全瓷界面功能梯度层优化设计、构建与性能研究

【摘要】：目的：通过建立双层瓷／仿生功能梯度层/粘结剂/牙本质基底的平面及三维曲面有限元模型。模拟加载，对模型进行三维有限元力学分析,探明全瓷修复体界面仿生功能梯度层优化设计办案。同时,应用玻璃渗透技术制作不同预烧结温度的包含仿生功能梯度界面的氧化锆陶瓷试件,研究其渗透界面的微观结构与力学行为的变化,探讨仿生功能梯度界面提高全瓷修复体性能的可靠性和可行性,为进一步临床应用提供实验依据。方法：1.建立双层瓷／仿生功能梯度层/粘结剂／牙本质基底的三维平面有限元模型(核瓷材料设定为氧化锆),不包含仿生功能梯度层的模型,即双层瓷／粘结剂／牙本质基底的三维平面有限元模型作为对照组,对模型进行垂直加载,并采用ANSYS软件中的一阶方法对仿生功能梯度层弹性模量的变化进行优化计算分析。2.选取完整无磨损的离体成人右上颌第一磨牙作为标本,经Micro-CT扫描获取图像,经Mimics10.0软件进行三维重建。建立双层瓷／仿生功能梯度层／粘结剂／牙本质基底的三维曲面有限元模型(核瓷材料设定为氧化锆)。不包含功能梯度层的模型,即双层瓷／粘结剂／牙本质基底的三维曲面有限元模型作为对照组。对模型施加垂直和斜向加载,采用ANSYS软件中的一阶方法对仿生功能梯度层弹性模量的变化进行优化计算分析。3.制备直径为12mm,厚0.5mm氧化锆圆盘状试件,将试件按照预烧结温度分为900℃、1000℃、1100℃三细,调配玻璃浆料渗透于试件表而,再进行终烧结电镜下检测试件横截面,观察梯度层的微观结构,并对试件作纳米压痕试验、最大断裂压力测试及循环疲劳实验,检测仿生功能梯度氧化锆试件的弹性模量、抗压强度、抗疲劳强度并进行表面裂纹的初步分析。结果：1.建立了双层瓷／功能梯度层/粘结剂／牙本质基底的三维平面有限元模型。垂直加载情况下,功能梯度层中最大主应力为23.0186MPa。应力分布均匀且平稳过渡；而对照组,在核瓷底部出现了应力集中,最大主应力值为100.25MPa,并且得到了实验组功能梯度层内弹性模量梯度变化的优化曲线。2.建立了双层瓷／功能梯度层／粘结剂／牙本质基底的三维曲面有限元模型。实验组在垂直加载时功能梯度层中最大主应力为76.70MPa,斜向加载时功能梯度层中最大主应力为31.80MPa,应力分布均匀；而对照组,在核瓷底部出现了应力集中,垂直加载和斜向加载时最大主应力值分别为121.90MPa和63.82MPa,实验组的最大主应力在垂直加载和斜向加载时分别下降了37.07%和50.18%。本实验还分别得到了实验组功能梯度层内弹性模量梯度变化的优化曲线。3.通过玻璃渗透法制备不同预烧结温度(900℃,1000℃,1100℃)的功能梯度氧化锆陶瓷试件。电镜显示氧化锆试件横截面的背散射电子图像(BSE)并表明形成了约150-200μm的梯度结构层。纳米压痕实验结果显示功能梯度层从表面向内部弹性模量逐渐增高,在氧化锆表层形成了一个有效的弹性模量梯度。对不同预烧结温度的试件进行最大负载力学实验结果显示仿生功能梯度界面的存在提高了试件的抗压强度；而在循环疲劳实验的结果提示仿生功能梯度氧化锆陶瓷较对照组相比可承受更多次的循环加载,实验后对试件表面观察也显示仿生功能梯度氧化锆形成的裂纹较少且规则。结论：1.仿生界面功能梯度层能有效降低全瓷修复体核瓷底部的应力集中,其内部弹性模量的梯度变化存在优化方式。2.利用玻璃渗透技术可以在氧化锆核瓷内形成仿生功能梯度结构,仿生功能梯度结构可显著提高氧化锆陶瓷的抗压及增韧能力,且玻璃渗透过程中预烧结温度对陶瓷力学性能的提高程度有一定影响。