全瓷材料的疲劳损伤及咬合病课稿

全瓷材料的疲劳损伤及咬合病北京大学口腔医院门诊部杜阳大家好！全瓷冠桥的咬合调整第二节的内容，为大家介绍一下全瓷材料的疲劳损伤以及咬合病的问题。

全瓷材料具有两种特性，在使用中为口腔医生带来不少的麻烦和顾虑，其一就是所谓的脆性，也就是在没有明显变形情况下修复体突然断裂的情况。

其二就是低抗张强度，也就是材料抗压不抗弯的特性，这种性质使得材料受力时容易从弯曲外侧断裂，因此很多材料研究专家把研究集中在提高陶瓷强度和韧性方面，经过长期的积累和材料学的发展，现在有不少高强度的材料，但就机械强度而言，已经能够满足临床的需要。

但是人们发现在口腔环境中反复进行咀嚼的状态下，全瓷修复体常常具有一定的失败率，发现肉眼可见的裂纹，甚至出现断裂。

全瓷材料这种随着时间增长而出现的断裂行为，是口腔修复体和修复材料的一种疲劳行为。

并且这种疲劳往往是在修复体受到正常咬合力的情况下发生的。

当前应用的全瓷材料主要分为如图所示的几大种类，红色边框范围内的材料可以获得的美观性较强，绿色边框范围内的材料美观性稍差，但是由于强度较高，一般作为基底瓷材料。

迪康的铸造陶瓷强度可以达到112 — 228兆帕，IPS可以达到182 — 260兆帕, infiltrated alumina 有236 — 600兆帕，而spinel,or alumina 更是可以达到487 — 699兆帕，氧化锆陶瓷更是可以达到900 — 1200兆帕的强度。

绿色背景的金属烤瓷系统中的瓷材料不在我们今天的讨论范围内。

2008年发表在JADA的一篇研究中，将当前的全瓷材料进行了分类描述，从生存率研究可以看出全瓷材料修复体的3年生存率均超过了95%。

但是随着时间的延长，不论是嵌体、单冠还是全瓷固定桥，其生存率都有所下降。

这就是解释了所谓的疲劳现象，也就是全瓷材料随着使用时间增长而出现的断裂行为，通常情况下强度和韧性决定了一种材料能承受口腔内多大的咀嚼应力，而疲劳则决定了使用该材料制作成的修复体能够使用的时间。

对全瓷材料的结构和疲劳的研究和认识具有重要的临床意义。

在这里首先回顾几个材料力学中常用的概念，应力是指物体抵抗外力单位面积所用的内力，分为外加载和产生的外应力和内部结构其他变化产生的内应力，应变是指物体受力时单位长度的变化或形变。

某种材料的弹性相关概念包括弹性极限、正比例极限和弹性模量。

弹性极限是指对一段材料施加拉应力，产生了应变，当负荷去除后，材料可能恢复至原长。

而当应力增加到某一值时，在卸载后不能恢复至原长，此时称为该材料的应力超出了其弹性极限，也就是超过了去除外力后，其尺寸能完全恢复时材料所承受的最大应力。

应力应变曲线描述了不同应力下材料发生的应变。

对于弹性材料来说，在原点到一个中间点P，曲线为直线，之后变为曲线。

这个P点成为比例极限，此时的应力应变比值为弹性模量，弹性模量又称杨氏模量，用单位面积上受到的力表示。

在选择修复材料时，所选择材料的极限应力往往大于使用应力若干倍，即便在这样的条件下实际工作也并不安全，往往发生所谓的低应力脆性破坏，也就是在应力远低于材料强度指标，而且没有明显塑性变形的情况下发生破坏。

这就为我们提出了一个新的问题，我们以极限应力为依据的传统计算方式来进行材料设计，不能充分反应客观实际情况。

经过分析研究，人们发现对材料内部结构均匀连续的假设只是一种理想的假定，实际上材料内部总是存在一些微裂纹等缺陷，而这种脆性的破坏就是由微裂纹扩展引起的，这样就产生了一个应力强度因子K，K是描述裂纹顶端附近应力应变的一个参数。

它与应力σ和裂纹尺寸a之间也如下关系，K=Y·σ·√a 。

其中Y是应力强度因子，单位是MPa·√m ，σ是应力，单位是MPa，Y是常数。

与加载方式式样和裂纹的几何形状有关。

A是裂纹尺寸，单位是平方米，牙体以及充填体或修复体的组织结构的不均匀性所形成的缺陷是不可避免的。

那么材料抵抗裂纹扩展的能力又称为断裂韧度，是衡量材料抵抗裂纹扩展能力的指标。

对于材料内部的微观裂纹当其扩展为宏观裂纹的前期称为稳态扩展，当裂纹长大到临界尺寸时继续扩展将导致式样的断裂，这种扩展称为失稳扩展。

临界尺寸时的应力强度引资Kc就是断裂韧性，Kc高的材料临界尺寸大，材料内部存在较严重的微观裂纹，也能经受较大的应力而不出现裂纹失稳扩展，避免断裂。

回到2008年JADA的这篇文献我们可以看到，实验获得的极限强度数据和计算所得到的断裂韧性指数Kc有巨大的差距，其中材料强度最高的可以用于后牙区三单位基本材料的全瓷材料，断裂韧性最高。

因此我们说全瓷材料疲劳的本质是在使用过程中各种因素使材料表面或者内部产生的各种微裂纹，然后在相关推动因素下发展扩大，最后达到一个临界的尺寸，材料的某个部位迅速的完全断开。

临床上常见的全瓷修复体断裂模式分为完全断裂、饰瓷脱瓷和饰瓷崩瓷。

完全断裂是指基底瓷和饰瓷共同断裂，更常见于玻璃陶瓷或氧化铝基底瓷，此时基底瓷的强度和抗疲劳性能都起到主要作用，而饰瓷脱瓷和崩瓷更常见于氧化锆基底瓷，主要与饰瓷和基底瓷之间强度的差异相关，不发生断裂的侵略下饰瓷表面存在表面磨损，锥状裂纹形式的疲劳损伤。

也就表明微观上全瓷材料修复体主要有两种不同的接触破坏模式：1.在均质性质的陶瓷材料上看到了明显的环状裂纹区，称为脆性破坏模式。

2.在非均质的材料上观察到伴有显微破坏的界限明显的塑性屈服区，称为半塑性破坏模式。

随着瓷层厚度的增加，事件的破坏模式也会发生变化，从组织面的放射状裂纹变为表面的环状裂纹。

随着加载力接触半径的减小，事件的接触破坏极限应力也随之减小。

当瓷层厚度低于1毫米，底层瓷的组织面的放射状裂纹是修复体破坏的主要模式，尤其是在底层瓷弹性模量和粘结剂弹性模量像差很大时会加剧这种放射状裂纹的形成。

另外在水域环境中，循环受力作用下，这种疲劳损伤会逐渐聚集。

临床上瓷修复体的生存率和临床表现均体现为一个概率，当出现以下状况时可以定义为修复体失败，包括继发龋、不可逆行牙髓炎，对颌牙表面的过度磨耗，瓷表面的过度腐蚀和粗糙，水门汀粘接边缘出现渗漏，美观不足，还有一个比较重要的方面，就是修复体出现裂开、破碎以及折断。

随机对照临床研究是评价生物材料的表现和牙科固定修复体设计的最理想的途径。

但是这些研究所需要的费用非常高，真正的临床环境变化很大，而与整体性能有关的可控变量又必须是有限的。

这种时候采用生物力学实验和分析，可以大大降低在整体评价某一修复体系时所需要的临床研究的数量。

以下程序是进行用于判断材料临床表现的实验设计的基本步骤。

首先当遇到一个主要的临床问题时，比如发现了断裂、整体折断、界面间折断等等，我们进行相关文献的系统回顾。

根据临床报告的文献综述里陈述的重要的问题，比如材料选择的影响，载荷条件、修复设计和环境的影响等等，来描述产生这些失败的最可能的原因。

比如材料特性、载荷条件、结构缺陷和修复设计的问题。

之后我们制定实验和分析对策，比如采用静态实验、动态实验或者疲劳循环实验，是否采用有限元分析等等。

再之后我们要初步评价实验和分析对策，并初步根据相关的模型进行实验的优化设计，比如采用有限元分析等等。

我们需要设计一个临床评价标准进行临床评价，在得出结果后进行材料或者设计的优化。

根据我们必须解决的临床疑问的性质这一整套方案可能仅仅设计力学分析或者生物力学和临床评价的结合。

例如，如果临床观察显示固定桥的断裂仅仅发生在连接体的位置，有限元分析就可以得出最优的设计结构，但是如果断裂发生在固定桥的一些区域，就需要分析性和实验性的过程，并经临床研究证实。

当瓷内部的拉伸应力超过应力可以分散的范围内的拉伸强度时将形成断裂。

引起牙科瓷修复体断裂的原因有很多种，最常见的原因是瓷层间热膨胀或收缩不一致。

因此当常用的双层修复体在热处理后会有内部的微小缺陷存在。

在水环境，也就是唾液和循环力周期后，参与的应力可以引起瓷层的疲劳断裂形成。

其次是冠边缘不合适，试戴时使用了过大的力，这样就可能很快形成断裂。

最后才是过度的咬合或者咀嚼力，但是这种情况比较少见。

因为在粘接之前和之后都会进行调和。

因此我们关注瓷材料疲劳模式下的相关生物学特性。

首先应该强调的是无论何种生物力学实验，都应该尽量模拟口腔环境的相关条件，但是对于不同的瓷材料，不同的环境的影响是不同的。

比如暴露在水环境中可能导致硅氧间水解破裂，以及玻璃向陶瓷表面趋于弱化，但是暴露在水环境中却对氧化铝和氧化锆和陶瓷影响很小。

在5 — 55摄氏度的热循环中，玻璃陶瓷将很快发生降解，这是由于高温环境的暴露或者水或唾液对其表面产生的降解。

但是所谓模拟临床环境的最重要的实验条件是将观察到折断现象的临床修复体和体外事件具有相同的制作过程，以及同样的微观结构，但是在这实际情况中是不可能达到的。

因为每一批瓷产品之间都不可能结构相同。

比如由于制作过程不同会导致密度和尺寸不同，烧结炉的温度控制和对瓷事件的热处理过程也不相同。

可以说只有实验人员开发并采用了一套标准的实验方法，生物力学的实验结果才能够与临床性能做对比。

如果没有这些标准的方法，任何体外和体内的实验之间的相关性都只能算作巧合。

疲劳试验的条件包括静态载荷、动态载荷和循环疲劳。

模拟或试图模拟界面间断裂的方法包括三点弯曲试验，四点弯曲试验，双向弯曲试验，微拉伸试验、，剪切粘接试验和界面间断裂强度试验。

以上试验各有各的优缺点。

一些体外试验存在一些问题，比如三点弯曲试验中遮断发生的位置可能距离事件的终点很远，此时必须对经典的三点弯曲试验公式进行矫正，因此这个公式是建立在折断发生在每个事件终点这一个假设基础上的。

此外三点和四点弯曲试验发生边缘破坏的几率可能大于在张力下的均匀表面上，此时可能计算出错误的应力值。

对这种两难问题的一个解决方案是使用双向弯曲试验，以保证折断发生在张力的表面中间，但是这种试验事件的制作更加困难。

有限元应力分析和应力遮断试验显示，粘接试验样本的粘接界面间存在大量应力因素，而除非粘接强度接近为0，很难用剪切粘接试验来发现这些因素。

因此这些试验结果必须配以更专业的断口分析，如果可能应该由经过专业的训练的专业断口试验人员通过显微设备来辨别形成断裂的位置，并判断、折断是否发生在预期的位置上。

此外断口分析还可以用来分析断裂起始的位置，以及测量临界裂纹尺寸，从而计算临床上失败的修复体在断裂时承受的压力。

当前有很多试验采用了断口分析从而也得到了很多观察的结果，但是这些试验往往获得的标本量有限，在静力学强度循环疲劳试验获得的疲劳时间和临床折断病例中获得到折断强度之间建立起关联的最佳方法，是分析瓷的折断表面，测量正常和最大的咬合力量以及咀嚼力量。

如果已知我们从力学试验获得了材料的折断强度，通过确定折断表面的临界裂纹尺寸就可以计算出断裂韧性，尽管最大咀嚼力量可以帮助确定引起折断的特殊条件，但是仅仅靠这个参数是远远不够的，尤其是当发生折断的百分比较小的时候。