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—氧化锆全瓷牙修复体应用的现状和未来
东莞固德口腔种植    时间:2021-05-05 20:04    在线预约/咨询专家    进入专家咨询区
 





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。

本文分为两部分推送,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。





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)。
 





图2:病例1:二区全锆种植桥-带有愈合基台的种植体。
 





图3:病例1:二区全锆种植桥-数字化印模。
 





图4:病例1:二区全锆种植桥-种植桥口外照。





图5:病例1:二区全锆种植桥-就位后的种植桥(咬合面视图)。
 





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。
 





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。
 





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)。
 





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IPSe.maxZirCADMTMulti(IvoclarVivadent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IvoclarVivadent公司用3Y-TZP和5Y-TZP制成的新型IPSe.maxZirCADPrime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IPSe.maxZirCADPrime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ZirCADPrime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。
 





图8:IPSe.maxZirCADPrime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:JosefSchweiger,ZTMClemensSchwerin)。
 





图9:病例2:由氧化锆陶瓷IPSe.maxZirCADPrime制作的全锆桥修复体-初始状况。
 





图10:病例2:由氧化锆陶瓷IPSe.maxZirCADPrime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:JosefSchweiger)。
 





图11:病例2:由氧化锆陶瓷IPSe.maxZirCADPrime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:JosefSchweiger)。
 





图12:病例2:由氧化锆陶瓷IPSe.maxZirCADPrime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:JosefSchweiger)。
 

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SironaDentalSystems公司(德国)的CERECSpeedFire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。

CERECSpeedFire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CERECSpeedFire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IDS2019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CeramillThermRS;AmannGirrbach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。







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。


文章分为两部分推送,此篇为第二部分。
 

关键词:氧化锆,烧结,弯曲强度,半透明度,断裂载荷

烧结参数比较

传统的烧结工艺需要4到10个小时,这取决于所使用的烧结炉和需要烧结的修复体的大小。

必须通过每分钟低于30°C的缓慢升温和冷却阶段,以及保温,使陶瓷达到正确的温度。

快速烧结工艺的烧结时间可以减少到四个小时内。

在烧结炉中的保温时间可以缩减到30至60分钟左右,加热速率可加快到每分钟100°C。
 

借助高速烧结工艺可以更快地完成瓷修复体加工。

在这里,单牙修复体的烧结时间只需要几分钟。

将陶瓷修复体在烧结炉中烧制一小段时间后(取决于所使用的烧结炉设备和修复体的大小)可以直接取出,这也省去了冷却阶段。

表3中罗列出了各种烧结工艺流程;图13和14中展示了照片。

关于烧结时间对氧化锆陶瓷机械性能的影响,也有各种研究进行了探索。
 

为使用这些更快的烧结工艺,需要新的快速或者高速烧结炉。

所选示例汇总在表4中。
 





图13:各种烧结工艺中的最长保温时间,最快的升温速率,最长的总烧结时间。

横轴:最长保温时间(min),最高加热升温速率(°C/min),最长总烧结时间(min)蓝色:传统烧结工艺,红色:快速烧结工艺,绿色:高速烧结工艺。
 





图14:各种烧结工艺中的最高温度。

横轴:传统烧结工艺,快速烧结工艺,高速烧结工艺;纵轴:最高温度的平均值(°C)





表3:不同的烧结工艺的参数比较





表4:来自不同制造商的高速和快速烧结炉

烧结温度对Y-TZP陶瓷性能影响的科学研究数据

以3Y-TZP陶瓷ICEZirkon为例(Zirkonzahn公司,意大利),在升温加热时间3小时和保温时间2小时的烧结条件下烧结,或者在加热时间1小时40分钟和保温时间1小时的烧结条件下烧结,所得陶瓷的双轴强度没有差别。

它们的弯曲强度值在1104.2N和1210.0N之间。
 

3Y-TZP陶瓷Bruxzir(Glidewell公司,德国)在1460°C,1530°C或1600°C温度条件下,烧结一小时、两小时或四小时后,所得陶瓷的双轴弯曲强度没有显著性差异。

它们的平均值在906MPa和1000MPa之间。

它们的维氏硬度在1437VHN和1553VHN之间,也没有显著性差异。
 

3Y-TZP陶瓷VITAYZHTcolor(VitaZahnfabrik公司,德国)在1350°C,1400°C和1550°C温度条件下,烧结一小时,两小时或三小时时,会对测试样品的三点弯曲强度产生影响。

烧结温度最高且烧结时间最长的样品组的测试样品具有最高的抗弯强度,为1604.10±139.52N;拥有最低抗弯强度的陶瓷,是在1350°C条件下烧结一小时的测试样品,达到1080.25±217.19N。

烧结温度升高会导致陶瓷晶粒变大,因此从较小的晶粒大小(0.1至0.4μm)向中等大小(0.5至0.8μm)和较大的晶粒(0.9至1.3μm)推移。

而烧结时间的变化仅能导致微小的,但可测出的晶粒大小的增长。
 

通过不同着色工艺和不同的烧结工艺烧结3Y-TZP陶瓷VITAYZHT白色/彩色,3Y-TZP陶瓷Prettau(Zirkonzahn公司)和5Y-TZP陶瓷PrettauAnterior(Zirkonzahn公司)后,仅有未着色的3Y-TZP(Prettau)的机械性能显示出显著性差异。

将最高烧结温度从1350°C增加到1600°C会增加陶瓷的双轴弯曲强度。

所有的测试样品都经过两个小时的持续烧结。
 

IPSe.maxZirCAD材料在快速烧结与传统烧结工艺处理后,显示出烧结温度对断裂载荷的影响。

经过1小时15分钟烧结的IPSe.maxZirCAD陶瓷,其断裂载荷为3617±543.54N;经快速烧结的氧化锆(烧结时间:4小时20分钟)的断裂载荷为2663±508.11N;传统工艺烧结的材料(烧结时间:7小时20分钟)的断裂载荷最小,为1662±466.71N。
 

对3Y-TZP陶瓷UpceraST-Color(ShenzhenUpceraDentalTechnology公司,中国)的抗弯强度进行测试:在不同加热升温速率10°C/min,15°C/min,20°C/min和40°C/min的条件下烧结90分钟,最高烧结温度为1500°C。

该测试表明,不同的加热升温速率对该陶瓷的三点弯曲强度、晶相相变和晶粒大小没有显著性影响。

陶瓷的抗弯强度在612±156.10N和622.56±166.72N之间。
 

3Y-TZP类陶瓷inCorisTZI牙冠(SironaDentalSystems公司)在不同的烧结参数条件下烧结后(1580°C10分钟,1510°C/1540°C5分钟或1510°C120分钟),显示出不同的磨耗性能。

在所有氧化锆表面都会发现轻微的磨耗。

缩短的烧结时间会导致陶瓷表面上会更频繁地产生微孔,进而对对颌牙造成更多的磨耗和划伤。

在观察比较晶粒大小时,在较高的烧结温度和较长的烧结时间下,可以看到晶粒最大的膨胀。

inCorisTZI和inCorisZI在1580°C,烧结10分钟,它们的三点抗弯强度最高,分别是871.8±108.8MPa和904.2±115.7MPa。
 

4Y-TZP陶瓷ZolidHT+(AmannGirrbach公司)和3-YTZP陶瓷CeramillZI及Zolid(AmannGirrbach),在1570°C/1590°C条件下进行高速烧结后,其抗弯强度与1450°C条件下的传统烧结后的抗弯强度相当。

Zolid在1590°C的高速烧结后,比在1570°C高速烧结后显示出更高的双轴弯曲强度。

Zolid和ZolidHT+在高速烧结后,半透明度显示出明显的降低。

ZI和HT+在最终烧结温度增高时,晶粒大小会随之增加,而其半透明度则伴随着材料密度增加而降低。
 

3Y-TZP陶瓷CorisTZI,传统烧结工艺烧结的样品(在最高烧结温度为1510°C条件下,总的烧结时间为220分钟)和高速烧结工艺烧结的样品(在最高烧结温度为1580°C的条件下,总计15分钟),经老化处理后,二者的断裂载荷之间没有明显差异。

传统烧结陶瓷的断裂载荷值为7845±833N,而高速烧结陶瓷的断裂载荷值为7173±788N。

经过不同的烧结工艺处理后,陶瓷的密度和就位精度也没有显著性差异。
 

当使用三种不同的烧结程序烧结厚度不同(0.5mm/1.0mm/1.5mm)的3Y-TZP的inCorisTZIC全锆冠修复体时,通过铣削制作的冠,其传统烧结,快速烧结和高速烧结下材料的断裂载荷没有显现出显著性差异。

在冠层的厚度为0.5mm的情况下,通过打磨工艺,也同样无法检测到明显的差异。

而使用打磨工艺制作牙冠,厚度为1.0mm和1.5mm的两组材料与其他组相比,显示出显著性差异。

快速烧结的研磨冠的最高断裂载荷值为3678.6±363.9N,而快速烧结的铣削冠的断裂载荷值最低为(382.4±30.7N)。
 

着色技术对高速烧结4Y-TZP陶瓷的初始强度值没有影响。

烧结之前在着色液中手工着色的测试样品(655±77MPa),具备与工业化着色的坯料(720±46MPa)铣削出的测试样品相当的初始强度。

水热老化处理会降低预着色的高速烧结的4Y-TZP陶瓷(448±30MPa)的双轴弯曲强度。

经过老化处理后,手工着色高速烧结的4Y-TZP陶瓷(652±56MPa)表现出与手工着色传统烧结4Y-TZP陶瓷(708±94MPa)相当的强度,且其抗弯强度高于工业化着色高速烧结的4Y-TZP陶瓷(448±30MPa)。

与传统烧结相比,高速烧结不会损害手工着色的4Y-TZP陶瓷弯曲强度的耐老化性。

工业预着色的4Y-TZP陶瓷的抗弯强度情况则有所不同。
 

高速烧结4Y-TZP陶瓷CeramillZolidHT+(AmannGirrbach公司)牙冠修复体的断裂载荷随着牙冠咬合层厚度的增加而增高。

在该项研究中,测试了咬合面厚度在0.5mm至1.5mm之间的牙冠。

试验中实施了相当于体内大约5年的咀嚼模拟,导致了牙冠的断裂载荷值降低,特别是在咬合层厚度更薄的牙冠。

所测试的高速烧结组所有的样品的断裂载荷值(1638-5156N),都远远高于900N的平均最大咀嚼力。

与传统烧结组样品相比,高速烧结组在氧化锆的咀嚼模拟过程中显示出更低的材料磨损,而且对对颌牙牙釉质的磨耗相当。

总的来说,在研究中观察到的高速烧结组的样品的断裂载荷结果(1638-5156N)与传统烧结组的(1073-4507N)相当甚至更高。
 

高速烧结的测试样品(抗弯强度990±105MPa)比传统烧结的测试样品(抗弯强度596±32MPa)具有更高的抗弯强度。

老化试验对4Y-TZP陶瓷(CeramillZolidHT+,AmannGirrbach)的抗弯强度(初始抗弯曲强度:990±105MPa;老化后抗弯曲强度:697±53MPa)没有显著影响。

但是,高速烧结的测试样品显示出较低的威布尔模量(WeibullModul)和较低的数据稳定性。
 

结论

值得强调的是,氧化锆陶瓷是一种非常多样化的材料,近年来通过优化加工工艺,使其与牙科领域的关系越来越密切。

第三代和第四代氧化锆陶瓷具有良好的美学效果,可用于单一材料的全锆修复。

但是,目前尚缺乏关于完全稳定化的氧化锆陶瓷的临床研究数据。

图15展示了由二硅酸锂陶瓷制成的修复体作为对照。

为了能够最终评估新一代氧化锆陶瓷的特性,必须等待进一步的研究结果。

特别是关于新一代材料长期性能的数据还很少。
 





图15a至f:病例3:使用IPSe.maxPress陶瓷进行的修复治疗,照片从左到右按时间顺序排列。
 

高速烧结工艺能够快捷制作全锆修复体,是一套非常有效的制作工艺。

当今可查阅到的科学文献显示,高速烧结的氧化锆陶瓷的机械性能与传统烧结的氧化锆陶瓷相当。

然而,由于各种研究所使用的材料不同,且材料的烧结时间和温度之间存在差异,难以对所有研究结果做统一比较。

高速烧结工艺的最终评估,需要进一步的探索和临床研究。

医院简介
东莞南城固德口腔门诊部专业化医疗团队由种植医学专家董毅院长带领,配备德国牙科设备,诊疗标准同步德国...[详细]
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