全瓷材料的疲劳损伤及咬合病

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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 和裂纹尺寸a之间也如下关系，K=Y· · a 。其中Y是应力强度因子，单

6、位是MPa·m ， 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

7、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

8、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

9、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

10、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。

11、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。

12、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

13、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

14、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

15、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。通过试验已经获知的对全瓷材料产生不良影响的因素包括湿环境、循环力、喷砂、粘接面间间隙过大。即与接触式破坏和其他的相

16、关疲劳研究、有限元力学分析和临床试验中失败修复体的断口分析，全瓷冠设计和制作时应该注意以下一些点：第一，底层陶瓷的强度要高，以抵御放射状裂纹，弹性模量要大，以优化应力分布。第二，饰面瓷有中等适度的断裂韧性以对抗环状裂纹生长，具有高硬度以防止产生半塑性的结构破坏。第三，在几何外形上，尽量减少牙尖曲度和冠的尺寸。第四，底层瓷和饰面瓷表面尽量光滑，避免喷砂或打磨，尤其在咬合接触和颈缘部分。第五，底层瓷和饰面瓷之间的热膨胀系数尽量接近以减少由此产生的有害的残余应力。第六，全瓷冠的粘接层厚度减少，粘接剂和桩核材料弹性模量增加。第七，后牙冠比前牙冠的力学要求更高。下面的内容我们谈谈咬合病的问题。从临床经验

17、可以得知存在咬合异常的患者口腔会出现一系列软硬组织的异常变化。这些变化可能影响到牙髓、咀嚼肌，也可能诱发口腔副功能活动。虽然临床上对于这些异常变化之间错综复杂的因果关系并没有定论，最近的研究也指出不能将临床上口颌系统相关疾病病因过多的归结为咬合因素所致。但是咀嚼系统中发生的一系列功能紊乱和器质性病变都有可能与病理性的咬合接触有关。在某些情况下，这些紊乱或病变甚至可能超越咀嚼系统的范围，以至对患者的全身健康以及心理状态产生不利的影响。从文字定义上看，咀嚼肌产生的过度力量加载在牙周组织上产生的病理性变化或适应性改变称为咬合创伤。而只有牙齿硬组织因磨耗和磨损、理化侵蚀、受力破损等原因失去正常形态，并

18、且影响到上下牙列间正常咬合关系的病理变化，才称为咬合病。下面的内容中我们将从咬合创伤所带来的影响，如何对咬合病进行检查、诊断和治疗，以及如何设定咬合病的治疗疗程和方案来初步介绍一下咬合病的相关知识。其实咬合病迄今仍然是一个模糊的范畴，正如前面所提到的，许多发生在咀嚼系统中的病变，比如牙齿的硬组织疾病，在探究病因机制时，我们会发现颌因素的影响。也就是存在着口腔副功能或者是错合的情况，从而引起牙周病、颞下颌关节紊乱病等一系列病理改变。但是颌因素往往不是唯一的原因，甚至经常不是主要的病因机制。在一些情况下，因果关系甚至可能相反，是由于原发于牙周支持组织、镍下河关节结构和咀嚼肌功能相互的影响，形成一个

19、正反馈循环，加重病变程度的机制。过大的合力作用在牙周组织正常的牙齿上，或者正常或过大的合力作用在牙周支持组织高度已经降低的牙齿上会导致牙周组织损伤。前者称为原发性颌创伤，后者称为继发性颌创伤。作用在牙齿上的异常的合力可以分两大类：其一，为同一方向的持续性外力，也就是正畸力。另一类，为不同方向交替施加的力，也称摇晃力。创伤性的合力作用在牙周组织上时，可能引起的最主要的临床表现是坏牙松动，继而发生移位甚至漂移。当叩诊时出现不适，X线片上可以看到牙周膜增宽，牙槽骨垂直吸收等，需要强调的是单独存在创伤性合力并不会引起牙周组织的改变，亚洲病本身是多因素疾病，只有当牙周疾病的始动因素牙菌斑微生物存在，才可

20、能发展为牙周疾病。可以说咬合创伤只是牙周病的加重因素。咀嚼过程中牙齿之间或牙与食物之间的摩擦使硬组织自然损耗，是正常的生理现象称为磨损，而当发生以下两种情况时则会发生病理性的磨耗。1.为过度磨耗，过度磨耗可能发生在颌面，牙釉质磨除暴露牙本质后，牙髓易受理化刺激而敏感不适。另外一类情况是不均匀的磨耗，比如由于患者牙颈部的应力集中，导致牙体硬组织的崩塌，局部性的酸性刺激物质和不正当的刷牙方法而导致的牙齿颈部楔状缺损，也会导致唇颊侧颈部牙本质的暴露，从而使外界理化刺激传达至牙髓腔。另一方面，当异常合力存在，反复压迫根尖部也可能导致牙髓腔的血液循环受阻。这些原因最终引起牙髓充血症状，甚至导致不可逆的牙

21、髓炎症。咬合创伤还可能引起根尖周疾病，对于一些反复治疗不理想的根尖周病一定要考虑是否有颌存在的影响因素。如图所示的这个病例，患者在常规检查中发现了右上一慢性根尖周炎，当时没有发现牙周深带和松动，只是上颌前牙发生了扇形移位。在进行根管治疗后6周，患者右上一唇侧出现了窦道，牙胶尖作为诊断丝，拍摄X线发现，窦道来源是右上一的根尖轴病变。此次就诊呢发现了患者正中颌时存在有早接触，并且有松动存在。因此进行了调和和上前牙加半固定。治疗后一个月窦道愈合，术后15个月和一年的X线片可以看到良好的治疗效果。第二个病例，是一个因叩诊不适，发现左一、二根尖周炎的患者。重新治疗了左上一不完善根管治疗后，并且进行了根尖

22、手术。15周复查发现了左上一来源的窦道，患者此时称其有夜磨牙的习惯。在进行了全面的咬合检查后，发现了上前牙的早接触点，进行了仔细的调和，术后3年病情恢复良好。与牙周病一样，根尖周病的主要病因是感染的存在，所以只有当咬合创伤合并细菌感染时才会诱发根尖周病的存在。前两个病例都是有既往的根尖轴组织病变，肯定有细菌感染因素。因此在去除了感染及咬合创伤的因素之后，病变得到了良好的控制和恢复。另外还有报道，咬合创伤和种植体周围炎存在着很大的关联。临床上的咬合病发生率很高，影响也较为严重，有人甚至认为咬合病是牙齿缺失的重要原因。在口腔医学长期发展的过程中，人们对龋病、牙周疾病等等的症状已经非常熟悉，并确定了

23、诊断龋病、牙周疾病的方法。但在日常诊疗中并不存在一个掌柜的对咬合病进行诊断的流程和定义。人们认为咬合病的病因和影响错综复杂，在概念上就限制了对其理性简化的认识。有医生已经总结归纳了咬合病带来的临床最常见的症状，在这里我们对此进行一下介绍。咬合病引起的口腔症状大多是一个慢性的过程，了解这些症状同样可以便于医生对患者进行更为详细完善的宣教，让患者在日常生活中就能够对一些引起咬合病的因素和咬合病可能带来的症状有所认识。下面我们对这七个症状进行分别介绍。第一，就是在检查中发现病理性的牙体硬组织或者修复体表面的磨耗或者断裂，这些硬组织和修复体的损伤的情况在常规的口腔检查中就可以很容易发现。大多数人都知道

24、，口腔种的磨耗是多因素的，生理性的磨损、酸蚀，机械性的慢性损伤都可能导致牙体硬组织的缺失，但是当医生观察到口腔种存在过度的磨耗时，不管其病因如何，都应该先怀疑咬合病的存在。 同样当我们观察到牙面出现小的裂纹，或者是修复体出现小面积的裂纹和折断，也应该先想到是否存在病理性的颌接触。当然只有通过系统的口腔咬合检查，并使用我们接下来会提到的颌架诊断，才能够真正确定这些症状的病因。第二，颈部牙本质敏感。需要明确的是大部分的颈部牙本质敏感都是由于颌创伤造成的，而且对于这类敏感的最稳定可靠的治疗也是重新获得咬合平衡。有些医生甚至认为很多的术后敏感是颌治疗中引入了咬合创伤引起的。因为当进行了恰当的咬合调整或

25、进行修复治疗，恢复了良好的咬合关系时，大多数的术后敏感都消失了。临床中我们遇到的牙齿颈部敏感的患者很多，大多数并不知道他们自己的症状和咬合问题相关。这有时需要医生仔细观察和问诊，寻找可能的咬合因素。第三，牙齿松动移位。在临床中往往存在这种情况，当进行系统检查时医生会发现磨牙，尤其是第二磨牙，尽管在影像学检查中发现并不存在明显的骨吸收，但是牙齿却存在明显的松动，这就是咬合病的一个明确的指征了。因为颌创伤性的合力已经使得牙齿承受的力量超过了牙周组织能够承担的力量。这种情况下最可怕的情形就是医生认为患牙过于松动，不建议保留。而其实通过恰当的咬合治疗，很有可能减轻患牙的松动度。第四，震动，也称异常动度

26、。这个名称的英文单词是Fremitus。是指当患者牙尖间交错位或自然的咬合状态进行开闭口运动时，我们可以用手感受到牙齿的震动。在前牙区这种震动通常是由病理性的颌产生的，甚至表现为前牙的扇形移位。而在后牙区如果观察到这种动度，更多的临床意义在于在根管治疗和牙周治疗后进行及时调和，去除影响病变愈合的因素。第五，颈部缺损。观察到牙齿颈部缺损时通常提示侧方的颌创伤存在。同其他症状一样，这种病变也是多因素的，如果没有酸性环境的存在，也不会有缺损的产生，而口腔的酸性环境却是很常见的。绝大多数患者都会饮用苏打水、果汁、咖啡等饮料，所以当有牙齿颈部缺损存在时医生也应该关注侧方颌创伤是否存在。第六，垂直性的骨吸

27、收或局限性的骨吸收。这一类症状通常在牙周病患者群体里发现，已经有文献证实牙齿松动可以加速牙周病患者的骨吸收。在影像学上这类病理性的颌因素导致的骨吸收可以相继表现为根周膜增宽，骨硬板破坏和牙根的吸收。非常独特的一点是，患牙可能还是活髓，但也可以看到X线片上存在牙根分杈或者根尖周的低密度影。在为广泛性牙周炎患者进行定期复查时，一旦发现有患牙表现出了这种加速的骨吸收，我们都应该怀疑是否有咬合病的存在。第七，口颌系统肌肉酸痛，或颞下颌关节的疼痛。咬合病所带来的最常见的症状就是疼痛。问诊时面部和咀嚼肌的酸痛又是最常见的主诉，往往这些酸痛还有可能引起头痛。目前咬合疾病和TMD也称颞下颌关节紊乱病之间的关系

28、是否互为因果关系有很多争论。当然根据当前的研究状况人们也已经达到了一些共识，其中就包括存在颞下颌关节紊乱病的患者在检查时需要考虑咬合因素。我们来回顾以上七个症状。在这里需要提出的是咬合在咀嚼系统病变及其治疗中扮演的角色需要等待严谨设计的研究中取得更多证据后才能得出结论，但是无论如何，我们也不能忽视咬合病的多方面致病作用。当我们检查每一个患者，无论是牙周病、口颌面部疼痛或者磨牙症的存在，都提示我们要考虑咬合因素引起的可能。在临床中也应将咬合检查列为必要项目。咬合病的检查可以分为两大阶段，首先我们应该从病史采集的时候就关注患者的主诉中、病史中是否有和咬合病相关的情况，并在之后的口腔检查中着重从我们刚才提到的七个症状逐步检查和记录。比如牙齿表面是否存在磨耗，牙颈部有没有探诊或冷空气敏感，牙齿的松动、动度，是否存在异常动度，颈部是否有缺损。在全牙列颌关系检查中，要检查患者正中颌、前伸侧方颌是否存在早接触点或者颌干扰，是否有正常的复合覆盖关系。在颞下颌关节的检查中，我们也要关注患者面型是否和中线对称，双侧颞区下颌髁部触诊是否有疼痛，开口度、开口形是否正常，开闭口运动是否受限，运动过程中是否伴有异常的声音等等。这些基本的资