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不同厚度氧化锆的半透明性和颜色特性评价研究

2020-08-15 940 上传者：管理员

摘要：目的评价不同厚度氧化锆的半透明性和颜色特性。方法制作KatanaTM UTML(KU)、LavaTM Plus(LP)、Ceramill® Zolid(CZ)3个品牌不同厚度(0.5、1.0、1.2和1.5 mm)的高透氧化锆试件各5枚,使用牙科接触式色度仪测量试样的CIE L*、a*、b*参数并计算其半透明参数(translucency parameter,TP)。对各组TP值及CIE L*、a*、b*参数值进行统计比较。结果 KU的TP值为7.666～15.555,LP的TP值为7.500～14.916,CZ的TP值为6.804～15.508。不同厚度的氧化锆陶瓷的透明度存在显著差异(P<0.05),随厚度的减小而增大(P<0.05)。相同厚度下,透明率按照KU、CZ、LP依次降低。KU的L*值与LP、CZ存在显著差异(P<0.05),亮度较LP、CZ低(P<0.05);KU、LP、CZ三者间的a*、b*值均存在显著性差异(P=0.05)。结论 3种氧化锆陶瓷均显示较好的透明度,KU的透明度最高;3种氧化锆的透明度均随厚度减小而增加;KU的颜色最接近于人牙本质的色度。

关键词：
光学性能
半透明参数
半透明性
氧化锆陶瓷
颜色
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氧化锆由于优异的力学性能和美学性能、较好的生物相容性、高度的化学稳定性,在牙科修复领域得到越来越多的应用[1]。然而与其他全陶瓷系统相比,氧化锆的显著缺点是半透明性低[2,3]。因此,学者们通过多种方法提高氧化锆的半透性,以改善其光学性能。KatanaTM UTML、LavaTM Plus、Ceramill® Zolid是近年来市场上推出的具有代表性的3种高透氧化锆产品,准确了解其半透性及颜色特性,对于临床选择至关重要[4]。本研究的目的即评价临床上常用的氧化锆全瓷冠厚度范围内,这3种品牌的高透氧化锆产品的半透性随厚度增减的变化趋势。

1、材料与方法

1.1试样准备

使用低速切割机(ISOmet0,Buehler;Lake Bluff,IL,美国)分别将3种高透氧化锆KatanaTM UTML、LavaTM Plus、Ceramill® Zolid(表1)切割成长、宽12.5 mm,厚度0.63、1.25、1.50、1.88 mm(按照烧结收缩率20%计算胚体大小及厚度)的瓷块,根据厂家说明进行烧结,烧结后的试件在金相抛光机(PG-1,标誉,中国)上使用1 500、2 000、3 000、4 000目的碳化硅砂纸将每个试件依次打磨抛光,使用电子卡尺测量,控制最终厚度差异小于0.01 mm。每组最终获得长、宽10 mm,厚度分别为0.5、1.0、1.2、1.5 mm的试件各5枚。

表1测试的氧化锆陶瓷信息

1.2测量

使用牙科接触式色度仪(ShadeEye,Shofu,日本),在国际照明委员会(CIE)规定的标准比色光源D65下,分别测量氧化锆在黑色背景(CIE L*=8.6,a*=0.74,b*=2)和白色背景(CIE L*=92.32,a*=0,b*=-8.8)下的颜色参数L*、a*、b*(CIE1976 Lab*系统)。每个样品进行测量之前根据厂家的说明对接触式色度仪进行校准。测量时仪器探头紧贴试件表面。

色度仪测量直接得出试样的L*、a*、b*值,然后利用以下公式计算样本在白色背景和黑色背景下的色差,得到每个试样的半透明参数[5](translucency parameter,TP):

TP =[(L∗白-L∗黑)2+(a∗白-a∗黑)2+(b∗白-b∗黑)2]1/2

每个试件重复3次测量并计算TP。

1.3统计学分析

采用SPSS 21.0对TP进行双因素方差分析(two-way analysis of variance,ANOVA)、以及Tukey事后分析(Tukey’s post-hoc LSD),分析品牌及厚度对L*、a*、b*值和TP值的影响(α=0.05)。

2、结果

KU的TP平均值范围为7.666～15.555,LP的TP平均值范围为7.500～14.916,CZ的TP平均值范围为6.804～15.508(图1)。

图1不同厚度氧化锆陶瓷的TP(半透明参数)值

不同厚度的氧化锆陶瓷的透明度存在显著差异(P<0.01)。相同厚度下,KU的透明度最高,且与LP、CZ存在显著差异(P<0.01)。相同厚度下,LP与CZ的透明度之间无明显统计学差异。

对于3种陶瓷的双因素方差分析结果(表2)表明,氧化锆的品牌和厚度对TP值有显著影响(P<0.001),两者之间的相互作用(氧化锆的品牌和厚度)也具有统计学意义(P<0.001)。

表2 TP值的双因素分析结果

在对TP-厚度进行回归分析的基础上,用指数函数表示厚度与TP值之间的相关性,表3总结了每一种陶瓷的回归方程和决定系数(R2)。图2表明这3种陶瓷的半透明参数(TP)随厚度的变化而变化,TP值随3种材料厚度的增加而降低,但TP值的变化与材料相关。KU的TP值在一定厚度范围内都较LP、CZ高。所有材料的决定系数均有统计学意义(R2=0.935 8～0.967 2)。由于R2非常高,因此可以说这3种陶瓷材料的TP值与厚度的变化服从指数函数且TP随厚度的增加而降低。

图2 3种氧化锆陶瓷的TP值随厚度的变化

表3氧化锆陶瓷的TP(y)与厚度(x)的回归分析

在白色背景下,3种氧化锆的L*、a*、b*值列于图3。所测定的3种高透氧化锆中,KU的L*值与LP、CZ存在显著差异(P<0.01),亮度较LP、CZ低;KU、LP、CZ三者间的a*、b*值均存在显著性差异(P=0.05)。KU、LP、CZ的L*、a*、b*值均随氧化锆陶瓷的厚度改变而变化。

图3不同厚度氧化锆陶瓷的L*a*b*值

3、讨论

3.1氧化锆的半透明性与临床应用

半透明度是描述氧化锆陶瓷光学特性的一项重要参数,通常用透射率(tC)、对比度(CR)和/或半透明参数(TP)来表示,可以通过测定各种光源下的光学参数来计算其半透明度[6]。材料固有的颜色及透明度很大程度取决于材料本身对于可见光的吸收和散射以及光源的光谱[7]。对于陶瓷材料而言,半透明性更依赖于多重光的散射,而不是直接透射[2]。TP基于CIE比色法,定义了具有均匀厚度的材料在黑色及白色背景上所反射颜色之间的差异,并提供了与人类视觉感知直接对应的值。较高的TP值意味着更高的半透明度。TP为100表示该材料完全透明,相反,TP为0表示完全不透明[5]。由于应用于临床的修复体没有固定的厚度,准确了解修复材料的半透明性与厚度之间的关系,对于提高修复体的美学效果至关重要[4]。本研究选取临床氧化锆的常用厚度0.5～1.5 mm进行评价。有人报道氧化锆陶瓷的TP值范围为(8±0.8)～(15±1.3)[8,9],这与我们的研究所得出的范围6.8～15.5基本一致,其中KU的半透明参数是3种品牌中最高的,CZ次之,LP的透明度最低。半透明度的差异可能是由于材料成分和微观结构的差异造成的[1]。为了提高陶瓷的强度,可增加陶瓷中氧化锆晶体含量,但同时晶体分布的不均匀性会导致折射率降低从而导致透明度的下降[2,10]。氧化锆陶瓷的透明性与多种因素有关,涉及粉末混合比、染色、烧结条件、老化等[5,11,12,13]。这3种超透氧化锆的晶相结构主要是c-ZrO2,Ku的半透明性较高可能与KU中c-ZrO2以及添加剂的含量更高有关。KU的烧结温度较LP、CZ高,烧结温度会影响氧化锆中晶相的变换以及粒度的分布等从而影响氧化锆的半透明性[2]。有研究表明1.0 mm厚的人牙本质的平均TP值为16.4,而人牙釉质的平均TP值为18.7[14]。在我们所测定的氧化锆陶瓷中,1.0 mm厚度的试件TP值在8.580～11.028,低于人牙本质和牙釉质的TP值。而市面常见的玻璃陶瓷的TP值为9.74～14.31[15],更接近于人牙本质及牙釉质的透明度,即使是透明氧化锆陶瓷的光学效果也不如玻璃陶瓷与天然牙更加匹配。

TP值在2.0以下被认为是不透明的,能够完全阻挡黑色背景的颜色[16,17]。本研究中所评价的3种氧化锆陶瓷,即使厚度为1.5 mm,其TP值仍大于2.0,并且随着厚度的减少,TP值逐渐增大,因此这3种氧化锆陶瓷应该被认为透明度较高。具有一定透明度的氧化锆能够更好地恢复天然牙的外观。对于前牙美学修复,氧化锆陶瓷的半透明度是至关重要的,然而,对于着色牙、变色牙以及金属桩、纤维桩的存在,过高的透明度会干扰其美学效果[18]。临床中,应根据需要灵活选择不同透明度的氧化锆材料。

本实验表明3种氧化锆陶瓷的半透明参数(TP)均随样品厚度的增加呈指数下降,这与之前的研究结论相同[4]。KU在一定厚度范围内,TP值是3种氧化锆中最高的,适用于对透明性要求较高的全瓷修复体的制作。CZ的TP值随厚度的改变的趋势最大,由于TP值被认为会影响全瓷修复体的整体美观,因此目前的实验结果表明应用CZ陶瓷时应谨慎控制材料的厚度。不同品牌氧化锆陶瓷的透明度随厚度变化的趋势不一致,准确把握氧化锆的透明性随厚度变化的趋势,能获得更好的临床效果。我们建立了KU、LP、CZ 3种品牌氧化锆陶瓷透明度与厚度之间的关系,以预测不同厚度的氧化锆的透明性。如修复体的厚度较大时,且需要呈现较高透明度时,应考虑选择透明度随厚度变化趋势较小的氧化锆材料,并准确预测给定厚度的陶瓷的半透明性,以期提高美学效果。

3.2氧化锆的颜色特性与临床应用

CIE L*、a*、b*是一个三维体系,由一个亮度通道和两个颜色通道组成,可以用于描述氧化锆的颜色特性。L*、a*、b*值分别代表一种颜色的亮度、红绿色度和黄蓝色度。L*用于表示颜色的亮度,取值范围是[0,100],表示从纯黑到纯白,如果L*是正值,说明样品与标准板相比偏亮;如果是负值,说明偏暗;a*表示红绿色度,取值范围是[-128,127],如果a*是正值,说明样品与标准板相比偏红,如果负值,说明偏绿;b*表示黄蓝色度,取值范围是[-128,127],如果b*是正值,说明样品与标准板相比偏黄,如果负值,说明偏蓝。对于中性色(白色、灰色),a*、b*坐标接近于0,对于更饱和或强烈的颜色,其偏离0的幅度增加。所测定的3种高透氧化锆中,KU的L*值较LP、CZ低,亮度偏暗。且随厚度的增加,KU、LP、CZ的L*值均降低。有研究表明陶瓷的厚度会影响其最终色调,以及较厚的陶瓷半透明度较低等原因,导致陶瓷的L*值随厚度的增加而降低[19,20],与本研究的结果一致。KU、LP、CZ三者间的a*、b*值均存在显著性差异。KU、LP、CZ三者的a*值均为负值,较白色背景偏绿,其中LP偏离最多,CZ次之,KU最小;LP、CZ的a*值随厚度的增加而减小。KU的b*值为正值,LP、CZ为负值,且KU偏离0的幅度较LP、CZ大;LP、CZ偏蓝,KU偏黄且随厚度的增加而减小,KU的色彩饱和度较LP、CZ高。KU的亮度最低,色度偏黄;LP和CZ的亮度较高,色度偏蓝。其中KU的颜色与Pop-Ciutrila等[21]测得人类牙齿的L*、a*、b*值更加匹配。

4、小结

本研究所评价的3种氧化锆陶瓷显示出一定程度的半透明。不同厚度的氧化锆的透明度存在显著差异,所有材料的半透明度随厚度的减小而增加。材料和厚度对牙科陶瓷的半透明参数有显著的影响。3种品牌氧化锆的色度存在差异;厚度的变化会影响氧化锆的颜色;KU的颜色最接近于人牙本质的色度。

廖梦圆,谢海峰,沈佳娣,戴诗琪,陈晨.3种高透氧化锆陶瓷的半透明度及颜色评价[J].口腔医学,2020,40(07):597-601.

基金:国家自然科学基金(81970927);江苏高校青蓝工程;江苏高校优势学科建设工程资助项目(2018-87)