CADCAM可切削材料研究

   前言 1983年，第一台采用计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）技术制作牙科修复体的样机在法国问世。该技术的出现被认为是口腔医学领域的革命性突破，使自动化或半自动化制作修复体成为现实。该技术为牙科修复体的制作提供了一种全新的方法[1]，虽然目前尚不能完全代替传统的修复体制作工艺，但该方法有可能给广大患者提供一个经济高效的新选择。经过牙医和科技人员的长期研究，CAD/CAM技术目前在口腔修复领域已开始进入实际应用阶段。

与CAD/CAM系统配套的可加工材料一直是研究的重要内容[2]，但已商品化的材料的耐用性、美观性和经济性等方面还不能满足临床牙科医生和患者的要求。制约了CAD/CAM在制作牙科修复体中的广泛使用。与CAD/CAM系统配套的材料要满足以下条件：可加工性，生物相容性，耐用性，美观性，尽可能低的成本。

现已开发成功和在研究用于口腔CAD/CAM系统的可切削材料的主要有以下几类： 1 长石瓷[3] 同真正的陶瓷相比，长石瓷在结构上更接近玻璃，它实际上是一种硼硅长石质玻璃，玻璃中含有分散的结晶成分（如白榴石、正长石或钠长石等晶体）。商品化的长石瓷块主要由Vita公司开发，有Cerec Mark Ⅰ、Cerec Mark Ⅱ、Celay。其中性能最好的MarkⅡ的弯曲强度为84MPa，断裂韧性为1.26MPa•m1/2 。 2微晶玻璃又称玻璃陶瓷，是通过玻璃的受控结晶而制成的多晶体。这类材料是由大比例的晶体和玻璃相所组成的无孔复合体。 2.1 云母基微晶玻璃，商品化的云母基微晶玻璃由Dentsply和Down Corning公司联合开发，有Dicor MGC-D、MGC-L和MGC-F，其中MGC-F机械最高，弯曲强度为152MPa，断裂韧性为2.09MPa•m1/2 。因云母晶体具有片状结构，所以有良好的解理性和可切削性，但其机械强度不够高，为了提高其机械性能，各国学者进行了一系列增韧增强的研究。工艺上改进包括使用热压法，以改善材料的结构，提高性能，但得到的材料各向异性[4]。组分上改进以引入氧化锆为主，在粉末时将玻璃粉与氧化锆混合烧结[5][6]，或者将含锆的金属有机或无机化合物作为先驱体，经过水解形成 凝胶，再在较低温度下烧结，得到含ZrO2的微晶玻璃[7]。李红等[8]采用Ca2+代替部分K+，可成倍增加云母结构中的结合力。提高云母晶体自身的强度的同时，掺杂氧化锆来增强和增韧，可制得高强度可切削微晶玻璃。孙颖等[9]采用正交设计实验，对影响微晶玻璃颜色的基础配方、色料组成及热处理温度进行筛选优化，所研制的云母微晶玻璃可提供4－5种牙科颜色。云母基玻璃陶瓷经上述的增韧增强后，弯曲强度能达到200－300MPa，断裂韧性能达到2－4MPa•m1/2。 2.2 白榴石基玻璃陶瓷[10] 也是一类微晶玻璃，结晶相为白榴石。由Ivoclar公司开发，商品名为ProCAD，弯曲强度大约140MPa。现在开发出来商用的长石瓷和玻璃陶瓷两类材料美观性好，但弯曲强度和断裂韧性低，在使用过程中容易发生崩裂的情况，只能作低嵌体。 3 高强度瓷高强度瓷，包括玻璃渗透氧化铝和完全烧结氧化锆。 3.1 玻璃渗透氧化铝复合材料 Rinke等[11]取微米级的氧化铝粉等静压成型，部分烧结得到多孔氧化铝块，再用牙科CAD/CAM系统加工，并用玻璃渗透处理制作了高强度全瓷冠。Tian JM等[12]报道该氧化铝玻璃复合材料三点弯曲强度为352MPa，断裂韧性为4.11MPa•m1/2 。李江等[13]发现氧化锆的添加能明显提高部分烧结氧化铝的机械性能，但对玻璃渗透氧化铝复合材料的机械性能提高不大。温宁等[14]在渗透用玻璃中加入氧化铈和氧化铁，制得不同颜色的玻璃，在将不同颜色的玻璃渗透到部分烧结的氧化铝中得到不同颜色的玻璃渗透氧化铝复合材料。 3.2 完全烧结氧化锆氧化锆为室温强度最高的材料，有陶瓷钢的美誉。用作冠桥修复材料，除了其力学性能上的优势外，还有良好的生物相容性和一定的美观性。李石保等制备出氧化钇稳定四方相氧化锆（Y-TZP）纳米微粉[15]，接着以氧化Y-TZP纳米微粉为原料，采用部分烧结-CAD/CAM加工-完全烧结三步法制备全瓷冠，得到的全瓷冠是完全烧结的Y-TZP[16]。 Duggusa公司开发出Cercon系统，省略了CAD系统，以Y-TZP纳米微粉为原料，采用陶瓷素坯-CAM加工-完全烧结三步法制备全瓷冠[17]。无压条件下完全烧结的氧化锆据李石保等报道其弯曲强度为710 MPa，断裂韧性为4.77MPa•m1/2。荣天君等[18]通过添加硅酸盐玻璃粉体作为烧结助剂，低温烧结获得致密的氧化锆牙科修复体，该修复体弯曲强度在340－360Mpa，韧性在2.7-3.5 MPa•m1/2，可切削性良好，与In-Ceram中部分烧结氧化铝块相当。该修复体材料实际是氧化锆玻璃的复合材料。用氧化铝-玻璃复合材料或完全烧结氧化锆已成功制作出高性能的冠桥修复体，但制作过程费时、复杂，与CAD/CAM快速制作的初衷有所抵触，另外，在强度高的同时，陶瓷的硬度也大，常常会造成对咬牙严重的磨耗。 4 有机－无机复合材料有机－无机复合材料是指材料中既含有有机成分，也有无机成分的一类材料。 4.1 复合树脂 CAD/CAM加工最早使用的材料是复合树脂，复合树脂就是无机颗粒增强有机基质的复合材料。3M公司的可切削有机无机复合材料MZ100就是由其复合树脂Z100发展起来的，结构、成分及制备方法也与Z100基本类似[19]。要进一步提高复合树脂的物理性能，就要使无机增强相在有机基质中的均匀分散且有尽可能高的填充率，到目前为至，还没能达到令人满意的效果。所以人们还未得到在长的使用时间内保持令人满意的机械性能、颜色稳定性、颜色耐久性的复合树脂。这种材料的优点是有对前牙来说是必要的满意的美学性能。它的弯曲强度一般为80－110MPa，耐磨性较差。 4.2 树脂浸渍多孔陶瓷材料得到的有机无机复合材料 Keisuke等[20]将颗粒平均直径在3－50mm的氧化物和粘结剂混合模压成牙科修复体如嵌体、冠、桥或适合CAD/CAM的长方块，经真空烧结得到有互相联通孔隙的多孔陶瓷，将树脂浸渍其中制备树脂浸渍陶瓷块。这种树脂浸渍陶瓷也是一种有机－无机复合材料。但它用的陶瓷基质是从硅酸盐及长石中任选的一种，由于最主要是玻璃相，所以本身的机械强度就不能达到很高的水平，该复合材料用作后牙冠或桥的难度很大。从实施例来看，所制备的复合材料的弯曲强度最高的为129MPa，一般为110－120MPa之间，可以看出做后牙冠或桥，强度偏低。使用的陶瓷粉的平均粒径为3－50mm，没有使用会给材料带来更好的表面和抛光性能粒径更小的纳米粉体。 Kelly等[21]将陶瓷无机先驱体或有机先驱体和陶瓷颗粒混合，通过先驱体的粘结作用成型。加热，先驱体分解形成陶瓷相，在独立的陶瓷颗粒形成颈部，得到的多孔陶瓷体。所用到先驱体可为聚硅氧烷、聚碳硅烷、聚氮硅烷，陶瓷颗粒可为氧化铝、氧化硅等。多孔陶瓷体通过浸渍单体、齐聚物或聚合物再经聚合或固化来增韧改性。这样复合材料可作人硬组织的修复体，如牙科修复体或骨植入物。这里提供了一种得到多孔陶瓷的方法，但制备的多孔陶瓷的机械强度不高，所得到的有机无机复合材料的强度也不高。

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