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牙科陶瓷材料基礎介紹(三)— CAD/CAM 瓷塊強度比較
Dental Ceramics in CAD/CAM - Strength

陶瓷為 CAD/CAM 最常使用的塊材,廠商提供的強度數據常常讓醫師一頭霧水,不知從何比較起。本文討論陶瓷材料重要的兩個機械性質並整理文獻測試資料,提供臨床贗復物選擇參考。


前言

從系列文章(一)及(二)我們提到陶瓷的微結構與分類,瞭解到微結構排列及組成不同對陶瓷的機械性質的影響很大,接下來我們進一步介紹材料的機械性質。

在牙科陶瓷裡面常用來評估材料物理性質的的測試有相當多,其中彎曲強度 (flexural strength) 及抗斷裂韌性 (fracture toughness) 是其中相當重要的性質。

系列前篇請參考:牙科陶瓷材料基礎介紹(一)— 陶瓷微結構牙科陶瓷材料基礎介紹(二)— 陶瓷分類
相關文章:IDS 2017 CAD/CAM 新材料總覽 – 瓷塊篇 


彎曲強度 (flexural strength)

在陶瓷的強度測試中最基本的就是彎曲測試,將樣本兩端置於兩個支撐架上,中間施以單點或兩點的力量,記錄其在漸漸增加的應力下 (stress, MPa) 的形變量 (deflection, %)。此試片可以承受的最大應力,即為稱為彎曲強度 (flexural strength)(圖一中的 σ)。

此試片受力情形與牙橋橋體在口內受力的狀況相似(圖二),在接受力量端是受到壓力 (compression),另一側則是受到張力 (tension)。此數值除了受材料本身強度的影響外,也會受到材料內外部的缺陷 (defect) 影響。在此測試同時還可以知道材料在承受應力時容不容易形變(形變量跟應力作圖的斜率),即彎曲模數 (flexural modulus)。

彎曲測試的方法最常用的是三點彎曲測試及四點彎曲測試,測試的試片很好製備,但其缺點是有試片邊角破裂 (edge failure) 的問題,所以有雙軸彎曲測試 (biaxial flexural test)(使用三個小圓球支撐圓形的試片,再由中心施力,見圖三),學者認為這種方式比較能測到材料真正的強度表現。研究顯示三點彎曲測試與雙軸彎曲測試其測到的彎曲強度比四點彎曲強度測試高1

圖一、彎曲強度示意圖。Source: Wikipedia-flexural strength.

圖二、橋體受力情形。靠近受力方向的咬合面,材料承受的是壓力,而另一側則是張力。Source:Anusavice, K. J., Shen, C., & Rawls, H. R. (2013). Phillips’ science of dental materials. Elsevier Health Sciences.

圖三、雙軸彎曲測試 (biaxial flexural test) 示意圖。Source: Oh, G. J.et al. (2010). Sintering behavior and mechanical properties of zirconia compacts fabricated by uniaxial press forming. The journal of advanced prosthodontics2(3), 81-87.

表一整理近五年 CAD/CAM 常見塊材之彎曲強度的數據(搜尋條件:Pubmed 搜尋關鍵字「CAD/CAM flexural strength」在 2013 – 2017 七月範圍中得到 39 篇,收錄下列幾種常見的 CAD/CAM 用塊材之三點彎曲測試結果,共計 16 篇,未收錄的文章中有 2 篇是因為無法取得全文)。可以看到大致強度比較由小到大為:長石 (Mark II)、白榴石 (Empress CAD)、樹脂陶瓷 (Enamic, Pradigm MZ100, Cerasmart, Lava Ultimate)、二矽酸鋰 (e.max CAD) 及氧化鋯強化矽酸鋰 (Celtra Duo, Suprinit) 、多晶陶瓷 (YZ T/HT, inCoris TZI)。此強度表現呼應其內部陶瓷的結構與晶型,玻璃陶瓷結晶排列較散亂且不規則強度最弱,而添加了結晶顆粒的玻璃陶瓷強度表現增加,多晶陶瓷結晶排列最較緊密且規則,強度最高。

表一、CAD/CAM 常見塊材之彎曲強度文獻整理。三點彎曲測試結果(括弧內為標準差),單位為 MPa。


抗斷裂韌性 (fracture toughness)

陶瓷為脆性材料,其內部及表面的裂痕 (crack) 及缺陷 (defect) 對材料的耐久度影響甚大,也因此了解材料在有裂痕時的表現非常重要。抗斷裂韌性 (fracture toughness) 指的是當測量材料表面有裂痕,此材料在受力時抵抗裂痕延伸的能力,其測試的方法有很多種,包含單邊 V 刻紋 (Single Edge “V” notch Beam, SEVNB) 、單邊預裂試片 (Single Edge Precracked Beam, SEPB) 、單邊凹槽試片 (single edge notch beam, SENB)、Chevron 刻紋試片 (Chevron Notch Beam) 及表面裂紋之彎曲測試 (Surface Crack in Flexure) 等的方法。常以 K1c 來表示抗斷裂韌性,單位為 MPa•m1/2

表二整理 CAD/CAM 常見塊材之抗斷裂韌性的數據,可以看到大致強度比較由小到大的趨勢與抗彎曲強度測試類似。(搜尋條件:Pubmed 搜尋關鍵字「CAD/CAM fracture toughness」在 2013 – 2017 七月範圍中得到 18 篇,收錄下列常見的 CAD/CAM 用塊材之抗斷裂韌性測試結果,共計 5 篇,未收錄的文章中有 1 篇是因為無法取得全文。)

表二、CAD/CAM 常見塊材之抗斷裂韌性文獻整理。抗斷裂韌性測試結果(括弧內為標準差),單位:MPa•m1/2)。SEVNB = Single Edge “V”notch Beam; SENB = single edge notch beam; IS = indentation strength technique。


結語

藉由強度我們可以簡單地歸納出不同材料適應症範圍(圖三),強度較弱的長石及白瑠石材料廠商大多建議只使用在前牙區及嵌體贗復物,而後牙區及牙橋則考慮選用強度較強的材料,如二矽酸鋰、二氧化鋯強化矽酸鋰、氧化鋯等材料。其他還需要考量不同瓷塊的切割邊緣破損 (chipping) 情形、美觀考量(如色澤、透光性、染色效果及可拋光性)及生物考量(所需最小厚度及對齒質磨耗程度),當我們對陶瓷的性質掌握程度越高,越能針對患者的狀況及需求選出合適的材料,達到良好耐久的贋復品質。

圖三、 陶瓷料塊的強度以及基本適應症。 Source:Tooth faerie club,整理自 Phillips’ science of dental materials. 12nd ed. 以及各廠牌說明書。


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