材料选择、加工工艺和老化对硅酸锂陶瓷抗弯强度的影响

《Dental Materials》：Impact of material selection, processing protocol and aging on the flexural strength of lithium silicate ceramics

　　卡罗拉·伊尔林格（Carola Irlinger）、费利西亚塔斯·迈宁格（Felicitas Mayinger）、娜迪娅·罗尔（Nadja Rohr）、约翰·迈嫩（John Meinen）、丹尼尔·埃德尔霍夫（Daniel Edelhoff）、安德烈亚斯·库尔巴德（Andreas Kurbad）、博格娜·斯塔瓦尔奇克（Bogna Stawarczyk）
慕尼黑大学医院修复牙科学系
德国慕尼黑，歌德大街70号（Goethestra?e 70），邮编80336

**摘要**
**目的**
评估在临床相关加工条件下，热机械老化对不同锂硅酸盐基CAD/CAM陶瓷抗弯曲强度的影响。

**方法**
共制备了192个棒状试样（尺寸为15毫米×4毫米×1.5毫米），这些试样由三种CAD/CAM陶瓷制成：两种锂硅酸盐陶瓷（Amber Mill (AM) 和 IPS e.max CAD (EM)）以及一种锂/铝硅酸盐陶瓷（CEREC Tessera (CT)）。试样首先使用IPS e.max CAD Crystall./Glaze Spray或Universal Spray Glaze Fluo进行烤釉处理，随后根据材料特性分别采用常规结晶（cc）或快速结晶（sc）工艺进行加工，并针对不同光学特性的试样系列分别进行高透明性处理（ht）或中等不透明度处理（mo）。每组试样数量为32个，其中一半在未经老化的状态下进行测试，另一半在咀嚼模拟器中进行人工老化处理（120万次循环，载荷50牛顿，温度范围5°C至55°C）。抗弯曲强度通过三点弯曲试验测定。数据采用Kolmogorov-Smirnov检验、Kruskal-Wallis检验和Mann-Whitney U检验进行分析（α=0.05）。此外还计算了Kaplan-Meier生存分析结果以及使用对数秩检验，并确定了Weibull函数值。

**结果**
在相同材料的不同加工工艺组间比较时，仅发现人工老化的CEREC Tessera试样的抗弯曲强度存在差异（p<0.05）。人工老化显著降低了AMht、AMmo和CTcc试样的抗弯曲强度；而未经老化的试样组间未观察到差异。在经过热机械老化的试样中，EMcc和EMsc以及CTsc组的抗弯曲强度最高。

**意义**
在大多数情况下，所选加工工艺并未影响抗弯曲强度，这支持了在制造商推荐的情况下使用更快或替代结晶程序的临床可行性。人工老化显示抗弯曲强度会受到材料和加工工艺的影响，这突显了材料成分和加工条件对于确保长期临床耐久性的重要性。这些发现表明，材料之间的性能差异只有在模拟口腔老化条件下才会变得具有临床相关性。

**1. 引言**
玻璃基陶瓷，尤其是锂硅酸盐基陶瓷（LiSi），适用于多种临床应用，包括牙冠、嵌体、高嵌体、贴面，以及在某些情况下可用于短跨度固定牙科修复体（FDPs）[1]。这类陶瓷最初是为压铸技术开发的，但随着数字牙科技术的进步，现已扩展到椅旁CAD/CAM加工流程中。目前，LiSi基陶瓷有多种配方，适用于热压铸和减材制造工艺。最新开发的先进锂硅酸盐陶瓷（ALD）添加了矿物virgilite，提高了其机械性能和光学性能，并通过加快加工流程缩短了制作时间[2]。由于其高透明性和合适的折射率，LiSi陶瓷无需贴面，从而降低了双层陶瓷修复体失效的主要原因之一——碎裂的风险[3][4]。虽然LiSi修复体传统上是通过热压铸制造的，但近年来铣削技术越来越受欢迎，使其成为椅旁使用的理想材料。玻璃基陶瓷材料可以在完全结晶状态或预结晶状态进行铣削，从而减少铣削时间和机器磨损，但需要后续的结晶处理[5]。根据制造商的规格和所用材料的不同，结晶时间可能有所不同，某些材料允许采用更短的“快速烧制”工艺。此外，结晶后可能需要额外的循环来调整颜色，或者可以通过一步工艺同时完成结晶、烤釉和性能测试。例如，ALD虽然铣削时间稍长，但仅需4分30秒的结晶时间即可完成基体和烤釉过程，从而缩短了整体制作时间[6]。
LiSi玻璃陶瓷属于多晶材料，其中锂硅酸盐晶体的体积分数占50%至80%，分散在玻璃基体中[7]。热处理会改变其微观结构和成分，进而影响玻璃基体与结晶相的比例，从而影响其机械性能[8][9][10]。较高的结晶比例可以提高材料的断裂韧性、抗弯曲强度和弹性模量[7][9][11]。这种相关性可以通过玻璃基体与结晶相之间的热膨胀不匹配解释，这种不匹配会产生残余压缩应力，可能导致裂纹偏移[12]。然而，热处理也可能引起缺陷和微裂纹，从而影响材料的机械强度[13]。
除了加工参数外，口腔环境也会影响修复体的长期临床性能。本研究通过咀嚼模拟和同步热循环来模拟自然发生的应力[14]。在体内和人工条件下，机械载荷及湿润环境是影响材料性能的关键因素[15]。
抗弯曲强度是评估脆性材料（如陶瓷）结构性能的关键参数，因为陶瓷的拉伸强度远低于压缩强度[16]。尽管对LiSi陶瓷进行了大量研究，但关于不同加工工艺和人工老化对其机械性能的影响仍缺乏共识[17]。因此，本体外研究的目的是评估三种锂硅酸盐基CAD/CAM陶瓷在经过不同结晶和人工老化处理后的抗弯曲强度。原假设认为陶瓷类型、结晶工艺和人工老化都不会显著影响三点弯曲强度。

**2. 材料与方法**
从三种不同锂硅酸盐基陶瓷的CAD/CAM块材中切割出192个棒状试样（尺寸为15毫米×4毫米×1.5毫米，见图1和图2，表1），使用低速金刚石锯（Secotom-50；Struers，丹麦）和水冷系统（Diamond Cut-off Wheel M1D13；Struers，丹麦）以3300转/分钟的转速和0.03毫米/秒的进给速度进行切割。所有试样在水中使用P500目碳化硅砂纸（SiC Paper #500；Struers）进行抛光，并用超声波清洗器（L&R Transistor Ultrasonic T-14；L&R，美国新泽西）在蒸馏水中清洗3分钟。

**图1. 研究设计。**
**图2. 试样的制造、加工和测试流程。**
**表1. 试样材料、批号（LOT-#）、缩写（Abbr.）、亚组、制造商、成分、处理方法、所用烤箱类型及加工参数。**

| 材料 | 批号（LOT-#） | 缩写（Abbr.） | 亚组 | 制造商 | 成分（重量百分比） | 处理方法 | 烤箱 | 加工参数 |
|------|---------|--------|-------|------------|-------|--------|-----------|
| 锂硅酸盐 | Amber Mill | EBE06 | OH0902 | AM | 烤釉+高透明处理（AMht） | Hass Bio, Gangneung-si, 韩国 | SiO2：>65.0；Li2O：>10.0；其他氧化物和着色剂：<25.0 | IPS e.max CAD Crystall./Glaze Spray烤釉+高透明性处理 | Ivoclar Programat EP 50 | 保温时间：3分钟；升温速率：60°C/分钟；保温温度：815°C；保温时间：15分钟；总处理时间：25分钟 |
| | | AMmo | 烤釉+中等不透明度处理（AMmo） | Ivoclar Programat EP 50 | 保温时间：3分钟；升温速率：60°C/分钟；保温温度：860°C；保温时间：15分钟；总处理时间：25分钟 |
| 锂/铝硅酸盐 | CEREC Tessera | 16015174 | CT | 烤釉+常规结晶（CTcc） | Dentsply Sirona, Konstanz, 德国 | SiO2：55.0–70.0；Li2O：5.0–20.0；ZrO2：3.0–20.0 | 其他氧化物：0.0–30.0 | Dentsply Sirona Universal Spray Glaze Fluo烤釉+常规结晶 | Dekema Austromat 654 press-i-dent | 保温时间：1分钟；升温速率：55°C/分钟；保温温度：760°C；保温时间：2分钟；总处理时间：9分钟 |
| | | CT | 烤釉+快速结晶（CTsc） | Dentsply Sirona CEREC SpeedFire | 总处理时间：4分钟30秒 | 处理参数未由制造商指定 |
| 锂硅酸盐 | IPS e.max CAD | YB54FX | EM | 烤釉+常规结晶（EMcc） | Ivoclar Vivadent, Schaan, 列支敦士登 | SiO2：57.0–80.0；Li2O：11.0–19.0；K2O：0.0–13.0；P2O5：0.0–11.0；ZrO2：0.0–8.0；ZnO：0.0–8.0；Al2O3：0.0–5.0；MgO：0.0–5.0；着色氧化物：0.0–8.0 | IPS e.max CAD Crystall./Glaze Spray烤釉+常规结晶 | Ivoclar Programat EP 50 | 保温时间：6分钟；升温速率：1:90°C/分钟；保温温度：820°C；保温时间：1分钟；升温速率：2:30°C/分钟；保温时间：2:840°C；总处理时间：18分钟 |
| | | EM | 烤釉+快速结晶（EMsc） | Ivoclar Programat EP 50 | 保温时间：0分钟；升温速率：1:120°C/分钟；保温温度：1:850°C；保温时间：1分钟；升温速率：2:70°C/分钟；保温时间：2:870°C；总处理时间：8分钟 |

所有试样均按照制造商的建议进行烤釉和处理，以模拟临床实际条件，而非严格的因子实验设计：
- Amber Mill (AM)：使用IPS e.max CAD Crystall./Glaze Spray烤釉，并在Ceramic furnace （Austromat 654 press-i-dent；Dekema, Freilassing, 德国）中加工。根据制造商的透明度设置分为两组：
- AMht：高透明处理
- AMmo：中等不透明度处理
- CEREC Tessera (CT)：使用Universal Spray Glaze Fluo烤釉，并分别进行常规结晶（CTcc）或快速结晶（CTsc）：
- CTcc：常规结晶（Austromat 654 press-i-dent）
- CTsc：快速结晶（CEREC SpeedFire；Dentsply Sirona）
- IPS e.max CAD (EC)：使用IPS e.max CAD Crystall./Glaze Spray烤釉，并在Ivoclar Programat EP 50中结晶（EMcc：常规结晶；EMsc：快速结晶）。

试样尺寸使用数字微米尺（IP65；Mitutoyo，日本）测量，精度达到0.01毫米。

**2.1. 热机械老化**
每个亚组中有一半的试样（n=16）在咀嚼模拟器（CS-4，SD Mechatronik，Feldkirchen-Westerham，德国）中进行热机械老化处理。采用直径6毫米的滑石球嵌入树脂后安装在金属试样夹具中作为对抗载荷。对抗载荷位于试样表面中心，施加循环载荷50牛顿，相当于生理咀嚼力，频率为1.6赫兹，共120万次循环。同时进行6000次5°C至55°C的热循环。试样安装在两端宽度为4毫米、深度为2毫米的夹具中。需要注意的是，这种加载方式更贴近临床实际接触载荷情况，而非标准化的弯曲测试环境。因此，热机械老化和抗弯曲强度测试的结果应分别解读。每隔60,000次循环检查试样是否破裂；未发生完全断裂的试样随后进行三点弯曲测试。老化后的试样仅剔除外观缺陷或微小损伤。

**2.2. 抗弯曲强度测试**
所有试样均按照ISO 6872–2024标准[20]，使用万能试验机（ZwickRoell Z010；ZwickRoell，乌尔姆，德国）进行三点弯曲测试。在循环载荷下发生断裂的试样不纳入抗弯曲强度分析。
将试样放置在相距12毫米的两个支撑辊上，以0.5毫米/分钟的 crosshead速度施加负载直至断裂。抗弯曲强度σ（MPa）的计算公式为：
σ = (3P * l^2) / (w * b)

**2.3. 统计分析**
数据使用IBM Statistics SPSS 29.0（IBM，美国阿蒙克）进行描述性统计分析。数据的正态性通过Kolmogorov-Smirnov检验评估。非参数Kruskal-Wallis检验和Mann-Whitney U检验用于分析不同组间的抗弯曲强度差异。Kaplan-Meier生存分析和对数秩检验用于比较各组间的存活概率（censored data表示经过老化的试样）。采用95%置信水平下的最大似然估计法确定Weibull函数值[21]，并计算了特征强度（σ?），即失效概率为63.2%时的应力值。

**3. 结果**
共有3组试样的数据分布不符合正态分布，因此使用了非参数检验方法。

**3.1. 老化前材料与加工工艺对抗弯曲强度的影响**
未经老化的试样组和不同加工工艺组之间的抗弯曲强度无明显差异。

**3.2. 老化后材料与加工工艺对抗弯曲强度的影响**
热机械老化过程中，AMht组（15/16个试样）和AMmo组（14/16个试样）的多数试样发生断裂，CTcc组（8/16个试样）的断裂较少。老化组的抗弯强度值仅代表那些经受住了热机械老化处理，并在三点弯曲测试中表现出色的样本。对于人工老化的样本，EMsc、CTsc和EMcc的抗弯强度均高于CTcc、AMmo和AMht（p < 0.001–0.019）（表2）。人工老化的CTcc的抗弯强度也高于AMmo和AMht（p = 0.01–0.028）。表2显示了不同组别抗弯强度（MPa）的描述性统计数据。

3.3. 老化对每种材料及加工条件下抗弯强度的影响
人工老化导致以下组别的抗弯强度降低：CTcc和AM（AMht和AMmo）（p < 0.001）。其余材料-加工组合未观察到老化的影响。

3.4. Kaplan-Meier生存分析
Kaplan-Meier分析用于评估人工老化过程中直至失效的循环次数。表3记录了在模拟过程中失效的组别的平均咀嚼循环次数。人工老化的AMht样本在热机械老化过程中的断裂率最高（93.75%，95%置信区间：69.77–99.84）。与CTcc（平均循环次数：916,897）相比，AMht（平均循环次数：392,497）和AMmo（平均循环次数：530,756）在热机械老化过程中提前发生断裂。所有断裂的样本都呈现出均匀的、位于中心的断裂模式，对称地分成两半。六个组中有三个组在老化过程中没有发生断裂。对组间生存分布的差异进行了对数秩检验（χ2(5) = 95.72，p < 0.001）。表3显示了在热机械老化过程中发生断裂的三个组别的平均咀嚼循环次数及其95%置信区间。

3.5. Weibull模量和特征强度
Weibull模量（m）反映了强度的变异性和材料的可靠性，结果显示不同组别之间的材料可靠性存在差异（表4）。经过热机械老化处理的EMcc（m: 9.3(5.5;15.5)）显示出最高的Weibull模量，优于其他所有人工老化组。老化的CTsc（m: 5.0 (3.0; 8.3)）紧随其后，超过了AMht（m: 0.2(0.1; 0.3)）、AMmo（m: 0.2(0.1; 0.3)）和CTcc（m: 0.1(0.1; 0.2)）。在热机械老化前，各组之间的Weibull模量没有显著差异。

4. 讨论
本研究的目的是探讨不同的加工条件和人工老化对三种CAD/CAM基LiSi陶瓷抗弯强度的影响，并在同一老化水平下比较不同材料和加工工艺。原假设（即材料选择、加工方式或人工老化都不会影响抗弯强度）被推翻。

4.1. 加工条件的影响
在六种材料-老化组合中的五种中，加工工艺（快速结晶与传统结晶或高温烧结与低温烧结）对抗弯强度没有影响。然而，人工老化后的CTsc表现出比CTcc更高的抗弯强度。无论老化状态如何，AM和EM样本在不同加工工艺下的抗弯强度没有差异。这表明加工工艺对机械性能的影响取决于材料本身。加工工艺是根据制造商的具体建议进行的，因此不能视为独立的实验变量。本研究反映的是临床相关的实际加工流程。从临床角度来看，关键问题是是否使用临床可用的快速结晶方法——无论其具体实施方式如何——会影响机械性能。因此，本研究评估的是材料-加工组合的联合效应，而非单一因素的效果。

4.2. 热机械老化的影响
研究表明，人工老化会导致某些组别的抗弯强度显著下降。

4.3. Weibull模量和特征强度
Weibull模量（m）反映了材料可靠性，结果显示不同组别之间存在差异。经过热机械老化处理的EMcc具有最高的Weibull模量。老化的CTsc（m: 5.0 (3.0; 8.3)）具有第二高的Weibull模量。在热机械老化前，各组之间的Weibull模量没有显著差异。特征强度（σ?）是基于经过三点弯曲测试的样本计算得出的。在热机械老化过程中发生断裂的样本未进行抗弯强度测试，因此被排除在Weibull分析之外。

4.4. 生存率和可靠性
Kaplan-Meier生存分析表明，AM组和CTcc组的失效率最高，且失效发生的循环次数最少。从临床角度来看，这意味着AM组和CTcc组更有可能出现早期疲劳相关失效。调整样品形状、使用粘合剂进行固化，并在热机械老化过程中减小载荷力，可以更好地模拟临床实际情况和粘合剂的增强效果，这可能会产生不同的老化行为。此外，体外老化实验并未考虑到所有的口腔降解过程，例如pH值的变化或酶的作用。最后，仅评估了抗 bending 强度。进一步的研究应该评估其他性能，如抗边缘剥落性、断裂韧性、断裂载荷以及在各种加工和老化条件下的粘接行为。

5. 结论

本研究强调了材料选择、加工过程以及不同 CAD/CAM 可加工锂硅酸盐陶瓷的老化对其抗 bending 强度的影响。在本次研究的局限性范围内，可以得出以下结论：
1. 在所有最初测试的样品中，EM 组和 CTcc 组的抗 bending 强度值最为理想，显著优于 AM 组。
2. 人工老化过程对材料的依赖性很高，EM 组和 CTsc 组在经历热机械载荷后抗 bending 强度没有下降。
3. 加工工艺仅对 1/6 组的抗 bending 强度产生了影响，所有测试样品的抗 bending 强度均处于临床可接受的范围内，这表明采用快速结晶工艺来缩短所有测试材料的加工时间是可行的。
4. 疲劳抵抗性测试显示不同材料之间存在显著差异。AM 组的失效周期明显少于其他所有组，而 CTcc 组的抗疲劳能力也低于 CTsc 组和 EM 组。