稀土元素在牙科氧化锆陶瓷着色中的应用及影响
2020-12-18 17:41:10
钇稳定氧化锆是我们在日常生活中很常见的一种陶瓷材料，具有极佳的室温力学性能，同时还具有生物安全性和低热导率，因此成为了理想的牙科修复陶瓷材料。但它若不经着色处理，呈现出的是白垩色，没办法满足临床上对牙齿配色的要求。
为了达到天然牙的呈色效果，临床上使用时会对材料进行着色处理。稀土元素具有独特的光学性能，发色性好、呈色稳定，在陶瓷领域已有广泛的运用，但在运用于牙科材料着色时，需考虑到符合天然牙的色度范围，加之部分元素本身性能的限制，目前应用于牙科着色的稀土元素并不多，主要为Ce、Pr、Er、Nd等。
上图中作为基底材料的氧化锆为淡黄色，与饰面材料组合呈现出自然牙效果
一、稀土着色剂的上色方式
1.浸泡着色法
为了使临床所使用的修复体达到仿天然牙的呈色效果，临床上多采用预烧体浸泡法对其进行外染着色，即对预烧结后的氧化锆坯体进行外着色。采用染色液染色方法操作简单，但容易着色不均匀，受操作影响较大。
目前市面上很多染色液产品其主要着色成分都为稀土元素，如国内爱尔创公司申请的染色液专利，其中制备着色溶液的着色剂就选自Pr、Ce、Er、Nd中的两种或两种以上稀土金属离子的化合物。
染色液浸泡后的氧化锆义齿剖面图（图源：爱尔创官网）
2.粉体混合法
粉体混合法（预成着色法）是在氧化锆高温烧结前将着色剂与初始粉体混合进行着色，高温下着色离子以固溶形式进入ZrO2晶格而呈色，包括机械化学法、非均匀沉淀法等。
此法避免了浸泡着色时因预烧体厚度、显微结构及临床着色工艺等各因素不一而导致的着色不均，且对材料的明度影响较小。但因着色剂掺杂时对氧化锆粉体的改性，从而影响烧结后材料的性能。
不同上色方式对比（B2、C2、D2色的色差逐渐增大）
二、稀土元素着色对材料的性能影响研究
临床上对牙科陶瓷具有两项重要要求，一是力学性能；二是生物安全性。氧化锆陶瓷在这两方面的表现都较为优秀，但是掺杂着色剂后，对其材料晶相及密度等性质均有一定影响，因此在使用稀土着色剂对其进行美化的同时，需最大程度地减少对材料性能的影响。
1.对材料力学性能的改变
研究表明，人类后牙区的最大咬合力可达到700 N或更高，因此临床修复体应用的陶瓷材料其弯曲强度应在800 MPa以上为佳。根据目前的研究结果看来，添加的微量成分会对氧化锆的机械性能产生一定的影响，但只要合理控制着色氧化物的含量，不会影响其临床效果，有时部分着色剂还会增加其机械性能。
举例：Shah等以1wt.%、5wt.%、10wt.%的乙酸铈和氯化铈两种铈盐溶液为染色液对氧化锆试件进行外染，着色后材料平均密度与未着色组相当，晶格常数及晶粒尺寸略微增大，弯曲强度随溶液浓度增大而降低
2.着色后材料细胞毒性的研究
医学生物材料在临床应用之前，需要经过科学的生物安全性检测，细胞毒性是生物安全性的重要指标之一。用于牙科全瓷材料着色的稀土元素主要为轻稀土族，尽管轻稀土可能存在某种毒性，但低浓度的轻稀土具有显著的抑癌、抗诱变作用，且其作为着色剂的添加是极其微量的。
举例：黄慧等采用四氮唑盐比色法(MTT法)，测试了3种稀土氧化物着色剂CeO2、Pr6O11、Er2O3着色后氧化锆陶瓷瓷块浸提液的细胞毒性，发现各实验组的毒性评级为0-I级，达到临床应用的生物安全要求，可见微量着色剂的添加并未影响材料的生物安全性。
资料来源：
1. 稀土元素在牙科全瓷材料着色中的应用与研究现状，吴南，石连水，王臻石著。
2. 牙科用氧化锆陶瓷材料着色的研究进展，杨晓芳，母瑞红著。