Ваш город: Москва
Выбрать другой город
  • Зарегистрироваться

Облицовка каркасов из оксида циркония

Журнал "Зубной техник"
  • 27 сентября 2012
  • 2754
Зуботехническая лаборатория
Теория

Dr. Markus Vollmann,
Dipl.-Ing. ZTM Carsten Wiesner,
Dr. Lothar Volkl,
Dr. Udo Schusser, Hanau

 

Причины возникновения сколов (Chipping) на коронках и мостовидных протезах, облицованных керамическими материалами, идентифицированы – DeguDent представляет научное исследование Chipping.

К счастью, сколы облицовочной керамики встречаются достаточно редко. Однако, независимо от производителя, для реставраций с каркасами из диоксида циркония эффект («Chipping») имеет более высокое значение, чем для металло-керамики. Теоретически обоснованный анализ этой проблемы в сочетании с соответствующими экспериментальными данными позволил разработать оптимизированные рекомендации по проведению охлаждения после обжига облицовочных материалов – благодаря решению чрезвычайно сложной математической задачи получен четкий результат, прежде всего, для системы материалов на основе диоксида циркония Cercon/Cercon ceram kiss, который полностью подтверждается итогами симуляции эксплуатации реставраций в течение 15 лет.

Недавно, Prof. Dr. Thomas Kerschbaum (Кельн) опубликовал результаты основополагающего исследования реставраций из диоксида циркония [1]. Он обобщил результаты работы местных стоматологов и оценил успех изготовления реставраций из диоксида циркония по специальной формуле. Через зуботехническую лабораторию Kerschbaum получил доступ к картам пациентов трех стоматологов и проанализировал пятилетний опыт практического применения системы Cercon. Согласно данным Prof. Kerschbaum, доля некачественных реставраций с опорой на зубы составила 8%, что для новой технологии в сочетании с использованием такого инновационного материала, как диоксид циркония, он посчитал вполне допустимым – тем более что причиной неудач является скорее Chipping (шелушение, сколы облицовочной керамики), а не переломы каркаса. При этом, сколы облицовочной керамики чаще наблюдаются у реставраций передних зубов и мостовидных протезов, доходящих до премоляров. На основании полученных результатов Kerschbaum сделал следующие выводы:

Соединительные элементы и каркасы опорных коронок из диоксида циркония отличаются очень высокой механической прочностью. В зафиксированных исключительных случаях переломы образуются, как правило, сразу после фиксации реставраций.

Это свидетельствует о том, что причиной неудачи являются технические ошибки при изготовлении реставрации или препарировании, которые не имеют отношения ни к материалу, ни к системе.

Причиной неудачи могут являться индивидуальные ошибки лечащего стоматолога, причем в настоящее время точно определить операции, на которых они могут быть допущены, достаточно сложно. К очевидным ошибкам относится механическая обработка без водяного охлаждения и отказ от последующего полирования поверхности.

Однако, основное внимание следует уделять выбору оптимальной структуры каркаса и соблюдению технологии обработки материала.

Важнейшим условием, своего рода «state of the art», является формирование уменьшенной анатомической формы зубов при моделировании каркаса – это обеспечивает равномерную опору для облицовочной керамики (Рис. 1 и 2).

Рис. 1 Каркас из Cercon base Рис. 2 Каркас из Cercon base облицован Cercon ceram kiss

Объект расчета – реальный мостовидный протез протяженностью три единицы. Каркас из Cercon base (рис. 1) – облицован Cercon ceram kiss (рис. 2).

Несмотря на хорошие практические результаты, возникает естественное желание снизить слегка повышенную опасность возникновения Chipping при изготовлении реставраций из диоксида циркония до уровня, характерного для классических металло-керамических реставраций. При этом, в первую очередь, необходимо понять, почему цельнокерамические реставрации более склонны к возникновению Chipping в слое облицовки, чем металло-керамические реставрации. Причиной может являться различная теплоемкость и теплопроводность оксидной керамики и керамики, используемой для изготовления металло-керамических реставраций. Первичный тезис гласит: процесс охлаждения цельнокерамических и металло-керамических реставраций протекает по-разному. Для того, чтобы доказать эту гипотезу необходимо провести очень точный анализ механических и термических напряжений, возникающих в процессе облицовки реставраций (обжиг в печи). Охлаждение после обжига облицовочных материалов является, пожалуй, наиболее критичным этапом технологического процесса. Здесь необходимо использовать принципиально новый метод математического анализа моделей, который до сих пор еще никогда не применялся для расчета «элементов конструкции» стоматологических реставраций.

«Решить» такую задачу гораздо труднее, чем может показаться на первый взгляд. Математические модели деформации различных материалов разработаны достаточно давно и успешно используются на практике, например, для имитации краш-тестов в автомобильной промышленности. Однако, зуб или реставрация представляют собой более сложную систему: в то время как мы можем с достаточно высокой достоверностью считать, что автомобиль изготовлен из одного материала, любая реставрация состоит, как минимум, из каркаса, промежуточного слоя Liner и слоя дентина – то есть трех различных слоев. В научном исследовании, выполненном по заказу компании DeguDent, математический анализ этой системы проводился по, так называемому, методу конечных элементов (МКЭ). При этом, объект разделяется на дискретные объемные элементы и рассчитываются напряжения в узловых точках (Рис. 3).

Рис. 3. Цифровая модель мостовидного протеза

Рис. 3. Цифровая модель мостовидного протеза протяженностью три единицы с примерно 230.000 узловых точек, состоящая из трех слоев (каркас: Cercon base, Liner и Cercon ceram kiss Dentin или DeguDent U, Duceram Kiss Opaker и Duceram Kiss Dentin)

Все это было перенесено на математическую модель. Кроме того, в данном исследовании анализировались не условные объекты – в той или иной степени приближенный к форме стоматологической реставрации – а реальные мостовидные протезы протяженностью три единицы, а именно протезы для жевательных зубов с опорой на первый премоляр и первый моляр (Рис. 1 и 2). Для расчета использовалось большое количество параметров, зависимость которых от температуры в диапазоне от комнатной температуры до температуры обжига можно определить только с помощью сложных и трудоемких измерений – а именно: коэффициент термического расширения, Е-модуль, теплопроводность, удельная теплоемкость и вязкоэластичность. Особенно последний параметр является чрезвычайно важным, поскольку учитывает различное поведение стеклообразных материалов при разных режимах воздействия нагрузки: мощное пиковое воздействие или более слабое воздействие, растянутое во времени. Ярким примером материала, обладающего этим свойством, является, так называемый, «волшебный пластилин», шариком из которого можно играть в настольный теннис, однако если его положить на стол, то через некоторое время он теряет свою форму просто под постоянным воздействием силы тяжести.

Результаты анализа математической модели показывают, что аналогичными свойствами, хотя и в меньшей степени, обладают и облицовочные керамические материалы. Исследование проводилось компанией DeguDent совместно со специалистами технического университета земли Рейн-Вестфалия (Aachen). Сложность расчета оказалась настолько высокой, что мощности вычислительного центра факультета машиностроения оказалось недостаточно – материалы пришлось направлять в центральный вычислительный центр университета.

При расчете проводилось сравнение механизма охлаждения цельнокерамической системы Cercon base/Cercon ceram kiss и металло-керамической системы DeguDent U/Duceram Kiss. При этом было установлено, что максимальная величина растягивающих напряжений наблюдается на внешней поверхности облицовки цельнокерамической системы. Результаты расчета растягивающих напряжений на границе «каркас/облицовочные материалы» подтверждают эту тенденцию: при использовании стандартного режима охлаждения максимальная величина напряжений для металло-керамической системы составляет 30 мегапаскаль (МПа), а для цельнокерамической системы: диоксид циркония – облицовочная керамика 44 МПа (Рис. 4).

Рис. 4. Распределение напряжений в цельнокерамическом и металло-керамическом мостовидном протезе

Рис. 4. Распределение напряжений в цельнокерамическом и металло-керамическом мостовидном протезе. Черным обозначены напряжения сжатия, цветом растягивающие напряжения

На первый взгляд тот факт, что для цельнокерамической системы максимальная величина растягивающих напряжений на 14 МПа выше, чем для металло-керамической системы не имеет особого значения, поскольку предел прочности керамики при растяжении составляет примерно 80 МПа. Результаты исследования Kerschbaum также показали, что качество облицовки керамических и металлических каркасов практически не отличается. Однако, в пограничных ситуациях (например: слишком тонкие стенки каркаса, недостаточно выраженная анатомическая форма каркаса из диоксида циркония и соответственно слишком большая толщина слоя облицовочных материалов, тангенциальное препарирование или неправильный прикус) эти лишние 14 МПа приводят к статистически достоверному снижению долговечности цельнокерамических реставраций по сравнению с их металло-керамическими аналогами. Другими словами: лишние 14 МПа снижают устойчивость технологического процесса к возможным ошибкам и ограничивают нашу свободу, то есть заставляют нас более точно следовать инструкциям и рекомендациям производителя.

В ходе математического анализа был получен очень интересный побочный результат. На рисунке 4 прекрасно видно, что на внешней поверхности облицовочных материалов рядом друг с другом располагаются области сжатия и растяжения. Как правило, коэффициент термического расширения (КТР) облицовочной керамики подбирается таким образом, чтобы он был немного ниже КТР материала каркаса. Это делается для того, чтобы на облицовочную керамику воздействовали преимущественно напряжения сжатия, поскольку у стеклообразных материалов величина предела прочности при сжатии значительно выше, чем при растяжении. При прочих равных условиях величина критического сжимающего усилия, приводящего к разрушению облицовочной керамики, примерно в десять раз выше, чем величина критического растягивающего усилия.

Результаты анализа показывают, что на поверхности облицовочной керамики как для цельнокерамической, так и для металло-керамической системы возникают не только сжимающие, но и растягивающие напряжения. «Внутренние ощущения» говорят нам, что: «При наличии интактного, квази-оптимального каркаса мостовидного протеза величина растягивающих напряжений должна равняться нулю». Этот пример наглядно показывает, что для столь сложных систем и при недостаточно обоснованных предпосылках, не имеющих достоверного научного подтверждения, «внутренние ощущения» могут привести к ошибочным выводам.

Вернемся к вопросу о «свободе действий и устойчивости процесса к возможным ошибкам». Можно считать достоверно установленным, что независимо от системы облицовочных материалов реставрации с каркасами из диоксида циркония более чувствительны к режимам обработки, чем металло-керамические реставрации. Причиной может являться разница в теплоемкости и теплопроводности различных материалов для изготовления каркаса. Возможно ли оптимизировать технологический процесс таким образом, чтобы добиваться сопоставимого результата? Математический анализ дает ответ и на этот вопрос. При анализе учитывались различные параметры облицовочной керамики: температура обжига (или температура стеклования) и КТР с одной стороны и альтернативные режимы охлаждения с другой стороны. При этом были получены следующие результаты:

Изменение температуры обжига не оказывает никакого влияния на максимальную величину растягивающих усилий в облицовочной керамике (Рис. 5).

Рис. 5. Зависимость максимальной величины растягивающих напряжений от температуры стеклования Tg

Рис. 5. Зависимость максимальной величины растягивающих напряжений на поверхности облицовочной керамики от температуры стеклования Tg (а, следовательно, и температуры обжига)

Изменение КТР приводит к минимизации растягивающих напряжений пропорционально уменьшению разницы между величинами КТР материала каркаса и облицовочной керамики (Рис. 6). Одновременно, уменьшается и величина благоприятного напряжения сжатия.

Рис. 6. Зависимость максимальной величины растягивающих напряжений от величины КТР облицовочной керамики

Рис. 6. Зависимость максимальной величины растягивающих напряжений на поверхности облицовочной керамики от величины КТР облицовочной керамики

Изменение режима охлаждения оказывает значительное влияние на максимальную величину растягивающих усилий в облицовочной керамике (Рис. 7–9).

Рис. 7. Различные профили охлаждения

Рис. 7. Различные профили охлаждения (варианты с 1 по 5 и не оптимизированный вариант NO, то есть нормальное охлаждение для каждой опорной коронки и промежуточного звена)

Рис. 8. Максимальная величина растягивающих напряжений

Рис. 8. Максимальная величина растягивающих напряжений в МПа для различных режимов охлаждения. NO = не оптимизированный вариант, то есть нормальное охлаждение

Рис. 9. Результаты анализа долговечности облицовочных керамических материалов

Рис. 9. Результаты анализа долговечности облицовочных керамических материалов для различных систем (Duceram Kiss на каркасе из NEM-сплава, облицовочная керамика, содержащая лейцит, на каркасе Cercon, Cercon ceram Kiss на каркасе Cercon с оптимизированным режимом охлаждения)

Интересен тот факт, что увеличение КТР до 9,5х10-6/К приводит к минимизации растягивающих напряжений. Исходя из этого можно предположить, что облицовочная керамика для диоксида циркония должна иметь максимально высокий КТР. Однако, практические опыты применения такой керамики показывают, что она часто раскалывается уже в процессе охлаждения, то есть из печи выходит реставрация со сколами облицовочной керамики. Почему это происходит?

Причина была обнаружена в процессе анализа: При охлаждении кривая изменения величины растягивающих напряжений проходит через максимум. Он располагается ниже температуры стеклования, а его величина превышает предел прочности керамики при растяжении, что и приводит к ее разрушению.

Этот пример указывает на два очень важных факта: во-первых, подчеркивает адекватность и достоверность результатов анализа, а во-вторых, показывает, что поведение сложных систем далеко не всегда можно спрогнозировать с помощью простых представлений и формул. Для зубного техника главным достоинством является возможность оптимизации режима охлаждения. Причем, это не просто традиционное «внутреннее» желание проводить охлаждение более осторожно и медленно, а четкие рекомендации по выбору специфической температуры выдержки и скорости охлаждения в промежуточной фазе.

Наша цель заключается в том, чтобы минимизировать растягивающие напряжения в готовом мостовидном протезе. Одновременно, мы должны не слишком сильно снизить напряжения сжатия, воздействующие на протез в процессе охлаждения, поскольку они защищают облицовочную керамику. В процессе обжига имеются критические фазы, для успешного преодоления которых желательно соответствующим образом оптимизировать режим обжига: температуру или время. Сегодня, с помощью более точной модели мы можем их рассчитать. Это позволяет отказаться от проведения многочисленных опытов по экспериментальному подбору режима обжига и повысить долговечность реставраций из диоксида циркония.

Достоверность анализа настолько высока, что его результаты – а именно конкретные режимы обжига на этапе охлаждения – являются абсолютно однозначными и оптимальными. Однако, для того чтобы взять на себя ответственность и рекомендовать эти режимы всем зубным техникам необходимы не только теоретические выкладки, но и соответствующие экспериментальные данные. Стандартная симуляция воздействия функциональных нагрузок для проверки совместимости пар: материал каркаса/облицовочная керамика, которые были проведены компанией DeguDent совместно с университетом Regensburg [5], не являются достаточно убедительным доказательством.

На наш взгляд, экспериментальные данные по симуляции воздействия жевательных нагрузок в агрессивной среде (получены в сотрудничестве с университетом Heidelberg), которые позволяют оценить результаты более длительного срока эксплуатации реставраций in vivo, дают более точную картину и наглядно подтверждают достоверность результатов теоретического анализа специалистов RWTH, Aachen [4]. Использованный метод ускоренной симуляции позволяет сымитировать результаты эксплуатации реставраций в полости рта в течение 15 лет, для обычной симуляции этот срок составляет всего 5 лет. Полученные результаты представлены на рисунке 8. Благодаря оптимизации режима охлаждения, устойчивость цельнокерамических систем к возможным ошибкам повышается до уровня, характерного для традиционных металло-керамических систем.

Оптимизированные режимы обжига с охлаждением, которые теперь можно с полным основанием рекомендовать для практического применения системы Cercon ceram Kiss, приведены в таблице. Эти режимы идеально подходят для программирования печи Multimat NT Touch&Press.

Не исключено, что новый метод математического анализа в будущем будет использован для дальнейшей оптимизации режимов обжига существующих систем керамических материалов для облицовки диоксида циркония.

Компания DeguDent совместно со специалистами университетов Aachen и Heidelberg провела комплексное теоретическое и практическое исследование проблемы «Chipping». При этом были проведены измерения все параметров, зависящих от температуры, а также учтены вязкоэластичные свойства облицовочной керамики [2, 3]. Впервые выполнен математический расчет трехслойной модели и определены оптимальные режимы охлаждения. Применение полученных результатов позволит значительно снизить и без того не очень высокую опасность возникновения сколов облицовочной керамики на каркасах из диоксида циркония. Вероятность возникновения Chipping не зависит от типа облицовочной керамики. Это означает, что причиной Chipping являются особенности взаимодействия облицовочной керамики с каркасами из диоксида циркония.

Тем не менее, специфические особенности облицовочной керамики также могут оказывать влияние на вероятность возникновения Chipping. Это означает, что описанные режимы обжига нельзя безоговорочно использовать для других систем, предназначенных для облицовки диоксида циркония.

Таблица. Точно оптимизированные и рекомендуемые режимы обжига с охлаждением для Cercon ceram Kiss

Точно оптимизированные и рекомендуемые режимы обжига с охлаждением для Cercon ceram Kiss

МКЭ, зависимость от температуры, теплоемкость и теплопроводность

Метод конечных элементов (МКЭ) представляет собой численный метод аппроксимационного расчета комплексного распределения напряжений, которое невозможно рассчитать с помощью простых формул. При этом объект расчета разделяется на сколь угодно большое количество элементов. Эти элементы являются «конечными» (finit, см. рис. 2) и не бесконечно (infinit) маленькими, то есть количество элементов «конечно», а не бесконечно. Принцип разделения объекта на определенное количество элементов конечного размера, которые можно описать конечным количеством параметров, получил отражение и в названии метода: «метод конечных элементов».

Теплоемкость – это свойство материала, которое определяет, какое количество теплоты ?Q тело может поглотить при изменении температуры ?T. У керамики эта величина больше, чем у металлов и сплавов.

Теплопроводность твердого тела определяет его способность передавать тепловую энергию в виде тепла. Удельная теплоемкость измеряется в Ваттах на Кельвин метр (W/[K•m]) и является важной характеристикой материала, которая зависит от температуры. У керамики характер изменения теплопроводности в зависимости от температуры отличается от сплавов и металлов.

Вязкоэластичность

Вязкоэластичностью называется способность материалов к текучей и эластичной деформации под воздействием внешней нагрузки, причем соотношение степени той и другой деформации зависит от времени воздействия. Наиболее ярко этим свойством обладают, так называемый, «прыгучий или волшебный пластилин» и силиконовые полимеры: шарик из этих материалов свободно растекается под длительным воздействием силы тяжести. Однако, при кратковременном воздействии он сохраняет эластичность: если его бросить в стену, то он отскочит и сохранит свою форму. Стеклообразные материалы в жидком состоянии (облицовочная керамика) выше температуры стеклования (Tg) являются вязкоэластичными, а ниже Tg практически только эластичными. Поэтому, при расчете «замораживающихся» напряжений вблизи Tg чрезвычайно важно учитывать температурную зависимость вязкоэластичности. Если учитывать только эластичность материала, то максимальная величина растягивающих напряжений при комнатной температуре зависит только от разницы КТР материала каркаса и облицовочной керамики.

Список литературы

  1. Kerschbaum Th, Faber FJ, Noll FJ, Keiner M, Hurther W, Schumacher S, Keller E. Komplikationen von Cercon-Restaura-tionen in den ersten 5 Jahren. DZZ 2009;2:81–89.
  2. Taskonak B, Borges GA, Mecholsky JJ Jr., Anusavice KJ, Moore BK, Yan J. The effects of viscoelastic parameters on re-sidual stress development in a zirconia/glass bilayer dental ceramic. Dental Materials 2008;24: 1149–1155.
  3. DeHoff PH, Anusavice K-J, Gotzen N. Viscoelastic finite element analysis of an all-ceramic fixed partial denture. Jour-nal of Biomechanics 2006;39:40–48.
  4. Eser A, Bezold A, Wiesner C, Vollmann M. Optimizationof Residual Stresses on All-Ceramic Fixed Partial Dentures UsingFinite Element Analysis with Viscoelastic Material Modelling. Abstract,22nd European Conference on Biomaterials,Sept 2009, eingereicht.
  5. Rosentritt M, Behr M, Gebhard R, Handel G. Influence ofstress simulation parameters on the fracture strength of all-ceramic fixed-partial dentures. Dent Mater 2006; 22(2):176–182.
     

Регулярно читаете статьи по специальности? Подпишитесь на нашу рассылку.

Похожие статьи

Клинический случай
  • 10 июня 2015
  • 2846
Клинический случай
  • 26 мая 2015
  • 2662
Клинический случай
  • 30 апреля 2015
  • 2935
No comments yet