成型及烧结工艺对牙科再生氧化锆陶瓷性能的影响

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目的:①制备牙科再生氧化锆粉体,明确提高粉体纯度的方法,探究再生氧化锆粉体成型的可行性及最佳工艺。②设置不同的预烧结参数对再生氧化锆粉坯进行预烧结,并通过与商用氧化锆预烧结体对比,明确再生氧化锆粉坯的最佳预烧结参数。③对再生氧化锆预烧结体进行终烧结,并与商用氧化锆终烧结体进行性能比较,明确再生氧化锆陶瓷应用于口腔医学的可行性。方法:①对商用氧化锆预烧结体(LavaTM Plus,3M,USA)进行粉碎并收集再生氧化锆粉体,经120目及300目筛网过筛,获得大颗粒(颗粒粒径≤125 μm)及小颗粒(颗粒粒径≤50 μm)再生氧化锆粉体。粉体根据纯化处理分为3组,包括对照组(无处理),热处理组(900℃下煅烧30 min)及酸处理组(0.5 mol/L硝酸溶液酸洗5 min)。利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察粉体的显微结构,X 射线能谱(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDX)检测再生氧化锆粉体的元素组成。纯化后的再生氧化锆粉体在50、60、70及80 MPa的模压压力下进行双向模压,并分别保压30、60、90 s,通过测量粉坯参数明确再生氧化锆粉体成型的最佳模压参数。将双向模压成型后的再生氧化锆粉坯放入冷等静压机并施加300 MPa的压力,保压10 min,测量粉坯三维尺寸,观察表面形貌。②将大颗粒再生氧化锆粉坯依据升温速率及预烧结温度分为9组,其中升温速率分别设定为2℃/min、5℃/min及8℃/min,预烧结温度分别设定为950℃、1000℃、1050℃。检测再生氧化锆预烧结体的相对密度(%)、显孔率(%)、可切削性能及表面粗糙度(μm)。通过与商用氧化锆预烧结体比较,选出3组性能较佳的大颗粒再生氧化锆预烧结体,观察其显微结构,并将其预烧结工艺参数应用于小颗粒再生氧化锆粉坯的预烧结过程。检测小颗粒再生氧化锆预烧结体的相对密度、显孔率、可切削性能、表面粗糙度,观察其显微结构,并与大颗粒再生氧化锆预烧结体、商用氧化锆预烧结体进行比较。③按厂家终烧结参数对实验二中的3组大颗粒再生氧化锆预烧结体、3组小颗粒再生氧化锆预烧结体及商用氧化锆预烧结体进行终烧结,比较这7组终烧结体的相对密度、显孔率、线性收缩率(%)、表面粗糙度及抗弯曲强度(MPa)。通过SEM测试,分析试样断口形貌的显微结构特征,通过X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)、EDX分析试样的物相组成及Y元素含量。结果:①SEM图像显示再生氧化锆粉体的形状不规则,粒径大小不一。EDX分析表明粉体包含O、Zr、Y和A1等预期元素,并检测到有机杂质C元素。经统计分析,热处理组粉体的C元素重量百分比相较对照组及酸处理组均显著降低(P均<0.05),而O、Zr、Y和Al元素重量百分比在3组之间均无统计学差异。在双向模压压力70 MPa、保压时间60 s的条件下可使再生氧化锆粉体成型。模压粉坯在冷等静压300 MPa下保压10 min可获得表面光滑、无裂纹、尺寸稳定的再生氧化锆粉坯。②在同一升温速率下,随着预烧结温度的升高,再生氧化锆预烧结体的相对密度升高,显孔率降低,可切削性增加。1050℃下烧结的再生氧化锆预烧结体的相对密度显著高于预烧结温度为950℃及1000℃的预烧结体(P均<0.05),其显孔率显著低于预烧结温度为950℃及1000℃的预烧结体(P均<0.05)。1050℃下烧结的再生氧化锆预烧结体的相对密度及显孔率与商用氧化锆预烧结体无统计学差异;在同一预烧结温度下,不同升温速率的再生氧化锆预烧结体之间的相对密度及显孔率无统计学差异。在同一预烧结工艺参数下,小颗粒再生氧化锆预烧结体的相对密度显著大于大颗粒再生氧化锆预烧结体(P均<0.05),且其显孔率显著小于大颗粒再生氧化锆预烧结体(P均<0.05)。各组预烧结体之间的表面粗糙度无统计学差异。③再生氧化锆终烧结体的相对密度、线性收缩率及抗弯曲强度显著低于商用氧化锆(P均<0.05),且其显孔率显著大于商用氧化锆终烧结体(P均<0.05)。小颗粒再生氧化锆终烧结体的抗弯曲强度显著高于大颗粒再生氧化锆(P均<0.05)。各组终烧结体之间的表面粗糙度无统计学差异。再生氧化锆终烧结体的物相结构均为四方相氧化锆(tetragonal zirconia,t-ZrO2),且Y元素含量与商用氧化锆无统计学差异。结论:①热处理可有效降低再生氧化锆粉体中的有机杂质。在双向模压压力70 MPa、保压时间60 s的条件下可获得完好的再生氧化锆粉坯。模压粉坯在冷等静压300 MPa下保压10 min可获得表面光滑、无裂纹、尺寸稳定的再生氧化锆粉坯。②1050℃下烧结的再生氧化锆预烧结体相对密度、显孔率以及切削性能接近商用氧化锆预烧结体;升温速率不同对再生氧化锆预烧结体的致密度以及切削性能影响甚微;在同一预烧结工艺参数下,小颗粒再生氧化锆预烧结体较大颗粒再生氧化锆预烧结体更容易致密化。③与商用氧化锆终烧结体相比,再生氧化锆终烧结体的致密度及抗弯曲强度较低。小颗粒再生氧化锆的抗弯曲强度优于大颗粒再生氧化锆,其中小颗粒再生氧化锆的抗弯曲强度是商用氧化锆的72%,而大颗粒再生氧化锆抗弯曲强度仅是商用氧化锆的45%。依据国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)的标准(ISO 6872:2015),大颗粒再生氧化锆、小颗粒再生氧化锆、商用氧化锆的抗弯曲强度分别满足三单位前牙修复体或后牙单冠、三单位后牙修复体、四单位及以上的前牙或后牙修复体强度要求。再生氧化锆终烧结体的物相结构与商用氧化锆一致,均为四方相。
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