109 年 國立臺灣大學臨床牙醫研究所乙組《牙科材料學》

本題主要考驗學生對自酸蝕黏著劑 (self-etch adhesive) 在牙齒結構上形成之混合層 (hybrid layer) 的微觀結構與組成成分的理解。題目要求辨識圖中標示的各部位，並解釋其形成原因。

核心觀念： 混合層的形成機制、組成與 SEM 影像的判讀。

解題步驟：

1. 辨識圖中標示部位：

   • 圖中顯示的是牙齒組織（主要是牙本質）與黏著劑層的界面。
   • 標示 1 指向牙本質小管 (dentinal tubule)。
   • 標示 2 指向外層黏著劑或樹脂滲透層。
   • 標示 3 指向牙本質 (dentin)。
   • 標示 4 指向混合層 (hybrid layer)。
   • 標示 5 指向牙本質脫礦區 (demineralized dentin)。
   • 標示 6 指向自酸蝕黏著劑中的樹脂基質 (resin matrix)。
   • 標示 7 指向光聚合後的樹脂。

2. 說明各部位為何物？主要成分為何？

   • 牙本質小管 (1)： 牙本質結構中的通道，內含牙本質液、牙本質神經纖維末端及牙周細胞的突起。主要成分為無機質（羥基磷灰石晶體）和有機質（膠原蛋白）。
   • 牙本質 (3)： 牙齒的主要結構組織，位於牙釉質和牙骨質之下，牙髓之上。主要成分為無機質（約 70% 羥基磷灰石）、有機質（約 30% 膠原蛋白、非膠原蛋白）及水分。
   • 混合層 (4)： 牙本質表面經過酸蝕後，黏著劑的樹脂單體滲透並聚合形成的複合結構。它是牙本質與樹脂修復體之間的介面，對於黏接強度至關重要。主要成分是滲透到牙本質結構中的樹脂（黏著劑中的單體聚合而成）與牙本質有機質（膠原蛋白網架）的複合體。
   • 自酸蝕黏著劑中的樹脂基質 (6)： 指的是黏著劑中的聚合物網絡，在光聚合後形成。主要成分是丙烯酸酯 (acrylate) 或甲基丙烯酸酯 (methacrylate) 單體聚合而成的高分子鏈。
   • 光聚合後的樹脂 (7)： 指的是黏著劑中的單體在光照下聚合形成的固化樹脂層。成分同 6，為聚合後的樹脂。

3. 說明 ④、⑤、⑥、⑦是如何產生的？

   • ④ 混合層 (Hybrid Layer) 的產生：
     • 自酸蝕黏著劑 (self-etch adhesive) 包含酸性單體，這些酸性單體能夠同時進行牙本質的脫礦 (demineralization) 和滲透。
     • 酸性單體會溶解牙本質表面的無機質（羥基磷灰石），暴露出有機質（膠原蛋白網架）。
     • 同時，黏著劑中的親水性單體和低黏度樹脂會滲透到這些被酸蝕的牙本質結構中，特別是滲透到牙本質小管周圍以及被溶解的無機質空間內。

本題考驗學生對兩種常見全瓷修復材料——二矽酸鋰陶瓷 (lithium disilicate ceramics) 與氧化鋯 (zirconia) ——在牙科臨床應用上的物理性質差異的掌握。

核心觀念： 各類牙科陶瓷的物理性質，特別是機械強度、韌性、透光性、加工性與臨床適應症。

解題步驟：

1. 介紹兩種材料的分類與基本組成：

   • 二矽酸鋰陶瓷 (Lithium Disilicate Ceramics)： 屬於玻璃陶瓷 (glass-ceramics) 的範疇，其主要結晶相是二矽酸鋰晶體 (Li₂Si₂O₅)，散佈在玻璃基質中。例如 IPS e.max CAD/Press。
   • 氧化鋯 (Zirconia)： 屬於氧化物陶瓷 (oxide ceramics)，主要成分是二氧化鋯 (ZrO₂)。市售產品通常是部分穩定化氧化鋯 (partially stabilized zirconia, PSZ)，如氧化釔穩定四方氧化鋯 (Y-TZP, Yttria-Tetragonal Zirconia Polycrystal)。

2. 比較物理性質的差異：

   性質	二矽酸鋰陶瓷 (Lithium Disilicate)	氧化鋯 (Zirconia, Y-TZP)	差異說明
   機械強度	彎曲強度 (Flexural Strength)： 約 350-500 MPa	彎曲強度 (Flexural Strength)： 約 800-1200 MPa (甚至更高)	氧化鋯的彎曲強度顯著高於二矽酸鋰陶瓷，是其最大的優勢，使其能承受更大的應力。
   斷裂韌性 (Fracture Toughness)	約 2.0-3.0 MPa·m¹/²	約 8.0-10.0 MPa·m¹/²	氧化鋯的斷裂韌性遠高於二矽酸鋰陶瓷。高斷裂韌性意味著氧化鋯在受到裂紋擴展時，能更有效地抵抗斷裂，不易產生災難性破壞。
   硬度 (Hardness)	相對較低，易於研磨。	相對較高，加工較困難，對對咬牙有磨耗。	二矽酸鋰陶瓷較軟，加工後對咬合牙的磨耗較小；氧化鋯較硬，長期使用可能對對咬牙產生較明顯的磨耗。

本題旨在探討具有「形狀記憶效應」(shape memory effect) 的合金在牙科臨床上的應用，包括該材料的名稱、產生形狀記憶效應的原理，以及其常見的臨床應用。

核心觀念： 形狀記憶合金 (Shape Memory Alloys, SMAs) 的原理、馬氏相變 (Martensitic transformation) 與其在牙科的應用，特別是鎳鈦合金 (NiTi)。

解題步驟：

1. 指出牙科臨床上常用的 shape memory 合金：

   • 在牙科臨床上最常用且最著名的形狀記憶合金是鎳鈦合金 (Nickel-Titanium alloy)，常被稱為 NiTi 或 Nitinol。

2. 解釋為何它可以有此功能（形狀記憶效應的原理）：

   • 形狀記憶效應源於該合金在不同溫度下存在兩種晶體結構相：高溫相 (奧氏體，Austenite) 和 低溫相 (馬氏體，Martensite)。
   • 奧氏體 (Austenite)： 這是一種高溫下的穩定晶體結構，具有較高的對稱性。
   • 馬氏體 (Martensite)： 這是一種低溫下的相，結構較不對稱，且可以透過滑移 (twinning) 的方式在不同方向形成，允許材料在低溫下發生較大的可逆形變，而應力較小。
   • 形狀記憶效應的產生過程：
     • 記憶階段 (Memory Stage)： 將合金加熱至奧氏體相變溫度 (A_f, Austenite finish temperature) 以上，使其恢復到某一特定形狀。然後將其冷卻至馬氏體相變溫度 (M_f, Martensite finish temperature) 以下，此時材料變軟，可塑形。
     • 變形階段 (Deformation Stage)： 在馬氏體狀態下，對合金施加外力，使其產生永久性形變（如彎曲、扭轉），但此形變是可逆的馬氏體滑移。
     • 恢復階段 (Recovery Stage)： 當溫度升高，超過其相變溫度 (A_s, Austenite start temperature)，馬氏體結構會重新轉變回奧氏體結構。在奧氏體結構中，原子排列會趨向於恢復到原始的、高對稱性的結構，因此材料會自發地、可逆地恢復到其在記憶階段所固定的原始形狀，即使在變形狀態下。
   • 關鍵在於馬氏體相變 (Martensitic Transformation)： NiTi 合金的形狀記憶效應是透過奧氏體和馬氏體之間的無擴散性 (diffusionless) 相變來實現的，這種相變是可以逆的，並且在恢復到高溫相時，材料會「記住」其原始形狀。

3. 說明最常在臨床上的應用為何：

   • 矯正牙科 (Orthodontics)：
     • 鎳鈦合金弓絲 (NiTi Archwires)： 這是最廣泛的應用。