反复烧结对牙科二硅酸锂玻璃陶瓷颜色和透光性的影响

Abstract

目的

评价反复烧结对牙科二硅酸锂玻璃陶瓷颜色和透光性的影响。

方法

制作30个直径10 mm、厚度（1.00±0.01）mm的IPS e.max Press HT A2圆盘试件，随机分为S0、S1、S2、S3、S4、S5共6组（每组5个），分别执行0、1、2、3、4、5次自身上釉程序。使用ShadeEye NCC测色仪测定每组的色彩参数L*、a*、b*，计算色饱和度C*_ab及色差ΔE，使用TM-2透射率测试系统测得可见光积分透射比τ。采用SPSS 17.0软件进行方差分析和LSD多重比较。

结果

随着烧结次数增加，试件的L*值总体呈减小趋势（P<0.05）；a*、 b*、C*_ab和τ值均为先增大后减小（P<0.05）。各组和S0组的ΔE最小为0.89，最大为2.01，在临床可接受范围内。

结论

反复烧结对二硅酸锂玻璃陶瓷的明度、色相、彩度和透光性均有影响，但色差在临床可接受范围内。

陶瓷具有生物相容性好，色泽稳定自然，热导率和磨损率与牙体组织相似，在口腔环境中性质稳定等优点，是一种理想的牙科修复材料[1]。采用陶瓷制作的全瓷修复体具有良好的生物相容性和独特的美学特性，受到广大医师以及患者的青睐，已应用于临床的众多牙科全瓷材料中。IPS e.max Press是新一代的热压铸造二硅酸锂玻璃陶瓷[2]，其强度达400 MPa左右，同时添加锆基增韧减低脆性，并有多种不透明度的瓷块满足临床需求，兼顾了较高的力学强度和优良的半透性，具有良好的应用前景，尤其对美观性要求较高的前牙修复常作为首选材料。在临床应用中，全瓷修复体制作完成后，往往会因颜色及外形上的调整而需反复烧结。多次烧结是否会对牙科二硅酸锂玻璃陶瓷的美观性产生影响，目前相关的研究还较少。本研究模拟技工室烧结程序，探讨反复烧结对牙科二硅酸锂玻璃陶瓷颜色和透光性等美学参数的影响，为临床全瓷修复体的运用和技工室制作工艺的改进提供参考。

1. 材料和方法

1.1. 材料和设备

IPS e.max Press HT A2瓷块，IPS e.max Vest Speed包埋材料（Ivoclar公司，列支敦士登）；EP5000铸瓷炉、P700烤瓷炉（Ivoclar公司，列支敦士登）。722型分光光度计（上海光学仪器厂），ShadeEye NCC牙科测色仪及ShadeEye Viewer分析软件（Shofu公司，日本），TM-2透射率测试系统（杭州科兴光电有限公司）。280、400、600目静电植砂氧化铝耐水磨砂纸和W20（02）金相砂纸（上海砂轮厂），5、2.5、0.5 µm金刚石研磨膏及抛光绒布（上海金刚石工具厂）；Mecatech 234研磨抛光机（Presi公司， 法国），电子数显卡尺（北京量具刃具厂）。

1.2. 试样制作

制作30个直径10 mm、厚度1.10 mm的树脂圆盘试样熔模，用IPS e.max Press Vest Speed包埋材料包埋后，于EP5000铸瓷炉中用IPS e.max Press HT A2瓷块压铸，然后喷砂、切割、打磨。所得试样用自凝丙烯酸树脂镶嵌后，两个面均在抛光机上经280、400、600目氧化铝耐水磨砂纸和W20（02）金相砂纸磨光，再用5、2.5、0.5 µm金刚石研磨膏抛光达金相标准，超声清洗10 min并干燥，最终厚度为（1.00±0.01） mm。将试样随机分成S0、S1、S2、S3、S4、S5共6组（每组5个），分别执行0、1、2、3、4、5次自身上釉程序，所有操作均按厂商提供的产品说明进行。

1.3. 色彩参数和透射率的测定

所有试样清洗干燥后，使用ShadeEye NCC牙科测色仪在白光环境中测量试样中心（直径2 mm的区域）的色彩参数。仪器经黑白标定后，将探头垂直轻压在测量部位进行测量，共测量3次，取平均值。用ShadeEye Viewer分析软件记录色彩参数L*、a*、b*值（背景参数L*=94.4，a*=1.60，b*=−5.40），计算色饱和度C*_ab和色差ΔE，计算公式如下：C*_ab＝[（a*）²+（b*）²]^1/2，色差ΔE=[（ΔL*）²+（Δa*）²+（Δb*）²]^1/2。

采用TM-2透射率测试系统在380~780 nm可见光范围内测量透射率T（波长重复性1 nm，透射比精确性±0.5%T，透射比重复性0.2%T），每10 nm测量1次，测得试样的可见光积分透射比τ。采用标准照明体D65，垂直照明和垂直探测的几何条件，表示为垂直/垂直（0/0），照明光束的光轴与试样表面法线的夹角不超过10°，照明光束中任一光线与光轴的夹角不超过5°。

1.4. 统计分析

采用SPSS 17.0软件测量结果进行统计分析，统计方法采用单因素方差分析，有统计学差异者进行LSD两两比较，检验水准为双侧α=0.05。

2. 结果

经不同次数烧结后，瓷片的色彩参数L*、a*、b*、C*_ab、ΔE值和可见光积分透射比τ见表1。

表 1. 反复烧结后试样的L*、a*、b*、C*_ab、ΔE值及可见光积分透射比τ.

Tab 1 The L*, a*, b*, C*_ab, ΔE values and transmittance τ of specimens with repeated sintering

组别	色彩参数				ΔE	τ
	L*	a*	b*	C*ab
S0	84.86±0.16	−1.13±0.06	11.18±0.44	11.24±0.44	-	23.86±0.86
S1	84.15±0.38	−1.19±0.06	11.73±0.62	11.79±0.62	0.89	25.35±0.38
S2	84.25±0.46	−1.27±0.03	12.53±0.13	12.59±0.13	1.49	26.07±0.27
S3	85.79±0.26	−1.42±0.07	12.71±0.10	12.79±0.12	1.82	25.88±0.27
S4	83.33±0.22	−1.05±0.07	11.58±0.24	11.63±0.25	1.55	25.60±0.34
S5	82.87±0.13	−0.96±0.08	11.38±0.18	11.42±0.20	2.01	24.96±0.18

经方差齐性分析检验，各组数据呈正态分布，具有方差齐性，采用单因素方差分析及LSD两两比较进行统计学分析。随着烧结次数增加，二硅酸锂玻璃陶瓷试件的L*值先减小再增大又减小，其中S3组最大， 除S1和S2组外，其余组两两比较的差异均有统计学意义（P<0.05）；a*、b*和C*_ab值先增大后减小，S3组最大； a*值除S0和S1、S1和S2间的差异无统计学意义（P>0.05）之外，其余组间差异均有统计学意义（P<0.05）；b*值除S0和S2、S0和S3、S2和S4、S2和S5、S3和S4、S3和S5组间差异有统计学意义（P<0.05）之外，其余组两两比较的差异均无统计学意义（P>0.05）。随着烧结次数增加，τ值先增大又减小，S2组最大；除S0和S2、S0和S3、S2和S5、S3和S5组间差异有统计学意义（P<0.05）之外，其余组两两比较差异均无统计学意义（P>0.05）。各组和S0组的色差ΔE最小为0.89，最大为2.01。

3. 讨论

3.1. 反复烧结对明度的影响

从微观结构看，IPS e.max Press全瓷系统的主晶相由二硅酸锂晶体和磷酸锂晶体组成。相互紧密锁结的二硅酸锂晶体约占总体积的60%，这使得陶瓷的物理性能突出。对二硅酸锂玻璃陶瓷进行研究[3]发现，亚稳态偏硅酸锂在590~750 °C范围内晶体增长，780 °C以上时二硅酸锂晶体开始增长。热处理时温度范围与晶体增长温度间有交叉，同时其他组相在高温条件下也不稳定。由此推测反复烧结可能会对其性能造成影响。经过多次烧结后，玻璃陶瓷材料中的晶体增长完全且排列致密，气孔体积降低，玻璃相向晶相转化。晶相结构的增加对光的折射、散射作用增强，故而本研究中随着烧结次数增加，陶瓷试件的L*值减小，虽然烧结3次时L*值略增大，但明度总体呈现降低趋势。

3.2. 反复烧结对透光性的影响

透光性是决定全瓷修复体美观性的另一个主要因素[4]–[6] 。不同陶瓷材料含有晶体的种类、大小、含量及折射率不同，透光性也不一样[7]。晶体与玻璃基质的折射率差别越大，材料越不透明。二硅酸锂的折射率为1.55，与玻璃基质的折射率1.50接近[8]，因此透明度较高。材料的透光性对明度的影响也很大。尽管不少研究探讨了反复烧结对陶瓷颜色的影响，但对透射性影响还少有研究。影响全瓷修复体透光性的因素包括陶瓷材料的透明度（受陶瓷内部气孔率，晶体的种类、大小、含量及折射率的影响），瓷层厚度，操作工艺（如粉液比、上釉及反复烧结、烧结温度及时间）等[9]。陶瓷材料的晶体含量越高，透射率越低。孔隙对透射性的影响大于晶体，尤其是当孔隙大小与入射光波长（0.4~0.7 µm）接近时，孔隙的散射作用更加明显[10]。通常散射系数增大表明材料半透明度减小。光波遇到不均匀的介质时偏离原来的方向，产生散射。吸收和散射在实际测量中无法截然分开，因此吸收率包括入射光被吸收的部分和散射的部分，吸收率高者透射率低[11]。由此可见，陶瓷材料中气孔的改变可能会影响透光性[12] 。此外，相邻晶体之间以及晶体和玻璃相之间的界面发生光的散射，亦可导致透光性下降[13]–[14]。影响陶瓷透光性的还有作为光吸收源的晶界结构[15] 。当单位体积内晶界数量较多，晶体配置杂乱无序时，入射光透过晶界引起光的连续反射和折射，透光率也随之降低；而规则的晶体排列会为光线提供定向的光通路，减少晶界对光的折射。

本研究结果显示，两次烧结内，由于气孔数量随着烧结次数的增加而减少，或者气孔的大小发生改变，使陶瓷材料的晶相排列变得致密，因而陶瓷试件透射率τ增大，透光性增加。经过更多次反复烧结后，陶瓷材料的成分发生化学反应或元素间相互渗透或玻璃中着色离子价态发生改变，导致玻璃结构析晶，玻璃相向晶相转化，陶瓷内部晶体排列改变，不同折射率的物质较多，光的折射和反射作用加强，散射作用被削弱，导致透明度降低。

3.3. 反复烧结对色相和彩度的影响

全瓷材料中，金属氧化物色素也是决定颜色的物质。反复烧结可能会使这种物质的化学结构发生改变，从而导致颜色的改变，陶瓷的密度、结晶性质等也会发生一定的改变[16]–[17]。彩度之间的差异主要与瓷粉中掺杂的金属色素颗粒有关[18]。陶瓷材料通过添加不同种类和含量的色素颗粒，可以显示不同的颜色。色素通常为耐高温的金属氧化物，如钛黄，铬红，铁红，锌、锰氧化物等。重复烧结可能使色素发生化学结构改变，导致色相偏移[19]。另外，经烧结处理后，色素颗粒崩解或熔融可改变其对入射光的作用，也可导致陶瓷的色相改变。反复烧结过程中，气孔数目、体积、形状、分布等也可发生改变，也是导致颜色发生变化的原因之一。随着烧结次数增加，开放性总孔体积和孔径均逐渐减小[13],[18],[20]。

本研究中，烧结1~3次内，a*、b*和C*_ab值增大，色相和彩度向红黄偏移。色度的改变是由于反复烧结使陶瓷内残留气泡减少，透明度增加所致。继续烧结后，色相和彩度向绿蓝偏移，可能是由于形成新晶相，或原有晶体的尺寸改变，杂质等低熔性物质消失等原因，致使主晶相融合，陶瓷表面结构改变，颜色随之发生改变。

分析色差ΔE时，分别取各组多个试样L*、a*、b*的平均值进行计算，单个试样间的色差对于讨论不同组的颜色差异并无意义。研究[6],[21]认为，色差ΔE<1.5时肉眼不易分辨出两种颜色的差异，ΔE≤2为临床上可以接受的水平，若色差ΔE≥3.7即认为颜色不匹配。本实验结果显示，随着烧结次数增加，色差增大，各组间ΔE最小为0.89，最大为2.01，在临床可接受范围内。很多实验[13],[16]–[17],[22]发现，反复烧结会改变陶瓷的颜色，虽然变化趋势不尽相同，但烧结5次以内产生的颜色改变都在临床可接受范围之内，与本实验结果基本一致。

综上所述，反复烧结对IPS e.max Press二硅酸锂玻璃陶瓷的明度、色相、彩度、饱和度、透光性均有影响。随着烧结次数增加，二硅酸锂玻璃陶瓷的微观结构发生改变，晶体和气孔的大小、形状、分布发生变化，第二固相夹杂物增加，晶界结构发生错位，最终影响陶瓷材料的颜色和透光性，其具体原因还有待通过进一步研究玻璃陶瓷显微结构的改变来证实。根据本研究结果，建议临床进行牙科二硅酸锂玻璃陶瓷前牙贴面、全冠等无饰瓷工艺进行美容修复时，临床医生对修复体进行反复打磨调改后，技工室上釉烧结次数以2~3次为宜；修复特殊病例时，亦可通过改变烧结次数适当调整修复体的颜色和透光性。

Funding Statement

[基金项目] 江苏省科技厅临床医学科技专项基金资助项目（SBL201230169）