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氧化锆陶瓷将走向何方? —氧化锆修复体应用的现状和未来(I)
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近年来,氧化锆陶瓷在牙科修复领域应用中脱颖而出。关于氧化锆陶瓷材料可用性以及生产途径的知识对于正确使用氧化锆陶瓷材料来说至关重要。文章将聚焦氧化锆陶瓷的烧结工艺流程,对氧化锆陶瓷在牙科领域中的应用现状和未来进行概述。本文分为两部分,此篇为第一部分。

关键词:氧化锆,烧结,弯曲强度,半透明度,断裂载荷



前言

现今,陶瓷修复体因其出色的美观性和良好的生物相容性而越来越受到牙科业者和患者的欢迎。氧化锆陶瓷在大约二十五年前问世,发展迅速,现在不仅可以用作基底/桥架材料,而且还可以用来制作单一材料修复体(无饰瓷,由一种材料制成)。全锆修复体的使用,主要是归因于氧化锆陶瓷光学/美学性能的提高,尤其重要的是,这种陶瓷材料具备良好的机械性能。图1至图6展示了一个由氧化锆陶瓷制成的全锆修复体病例。



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图1:病例1:二区全锆种植桥-软组织水平种植体(Staumann公司,瑞士)。


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图2病例1:二区全锆种植桥-带有愈合基台的种植体。


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图3病例1:二区全锆种植桥-数字化印模。


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图4病例1:二区全锆种植桥-种植桥口外照。


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图5病例1:二区全锆种植桥-就位后的种植桥(咬合面视图)。


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图6:病例1:二区全锆种植桥-就位后的种植桥(颊侧面视图)。



氧化锆及历代的氧化锆陶瓷材料


氧化锆通常处于三种不同的状态:单斜晶、四方晶和立方晶。在环境温度低于1170 °C时,氧化锆呈单斜晶相状态存在。四方晶相存在的环境温度在1170 °C至2370 °C之间,立方晶相则存在于高于2370 °C的温度环境中。氧化锆陶瓷在冷却过程中由四方晶相转变为单斜晶相,称为马氏体相变。陶瓷的晶体内结构变化会导致陶瓷体积增大大约3-5%。陶瓷体积的增加可引起陶瓷内应力的增高,进而陶瓷会产生裂纹。为了防止这种情况的发生,可以添加具有稳定性作用的氧化物(如氧化镁、氧化钙、三氧化二钇),将氧化锆完全稳定(4Y-TZP或5Y-TZP)或部分稳定(3Y-TZP)。这可以有效防止这些不良相变的发生。牙科中最常用的氧化物是氧化钇(Y-TZP)。

为改善氧化锆陶瓷的性能,并且在保持同等的弯曲强度和断裂载荷的同时,使材料具有更高的半透明度,对陶瓷材料进行了基于分子水平的优化,并对晶体结构进行了改性。随着时光的流逝,已经生产出了几代的钇稳定氧化锆材料(Y-TZP)。

第一代氧化锆陶瓷(3Y-TZP)在较高的不透明度基础上,具有很高的抗弯强度(见表1)。由于材料的半透明度低,需要用美学效果更好的玻璃陶瓷做饰瓷。但是,与金属烤瓷冠相比,其饰瓷崩脱率(崩瓷)更高。以下这些方法可以减少崩瓷的发生:借助于解剖式氧化锆基底的设计,保证饰瓷有均匀的厚度;以及在饰瓷烧制过程中降温至玻璃化温度(即650至450 °C),期间降低冷却速率。用CAD/CAM制作饰面,通过附熔或粘接固定到氧化锆基底上也可以降低崩瓷率,并且总体机械性能更佳。


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表1各代氧化锆陶瓷材料的特性

通过对钇稳定氧化锆陶瓷Y-TZP的不断开发,随着全解剖形态的全锆修复体的应用,崩瓷的问题得以避免。最初,人们曾尝试通过更高的烧结温度和增大氧化锆修复体吸收的总热量(增大的烧结曲线下面积),来实现更高的半透明度。然而,尽管获得了更好的美学效果,但3Y-TZP陶瓷却快速达到了其特定的材料极限,因为研究发现,陶瓷的强度从1600 °C开始降低。

2012至2013年间推出了第二代氧化锆陶瓷。这期间,研究发现了另一种通过分子水平的改变以提高材料半透明度的可能性。氧化铝颗粒(Al2O3)的数量和晶粒大小都得以减少,并且它们排列在氧化锆颗粒的晶界处。与第一代氧化锆陶瓷相比,第二代氧化锆陶瓷能够同时获得更高的半透明度和强度。

第三代氧化锆陶瓷于2015年问世,在第二代的基础上进一步提高了半透明度。为此,氧化钇的含量增加到5mol%(5Y-TZP)。通过这种改变,陶瓷的氧化锆立方晶相增加到大约53%。基于新的结构,这一代陶瓷被称为完全稳定的氧化锆材料。由于陶瓷处于完全稳定状态,因此不会产生因从四方晶相到单斜晶相相变所引发的应力。这些特点在陶瓷的断裂载荷值中得到反映(表1)。另外,第三代氧化锆陶瓷的机械性能比起前两代陶瓷有所降低。

2017年5Y-TZP陶瓷经不断优化,发展成为4Y-TZP陶瓷。通过将氧化钇含量降低到4%mol%,氧化锆陶瓷的机械性得以再次提高,而同时半透明度仅稍有下降。第四代氧化锆陶瓷于2017年进入牙科市场。

图7中展示了氧化锆陶瓷的各代产品。表2中列举了各代氧化锆陶瓷的代表产品名录。


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图7由不同陶瓷材料制作的前磨牙全锆修复体的比较:第一代氧化锆陶瓷,第二代氧化锆陶瓷,第三代氧化锆陶瓷,玻璃陶瓷HT,玻璃陶瓷LT(从左到右排列)。


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表2各代氧化锆陶瓷材料举例

通过一些创新的改良方法,能够进一步改善材料的光学性能。一种方法是使用多层色瓷块。从牙咬合面到牙颈部依次层叠的铣削材料盘和铣削材料块的颜色依次加深,以实现最佳的美学效果。另外,多层色铣削瓷块提供了另一种可能,即充分利用各代陶瓷的自身优势特性,例如IPS e.max ZirCAD MT Multi(Ivoclar Vivadent公司,列支敦士登)。在瓷块外层,采用基于5Y-TZP的料块,而在内层,也相当于基底层的区域,采用机械性稳定的4Y-TZP的料块。这样可以更好的模拟天然牙体组织结构。另一个例子是Ivoclar Vivadent公司用3Y-TZP和5Y-TZP制成的新型IPS e.max ZirCAD Prime氧化锆瓷块。在这里,渐变技术彰显出颜色和半透明度的自然过渡。通过渐变理念将修复体的光学和机械性能正确地定位在氧化锆瓷块中,尤为重要。图8展示了由IPS e.max ZirCAD Prime材料制成的牙桥,这些牙桥在圆形瓷块内以不同高度进行定位,并制作完成。在这里可以看到牙桥修复体的光学效果差异(半透明度),可见最佳的选材定位的重要性。

在图9至图12中展示了一个临床实例:通过ZirCAD Prime牙桥修复了一个第二象限中的缺牙间隙。

另一个重要的影响因素是烧结工艺。根据烧结时间和烧结温度,可以进一步提高氧化锆陶瓷的机械和光学性能。


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图8:IPS e.max ZirCAD Prime陶瓷牙桥修复体,修复体在氧化锆瓷块内以三个不同的高度进行定位,并制作完成(作品制作者:Josef Schweiger,ZTM Clemens Schwerin)。


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图9病例2:由氧化锆陶瓷IPS e.max ZirCAD Prime制作的全锆桥修复体-初始状况。


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图10病例2:由氧化锆陶瓷IPS e.max ZirCAD Prime制作的全锆桥修复体-模型上的牙桥修复体俯视图(作品制作者:Josef Schweiger)。


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图11病例2:由氧化锆陶瓷IPS e.max ZirCAD Prime制作的全锆桥修复体-就位后的牙桥修复体咬合面视图(作品制作者:Josef Schweiger)。


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图12:病例2:由氧化锆陶瓷IPS e.max ZirCAD Prime制作的全锆桥修复体-就位后的牙桥修复体颊侧面视图(作品制作者:Josef Schweiger)。




氧化锆陶瓷的烧结


研磨铣削后的氧化锆陶瓷修复体必须进行烧结才能获得其最终性能。烧结被定义为这样一种工艺流程:陶瓷粉末或粉末压缩颗粒在高热以及其它的工艺参数,如机械压力的条件下,被压制成所需的形状。

借助CAD/CAM技术可以从预烧结的坯料中铣削出氧化锆修复体。随后修复体通过烧结达到最终的密度和强度。经过这个流程,修复体将收缩20%至30%。这个流程在过去非常耗时,烧结修复体会花费几个小时;而今天,创新技术可以强有力地加快这一过程。




快速和高速烧结
患者和牙医都希望能尽快得到制作完成的修复体,最好是一次就诊即可完成,这使得有必要进一步开发义齿的制作方法。今天,按照新的烧结操作手册操作可以大大加快这一流程。
现以Sirona Dental Systems公司(德国)的CEREC SpeedFire烧结炉举例说明高速烧结工艺。它采用的电磁感应技术仅需10到20分钟即可完成小修复体的烧结。CEREC SpeedFire烧结炉烧结时间的缩短,也归功于加热技术的进一步发展。该烧结炉使用陶瓷圆柱加热元器件,以确保将理想的热量辐射到煅烧室中。其它快速烧结炉的最高加热速率约为每分钟100 °C,而CEREC SpeedFire的最高加热速率为每分钟300 °C,且不需要预热或保温。另外,也可以对预烧结的材料进行干燥铣削,无需长时间干燥,从而缩短了烧结时间。在IDS 2019年的世界牙科展会上推出了一种新一代的高速烧结工艺(代表材料Ceramill Therm RS; Amann Girrbach公司,奥地利)。

这些烧结参数上的创新性改变能够缩短修复体制作的时间。同时也需要监测,这些改变对快速和高速烧结所得的Y-TZP类陶瓷机械和光学性能的影响。目前,仅允许快速烧结一到三个单位由专门为该技术研发的材料制成的修复体。


作者:

Xenia Antón (德国)

德国慕尼黑大学附属医院义齿修复科


Bogna Stawarczyk教授 (德国)

德国慕尼黑大学附属医院义齿修复科


Tim Joda教授 (瑞士)

瑞士巴塞尔大学口腔医学中心


Anja Liebermann教授 (瑞士)

瑞士巴塞尔大学口腔医学中心


本文选自《QUINTESSENZ ZAHNTECHIK》2020;46(7):754-765



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