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牙科CAD/CAM材料综述(德)
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作者:
Andreas Kurbad 博士(德)
Viersener Straße 15
41751 Viersen
info@kurbad.de

可切削性对于CAD/CAM材料至关重要。它们可以通过减材制造方法得到很好的加工,这些材料类型不同,弯曲强度和美观性也不同。本文将全面探讨这些不同类别的材料(如陶瓷、氧化锆、聚合物、复合材料和混合瓷),及其加工方式和美学潜力。最后,通过一个具体病例展示第三代氧化锆冠代替金属烤瓷冠所带来的美学效果。

关键词:CAD/CAM、陶瓷、氧化锆、聚合物、复合材料和混合瓷


导言

在口腔领域,CAD/CAM技术的应用始终与材料问题密切相关。无论临床还是牙科工艺都存在各种协同作用,因此可以想象,特殊材料类型的引入势必会带来相关机械加工技术的出现,例如氧化锆。并且,材料领域的根本变革还尚未结束。

虽然最初人们对整个过程的意义和可靠性存在疑问,但如今CAD/CAM技术已经成为牙科领域不可或缺的一部分。其出现以来引发了整个行业彻底的结构改造。不过,这些变化的速度和维度也带来了适用范围和制造问题的不确定性。

最重要的是,无论何种治疗形式都要为患者提供安全性,因为医疗不是高科技产品的试验地。在材料领域,这意味着首先要清楚地了解所有生物学特性。此外,经得起长期考验也是一个根本要素,因为任何被炒作起来的新东西,都会很快被遗忘。哪些基于CAD/CAM的治疗形式真正有十年的结果?可以肯定的是,要想取得进步需要一些勇气。

因此,负责任地使用新材料需要对其性能进行可靠的测试,并确切了解由此所产生的要求,例如遵循最小的材料厚度。重要的是,要精确地描述和规范制造过程并遵守这些规则。而这需要在上市前进行全面的临床试验和长期监控的承诺。


集成到不同系统中

在现有的众多材料以及加工系统中,某些标准是必不可少的。封闭系统通过一种加密方式排除了未经验证材料的使用。这在规定的操作范围内为用户提供高度安全性这一点上,封闭系统具有可靠性。制造商和实验上的责任基本被排除在外。然而,在快速发展的过程中,这种系统就显示了局限性。因此,开放系统显然是发展趋势。

首先,这意味着供应商必须将其材料以一种能够适合尽可能多的设备以及被它们所接受的形式提供。这包括设施的规格和类型。对于规格,机械功能和机器尺寸是决定性的。这其中有两个方面:一方面,设备的使用能够尽其所能。例如,在极端情况下,空间条件必须适应设备,因为它可能无法通过人力运输。此外,在成本方面,这些设备作为大型设施多为铣削中心拥有。而对于大多数的中小企业而言,小尺寸、易用、无需额外安装的自主操作设备更为重要。

对于小型机器,适合夹具的安装柄是固定材料的一种简便方法。与柄连接的材料数量非常多(图1)。修复体大小还是集中在单颗牙上。加工方法也在这里发挥作用。有些类型的材料可以被加工成任何尺寸非常复杂的形态。例如玻璃陶瓷,毫无疑问可以适用于制作大部分的修复体。与安装柄固定的材料通常以块状形式存在。但不幸的是,在该领域还没有为材料柄设立标准。这取决于夹具的要求,而这又在很大程度上取决于系统被使用的广度。例如,CEREC系统(登士柏西诺德,奥地利)的材料柄很常见,它具有很高的使用率,这就是为什么配置这种柄的材料数量很高的原因。据作者所知,这种柄的使用不再受专利的限制,可供所有制造商免费使用。

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图1:材料块安装柄示例。

然而,坯料/块的尺寸局限于材料柄的安装形状,这主要是由于机械原因。其固位面最终不足以允许无限制的材料尺寸。偏离夹持部位的区域发生的振动难以控制。这些材料块的常规尺寸(12×14×18mm - C14)主要满足单冠的制作。此外,40mm是一种通用标准,也可以满足典型的修复体(三单位固定桥)制作。大的尺寸可达85mm,但极为罕见。材料块通常在制作完一个修复体后,就废弃了。

第二种经典的牙科CAD/CAM材料呈现的形式是Ronde。从名称可以推断出,材料是圆形或牙弓形,并且适合于配套的材料托。典型类型有98mm带有台阶、95mm ZZ系统(Zirkonzahn,意大利)和72mm牙弓形(阿曼吉尔巴赫,奥地利)(图2)。与块状相比,这种类型固定明显更安全。盘状材料可以制作牙弓内跨度较大的修复体,并且在直径方面根据口腔情况制作所需的修复体。

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图2:Ronde(盘状)材料块的典型形状。

某些材料类型很难以这种尺寸生产,而有些类型的材料价格又很高。因此,氧化锆和聚合物基材料先以盘状被提供给市场。不言而喻,由于机械原因,用于加工这种材料的机器也会稍大一些。在一个材料盘上,大多数情况下都可以加工不止一个修复体,因此这就要求进行一定的合理安排。

与块状的情况一样,接收这种形状的机器也存在不同的系统,但其数量有限。然而,有一致的标准还是可取的。有一些令人感兴趣的方法可以优化盘状材料的安装。例如通过环或者底座,与氧化锆之类的材料相比,夹紧时不容易破裂;另一方面出于合理安排的目的也能够更好地被使用(材料名称,内部块码)(图3)。

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图3:边缘区域的创新改进改善了操作性和材料安排。


材料类型和特性

一般性考虑


CAD/CAM材料的决定性特点在于其可加工性。不过,在未来,随着3D打印的建立,这种要求将会发生改变。由于目前铣削加工方法仍然占主要地位,因此下面探讨的将是与这种技术相关的材料。其中涉及的一个问题是,是否能够以合理的方式加工所需材料。对于一些材料类型,例如氧化锆和钴铬合金,采用了一种权变措施,也就是首先以一种较软的状态被切削,然后经过进一步的处理使它们获得最终的强度。但是,这可能也会伴随不利的现象,例如烧结收缩。另外,这种直接切削出来的修复体无法用于试戴。

加工过程中的供能造成的损坏取决于材料脆性。主要的影响表现在薄弱区域的崩裂,例如修复体边缘,这势必会造成密合度受损。在这种情况下必须减少供能,因此就引发了对另一个问题的思考:加工时间。由于只能制作一个修复体件,而在此期间机器不能他用。因此,就应尽可能地缩短加工时间。

关于材料特性,还有另一个非常重要的方面:加工类型。在铣削模式下,对于非常坚硬的材料的加工需要使用金刚砂工具(图4)。而且还需要在湿加工模式下,进行加工件的冷却和去除多余部分。相反,前述的权益方法通常可以采用干加工方式(图5)。相应地,硬质合金刀具则是必需的,它可以吸掉过剩的碳化物。为了覆盖这两种技术,需要两种不同的铣削设备或者一种组合设备。在组合设备方面也需要折衷方案,以减少不同模式之间转换所带来的干扰。

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图4:用于湿加工模式的金刚砂磨头的典型示例。

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图5:硬质合金刀具用于加工硬度较低的工件。

除了纯粹的物理特性外,光学效果也是要考虑的一个因素,因此材料的选择很重要。特别是在CAD/CAM加工的材料中,单层材料结构的修复体的制作越来越多,其一方面减少了人工操作;另一方面,在许多情况下可以确保更高的稳定性。因此,今天对于材料而言很重要的一点是,具有足够光学性能的材料可以用于制作单层结构修复体(图6)。

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图6:不同材料类别(透明度和荧光)之间以及与天然牙齿(左侧)的光学特性对比。

基于这一考虑,玻璃陶瓷材料理所当然地成为首选材料。总的来说,到目前为止我们将最重要的陶瓷材料主要区分为两大类——玻璃陶瓷和氧化物陶瓷。虽然玻璃陶瓷还被进一步地分为经典型(长石)和增强型(白榴石/硅酸锂和二硅酸锂)玻璃陶瓷,但氧化锆在氧化物陶瓷组中仍占主导地位。


玻璃陶瓷

迄今为止,玻璃陶瓷具有最大的美学潜力。它们最大的缺点是脆性和低强度。近几年,应用硅酸锂,特别是二硅酸锂材料已经取得了很大的进展(图7)。它们是制作高度美学的单层结构修复体的主要材料来源。它们可以被制成带有颜色梯度的瓷块,甚至可以三维排列颜色,并且在设计软件适当的支持下,能够获得出色的结果。不过除了少数例外,应用领域还仅限于单颗牙修复。因此,出于制造原因,这些材料只能以块状被使用。在磨削时,需要使用金刚砂刀具,且在水冷却下进行。

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图7:IPS e.max® CAD(义获嘉伟瓦登特)二硅酸锂陶瓷基于其强度和美观性的成功结合,使其在牙科CAD/CAM系统的建立中占有很大的份额。

在正确使用下,CAD/CAM修复体的长期存活率已得到充分证明,并且所选材料类型也代表了黄金标准。


氧化锆(氧化物陶瓷)

在整个CAD/CAM材料范围内氧化锆具有最高的强度,因此对于该领域来说这是一个机遇。它主要基于CAD/CAM技术在牙科领域获得成功。除了高强度外,材料价格低廉且使用几乎无限制(图8)也是它的优点。缺点是难以在最终状态下被加工,因此以预烧结状态被切削成放大的形状,之后再做结晶烧结。通过在干加工模式下用硬质合金进行切削。另一个缺点则是这种材料的光学性能不令人满意。经典形式的氧化锆对于单层结构修复体来说太不透明了,需要额外进行饰瓷,但这又意味着需要付出更多的工作,而且还会导致产生其他的风险(崩瓷)。

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图8:二氧化锆块的典型示例。

出于这一原因,并且为了在不用改变到湿模式(也就是,无需额外的设备技术要求)的情况下制作美学修复体,工业上又在探索新的方法或者做进一步的改进。首先,他们尝试开发含有一定氧化铝成分的材料。所谓的第二代材料具有相似的强度,透明度稍微得到提高。在进一步的研究(第三代)中,钇含量的改变使透光度增加,但也出现了不必要的副作用——材料强度显著下降(图9)。而且第三代材料应用的修复体范围也可以被二硅酸锂陶瓷(具有更好的美观性)覆盖。当然美学氧化锆的优点是,在技工室可以保留经典的制作方法。

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图9:由于美观性得到改善,因此第3代氧化锆也可以不用饰瓷(单层结构修复体)。

在改善美观性和用户友好性方面的另一个探索是染色策略的变化。氧化锆本身是雪白色的,具有珠光表面效果。为了与天然牙齿更加相似,开发了不同的染色方案(浸染和涂刷)。目前几乎所有的材料都由制造商进行了预染色,甚至还提供了配套的比色板。颜色渐变(多层色)也很有帮助。

氧化锆材料既可以块状也可以盘状被使用。对牙科技工室来说,后者是更便宜的选择,而且能够制作跨度更大的修复体。

经典的氧化锆(第1代)已被证明可获得长期的广泛结果。从根本上来看,这是有前景的,但是不能忽视饰面崩瓷问题,因为这会严重影响对这种修复体的整体印象。对于第二代,特别是第三代,还没有真正的长期结果。而第三代材料,由于其强度较低,必须预期可能会出现的失败。


聚合物材料

基于CAD/CAM加工的聚合物材料出现的时间还比较短,但已经得到很大范围的使用。这是因为,对比传统制作的修复体,工业制造的聚合物具备更好的材料特性,因此可以在口内保持多年。这类材料既可以进行研磨(湿加工)也可以铣削(湿和干加工),其中,更明显偏向使用铣削加工。因其具有低硬度和高弹性的特点,因而可以更容易和快速地加工聚合物。从逻辑上讲,它们既可以作为块状也可以作为盘状被使用(图10)。

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图10:由PMMA制成的材料块在聚合物材料类别中起着最重要的作用。它们可用于多种不同的治疗目的。

聚合物能够满足相对高的美观性标准,特别是它们也可以有带颜色梯度(多层)的产品。其主要应用于长期临时修复体和试戴修复体。近几年,通过CAD软件中增加的设计选择,这类材料也被用于制作垫和功能托盘等。同样相对较新的应用是在数字化支持的全口义齿领域。

材料技术基础主要是PMMA。同时,其他聚合物也正在被测试用于牙科CAD/CAM技术(图11)。其中的一个代表是聚碳酸酯。尽管这种高耐抗性树脂难以加工,但它可以提供许多新的应用。PEEK在技术领域是众所周知的,现在也被用于牙科领域,这种材料需要做到无困难的加工同时还要在美学上允许一定的妥协。当然,它们还在获得进一步的快速研发和改进。因此,这一领域仍然具有很大的吸引力。

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图11:聚合物的新类型在未来可以用于多种适应证。

由于在口内保持的时间相对较短,因此该材料类不需要长期经验。对材料和生物特性方面的研究非常具有说服力了。


金属

还有一些适用范围,例如在种植修复领域,金属基底架是最好的解决方案。因此,这类材料也可用于CAD/CAM技术中。但是,它们难以加工,建议用于金属切削的设备不要用于陶瓷加工(氧化锆)。因此,金属切削的工作更适合于铣削中心。从逻辑上讲,金属主要是以盘状(Ronde)   形式被使用。钴铬基烧结结构的特殊形状也可以块状形式被应用。除钴铬合金外,钛制盘状材料也被用于切削技术。此外,还有一种类型就是所谓的预成型件,也适用于种植领域,只需对其做个性化的处理。


其他材料

实际上,所有适用于CAD/CAM加工的材料都可以被应用于很多方面(图12)。值得注意的是,盘状蜡可用于熔融技术或者试戴。对于后者,还提供由PUR制成的铣削体。对于这一组材料不做进一步的讨论。

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图12:可切削坯料还可以选择蜡或者PUR类材料,它们也被用于很多方面,例如作为价格低廉的材料被用于试戴。


复合材料和混合材料

最后,这里还要介绍一组相对较新的材料,它们有可能会改变材料的总体排名。在前面的内容里我们已经看到,所有材料类型都有非常具体的优点和缺点。因此,工业上想通过聚合物和陶瓷的结合,尝试着将这两类材料最好的优点结合起来。

几十年来,复合材料一直在牙科中被用于直接的充填治疗。它们显示出令人信服的结果,是许多适应证的首选材料。然而,这类材料也存在一些缺点,例如聚合收缩和相对快速的老化。如果采用CAD/CAM技术加工这种材料,则这两个缺点都将被消除。没有收缩,是因为材料已经在最终聚合状态下被加工。老化主要是由于化学结构中妥协的结果,因为充填(修复)牙齿的复合材料,尽管条件困难,也必须在口腔内固化。相比之下,用于CAD/CAM加工的复合材料是在最佳条件下由工业制造的,从而极大地改善了材料质量(图13)。

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图13:近年来进入市场的各种复合材料和混合材料,显示出巨大的发展势头。

与复合材料不同,混合材料类基于粉末状陶瓷基质,陶瓷网由一种聚合物渗透(VITA ENAMIC®,维他,德国)。这类混合陶瓷已显示出一些有前景的新性能。与陶瓷相比,它们的加工容易而快速,且优选湿加工模式。由于具备了聚合物的弹性优点,因此研磨结果在边缘质量方面是无与伦比的(图14)。

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图14:混合材料的边缘质量为机械加工修复体领域树立了新标准。

这种材料美观性很高,有时甚至可以作为多层材料使用(图15)。单层结构的修复体并不复杂,只需要做很少的后续处理。材料可以块状或盘状被使用(图16)。对于较大的多单位修复体的适用性尚未得到充分验证。当然,还应该注意的是,它们还缺乏临床上长期的结果数据。不过,第一批结果还是非常令人满意的。

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图15:基于良好的美学特性,复合材料和混合材料得到最佳的使用/定位。

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图16:这类材料的盘状形式目前还没有得到更大的推广,但有可能会影响未来CAD/CAM制作的修复体。

另一个令人感兴趣的方面是,这种材料制成的修复体可以通过粘接处理的光固化复合树脂进行个性化的修整。通过这种方式,即使修复体戴入口内后,也同样可以进行口内的修改或者必要时同样地进行修理。


患者病例

作为使用CAD/CAM材料的临床实例,这里使用的是新的美学第三代氧化锆Katana(Kuraray Noritake,日本)。这种材料具有不同的透明度和多层类型。

一名40岁女性患者的46号牙齿因其远中继发龋而不得不将上面一个约20年的金属烤瓷冠拆除(图18)。取下冠后,去除继发龋的龋坏组织并充填(图19)。已经存在的轻微凹弧肩台被改善。使用排龈线后,口内扫描获取数字化印模(图20)。光学印模被发送给技工室做进一步的处理。使用inLab设计软件设计冠修复体(图21),并在inLab X5设备上切削出冠(图22)。冠形态修整后,进行结晶烧结 (图23)。烧结后,用CERABIEN ZR(Kuraray Noritake)进行个性化处理、染色和上釉(CERABIEN ZR)(图24)。

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图17:重新治疗远中继发龋。

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图18:旧冠拆除后,去除龋坏组织,重新充填,修整改善凹弧形的预备体边缘。

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图19:排龈线使用后,用CEREC AC Omnicam 口内扫描仪(登士柏西诺德)获取口内光学印模,然后将数据发送给技工室。

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图20:使用技工室CAD软件(登士柏西诺德)设计新的冠修复体。

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图21:使用inLab X5铣削设备(登士柏西诺德)切削Katana STML Ronde瓷块制作修复体。

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图22:结晶烧结前,用硬质合金钻做轻度修改。

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图23:结晶烧结后的冠。

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图24:在Programmat S1 结晶炉(义获嘉伟瓦登特)内烧结后,对冠进行染色和上釉(CERABIEN ZR, Kuraray Noritake)。

在患者口内试戴冠。无论是适合性还是美观性方面,均无异议(图25)。冠组织面做喷砂处理,并涂布Clearἀl Ceramic Primer Plus(Kuraray Noritake)预处理剂(图26)。然后用Panavia V5(Kuraray Noritake)粘接固定(图27)。结果表明,使用现代CAD/CAM材料能够以简单的工作流程获得功能和美学兼具的修复结果(图28)。

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图25:照片显示了,完成的Katana STML冠与更加透明的Katana UTML的对比。

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图26:粘接前,对冠的组织面进行喷砂处理及涂刷Clearἀl Ceramic Primer Plus预处理剂(Kuraray Noritake)。

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图27:然后使用Panavia V5粘接剂(Kuraray Noritake)。

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图28:利用现代CAD/CAM材料能够以简单的工作流程实现功能与美观性兼具的修复结果。


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