacturing,CAM)切削素烧瓷块法;(2)NZW组,采用3D胶态成型法,试件内表面无多孔遮色层;(3)NZY组,采用3D胶态成型法,试件内表面有多孔遮色层。3组试件根据厚度0.6 mm、1.0 mm、1.5 mm再分成3个亚组( n=10)。选用因牙周病拔除的中、重度异色前牙10颗,唇面打磨成大于 6 mm2×6 mm2的平面。暗盒中用Crystaleye比色仪在黑、白背景下分别测量9组试件的色度值(CIE1976-L*a*b*),计算透光性[半透性参数(translucency parameter, TP)]。将每组试件与牙齿唇面依次粘接并测量色度值。选标准比色片A2中1/3色度值作为对照,计算试件粘接后同对照色的色差Δ E。以One-way ANOVA和Bonferroni法对数据进行统计分析。结果 (1)3组氧化锆试件在0.6 mm、1.0 mm、1.5 mm 厚度下的TP值分别为:CZ组14.09、12.31和10.45,NZW组19.84、16.54和12.44,NZY组14.81、13.16和11.92。每组试件的3个亚组间透光性均显示为0.6 mm组>1.0 mm组>1.5 mm组,厚度相同的亚组间透光性均显示为NZW组>NZY组>CZ组。(2)3组氧化锆试件粘接后在0.6 mm、1.0 mm、1.5 mm厚度下与对照色的色差Δ E分别为:CZ组10.77、9.94和8.50,NZW组6.84、5.89和5.29,NZY组4.16、3.92和3.67。每组试件的3个亚组间色差值均显示为0.6 mm组>1.0 mm组>1.5 mm组,厚度相同的亚组间色差值均显示为CZ组>NZW组>NZY组。结论 3种氧化锆试件在厚度相同的情况下,透光性均为3D胶态成型技术制作的内表面无遮色处理组试件最好,而遮色效果均为3D胶态成型技术制作的内表面有遮色处理组试件最好,且其厚度在0.6 mm时即可获得较好的遮色效果。

关键词: 氧化锆; 陶瓷; 颜色; 牙科; 美学
中图分类号:R783.1 文献标志码:A 文章编号:1671-167X(2018)01-0085-06
Comparison of the translucency and color masking effect of the zirconia ceramics made by milling and gel deposition
CUI Xin-yue1, TONG Dai1,2, WANG Xin-zhi1,△, SHEN Zhi-jian3
Department of Prosthodontics, 2. Dental Laboratory, Peking University School and Hospital of Stomatology & National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology & Beijing Key Laboratory of Digital Stomatology, Beijing 100081, China;
3. Department of Materials and Environmental Chemistry, Arrhenius Laboratory, Stockholm University, S-106 91 Stockholm, Sweden
△ Corresponding author’s e-mail, xinzwang@sina.com
Abstract

Objective: Three kinds of zirconia specimens were made respectively by milling of the pri-sintered blocks and by three dimensional (3D) gel deposition for in vitro evaluation of their optical translucency under three different thicknesses and their color masking effect on discolored teeth. The study aims for establishing the principle for guiding the materials selection in clinical practice.Methods: Ninety A2-colored zirconia disc specimens with diameter of 14 mm were prepared and were divided into three groups ( n=30). (1) Group CZ, by milling of the pre-sintered blanks; (2) Group NZW, by 3D gel deposition, without a color masking opaque inner layer; (3) Group NZY, by 3D gel deposition, with a color masking opaque inner layer. Furthermore, each group was divided into three sub-groups ( n=10) according to the sample thickness, i.e., 0.6, 1.0 and 1.5 mm, respectively. The maxillary anterior teeth with severe discoloration, extracted owing to periodontal disease, were collected and embedded. By gentle gridding and polishing a plane, larger than 6 mm2×6 mm2, was generated on the labial surface of each tooth. Chromatic values(CIE1976-L*a*b*) of the zirconia samples in the nine sub-groups were measured by the spectrophotometer Crystaleye in front of the black or white background in a cassette, and the translucency parameter (TP) values were calculated for each sample. Thereafter the zirconia specimens were bonded onto the labial surface of the polished teeth for measuring the chromatic values, using the chromatic value of the medium 1/3 of the standardized Vita A2 as a control. The color aberration Δ E between each zirconia specimen and the control value was calculated, respectively. The results were statistically analyzed by One-way ANOVA and Bonferroni.Results: (1) The optical transparency of the three kinds of zirconia disc specimens with the thickness of 0.6, 1.0 and 1.5 mm was 14.09, 12.31 and 10.45 for group CZ;19.84, 16.54 and 12.44 for group NZW;14.81, 13.16 and 11.92 for group NZY. In each group, the degree of optical transparency of the specimens showed a clear tendency as in the sub-group 0.6 mm >1.0 mm >1.5 mm. The TP value of the specimens in the three groups with the same thickness showed a tendency of the group NZW >group NZY >group CZ. (2) After bonding onto the polished labial surface of the teeth, the color aberration Δ E of the specimens with the thickness of 0.6, 1.0 and 1.5 mm was calculated to be 10.77, 9.94 and 8.50 for group CZ; 6.84, 5.89 and 5.29 for group NZW; 4.16, 3.92 and 3.67 for group NZY. In each group, the color aberration of the specimens showed a clear tendency as in the sub-group 0.6 mm >1.0 mm >1.5 mm; the color aberration of the three groups with the same thickness was in the order of the group CZ >group NZW >group NZY.Conclusion: In all the specimen groups with a fixed specimen thickness, the optical translucency of the specimen was the highest in group NZW made by 3D gel deposition, and the best color masking effect was obtained in specimens with a color masking opaque inner layer in group NZY, where a thickness of 0.6 mm was sufficient enough for obtaining the ideal color masking effect.

Key words: Zirconia; Ceramics; Color; Esthetics; dental

口腔临床修复重度牙体缺损时, 为了实现良好的美学效果, 以往可采用带饰面瓷的牙色氧化锆全瓷冠, 但容易出现崩瓷现象, 有文献报道, 3~5年饰面瓷崩脱率高达3%~25%, 许多修复体需要拆除重新制作[1, 2, 3]。近年来, 无饰瓷的全解剖式氧化锆陶瓷冠在后牙区的固定修复中凭借良好的强度已避免了崩瓷问题, 且令牙体组织各面的最低磨除厚度从原来的1~2 mm降低到了0.5~1 mm[4, 5], 但因其修复体无内遮色层且透光率较差, 在美学要求较高的前牙区及前磨牙区应用效果不能达到临床颜色及透明性的美观要求[5]。尽管有些生产厂家通过降低氧化锆晶粒尺寸、提高立方相含量等手段使氧化锆瓷块透光率有所改善, 但传统切削素烧瓷块制作的全解剖式氧化锆修复体仍无法实现与天然牙的颜色匹配。

近期有研究成功研制出一种采用三维(three dimensional, 3D)胶态层积技术生产的新型无饰瓷全解剖式氧化锆修复体— — 釉锆(self-glazed zirconia)[6]。采用增材工艺不仅节省了大量因切削浪费的氧化锆原料, 而且能够通过数字化的颜色匹配技术将不同尺寸、不同颜色的氧化锆胶体分层堆积, 使氧化锆修复体在晶粒组成上呈现出了纳米梯度结构[6, 7, 8], 在修复体高度和厚度上同时实现透光率梯度和颜色梯度。采用梯度技术能够使修复体内表面生成一个独特的多孔光散射层, 它在起到遮盖异色牙的遮色效果同时, 还能显著提升修复体的粘接结合力。由于无需饰瓷, 釉锆修复体可以做得很薄, 从而在较少的牙体预备量条件下既能遮住基牙的异常颜色又能呈现仿生天然牙釉质的较高透光率。

目前, 采用3D胶态层积技术制作的新型氧化锆-秞锆与切削素烧瓷块制成的传统氧化锆在透光率梯度、颜色梯度及遮盖中、重度异常牙色效果方面的差异尚不明晰。本研究的目的是对比切削素烧瓷块法与胶态成型法制作的遮色效果不同的3种氧化锆陶瓷在不同厚度下的透光性及对中、重度异色牙的遮色效果, 为口腔修复临床提供材料选择依据。

1 材料与方法
1.1 氧化锆陶瓷试件的制备与分组

采用切削素烧瓷块法制作直径14 mm的Vita A2色威兰德(Wieland Zenostar TS)氧化锆单色陶瓷圆盘试件(威兰德, 德国)30片(CZ组)。采用3D胶态成型技术制备同规格的Vita A2色釉锆分层颜色梯度结构圆盘试件(杭州而然科技有限公司)60片(NZ组), 根据其内表面有无遮色处理分为两个组(n=30), 一组为内表面无遮色处理(NZW组), 另一组在试件内表面附加层积了一层厚度约0.1 mm的多孔光散射层, 起到遮色效果(NZY组)。所有试件的外表面均为单色, 没有特意做颜色梯度(图1)。

根据临床使用要求进行试件测试面处理。CZ组试件用240#、360#、400#、600#、800#、1 000#、1 200#水砂纸进行双面打磨, 再用EVE抛光套装(EVE Ernst Vetter GmbH, 德国)进行精密抛光; NZW组、NZY组试件生产时已经生成牙釉质状光润外表面, 使用前无需再进行打磨抛光处理。3组试件根据厚度0.6、1.0、1.5 mm再分为3个亚组, 共9个亚组, 分别命名为CZ1、CZ2、CZ3, NZW1、NZW2、NZW3, NZY1、NZY2、NZY3, 每个亚组各10片, 编号#1~#10。试件厚度用螺旋测微仪进行测量, 误差控制在± 0.05 mm。

图1 3种氧化锆试件实样外观Figure 1 The outlooks of the three kinds of zirconia specimens

1.2 作为粘接背景的异色离体牙的选择及制备

选择2017年临床上因牙周病拔除的中、重度异色上颌前牙10颗, 牙冠完整(拔除1个月以内, 贮存于37 ℃生理盐水中), 编号#牙1~#牙10。将离体牙拔除后立即去除附着的牙周组织, 超声洁治, 蒸馏水冲洗后, 使用同一型号的金钢砂针将离体牙唇面中份(距离釉牙骨质界2~4 mm, 距切端2 mm处)磨成一个面积大于6 mm× 6 mm的平面作为瓷片粘接区。每颗离体牙唇面用水砂纸依次打磨, 并用Rapid缩合型硅橡胶重体(康特, 瑞士)分别包埋, 包埋时确保牙冠唇面中份与水平面平行(图2)。

1.3 氧化锆陶瓷试件的透光性测定

用Crystaleye比色仪(Olympus公司, 日本)分别测量每一个试件在黑背景、白背景下的色度值(图3), 并根据公式TP=[( LB* - LW* )2+ ( aB* - aW* )2+ ( bB* - bW* )2]1/2计算透光性, 即半透性参数(translucency parameter, TP)。TP值越大, 透光性越好; TP值越小, 透光性越差。L* :明度, a* :绿红度, b* :蓝黄度, B:黑背景, W:白背景)。

图2 离体牙样品制备Figure 2 Preparation of the extracted teeth

为了消除外界光对Crystaleye比色仪测色精度的影响, 所有测色过程均在特制的暗盒中进行, 暗盒上方设置一开口与分光光度计探头大小相匹配, 暗盒底部分别放置黑、白两种纸板作为测色黑背景、白背景, 测色过程严格按照使用说明进行。测试前先按提示校准电脑比色仪, 图像捕捉时确保试件位于捕捉窗口中央, 每个试件在同一背景下分别测量3次, 每次旋转120° , 取平均值。色度值采用国际照明委员会(Commission Internationale de L’ Eclairage, CIE)推荐的1976-L* a* b* 色度系统表示。

1.4 氧化锆陶瓷试件的遮色效果测定

1.4.1 作为粘接背景的离体牙色度值测定 用Crystaleye比色仪分别测量离体牙唇面中1/3区域的色度值(图4), 分别测量3次, 取平均值。

1.4.2 离体牙-陶瓷试件粘接体制备 每一小组内与离体牙编号相同的陶瓷试件分别按照随机次序使用3M RelyX ultimate透明色的树脂水门汀(3M公司, 美国)与离体牙进行粘接。每一种试件粘接测量结束后, 磨除瓷试件并抛光牙表面, 然后再用同种粘接方法进行下一种试件的粘接。

1.4.3 离体牙-陶瓷试件粘接体的测色及色差分析 每一个离体牙-陶瓷试件粘接体制备完成后, 用Crystaleye比色仪测量粘接区域的色度值(图4), 分别测量3次, 取平均值。选用Crystaleye比色仪配套软件Crystaleye Application Ver.1.4(Olympus, 日本)内定的Vita Classical比色板A2中1/3的色度值(L* :72.7, a* :1.0, b* :18.8)作为对照。根据色差公式Δ E=[(Δ L* )2 + (Δ a* )2 + (Δ b* )2]1/2=[( L1* - L2* )2 + ( a1* - a2* )2+( b1* - b2* )2]1/2分别计算出每一个离体牙-陶瓷试件粘接体与对照色的色差Δ E, 色差值的单位为NBS(National Bureau of Standards unit)。

图3 Crystaleye比色仪在黑、白背景下分别测量陶瓷试件色度值Figure 3 Chromatic values measured on zirconia specimens under the black and white background by the Crystaleye

图4 Crystaleye比色仪测量离体牙的色度值及与瓷片粘接后的色度值Figure 4 The chromatic values of the extracted teeth and the zirconia specimens after cementation on the extracted teeth measured by the Crystaleye

1.5 统计学分析

统计分析使用SPSS 22.0软件(IBM公司, 美国), 连续变量以均值± 标准差表示, 组间比较采用单因素方差分析(ANOVA)检验各组试件透光性值及色差值间的差异, 多组间采用Bonferroni法进行两两比较, 试件自身及厚度两因素对透光性值及色差值的影响采用方差分析(ANOVA), 统计学检验水准α =0.05。

2 结果
2.1 3组氧化锆陶瓷试件的透光性

3组氧化锆试件的TP值见表1。

表1 陶瓷试件的半透性参数 Table 1 The translucency parameter of the zirconia specimens

CZ、NZW、NZY组氧化锆各亚组间的透光性差异均为0.6 mm组> 1.0 mm组> 1.5 mm组, 且3个厚度组间透光性差异均有统计学意义(P< 0.05), 即CZ1 > CZ2 > CZ3(P< 0.001), NZW1> NZW2> NZW3(P< 0.001), NZY1 > NZY2 > NZY3(P< 0.001)。

厚度相同的亚组间试件透光性均为NZW组 > NZY组 > CZ组, 即NZW1 > NZY1 > CZ1, NZW2 > NZY2 > CZ2, NZW3 > NZY3 > CZ3, 其中, NZY1与CZ1、NZY2与CZ2、NZY3与CZ3、NZW3与NZY3亚组间差异无统计学意义(P> 0.05)。

试件自身(F=133.55, P< 0.001)和厚度(F=167.42, P< 0.001)两个因素及其相互作用(F=15.43, P< 0.001)对透光性的影响均有统计学意义。

2.2 3组氧化锆陶瓷试件的遮色效果

作为粘接背景的10颗离体牙色度值的平均值为L* :60.4± 2.6, a* :3.1± 1.9, b* :23.4± 4.1, 根据色差公式计算离体牙与对照色平均色差Δ E为(14.0± 1.9) NBS。离体牙-陶瓷试件粘接体与对照色的色差值见表2。

表2 离体牙-陶瓷试件粘接体与对照色的色差值Δ E Table 2 The color aberration Δ E between zirconia specimens after cementation on the extracted teeth and the control

CZ、NZW、NZY组氧化锆各亚组间的色差值均为0.6 mm组 > 1.0 mm组 > 1.5 mm组, 即CZ1> CZ2> CZ3, NZW1> NZW2> NZW3, NZY1> NZY2> NZY3, 其中仅CZ1与CZ3亚组间的差异有统计学意义(P< 0.05), 其余亚组间差异无统计学意义(P> 0.05)。

厚度相同的亚组间氧化锆试件色差值均为CZ组 > NZW组 > NZY组, 即CZ1 > NZW1 > NZY1, CZ2 > NZW2 > NZY2, CZ3 > NZW3 > NZY3, 其中仅NZW3和NZY3亚组间差异无统计学意义(P> 0.05), 其余亚组间差异均有统计学意义(P< 0.05)。

试件自身(F=126.07, P< 0.001)和厚度(F=5.19, P=0.008)两因素对色差值的影响有统计学意义, 而两因素间的相互作用(F=2.21, P=0.075)对色差值的影响无统计学意义。

3 讨论
3.1 3种氧化锆陶瓷透光性的比较

本研究显示, 3种氧化锆试件在厚度为0.6、1.0和1.5 mm时均为3D胶态成型技术制作的内表面无遮色处理组试件(NZW组)透光性最高, 而切削素烧瓷块法制成的均质氧化锆试件(CZ组)透光性最低。

在厚度相同的情况下, 3种氧化锆试件透光性均为CZ组最低, 考虑与材料的晶粒尺寸、内部缺陷及密度均匀性有关。首先, 在氧化锆晶粒尺寸上, 烧结后的传统氧化锆陶瓷晶粒尺寸约300~500 nm, 且大小不均匀, 而新型釉锆烧结体晶粒平均尺寸较小且均匀(内部约250 nm, 表层约150 nm), 晶粒粒径的减小及较均匀的分布使可见光在材料内部的散射减少, 从而透光率增加[6]。其次, 在加工技术上[8], 传统氧化锆所用的素烧瓷块是利用冷等静压技术(cold isostatic pressing)将尺寸50~100 μ m的团聚微粒干压而成, 内部残留大量堆积缺陷, 密度均匀性较差, 瓷片表面虽经抛光仍易残留刀痕和针孔, 造成了光在陶瓷内部的散射增加, 透射降低[9], 散射量增大虽有利于遮色, 但因透射降低, 瓷体显得枯干, 没有光润质感。

新型氧化锆采用3D胶态层积技术加工而成, 其将胶态氧化锆中高度分散的纳米颗粒紧密堆积, 在生成表面仿生天然牙釉质结构, 也就是实现纳米尺度毛糙[6]但微米尺度光洁的同时, 显著降低了材料内部的堆积缺陷密度, 从而提高了材料内部结构致密度和均匀性, 减少光在陶瓷内部的散射, 增加光的透过率。相同厚度下, 3D胶态成型技术制备的两组氧化锆试件透光性NZW组高于NZY组, 这是由于在材料设计时NZY组内表面的多孔遮色层增强了可见光的散射和反射。

此外, 本研究中3种氧化锆试件透光性均随着试件厚度的增加而降低, 这与Wang等[10]和Kursoglu等[11]的研究结果相符。

3.2 粘结背景对遮色效果的影响

在探讨氧化锆陶瓷的遮色能力时, 粘接背景的选择直接影响着测量结果的准确性[12]。临床上因四环素牙的颜色多且复杂, 收集困难, 许多学者选用了C4色树脂基底板或银钯合金铸件来模拟四环素牙的中、重度异色[13]。但即使树脂块与天然牙为同样的色度值, 光学特性上也会存在差异。为了获得中、重度异色天然牙的真实质感, 减少实验误差, 本研究选择了10颗因牙周病拔除的中、重度异色离体牙作为粘接背景, 其色度值L* 、a* 、b* 的平均值分别为60.4± 2.6、3.1± 1.9、23.4± 4.1, 与对照色的平均色差Δ E高达(14.0± 1.9)NBS。

3.3 3种氧化锆陶瓷遮色效果的比较

关于临床可接受色差Δ E范围, 本研究规定当色差Δ E < 4 NBS时, 认为颜色匹配效果好[14]。结果显示, 3种氧化锆试件在厚度为0.6、1.0和1.5 mm时均为3D胶态成型技术制成的内表面有遮色处理组试件(NZY组)遮色效果最好, 而切削素烧瓷块法制成的均质氧化锆试件(CZ组)遮色效果最差, 差异有统计学意义(P< 0.05)。

在厚度相同的情况下, 3种氧化锆试件的遮色效果均为CZ组最差, 考虑与试件加工工艺有关。传统氧化锆素烧瓷块采用干压工艺, 经过成型、部分烧结等步骤制成了可切削的着色氧化锆瓷块供临床使用, 但在临床工作中因成品色块颜色种类有限, 且瓷块内部不具有类似天然牙的颜色梯度和透光率梯度, 尚不能满足修复体的美观要求[15]。新型3D胶态成型技术采用了湿化学工艺[6], 无需预先制成成品氧化锆瓷块, 可根据实际比色情况, 通过电脑控制将不同颜色、不同尺寸的氧化锆瓷胶体分层堆积, 生成带个性化分层颜色梯度结构的修复体, 其利用数字化的方法实现了颜色瓷层匹配, 有望在没有外染条件下实现良好的美学效果。本研究在未外染的情况下直接比较3组瓷片粘接后与对照色的色差值, CZ组瓷片因加工工艺上的缺陷色差值最大。

胶态成型技术制作的两种氧化锆试件, 在相同厚度下, NZY组遮色效果显著高于NZW组(P< 0.05), 考虑与NZY组透光率在厚度方向有强梯度变化有关。NZY组内表面层积的多孔遮色层在降低材料透光率的同时, 遮色性能增加, 而NZW组试件因透光性较高使其在使用相同粘接剂(透明色)的情况下受背景色(即中、重度异色牙)的色度值影响较大。此外, 3D胶态成型技术制成的两种氧化锆试件(NZW、NZY)与牙粘接后色差值均为0.6 mm组> 1.0 mm组 > 1.5 mm组, 但各亚组间差异均无统计学意义(P> 0.05)。由此设想在临床工作中, 对颜色较深的基牙采用新型氧化锆技术修复, 利用增加牙体预备量来提高颜色匹配的做法也许并不是必需的。同时, 由于NZY组试件在0.6 mm厚度时色差Δ E为(4.16± 1.33) NBS, 即可接受[14], 使得NZY组试件有望在较少的牙体预备量条件下获得较好的颜色匹配, 这对实现中、重度异色牙的微创修复会很有帮助。

本研究结果表明, 在相同厚度下, 胶态成型法制作的无内遮色氧化锆陶瓷材料具有良好的透光性, 而带内遮色的氧化锆陶瓷材料具有良好的遮色效果, 且在0.6 mm厚度时就有明显的遮色作用。胶态成型技术制作的新型氧化锆可以作为一种临床美学修复的全瓷材料选择。

(志谢:感谢杭州而然科技有限公司及北京大学口腔医院义齿加工中心协助准备本研究使用的全部试样。)

The authors have declared that no competing interests exist.

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