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氮化硅也能當牙科修復材料?
2021年05月27日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:307
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牙齒是人身體上非常重要的一個部分,成塊的食物若不經過牙齒的粉碎研磨,便會難以下咽。但人有旦夕禍福,很難說什么時候小意外突然出現導致牙齒破損,這樣不僅影響進食,也影響健康。

牙科修復材料的種類

為了將牙齒恢復到良好的形狀和功能,首先要做的就是準備合適的牙科修復材料。牙科修復材料種類繁多,主要可分為金屬、樹脂和陶瓷三大類——金屬牙科修復材料發展較為成熟,但口腔中電解質環境復雜,會對金屬產生一定的腐蝕作用,使口腔中金屬離子濃度逐漸升高,對口腔健康不利;樹脂基材料色澤美觀、粘接固位效果好,但其在充填過程中會發生固化收縮,導致邊緣縫隙增大;陶瓷材料具有良好的色澤穩定性、耐磨性、生物相容性以及出色的光學性能和美觀性,目前被認為是最有前景的牙科修復材料,全瓷材料也逐漸成為牙科修復材料的研究熱點。

金屬烤瓷牙和氧化鋯全瓷牙

全瓷材料是指不含金屬內冠的陶瓷修復體,目前最受關注的材料是具有優良的穩定性、耐磨性和生物相容性的氧化鋯陶瓷。不過人無完人金無足赤,氧化鋯陶瓷也有自己不足的地方,那就是在低溫潮濕條件下會發生四方相-單斜相轉變,導致體積膨脹,從而引起微裂紋和宏觀裂紋的產生,即產生低溫老化現象。此外,氧化鋯在X射線成像時會出現放射狀偽影,影響醫生對病況的準確判斷。

氮化硅也是個好選擇

既然氧化鋯還稱不上完美,業界當然想繼續找出更合適的材料,氮化硅就這么入了眼。研究表明,氮化硅陶瓷同樣具有優秀的生物相容性與化學穩定性,高的強度和斷裂韌性,其磨損率遠遠低于金屬和其他陶瓷材料,同時密度比氧化鋁、氧化鋯和鈦合金等更小。憑借比其他生物材料更好的骨整合性能,氮化硅陶瓷目前已被成功應用于骨科修復手術,對于有孔腔的氮化硅陶瓷,骨細胞能夠向其孔內生長,而且植入體內的氮化硅陶瓷也不會影響X射線成像。

骨科手術用氮化硅種植體實例

都是植入體,既然氮化硅陶瓷已在骨科修復領域做出成績,那它在牙科修復領域是否也有同樣的潛力呢?研究人員認為,有。下面是它的部分優勢總結。

①力學性能

氮化硅陶瓷力學性能優異,具有較高的斷裂強度、優良的耐磨性、韌性和抗熱沖擊性,在工業制造中得以廣泛應用。氮化硅陶瓷密度為3.15~3.26 g/cm3,只有氧化鋯的一半,更接近于牙齒本身密度;彈性模量為300~320 GPa,遠高于鈦合金,與氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷相當;抗彎強度為800~1100 MPa,高于標準中冠橋修復的強度要求(500 MPa),是氧化鋁陶瓷的2~3倍,接近氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷和釔穩定氧化鋯陶瓷的抗彎強度;斷裂韌性為8~11 MPa·m1/2,遠超過牙科陶瓷的最高要求(5 MPa·m1/2),是氧化鋁陶瓷的2倍,高于氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷,與氧化鋯陶瓷相當;維氏硬度在13~16 GPa,與氧化鋁陶瓷接近。

②射線成像性能

氮化硅陶瓷能很好地阻擋射線透過,因此與氧化物陶瓷、金屬等牙科修復材料相比,氮化硅陶瓷作為生物植入材料在X射線成像時更加清晰。另外氮化硅陶瓷是無磁性的,在計算機斷層掃描和核磁共振成像時能清晰地顯示種植體周圍組織的整合,不會產生通常在鈦合金植入體周圍觀察到的放射狀偽影。這是理想牙科植入材料的一個重要特征。

③抗菌性

抗菌性是骨科植入體的一個重要需求。細菌感染會使植入體松動,阻礙骨愈合,從而導致骨科手術的失敗。Gorth等首次研究了Si3N4陶瓷、金屬Ti和樹脂材料聚醚醚酮(PEEK)對革蘭氏陰性細菌的體外增殖作用。結果表明,在72 h后,氮化硅陶瓷表面的細菌數量明顯少于Ti和PEEK,說明氮化硅植入體體外抗菌性優于Ti和PEEK。

④生物相容性

生物相容性是指生命體組織與非活性材料發生反應的一種性能,是生物材料研究中始終貫穿的主題。Howlett等通過實驗證明了氮化硅陶瓷的體內生物相容性,他們將氮化硅陶瓷植入兔股骨髓腔內3個月后,種植體周圍組織沒有發生任何炎癥反應。另一項研究表明,植入兔脛骨內的Si3N4陶瓷和Ti種植體在術后8周內均未引起不良反應,骨愈合情況相似。

⑤骨整合性能

骨整合性能是指在光學顯微鏡下,正常骨和植入體材料之間看不見軟組織,兩者直接接觸,表現為材料和骨組織的連續性。Neumann等在研究氮化硅陶瓷在骨中的生物相容性時發現,在小型豬模型中,用氮化硅陶瓷制作的額骨接骨板與螺釘有著令人滿意的骨整合效果,說明氮化硅陶瓷是良好的面部骨外科生物材料。

氮化硅陶瓷太黑了怎么辦?

雖然上面總結了氮化硅的種種優勢,證明了它作為種植體在理論上是完全可行的。但是氮化硅陶瓷的顏色通常為灰色或灰黑色,與牙齒顏色相差較大,不能滿足美觀的要求,所以如果要投入應用,前提就是找到與氮化硅陶瓷相匹配的飾面瓷

灰黑色的氮化硅粉體

飾面瓷要求具有與天然牙相近的顏色、透明度、力學性能以及良好的生物相容性,同時其熱膨脹系數要低于基底材料的10%,以便在二者界面上產生一定的壓應力,利于飾面瓷和基底的結合。不過目前市售的飾面瓷主要是跟氧化鋯和金屬等基底配套使用,熱膨脹系數在10×10-6/℃左右,與氮化硅的熱膨脹系數(3.0~3.5×10-6/℃)不匹配。因此要發展氮化硅陶瓷牙科修復材料,研發與氮化硅陶瓷相匹配的飾面瓷是現階段最迫切的需求。

資料來源:

氮化硅陶瓷牙科修復材料研究進展,姜磊,方廈,尹雙,毛棟梁,潘麗梅,湯學華,楊建。

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