瓷修复体粘结托槽前表面处理方法的临床应用及研究回顾
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目前很多的成人患者在进行正畸治疗,相对于青少年患者他们口内牙齿状况复杂,因此正畸医生要面对不同材料的修复体诸如汞合金、黄金、复合树脂和陶瓷等,其中各种材料的陶瓷修复体因其具有良好的生物相容性、电绝缘性、耐酸碱腐蚀性和接近于人牙釉质的热传导系数,因此用其制作全冠、桥、贴面及桩核等全瓷修复体不仅可以逼真地模拟真牙的层次感和乳光效应,而且可在复杂的口腔化学和生物环境中稳定地保持良好的修复状态。但是正畸临床医生面对的最主要的问题就是如何在陶瓷表面上粘结托槽时能够提供稳固的粘结强度,同时在托槽去除后瓷修复体能否继续使用。因此,有很多学者提出通过对不同陶瓷表面采取不同的处理诸如表面粗化(酸蚀、喷砂、机械打磨、激光蚀刻)、硅烷偶联剂及硅涂层处理等技术来达到适宜的托槽与陶瓷的粘结强度。本文就不同的表面处理方法对托槽与托槽的粘结强度的影响作一综述。
1陶瓷的表面粗化处理
正畸托槽粘结中相对薄弱的环节是陶瓷与树脂之间的粘结。提高陶瓷、树脂的粘结强度是确保正畸治疗成功必须解决的问题。陶瓷的粘结主要依靠与树脂间的物理机械嵌合作用和化学粘结作用。表面粗化处理是依靠机械的或化学作用在光滑的瓷表面形成显微固位结构,扩大粘结作用面积、活化表面,提高表面自由能[1],陶瓷表面微孔结构以及与渗入的树脂粘结剂相互合成形成机械锁结等,从而增强了瓷与树脂的粘结。有研究认为有效正畸粘结强度应为6～8MPa[2]。陶瓷的粘结主要依靠与树脂间的物理机械嵌合作用和化学粘结作用。表面处理技术是依靠机械的或化学作用在光滑的瓷表面形成显微固位结构,扩大粘结作用面积、活化表面,提高表面自由能[3],陶瓷表面微孔结构以及与渗入的树脂粘结剂相互合成形成机械锁结等,从而增强了瓷与树脂的粘结。目前已有的表面处理技术方法包括机械法和化学法两种手段:前者包括了酸蚀(Etching)、喷砂(Sandblasting)、机械打磨(Roughening with bur)、激光辐照(Laser irradiation),后者包括了硅烷偶联剂(Silane coupling agent)的处理和化学摩擦法处理技术(Ttibochemical silica coating process)等。
1.1机械物理法
1.1.1酸蚀:是目前处理硅酸盐基陶瓷最常用的粗化法之一,主要原理是使陶瓷表面产生多微孔的结构,这样可以直接提高陶瓷与树脂粘结剂的机械固位,另外,酸蚀还可以减少微渗漏,也可以增加微孔的尺寸,这样使得陶瓷表面微裂间隙的底部变的圆钝,这样可以减少应力的集中。目前常用的陶瓷酸蚀剂有氢氟酸(HF)、磷酸(H3PO4)、二氟化铵(ammonium bifluoride)、酸化的磷酸盐氟化物(acidulated phosphate fluoride,APF)等。有学者对上述不同的酸蚀剂处理效果的比较研究,发现HF酸蚀陶瓷表面后和树脂的粘结强度最高最稳定,它能够选择性地去除陶瓷中的玻璃基质并暴露出晶体结构,从而获得良好的表面质地和粗化效果[4]。由于长石质的陶瓷结构式有交错的四面晶体和无定形的玻璃基质组成,其中含有未溶解白榴石晶体、长石、氧化铝和石英等,而不同产品的晶体数量、直径和分布均影响酸蚀后微孔结构的形成。因此对于富含长石质的硅酸盐的陶瓷类产品,低浓度的HF先酸蚀了白榴石晶体,之后是硅石、长石、玻璃基质,最后是氧化铝晶体。而在氧化铝或氧化锆的陶瓷产品中,因为仅包含少量的白榴石晶体,这可能会降低氢氟酸酸蚀的效果,也就限制了HF酸蚀时形成的固位力的微孔。目前用于瓷面酸蚀常用的酸浓度为9.6%HF酸溶液,应用时间在2～3cm,但是在这一范围内,提高了HF的浓度和延长酸蚀时间则可以形成更大更深的微孔形态,粘结强度会相应增加[5]。过度的酸蚀同样会损害有效的粘结,原因可能是造成陶瓷成分过多的丧失或在表面形成松散的薄弱结构。由于氧化铝瓷和氧化锆瓷中玻璃基质含量很少,所以酸蚀对氧化铝瓷的侵蚀效果不如对硅酸盐瓷明显,而对氧化锆瓷的粘结几乎没有促进作用[6],这是由于在增加氧化铝含量的同时也增加了陶瓷的强度和耐磨度,因此降低了HF酸蚀的效果。临床应用中需要注意的是HF为一种有强烈腐蚀性和毒性的强酸,同时又具有挥发性,这使得其在口内应用时对患者存在潜在的灼伤危险,在实际操作中必须小心谨慎,隔离操作区域,避免和口腔内的软、硬组织接触。市场上的HF有溶液剂型和凝胶剂型,对于临床操作来讲,凝胶剂型流动性小,便于限定和控制作用范围,使操作更加方便安全。
1.1.2喷砂(颗粒气体磨蚀):是使用氧化铝或玻璃珠在一定的喷射压力下冲击作用到陶瓷表面,形成凹凸不平的表面,增加了粘结表面积,从而增加陶瓷和树脂的粘结强度。玻璃珠喷砂一般用于金属铸造体,由于其硬度较氧化铝低,故不易使陶瓷表面粗糙。氧化铝喷砂可以有效粗化陶瓷表面,其颗粒的直径通常选择为50μm或110μm,空气压力0.4 MPa左右。Chung等[7]认为经过粒度为50μm的氧化铝处理20s后,瓷和树脂的剪切粘结强度由2.4MPa增至14.9MPa。尽管有学者[8]认为经过喷砂的陶瓷表面能够增加与树脂的粘结强度,但是也有学者[9-10]认为单纯的喷砂处理得不到令人满意的粘结强度。目前大多数的学者认为结合酸蚀处理能够得到良好的粘结效果,同时可以缩短HF的酸蚀时间并增加了蚀刻后的效果[11-14]。有研究显示,喷砂时的压强过大、时间过长和距离也不宜过近,相对于50μm的氧化铝颗粒,250μm的氧化铝颗粒将导致陶瓷表面碎片的形成和大量陶瓷成分的丢失,对修复体的粘结边缘封闭性和适合性都是有害的,因此,对硅酸盐类陶瓷在粘结前处理不推荐使用喷砂[15-16]。由于口腔临床应用的陶瓷贴全瓷等修复体大多是在高温耐火材料上堆砌瓷粉烧结而成,在完成烧结后需要去除高温耐火材料,此时的喷砂处理则是非常必要的。
1.1.3机械打磨:是指利用手工打磨或机械打磨的方式对光滑的陶瓷表面进行粗化。由于处理效率低下,打磨的深浅程度不易掌握,形成的微观形态并不理想,同时它加大了导致陶瓷内部微裂的形成和陶瓷裂纹扩展的危险,因此临床上不推荐使用[17-18] 。
1.1.4 激光蚀刻处理:常见的激光类型分为Nd:YAG、CO2和Er:YAG。在正畸中,Nd:YAG、CO2和Er:YAG激光用来预处理牙釉质表面进行正畸粘结[19]。使用CO2激光在处理过程中可以使瓷面产生热效应,形成典型的贝壳状破损。其原理是利用激光的瞬间高温或压强作用破坏局部陶瓷晶体及玻璃基质,从而使陶瓷表面局部溶解和气化,在起到清洁和干燥作用的同时获得表面均匀一致的点状倒凹结构,使得表面粗糙度增大,表面积增加,粘结强度也随之增大,可以提供瓷与树脂的机械固位[20]。有学者[21]研究指出,当使用适当的能量激光照射陶瓷表面后,在电镜观察下发现陶瓷表面形成了大小不等的浅凹坑,具有较好的粗化表面效果,有与HF作用性比相似的粘结强度,可以考虑代替HF蚀刻陶瓷表面进行树脂粘结。也有的体外研究表明,合适的激光能量照射陶瓷表面后,瓷面与复合树脂之间的抗剪切粘结强度有较大提高[22],有学者研究2W的CO2激光用超级脉冲模式对正畸托槽粘结是有效的,粘结强度比正磷酸、喷砂都要高,为达到更高的粘结强度,硅烷可与2W激光同时使用[23]。
2化学法
2.1硅烷偶联剂的应用:硅烷偶联剂提高瓷修复体与托槽间粘结强度的机制主要是媒介化学键的形成,它可在陶瓷表面形成化学共价键和氢键的结合,这也是树脂和硅酸盐陶瓷粘结牢固的主要因素[24-25]。硅烷是一种双键分子,它在与树脂的聚合过程中,与树脂基质中的甲基丙烯酸酯基团产生聚合反应,同时陶瓷表面的硅羟基基团Si-OH与硅烷偶联剂水解形成的Si-OH之间产生缩合反应,形成Si-O-Si键和副产物水[26]。使用硅烷偶联剂还可减少边缘微漏,减小粘结剂解于唾液中的可能性,从而使陶瓷的远期粘结效果也得到了提高 [27]。有人认为偶联剂还可以通过润湿陶瓷表面,促使树脂更深更完全地穿透陶瓷表面微孔辅助提高粘结强度,即使偶联润湿性能显著提高,树脂粘结剂能够渗入微小的凹凸结构中,其固化后在瓷与树脂之间形成机械嵌合。有学者指出如果单纯使用化学方法处理陶瓷表面不能获得足够的粘结强度,或者从长期试验观察看其稳定效果也差强人意,因此在陶瓷表面进行机械处理方式是必要和必须的[28-30]。当然也有学者研究指出,如果单纯使用硅烷偶联剂对氧化铝瓷并没有化学粘结作用,而且对喷砂后的氧化铝表面只有润湿效果,因此只有对氧化铝陶瓷表面进行喷涂烧结硅涂层可以与硅烷偶联剂和树脂发生化学结合[31],但是上述操作过程和制备工艺复杂,所需设备昂贵等特点限制了其在临床上的广泛应用。即使偶联剂与瓷表面没有发生化学反应,这种润湿促进效果依然存在。在扫描电镜下观察高度磨光的瓷表面仍然存在凹凸不平,但瓷表面润湿性已经大幅度降低,由于表面张力的存在,粘结树脂难以渗入其中。经偶联剂处理之后,陶瓷表面的润湿性大大增加,使得与树脂的粘结强度也相应增加[32]。
由于硅烷偶联剂在酸性催化条件下可以明显改善陶瓷和树脂的粘结性能,因此在硅烷偶联剂中通常还含有少量酸性成分,有助于激活和加速硅氧键形成,一方面可防止水解产物的失效,同时含有的酸性单体又可与瓷成分中的Al2O3等发生结合。临床上常用的酸性单体包括:MDP,4-META及MAC-10等。而在近年来推出的一些新型的双组分的陶瓷偶联剂,一个组分是单纯硅烷偶联剂溶液,另一组分含有较强酸性的有机酸,双组分的偶联剂混和后能在短时间内催化γ-MPS分子一端的甲氧基水解形成硅醇基团(Si-OH),涂于瓷表面与SiO2表面的羟基缩合,在瓷与树脂之间建立良好的偶联,其化学粘结强度通常可达到25MPa以上[33]。虽然有研究报道硅烷偶联剂可大大增加粘结强度,但是在大多数研究中,硅烷偶联剂不单独使用,而被作为一种粘结增强剂用来增加瓷表面粘结强度[34-36]。目前市场上的Rocatec(3M ESPE)为氧化铝陶瓷表面提高的化学硅涂层和硅烷偶联剂所获得的粘结强度要优于其他的表面处理。
2.2摩擦化学硅涂层技术(silica coating):目前牙科全瓷体系按主要成分不同可分为硅酸盐基陶瓷、氧化铝基陶瓷和氧化锆基陶瓷类。由于氧化铝基陶瓷表面缺乏Si-OH基团无法与硅烷偶联剂形成化学键,因此需要进行表面改性以增加氧化硅的含量[37]。基本操作过程:使用30μm粒度硅酸改性的氧化铝颗粒喷砂表面,当外部包有二氧化硅的氧化铝颗粒挟着巨大的能量撞击到需要被硅化的物体表面时,在局部表面产生高温,从而导致晶态的硅酸在物体表面发生烧结。而硅化后的表面此时再进行硅烷化处理就使得陶瓷表面与树脂更易产生化学结合。所以改性的目的是为了增加陶瓷表面的Si-OH基团含量,从而使硅烷偶联剂的功效得以发挥,其实质是机械-化学结合共同作用的结果。从20世纪90年代开始,热解法(pyrolytically)和化学摩擦法(tribochemically)被应用于牙科氧化铝陶瓷的硅涂层处理,但这两种传统工艺均存在技术要求复杂和设备耗材昂贵等缺点因而难以得到普及应用,这就要求必须寻找一条简便有效的方法将其代替[38-39]。随着技术的进步,出现了溶胶凝胶法(sol-gel),它是一种快速发展的表面工程技术,经实验证明当采取sol-gel法在氧化铝基陶瓷表面形成了纳米硅涂层后,可以显著提高In-Ceram氧化铝基陶瓷的粘结强度[40-41]。目前市场上主要商品体系有Silicoater MD系统(Heraeus,德国),Rocatec系统(3M ESPE,美国)和PyrosilPen技术(Sura Instruments,德国)。
4小结
由于陶瓷材料的组成成分不同,因此其表面处理的选择也是不同的。对于正畸医生面对不同陶瓷材料制作的修复体粘结托槽时,一般情况下,由硅酸盐基陶瓷材料制成的金属烤瓷冠(桥),可采用酸蚀、喷砂或打磨来进行托槽粘接,而对由氧化铝基陶瓷和氧化锆基陶瓷材料制成的全瓷冠(桥)进行托槽粘结时,建议使用喷砂/打磨+硅涂层/偶联剂+树脂粘结剂的表面处理方法进行托槽的粘结。临床上无论使用何种表面处理方法,都会不可避免地对陶瓷表面产生微裂甚至修复体的破坏,因此,在保证获得足够托槽粘结强度的同时,选择对陶瓷表面破坏最小的处理方法以利于拆除矫治器后能对瓷修复体表面进行研磨抛光等。今后的粘结方法发展趋势是操作简便、对陶瓷表面破坏程度小、粘结效果可靠的用化学粘结来取代物理机械结合的处理方法。
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[收稿日期]2010-02-26 [修回日期]2010-04-06