Керамика на основе диоксида циркония

Керамика на основе диоксида циркония. Достижения и перспективы.

С.М.Вафин, зав. лабораторией материаловедения, к.м.н. В.И.Хван, научный сотрудник, к.м.н. НИМСИ при МГМСУ

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. 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),
- 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 1070оС до 100оС и сопровождается увеличением объема на 3-4%.

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). Из-за 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).

Наиболее полезные механические свойства могут быть получены, когда диоксид циркония будет находиться в многофазном состоянии. Стабилизаторы позволяют получить многофазный материал при комнатной температуре, в которой кубическая (С) главная фаза, а моноклинная (М) и тетрагональная (Т) - второстепенные фазы. Добавление примерно 2-3% моль иттрия (Y2O3) в качестве стабилизирующего агента к диоксиду циркония позволяет получать керамический материал, состоящий из 100% мелких метастабильных тетрагональных частиц Y-TZP (Yttrium-Tetragonal 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 3-5%, 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 (Y-TZP) используются для изготовления каркасов одиночных коронок и мостовидных протезов. Изготовление изделия осуществляется фрезеровочным аппаратом CAD/CAM-системы в автоматическом режиме. Керамические заготовки могут быть отфрезерованы в предварительно спеченном и полностью спеченном состоянии.

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 (Y-TZP) 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 Y-TZP-керамика («мягкий» циркон) легче поддается механической обработке, что сокращает затраты времени на изготовление изделия, экономит дорогие фрезеровально-шлифовальные инструменты и сводится к минимуму вероятность образования микротрещин. Поэтому процесс фрезерования «мягкой» керамики должен рассматриваться как преимущественный при изготовлении каркасов протезов.