3种高透明度氧化锆的遮色性能分析

蔡毅超，江磊，钟冰洁，陈润，程辉，于皓

传统氧化锆材料为一种高强度的口腔修复陶瓷材料，却存在透明度不佳而无法直接应用于前牙的问题。因此，口腔美学修复需要兼顾全瓷修复体的强度和美观，需通过在氧化锆表面增加饰瓷来达到理想的美学效果[1]。然而，研究表明，随着使用年限的增加，约25%的饰瓷-氧化锆修复体因饰瓷崩裂而被拆除[2]。因此，有别于传统的饰瓷-氧化锆材料的高透明度，单层氧化锆材料被研发且应用于临床美学修复治疗之中[3]。

经典的高透明度氧化锆材料(3Y-TZP)由摩尔分数3%的氧化钇和摩尔分数90%以上的四方相氧化锆组成。随着氧化钇摩尔分数的增加、氧化锆材料的立方相增加，其半透明度也增加。当氧化钇摩尔分数达到5%时，立方相氧化锆约为50%，这种氧化锆被称为5Y-TZP或超透氧化锆[4]。近年来出现的纳米粒径的高透明度氧化锆(粒径为100～300 nm)，其色彩学性能尤其是透明度尚存在争议[5]。

目前，国内外学者对全瓷材料的遮色效果进行了多项研究。陈奕帆等[6]发现，全瓷冠对钴铬合金基底有良好的遮色性，虽然亮度和彩度有差别，但颜色一致性在临床可接受范围。同时，该团队对3种深色基底进行氧化锆全瓷冠修复后，修复体的透明度和色调得到明显提升[7]。国外学者研究发现，透明度会随着氧化锆厚度的减少而增加，同时不同厚度的材料间存在明显色差(color difference,ΔE)[8-9]。JEONG等[10]研究4种高透氧化锆材料置于贵金属、钴铬合金金属及复合树脂背景下的色彩学参数的变化，发现高透明度氧化锆材料最终色彩学的表现会被基底色所影响。

在高透明度氧化锆材料广泛应用于前牙美学修复和种植修复的现状下，其透明度是否会随着厚度的减小而增加尚未可知。此外，高透明度氧化锆材料制作的修复体在何种厚度下能够遮盖色度较暗的氟斑牙、金属基台或金属桩核的背景色也尚未可知。因此，本研究使用分光光度计检测不同厚度的高透明度氧化锆试件的透明度参数(transparency parameter，TP)，同时检测不同厚度的超透和高透明度氧化锆试件在模拟深牙本质色(A3色)、模拟氟斑牙本质色(C3色)、钛基台和金属桩核背景色下的ΔE值，明确不同厚度的3种高透明度氧化锆材料的透明度及其对不同背景色的遮色性能，报道如下。

1 材料与方法

1.1 主要仪器和材料 分光光度计(Easyshade Ⅳ，德国Vita Zahnfabrik公司)；牙科数字化切削机(Organical Desktop 8)、超透氧化锆(质美美学)和高透氧化锆(质美高透)(德国R+K CAD/CAM Technologie GmbH &Co.KG公司)；纳米高透氧化锆(锆美高透，中国中新棠国业公司)；黑、白色标准色卡(美国潘通公司)；牙科充填树脂(Z350，美国 3M公司)；钛合金(Tritan，德国Dentaurum公司)；钴铬合金(Wirobond，德国Bego公司)。

1.2 方法

1.2.1 氧化锆试件的制备 将3种高透明度氧化锆材料的A2色锆块(成分如表1所示)，按照厂家的说明书要求在牙科数字化切削机上加工成直径为7 mm的圆形氧化锆试件，厚度分别为0.8、1.2和1.6 mm。9个实验组，每组试件制作5片，共切削45片氧化锆试件，分组信息如表2所示。试件均按照各个厂家说明书要求进行终烧结后抛光备用。

表1 3种高透明度氧化锆材料成分表Tab.1 Composition of three highly translucent zirconias tested

表2 3种高透明度氧化锆材料试件分组Tab.2 Grouping of three highly translucent zirconias tested

1.2.2 背景的制备 将A2、A3和C3色的3M充填树脂分别在模具上制成直径8 mm、厚度4 mm的背景后抛光备用，其中A2色树脂背景与A2色氧化锆材料匹配为标准对照组，A3色树脂背景模拟深色牙本质，C3色树脂背景模拟氟斑牙牙本质[11]。将钛合金和钴铬合金分别在模具上制成直径8 mm、厚度4 mm的背景后抛光备用，模拟临床中应用钛基台和金属桩核修复时的情况。

1.2.3 透明度参数的检测 将试件置于标准黑白色色卡上，将分光光度计的测试头紧贴试件中心，分别测量每个试件的L*、a*和b*值，重复测量3次，取均数并记录，其中黑背景下测的为LB、aB和bB，白背景下测的为LW、aW和bW。按照以下公式计算各组试件的TP值[10]：

1.2.4 氧化锆材料遮色性能的检测 将每个试件依次置于A2色、A3色、C3色、钛合金和钴铬合金背景上，分别测量每个试件的L*、a*和b*值，重复测量3次，取均数并记录，按照以下公式分别计算各个试件A2背景与其他背景的ΔE[10]：

(ΔL=LA2-LA3/C3/钛/钴铬，Δa=aA2-aA3/C3/钛/钴铬，Δb=bA2-bA3/C3/钛/钴铬)

1.3 统计学处理 采用SPSS 17.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较组间差异(α=0.05)，当P<0.05时，采用SNK-q检验进行两两比较(α=0.05)。

2 结 果

2.1 高透明度氧化锆材料的TP值 各组的TP值和ΔE值如表3和表4所示，各组的TP值经统计学分析显示：对所有受测材料来说，3组氧化锆材料的TP值均随厚度的增加而降低，0.8 mm厚度的试件TP值最高，且X组、Y组和Z组的差别均有统计学意义(P<0.05)；1.2 mm厚度的3种材料的TP值差别无统计学意义(P>0.05)；1.6 mm厚度的试件TP值最低，X组、Y组和Z组的差别均有统计学意义(P<0.05)。3种高透明度氧化锆试件的TP值均随厚度的增加而降低(图1)，同种材料间差别有统计学意义(P<0.05)。

表3 不同厚度的高透明度氧化锆的TP值Tab.3 TP values of highly translucent zirconias with different thickness

表4 不同厚度的3种高透明度氧化锆在不同背景下的ΔE值Tab.4 ΔE values of three highly translucent zirconias under different backgrounds

2.2 高透明度氧化锆材料的遮色能力 统计分析比较各组A2背景与其他4种背景产生的ΔE值，结果显示，各组试件将A2背景更换为其他背景色时产生的ΔE值均<2.7(图2)。在同种材料同样厚度的情况下，只有Y2和Y3组将背景更换为深牙本质色、氟斑牙本质色、钛合金和钴铬合金背景色时产生的ΔE值差别无统计学意义(P>0.05)，而X3组在背景为深牙本质色、钛合金和钴铬合金背景时产生的ΔE值<1.2，但是A3组在背景色换为氟斑牙背景C3色时，ΔE值介于1.2～2.7。Z1、Z2和Z3组A2背景更换为A3和钛合金背景时产生的ΔE值<1.2，然而在背景色换为氟斑牙C3和钴铬合金背景色时，ΔE值则介于1.2～2.7。

ΔE：色差。图2 不同厚度的3种高透明度氧化锆在不同背景下的ΔE值Fig.2 ΔE values of highly translucent zirconias under different backgrounds

3 讨 论

目前临床应用的牙科氧化锆材料可以分为3代：第一代氧化锆材料为经典3Y-TZP，因其具有900～1 200 MPa的高强度而被应用于多单位全瓷修复体底冠的制作，但其透明度不佳[12]。氧化锆全瓷材料的透明度与氧化锆材料的粒径、晶粒和基质的折射率不匹配以及单斜晶、四方相、立方相的折射率不同有关，这些因素导致光线被散射，使其透明度降低[13]。为了改善经典3Y-TZP的透明度，第二代氧化锆材料降低了Al2O3添加剂的含量并减少材料的孔隙率，从而提高了透明度[14]；第三代则在第二代的基础上，进一步提高了氧化钇的含量，从而增加了烧结后氧化锆材料中立方晶相的比例，降低了光通过时双折射的发生，显著提高了材料的透明度[15]。然而，由于立方晶相无法进行应力诱导相变增韧，导致5Y-TZP的强度和韧性降低[16]。因此，5Y-TZP材料无法应用于多单位的固定桥修复。近年，有文献表明[5]，将3Y-TZP的晶粒尺寸降低到纳米级，可在提高透明度的同时保持强度和韧性，这种氧化锆材料被称为纳米氧化锆材料，其透明度的提高是通过光线在高密度纳米颗粒间的直线传输来实现的[4]。上述高透明度的氧化锆材料对深色背景的遮色能力是临床应用亟待解决的问题。因此本研究选用了具有代表性的3种高透明度氧化锆材料进行检测。TP代表一定均匀厚度下在黑白背景上的ΔE，常用于评价材料的透明度[17]。因此，本研究选用TP值来比较3种材料的透明度随厚度变化的情况。

随着厚度的增加，3种高透明度氧化锆的TP值均下降。当厚度达到1.6 mm时，超透氧化锆的TP值最高，纳米高透氧化锆次之，高透氧化锆最低。3种高透明度氧化锆材料的透明度均与厚度呈负相关，与文献[8-9]的研究结果一致。但本研究中，当材料厚度为0.8 mm时，高透氧化锆材料(质美高透)和纳米高透氧化锆材料(锆美高透)的TP值超过超透氧化锆材料的TP值。这种情况可能与不同氧化锆的粒径大小及成分有关。本研究使用的纳米级高透氧化锆材料的平均粒径为300 nm。研究表明，为了使整体氧化锆材料更加透明，必须消除来自大粒径材料的光散射。内部光散射可能来自多个方面，如孔隙、不同的晶相、不完全烧结、杂质、缺陷和晶界等[18]。虽然立方相含量的增加使得超透氧化锆材料(质美美学)晶体具有较高透明度，但也有研究表明，立方相晶体粒径较大会导致氧化锆材料光散射增加，从而导致透明度降低[19-20]，这归因于四方相晶体固有的双折射特性。不同晶态方向折射率的各向异性，使相邻的不同晶态的四方相晶体在晶界处发生反射和折射，导致入射光束发生偏转，从而降低透明度[21]。以往的研究表明，1 mm厚度的牙本质的TP值为16.4，而1 mm厚度的牙釉质的TP值为18.7[22]。本研究中的3种氧化锆材料在0.8 mm厚度时均接近牙本质或者牙釉质的透明度；而当厚度为1.2 mm时，3种高透明度的氧化锆材料的TP值均<15。提示在应用高透明度氧化锆材料进行美学修复时，如果基牙颜色正常，其修复体厚度应该控制在0.8 mm为宜。

根据推荐的标准[23]，当材料置放于两种背景下的ΔE值<1.2时，可视为该种材料具有极佳的遮色能力；ΔE值为1.2～2.7时，可视为该材料具有较好的色彩兼容性，说明该材料具有较好的遮色能力；ΔE值>2.7时，可视为该材料的遮色能力较差。

本研究中，各组试件将A2背景更换为其他背景色时产生的ΔE值均<2.7，表明3种高透明度氧化锆材料在0.8、1.2和1.6 mm厚度下均具有较好的遮色能力。在同种材料同样厚度的情况下，只有Y2组和Y3组将背景更换为深牙本质色、氟斑牙本质色、钛基台金属和钴铬金属背景色时产生的ΔE值差别无统计学意义，其值为1.2～2.7，说明其具有一定的遮色能力，但无法完全遮住背景色。因此可以认为，1.2 mm以上厚度的高透明度氧化锆材料应该在针对背景色进行染色后，应用于深牙本质色、氟斑牙、钛基台和金属桩核等情况。本研究中，X3组将背景更换为深牙本质色、钛合金和钴铬合金背景时产生的ΔE值<1.2，提示超透氧化锆(质美美学)虽然在厚度达到1.6 mm时具有极佳的遮色能力，但却无法完全遮住氟斑牙C3的背景色(ΔE为1.2～2.7)。Z1、Z2和Z3组A2背景更换为A3和钛合金背景的时产生的ΔE值<1.2，提示纳米高透氧化锆材料(锆美高透)对于A3色浅色牙本质以及钛基台的背景具有较好的遮色能力，但却无法完全遮住氟斑牙C3和金属桩核的背景色(ΔE为1.2～2.7)。本研究中，纳米高透氧化锆材料(锆美高透)在0.8 mm的厚度上有最小的ΔE值(ΔE值<1.2)，表明纳米高透氧化锆在应用于前牙种植修复时对金属基台的遮色能力较好，这可能与纳米高透氧化锆材料(锆美高透)的粒径小(300 nm)、材料较为致密、发生的散射多于透射有关。研究表明，对于密度高、纯度高的氧化锆材料，随着晶粒尺寸的减小和厚度的增加，为了达到类似于牙釉质的透明度，纳米晶体3Y-TZP结构是必要的，并且材料厚度与氧化锆材料的粒径呈负相关关系[4]。

研究表明，氧化锆材料的透明度虽然主要与厚度有关，但不能忽略高透明度氧化锆材料的本身以及粘接树脂水门汀颜色的影响[24-25]。本研究结果与之一致。高透明度氧化锆材料应用于氟斑牙时，可能需要通过辅助漂白治疗，以获得最佳的美学效果[26]。另外，也可通过增加修复体厚度(如>1.6 mm)来达到遮盖氟斑牙背景色的目的。对于种植修复使用的钛基台、前牙金属桩以及深牙本质色，超透氧化锆和高透氧化锆均能起到一定的遮色作用，但同时也需要后期对修复体进行染色来保证修复体的美学效果。

本研究具有一定的局限性，作为体外实验研究无法完全模拟患者口腔内的情况。另外，本研究仅研究了厚度对高透明度氧化锆材料的透明度和遮色性能的影响，并未考虑粘接树脂水门汀的可能影响[25]，有待进一步实验研究。

综上所述，当高透明度氧化锆材料应用于氟斑牙、深牙本质色、钛基台和金属桩核等深背景色情况进行美学修复时，修复体在1.2～1.6 mm范围内才具有较好的遮色能力，但同时也应辅助以漂白、外染色等处理，才能达到最佳美学效果。