梯度结构及梯度应力对齿科陶瓷磨损行为的影响

Because of the excellent biocompatibility and good performance, dental ceramic, especially the glass based ceramic，has been the popular dental material for the tooth defect and dentition defect. But porcelain early fracture and high wear to the opposing tooth due to repeated load cycles are regarded as significant problems. Based on the time-dependent wear behavior of dental ceramic, the biological friction pair of “ceramic restoration-natural tooth” experiences the non-linear wear process during the chewing simulation, which contains running-in, steady and severe wear stages. The porcelain early fracture and high wear to the opposing tooth are related to the wear surface of the running-in stage, and the damage of the wear surface depends on the framework and stress of the surface. It is possible to change the framework and stress of the surface of dental glass-ceramic and the veneering ceramic by the physical and chemical methods, due to they contain the glass matrixes. Choosing dental lithium disilicate glass ceramic and veneering ceramic as the research objects, we change the framework and stress of the surface of them by ion exchange and fast cooling ways to establish the residual compressive.stress surface, and get the dental glass-ceramic and the veneering ceramic which contain the gradient framework and stress. We expect to explore a new way for alleviating the wear of “running-in” stage, increasing the cumulative survival rates, preventing excessive wear of natural teeth.

齿科瓷修复材料，特别是玻璃基陶瓷材料具有极佳的美学效果及生物相容性，已成为牙体牙列缺损修复主流材料，但修复体的早期崩裂及对天然牙造成的过度磨耗，仍然是临床面临的主要问题。基于齿科陶瓷材料磨损行为的时间特性，“修复体—天然牙”摩擦副的磨损呈现为非线性动态演变过程，具有跑合期、稳定期及剧烈破坏期“三阶段特征”。修复体的早期失效及所造成天然牙的过度磨耗，与跑合期的磨损表面损伤密切相关，而磨面损伤又取决于材料的表层结构及表层应力状态。齿科玻璃陶瓷、饰瓷中玻璃基体相的存在，为通过化学和物理强化方法来改善其表层结构及应力状态提供了可能。本项目拟以齿科二硅酸锂玻璃陶瓷及长石质饰瓷为研究对象，采用离子交换法及快速冷却法，调控其表层结构，建立具有残余压应力的表层应力状态，制备具有梯度结构及梯度应力的齿科玻璃陶瓷及饰瓷，以有效减轻跑合期的磨面损伤，为增加修复体的累积生存率、降低修复体对天然牙的磨耗提供新途径。

齿科玻璃陶瓷具有较高的力学性能和出众的美学效果，在口腔修复领域应用广泛。但是，其由于力学性能有限，容易出现失效，并且与其磨损行为密切相关。本项目以常用齿科玻璃陶瓷为研究对象，采用离子交换及快速冷却法，调控其表层结构，建立具有残余压应力的表层应力状态，以期减轻跑合磨损期的损伤。研究发现，离子交换的强韧化效应可以有效改善长石质饰瓷及纳米氟磷灰石饰瓷磨损行为，可以降低跑合期与稳定磨损期的平均磨损速率；通过低温长时间所建立的离子交换层中结构弛豫现象发生不明显，能够很好的改善长石质饰瓷及纳米氟磷灰石饰瓷的磨损行为，特别是能够改善跑合期的磨损行为；另外，离子交换的强韧化效应还能改善由于微观组织不均导致的磨损行为不稳定性。离子交换可以在不改变材料微观组织结构的基础上产生强韧化效应，低温长时间交换产生的强韧化效应最佳；在纯NaNO3盐浴中，二硅酸锂玻璃陶瓷不仅会发生Li+/Na+交换，而且还会发生不利的K+/Na+交换。在适中温度（385 °C）的纯NaNO3盐浴中处理后，可显著提高力学性能。若采用NaNO3+KNO3混合盐浴，在不影响Li+/Na+交换的条件下，可有效抑制K+/Na+交换的发生，保持Li+/Na+交换的“塞积效应”，进一步提高强化效果；在成分为25 mol % NaNO3+75 mol % KNO3的混合盐浴中经过385 °C/64 h处理后，二硅酸锂玻璃陶瓷的双轴弯曲强度及VIF断裂韧性可由250 MPa及2.1 MPa·m1/2提高至720 MPa及4.3 MPa∙m1/2；并且在该工艺下，可以有效改善二硅酸锂玻璃陶瓷磨损行为，可以降低跑合期磨损速率，还能在一定程度上减缓磨损后力学性能的退化；离子交换并不影响二硅酸锂玻璃陶瓷生物相容性。快速冷却构建表层宏观残余压应力也不会改变二硅酸锂玻璃陶瓷微观组织结构及半透性，并且能够使其强度和断裂韧性显著提高。因此，在齿科玻璃陶瓷表面建立具有残余压应力的表层应力状态，制备具有梯度结构及梯度应力的齿科玻璃陶瓷，可以效减轻跑合期的磨面损伤，进而能够增加修复体的累积生存率。