Керамика на основе диоксида циркония

Керамика на основе диоксида циркония

Керамика на основе диоксида циркония. Достижения и перспективы.
Достижения и перспективы
Реставрации с опорой на дентальные имплантаты приобретают все большее распространение. Сочетание двух различных по природе материалов  металла и керамики  уже не может конкурировать с однородным керамическим составом в воспроизведении индивидуальных особенностей взаимодействия света с твердыми тканями естественных зубов.
С.М.Вафин, зав. лабораторией материаловедения, к.м.н. В.И.Хван, научный сотрудник, к.м.н. НИМСИ при МГМСУ
Сочетание двух различных по природе материалов металла и керамики  уже не может конкурировать с однородным керамическим составом в воспроизведении индивидуальных особенностей взаимодействия света с твердыми тканями естественных зубов.
Получают диоксид циркония путем удаления оксида кремния из цирконового концентрата с использованием различных процессов термической и химической диссоциации.
Диоксид циркония (ZrO2) существует в виде трех кристаллических фаз: моноклинной (М), тетрагональной (Т) и кубической (С). Во время нагревания диоксид циркония подвергается процессу фазового преобразования. Моноклинная фаза термодинамически устойчива при комнатной температуре и  до 1170оС.
Свыше этой температуры происходит переход диоксида циркония в более плотную тетрагональную фазу.
Тетрагональная фаза устойчива при температурах от 1170оС до 2370оС.   При температурах выше 2370оС диоксид циркония переходит в кубическую фазу. При нагревании переход из моноклинной (М) в тетрагональную (Т) фазу сопровождается уменьшением объема на 5%. При охлаждении переход из тетрагональной (Т) в моноклинную фазу (М) происходит в диапазоне температур от 1070С до 100С и  сопровождается увеличением объема на 34%.
Выделяют моноклинный и стабилизированные сорта. Добавление стабилизирующих оксидов к чистому диоксиду циркония, таких как  кальций (CaO), магний
(MgO), церий (CeO2) и иттрий (Y2O3), может подавлять фазовые трансформации материала.
В зависимости от количества стабилизирующего агента различают диоксид циркония:  полностью стабилизированный (FSZ  Fully Stabilized Zirconia), частично стабилизированный (PSZ  Partially Stabilized Zirconia).
Полностью стабилизированный диоксид циркония (FSZ) получают при добавлении к нему  более 16% моль  CaO(7,9% веса), 16% моль  MgO (5,86% веса),
8% моль  Y2O3 (13,75% веса). Он имеет кубическую форму (С). Изза его повышенной прочности и высокой резистентности к тепловому удару этот материал
успешно используется для производства огнеупоров и технической керамики.
Частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ) получают добавлением меньшего количества стабилизирующих агентов, чем при получении полностью стабилизированного диоксида циркония (FSZ).2 1
№ 1 (201)  2011
Тел./факс редакции «МБ»: (495) 6735625, 6733703, 7903699
Таблица 4
Облицовочные материалы
Материал КТР
IPS e.max Ceram 9.5
Vintage ZR 9.4
VITA VM 9 9.0
Creation’s Zirconia Porcelain 10.0
GS Initial Zr 10.0
CZR Cerabian 9.1
DCCream 10.0
Cercon ceram kiss 10.5
Таблица 3
«Твердый» циркон
Состояние заготовки Заготовка CAD/CAM система
ZНBlanks Everest (KaVo, Германия)
HintELs  Zirkon HintELs, DigiDent
Полностью спеченная TZPHIP (Girrbach Dental, Германия)
керамика DCZirkon DCS Precident (D.C.S.
(«твердый циркон») AG, Швейцария)
Denzir® HIP Zirconia Cad. Esthetics (Ivoclar
Vivadent AG, Лихтенштейн
и Decim AB, Швеция)
ZirKon
тм
PRO 50 (Cynovad, Канада)
Denzir®Premium HIP Etkon System
Zirconia (Etkon AG, США)
Источник: Хегенбарт Э.А. 2002; Sundh et al. 2005; Tinschert et al. 2001
Luthardt et al. 2004; Filser et al. 1997; Witkowski 2005
Таблица 1
Свойства YTZP керамика
Спеченная Спеченная + HIP
Плотность, г/см
3
6 6.1
Средний размер частиц, мкм <1 <0.5
Прочность на изгиб, МПа 900 1200
Модуль Юнга, ГПа 210 210
Трещиностойкость К
1С МПа м
1
910 910
Твердость по Виккерсу, HV 0.1 1200 1200
Grant KL, Rawlings RD, Sweeney R (2001). Effect of HIPping, stress and surface
finish on the environmental degradation of YTZP ceramics. J Mater Sci Mater Med
12(6): 557564.
Таблица 2
«Мягкий» циркон
Состояние заготовки Заготовка CAD/CAM система
Vita InCeram YZ Cubes, Cerec inLab (Sirona, Германия)
IPS e.max ZirCAD for Cerec inLab (Sirona, Предварительно inLabBlocks Германия)
спеченная керамика ZSBlanks Everest (KaVo, Германия)
(«мягкий» циркон) HintELs HintELs, DigiDent
Zirkon TZPW (Girrbach Dental, Германия)
DCShrink DCS Precident (D.C.S. AG, Швейцария)
ZENO®Zr ZENO® Tec (Wieland Disks Dental+Technik, Германия)
Источник: Хегенбарт Э.А. 2002; Sundh et al. 2005; Tinschert et al. 2001.
Luthardt et al. 2004; Filser et al. 1997; Witkowski 2005
Наиболее полезные механические свойства могут быть получены, когда диоксид циркония будет находиться в многофазном состоянии. Стабилизаторы по
зволяют получить многофазный материал  при комнатной температуре, в которой кубическая (С)  главная фаза, а моноклинная (М) и тетрагональная (Т)  второстепенные фазы.
Добавление примерно 23% моль иттрия (Y2O3) в качестве стабилизирующего агента к диоксиду циркония позволяет получать керамический материал,
состоящий из 100% мелких метастабильных тетрагональных частиц  YTZP (YttriumTetragonal Zirconia Polycrystal) — которая и стала интересна для применения в стоматологии.
Уникальность этой керамики заключается в механизме трансформационного упрочнения.
На переднем конце трещины происходит Т=>М трансформация с увеличением объема на 35%, которая инициирует появление сжимающих напряжений в противоположность растягивающим напряжениям, способствующих распространению трещины. Этот процесс дает начало сильному механизму, подавляющему распространение трещины и упрочняющему керамику  механизму трансформационного упрочнения. Энергия разлома рассеивается в Т=>М трансформации, которая подобна мартенситному преобразованию в закаленной стали. В результате, распространение трещины подавляется и увеличивается прочность керамики. Поэтому диоксид циркония иногда называют «белая сталь» или «керамическая сталь».
   Керамические блоки, обработанные горячим изостатическим прессованием (HIP) после спекания, показывают более медленную спонтанную Т=>М трансформацию и более высокую прочность, чем блоки не прошедшие данную обработку.
Стандартные керамические блоки из частично стабилизированного диоксида циркония (YTZP) используются для изготовления каркасов одиночных коро
нок и мостовидных протезов. Изготовление изделия осуществляется фрезеровочным аппаратом CAD/CAMсистемы в автоматическом режиме.  Керамические заготовки могут быть отфрезерованы в предварительно спеченном и полностью спеченном состоянии. Использование различными CAD/CAMсистемами  керамических заготовок в зависимости от состояния (твердости) представлено в табл. 3.
Предварительно спеченные блоки при помощи твердосплавных боров с водным охлаждением, а для фрезерования полностью спеченных блоков требуются алмазные боры с водным охлаждением. Процесс фрезерования полностью спеченных керамических блоков (YTZP) требует много времени, вызывает больший износ алмазных боров и является более дорогостоящим. Кроме того, при фрезеровании возможно образование микротрещин в структуре материала.
Необожженная и предварительно спеченная YTZPкерамика («мягкий» циркон) легче поддается механической обработке, что сокращает затраты времени на изготовление изделия, экономит дорогие фрезеровальношлифовальные инструменты и сводится к минимуму вероятность образования микротрещин.
Поэтому процесс фрезерования «мягкой» керамики должен рассматриваться как преимущественный при изготовлении каркасов протезов.  (Хегенбарт Э.А., 2002).2 2
Тел./факс редакции «МБ»: (495) 6735625, 6733703, 7903699 № 1 (201)  2011
Таблица 5
Автор Материал Количество и протяженность протезов Период Результат наблюдения Sturzenegger B. et al. [60] ZrO
2
22 мостовидных протеза в области жевательной 16 месяцев 100% успешных исходов (DCMsystem) группы зубов протяженностью в три единицы.
Pospiech P. et al. [44] ZrO
2
 (Lava) 21 мостовидных протеза в области жевательной 8 месяцев 100% успешных исходов группы зубов протяженностью в три единицы.
Rinke S. [52] ZrO
2
 (Cercon) 22 мостовидных протеза в области жевательной 12 месяцев 100% успешных исходов группы зубов протяженностью в три единицы.
Tinschert J. [67] ZrO
2
 (DCZirkon) 36 мостовидных протеза в области жевательной 15.5 месяцев 97.5% успешных исходов группы зубов протяженностью в три единицы. 2.5% неудач связано со 10 мостовидных протеза передней группы зубов сколами облицовочного протяженностью в три единицы. материала
Tinschert J. [68] ZrO
2
 (DCZirkon) 65 мостовидных протеза  зубов протяженностью 36 месяцев 86% успешных исходов в три, четыре, пять единиц. 14% неудач связано со сколами облицовочного материала
Zembic I. et al. [54] ZrO
2
58 мостовидных протеза в области жевательной 36 месяцев 83% успешных исходов Sailer I. et al. [82] (Cercon) группы зубов протяженностью в три и пять единиц. 17% неудач связано со сколами облицовочного материала
Bornemann G. et al. [10] ZrO
2
 (Cercon) 44 мостовидных протеза в области жевательной 18 месяцев 96.5% успешных исходов группы зубов протяженностью в три единицы. 3.5% неудач связано 15 мостовидных протеза в области жевательной со сколами облицовочного группы зубов протяженностью в четыре единицы. материала
Vult von Steyern ZrO
2
20 мостовидных протеза в области жевательной 24 месяца 85% успешных исходов P. et al. [73] (DCZirkon) группы зубов протяженностью в три и пять единиц. 15% неудач связано со сколами облицовочного материала
 На настоящий момент на рынке существует множество керамических материалов для облицовки каркасов из диоксида циркония. Все они имеют КТР равный КТР диоксида циркония.
Зачем же нужен новый материал? Ведь на современном рынке их представлены уже десятки?
Но, как сообщают нам  зарубежные авторы, проблема сколов облицовочного материала на каркасах из диоксида циркония является актуальной! И это приводит во многих случаях к отказу от использования диоксида циркония в практике.
Группа научных сотрудников лаборатории материаловедения отдела фундаментальных основ стоматологии НИМСИ совместно с сотрудниками лабораторий ИМЕТ РАН и ИФХЭ РАН работает над модификацией поверхности диоксида циркония для увеличения прочности сцепления облицовочного материала.
Разработка отечественного наноматериала на основе диоксида циркония ведется группой научных сотрудников  «керамистов»  лаборатории материаловедения НИМСИ при МГМСУ в сотрудничестве с институтом металлургии и материаловедения имени Байкова РАН, а также институтом физической химии и электрохимии имени Фрумкина РАН.
Исследование дисперсности облицовочных керамик2 3
№ 1 (201)  2011
Тел./факс редакции «МБ»: (495) 6735625, 6733703, 7903699
Проведено исследование облицовочных керамик для определения наиболее опимального размера керамических частиц, исследовались 6 различных керамических масс:
   * Сегсоп Сегаm
   * Initial ZR
   * IPS е.mах Сегаm
   * Lava Сегаm
   * Vintage ZR
   * VМ9
Исследование проводилось в лаборатории Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова на лазерном микроанализаторе размеров частиц Аnalyzette 22 NanoТес.
Выводы
   * Преобладают частицы от 20 до 50 мкм.
   * Далее встречаются частицы 50—100, 10—20 и 5—10 мкм.
   * Только 3 из 12 изученных масс содержат частицы размером от 100 до 200 мкм с наибольшим содержанием (12,2%) в эмалевой массе Сегсоп Сегаm.
Исследование краевого прилегания
Были изготовлены образцы каркасов и готовых коронок из трех диоксидциркониевых керамик на металлических и гипсовых штампиках по технологиии, рекомендованной фирмамиизготовителями, после чего отдавливались силиконовые пленки и при помощи электронного микроскопа замерялась их толщина
* IPS E.max Ceram каркас,
* IPS E.max ZirPress каркас,
* Initial Zr каркас,
* IPS E.max Ceram готовая коронка,
* IPS E.max ZirPress готовая коронка,
* Initial Zr готовая коронка
Выводы
Лучшие результаты краевого прилегания показала прессованная керамика.
Разработка отечественного керамического материала на основе диоксида циркония Группой сотрудников лаборатории в сотрудничестве с институтом металлургии и материаловедения имени Байкова РАН, а также институтом физической химии и электрохимии имени Фрумкина РАН. Разработана методика ситтеза диоксидциркониевой керамики.
Синтезированы керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов иттрия, иттербия и смеси иттрия с иттербием.
Результаты санитарнохимических и гигиенических испытаний керамики на основе оксида циркония с 3% иттрия и керамики на основе оксида циркония с 3% иттербия показали, что керамика на основе оксида циркония с добавкой иттрия и/или иттербия по токсикологическим и санитарнохимическим показателям отвечает требованиям, предъявляемым к материалам медицинского назначения, нетоксична и отвечает требованиям нормативной документации и может найти применение в качестве материала медицинского назначения.
Метод изучения прочности образцов при изгибе отечественного материала
Таблица 6
Керамическая масса
Методика изготовления IPS e.max ZirPress IPS e.max Ceram Initial Zr среза
На металлическом 2030 μm 3045 μm 2050 μm штампике
На гипсовом штампике 1530 μm 3040 μm 2040 μm
Предел прочности при изгибе
1 подвижный столик;  2 держатель образца;  3 винт для перемещения столика;  4  шток, соединенный  с манометром;
5 исследуемый образец.2 4
Тел./факс редакции «МБ»: (495) 6735625, 6733703, 7903699 № 1 (201)  2011
Как видно из таблицы 8, отечественный материал уступает по показателю прочности при изгибе, но полученные результаты прочности превосходят требования стандарта ISO 68721995 (стоматологическая керамика) в 67 раз, что говорит о пригодности использования отечественного материала для изготовления зубных протезов с точки зрения прочности. Стоит отметить, что показатель трещиностойкости отечественного материала превосходит зарубежные аналоги!
Прочность сцепления облицовочного материала с отечественным диоксидциркониевым каркасом
Устройство для определения  прочности сцепления керамического облицовочного материала с каркасом из диоксида циркония
1 образец с облицовочным материалом,
2 подвижный  шток с клинообразным ножом на конце, соединенный  с манометром.
Прочность сцепления керамической облицовки IPS e.max Ceram с каркасом из отечественного диоксида циркония составляет 2031 Мпа.
Для увеличения прочности сцепления предложено модифицировать поверхность предварительно спеченного диоксида циркония растворами специальных оксидов!
Таблица 7
№ Диоксид циркония Предел прочности при изгибе,
σ МПа
1 ZrO
2
 –Y
2
O
3
600,00 ± 8,25
2 ZrO
2
 –Yb
2
O
3
650,00 ± 7,20
3 ZrO
2
 – Y
2
O
3
 – Yb
2
O
3
700,00 ± 5,67
Изученные физико-механические свойства в сравнении с  зарубежными  аналогами
Таблица 8
Свойства Зарубежные аналоги Отечественный материал
(YTZP: VITA, Ivoclar Vivadent) №1 №2 №3
Плотность, г/см3> 6,00 5,90 5,97 6,00
Пористость, % < 0.1 0,00 0,00 0,01
Прочность на изгиб, МПа 9001200 600 650 700
Трещиностойкость
К
  МПа м
1
910 10 10 17
Коэффициент теплового расширения,
К1х 106
1011 9,5 9,5 10
Исследование супраструктур дентальных имплантов из диоксида циркония
Научным сотрудником лаборатории материаловедения отдела фундаментальных основ стоматологии Хваном В.И. комплексом лабораторных и экспериментальных исследований убедительно доказана возможность и целесообразность использования диоксид циркониевых супраструктур дентальных имплантатов для ортопедического лечения больных зубными протезами.
Устройство для определения предела прочности материалов на изгиб
σизг
 =
3Wl
2bd
2
Результаты исследования
Предел прочности образцов при изгибе, МПа
Материал Образец Среднее
значение
1 2  3  4  5  6  7  8 9 10
Диоксид
циркония 818 837 832 827 838 820 835 840 842 821 831,00 ±6,26
Стекло
волокно 927 931 942 930 938 945 928 933 937 941 935,20 ±5,67
Формула расчета предела прочности при изгибе2 5
№ 1 (201)  2011
Тел./факс редакции «МБ»: (495) 6735625, 6733703, 7903699
Позволяет проверить устойчивость супраструктур к переменным циклическим нагрузкам, что максимально приближено к условиям функционирования  в полости рта.
Результаты исследования
Результаты исследования прочности образцов супраструктур дентальных имплантатов (II тип) при знакопеременных нагрузках
Исследование диоксидциркониевых супраструктур после алмазной обработки и последующей  полировки поверхности
Стекловолоконные, титановые и диоксидцирконивые  супраструктуры подвергались алмазной обработке, а затем полировались соответствующими инструментами, результаты микроскопировали.
   • NTI DiaGlass – для полирования поверхности стекловолокна
• NTI CeraGlaze – для полирования поверхности диоксида циркония
• NTI TitanMaster – для полирования поверхности титана
Аппаратурный метод определения параметров цвета
На супраструктуры из титана, стекловолокна и диоксидациркония изготавливали керамические коронки методом фрезерования из определенного цветового блока с разной толщиной стенок. Спектрометром проверяли конечный цвет зафиксированной реставрации и сравнивали с цветом керамического блока.
Результаты показали, что существенное влияние на параметры цвета, оказывают: материал супраструктуры дентального имплантата и толщина вестибулярной стенки реставрации.
Исследование на циклические нагрузки
Образцы Число циклов, необходимое для Среднее Граница
супраструктур разрушения образца значение разру
дентальных числа шения
имплантатов циклов
Образец Образец Образец Образец Образец
№1 №2 №3 №4 №5
Стекловолокно 621 638 641 633 617 630±12 Супра
«HИKO» струкгура
Диоксид 1921 1908 1927 1902 1917 1915±11 Винт
циркония
«ZIREAL»
Диоксид 1981 1972 1968 1990 1984 1979±10 Винт
циркония
«Сегсоп»
Титановый 1839 1847 1861 1840 1863 1850±13 Винт
сплав
«GingiHue»
№ группы по расцветке Эталон  цвет
«3DMASTER» керамического
блока
0 группа 0М1
1 группа 1М1
2 группа 2М1
3 группа 3М12 6
Тел./факс редакции «МБ»: (495) 6735625, 6733703, 7903699 № 1 (201)  2011
Нами рекомендовано: при изготовлении цельнокерамических реставраций в эстетическизначимой зоне рационально использовать супраструктуры дентальных имплантатов из диоксида циркония.
Применение диоксида циркония в стоматологии
Керамика из диоксида циркония также может использоваться для изготовления каркасов одиночных коронок и мостовидных протезов.
Об этом свидетельствуют множество работ посвященных исследованию прочности мостовидных протезов на основе диоксида циркония in vitro.
Эти исследования показали, что керамика на основе диоксида циркония частично стабилизированного иттрием показала самую высокую механическую прочность и может быть использована для изготовления каркасов цельнокерамических мостовидных протезов.
Первые клинические результаты, полученные стоматологической клиникой Цюрихского университета, подтвердили хорошую прочность изготовленных протезов из диоксида циркония стабилизированного иттрием (YTZP). С помощью технологии DCMSystem® (фирма Degussa Dental, Германия) были изготовлены 22 мостовидных протеза в области жевательной группы зубов протяженностью в три единицы. Сообщалось о 100% частоте успеха в течение периода наблюдения от 307 до 488 дней.
Недостаток диоксидциркониевых протезов облицованных стеклокерамикой
Наиболее частым осложнением являются сколы керамического покрытия
Перспективное решение проблемы сколов керамического покрытия
Для сведения к нулю риска сколов керамического покрытия перспективно изготавливать цельноанатомические коронки и делом прочности на изгиб, то и риск сколов практически отсутствует. Такие коронки индивидуализируются методом окрашивания. Однако высокая микротвердость диоксидциркониевой керамики может привести к чрезмерной стираемости зубов – антогинистов. В этом случае отечественный материал наиболее перспективен, так как его микротвердость ниже зарубежных аналогов.
 Применение диоксида циркония в стоматологии в качестве дентальных имплантатов
Kohal R. и Klaus G. (2004) представили первый клинический случай использования цельнокерамической системы имплантат коронка  из диоксида циркония для замещения дефекта при отсутствии одного зуба.
Остеоинтеграция имплантата в данном случае была достигнута.
Sturzenegger et al. 2000; Tinschert et al. 20062 7
№ 1 (201)  2011
Тел./факс редакции «МБ»: (495) 6735625, 6733703, 7903699
Источник: Albrektsson et al. 1985; Akagawa et al. 1993,1998; Kohal RJ, Klaus G 2004; Sennerby  et al. 2005;
Volz U, Blaschke C 2004
Имплантаты из диоксида циркония, частично стабилизированного иттрием (YTZP), использовались в основном только экспериментально.
Но Kohal R. и Klaus G. (2004) представили первый клинический случай использования  цельнокерамической системы имплантат коронка  из диоксида циркония для замещения дефекта при отсутствии одного зуба. Остеоинтеграция имплантата в данном случае была достигнута.
Однако отдаленных результатов в 15 20 лет еще не получено.

Поделитесь статьей
#
Другие вопросы этого раздела
Запись на приём

Ваша заявка принята

В ближайшее время с вами свяжется наш менеджер

X
Яндекс.Метрика