Керамические коронки на каркасе из оксида циркония

Что такое оксид циркония?

Материалов для изготовления коронок в настоящее время достаточно много. Одним из них является оксид циркония. Это очень популярный современный керамический материал, являющийся результатом внедрения высоких технологий в область стоматологии. Именно высокая прочность, биосовместимость и эстетичность оксида циркония сделала его одним из самых востребованных материалов для протезирования зубов.

Открытие оксида циркония связано с минералом циркон (рис.1), о котором существует множество древних легенд. Более трех тысяч лет назад на острове Цейлон циркон использовался в качестве несовершенного алмаза и шел на изготовление украшений. Блестящие камни носили название «матарские алмазы», так как источником их месторождения был один из районов Цейлона – Матара. Существует несколько версий по поводу того, кто дал современное название «несовершенному алмазу». По одним источникам, немецкий ученый Брюкнер в 1778 году нарек его арабским словом «заркун», что значит «минерал». По другим – первооткрывателем циркона считается химик Вернер (1783), давший минералу имя «царгун» от двух персидских слов «цар» — «золото» и «гун» — «цвет». Третьи источники утверждают, что «циркон» — это видоизмененное от простонародного «жаргон» — «обманщик», т.е. «ненастоящий алмаз». Официально в научных трудах минерал циркон стал упоминаться в 80-х годах XVIII века. В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот опубликовал результаты анализа драгоценного камня, привезенного с берегов Цейлона. В ходе этого анализа было выделено вещество, которое Клапрот назвал «цирконовой землей», это и был оксид циркония.

Рис.1. Минерал циркон

В настоящее время существует терминологическая путаница, в которой необходимо разобраться. Минерал циркон Zirkon (ZrSiO4) является силикатом циркония. Содержит примеси различных металлов. По цвету и прозрачности различают следующие виды циркона: гиацинт – прозрачный, красный, красно-оранжевый, красно-коричневый, пурпурный (рис.2); жаргон – прозрачный, медово-желтый, дымчатый, бесцветный и старлит – прозрачный, голубой. Оксид циркония также встречается в природе в виде минерала бадделеита (рис.3).

Рис.3. Минерал бадделеит

Цирконий Zirconium (Zr) – это химический элемент IV группы периодической системы Д. И. Менделеева. Чистый цирконий существует в двух формах: кристаллическая форма — мягкий, ковкий металл серовато-белого цвета (рис.4); аморфная форма – голубовато-черный порошок. В чистом виде в природе не встречается, свободный от примесей чистый цирконий удалось получить лишь в начале XX века.

Рис.4. Металл цирконий Zr

Минералы циркон и бадделеит не могут использоваться в медицине в следствии большого количества примесей различных металлов, придающих им непригодный для использования цвет, и примесей радиоактивных металлов (уран, торий). Высокочистый оксид циркония производят химическим способом. Оксид (диоксид) циркония (ZrO2), в англоязычных странах допустим термин Zirconia, является одним из наиболее тугоплавких оксидов металлов, температура плавления составляет 2715 °C. Он проявляет амфотерные свойства, нерастворим в воде и водных растворах большинства кислот и щёлочей, однако растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах, расплавах щелочей и стёклах.

Оксид циркония существует в виде трех кристаллических фаз: моноклинной (М), тетрагональной (Т) и кубической (С). Во время нагревания оксид циркония подвергается процессу фазового преобразования, то есть переходу из одной фазы в другую, при этом происходит изменения объема. Чтобы подавить фазовые трансформации оксида циркония и получить материалы с нужными свойствами к нему добавляют стабилизирующие оксиды металлов, например, оксиды кальция, магния, иттрия, церия. В зависимости от количества стабилизирующего агента различают полностью или частично стабилизированный оксид циркония.

Стабильная моноклинная фаза (М) встречается в природе в виде минерала бадделеита, метастабильная среднетемпературная тетрагональная (Т) – входит в состав циркониевых керамик, нестабильная высокотемпературная кубическая (С) фаза стабилизированная примесями различных оксидов металлов, благодаря высокому показателю преломления и дисперсии применяются в ювелирном деле в качестве имитации алмазов; в СССР такие кристаллы получили название фианитов (рис.5), от Физического института Академии наук (ФИАН), где были впервые синтезированы. Но название фианит практически не используется за пределами бывшего СССР и стран Восточной Европы. За рубежом этот материал чаще называют джевалитом и цирконитом. В некоторых случаях, особенно в переводах с иностранных языков, фианит называют цирконием или цирконом (рис.6), что создаёт путаницу, так как фианит является имитирующим алмаз синтетическим материалом, циркон — никак не связанный с ним минерал, а цирконий — химический элемент.

Рис.5. Фианиты

Рис.6. Виды фианитов (кубическая фаза оксида циркония)

Показатель преломления фианита (2,15—2,25) близок к алмазу (2,417—2,419), поэтому на глаз их трудно отличить. Благодаря этому их часто используют в ювелирном деле (рис.7). Фианитовыми вставками могут украшаться ювелирные изделия из золота. В бижутерии они применяются для контраста прозрачности или цвета главной вставки (центра композиции), или как имитация бриллиантов. Используются также в стоматологии при керамическом напылении и в химической промышленности. Кроме того, в стоматологии используются для украшения зубов – изготовления скайсов (рис.8).

Рис.7. Украшения с фианитами

Рис.8. Скайсы

В промышленности оксид циркония получил широкое распространение благодаря своим уникальным свойствам (высокой твердости, низкой теплопроводности и др.). В автомобилестроении из него изготавливают тормозные диски высококлассных спортивных машин. В космической отрасли — теплозащитные экраны шаттлов – благодаря ему корабли выдерживают невероятные температурные воздействия. Он используется в производстве огнеупоров, технической керамики, нагревательных элементов, из него изготавливают эмали, стекла, режущие инструменты. Все прекрасно знают керамические ножи (рис.9), прочно вошедшие в нашу повседневную жизнь. При нагревании диоксид циркония проводит ток, что иногда используется для получения нагревательных элементов, устойчивых на воздухе при очень высокой температуре. Нагретый оксид циркония способен проводить ионы кислорода как твёрдый электролит. Это свойство используется в промышленных анализаторах кислорода. Применяется он и в медицине, например, как сферические головки искусственных тазобедренных суставов (рис.10,11). И, наконец, в стоматологии он может проявить все свои самые лучшие качества в роли зубных протезов.

Рис.9. Керамические ножи из оксида циркония

Рис.10. Эндопротезы тазобедренного сустава из различных материалов

Рис.11. Пара трения тазобедренного сустава керамика-керамика из оксида циркония

Оксид циркония в стоматологии

Благодаря своим уникальным свойствам оксид циркония используется в стоматологии для изготовления: каркасов протезов, монолитных коронок, штифтов, культевых вкладок, несъемных шин, несъемных протезов с опорой на имплантаты (рис.12-15).

Рис.12. Коронки и мостовидные протезы

Рис.13. Культевые вкладки

Рис.14. Индивидуальный абатмент на титановом основании и коронка на имплантат

Рис.15. Протез на имплантатах

Совсем ещё недавно коронки и мостовидные протезы на металлическом каркасе считались общепринятым стандартом и безальтернативным методом лечения в стоматологии, металл обеспечивал прочность, керамика – эстетику. Однако, металлокерамические реставрации выглядели монохромными и непрозрачными (рис.16), с тёмно-серой линией десны (такой эффект дает металлический каркас). В стоматологии велись продолжительные исследования и поиски материалов, подходящих для протезирования зубов, которые эстетически приемлемы, имеют достаточную прочность, износоустойчивость и одновременно являются биосовместимыми – хорошо переносятся человеческим организмом. Высокотехнологическое решение было найдено с внедрением оксида циркония.

Рис.16. Преимушество коронок из оксида циркония

Этот материал не уступает по прочности металлу, обладает свойствами полупрозрачности и светопроницаемостью, что позволяет передать естественный цвет и прозрачность, как у натурального зуба (рис.16). Металлы, из которых изготавливаются протезы, иногда становятся причиной аллергических реакций и явления гальванизма у пациента. Поэтому коронки на основе оксида циркония – один из вариантов для людей с гиперчувствительностью и непереносимостью металлов и акрилатов. Гладкая поверхность, препятствует аккумуляции налёта, что способствует хорошей гигиене полости рта и такие коронки не окрашиваются.

Благодаря исключительным прочностным и оптическим характеристикам оксида циркония толщина коронки может быть меньше, чем толщина цельнокерамических реставраций или металлокерамических. Что позволяет более щадящим образом обтачивать зубы и обеспечивает сохранение большего объёма здоровых тканей зуба. Поэтому при протезировании циркониевыми коронками меньшая вероятность удаления нерва. Низкая теплопроводность материала обеспечивает отсутствие дискомфорта при приеме горячей или холодной пищи при наличии «живых» зубов.

Технология изготовления

Оксид циркония обладает высокой твердостью, для измерения которой применяют шкалу твердости материалов Мооса. Так, твердость оксида циркония по шкале Мооса составляет около 8,5 единиц, в то время как твердость стали по этой шкале равняется 5,5 — 6 единицам, корунда – 9 единицам, алмаза – 10 единицам. Таким образом, материал по твердости приближается к алмазу. Износостойкость оксида циркония превосходит сталь более чем в 80 раз. Оксид циркония, иногда называют «белой сталью». Материал в несколько раз более прочный, чем цельнокерамические реставрации. Оксид циркония до недавнего времени ввиду его необычайной прочности можно было обрабатывать только с очень большими затратами и тем самым был почти недоступен для использования в зуботехнической лаборатории. Только благодаря новейшим разработкам стало возможным экономическое использование данного материала в стоматологии. Оксид циркония сложен в обработке, поэтому изготовление коронок из него – процесс трудоемкий, требующий применения современного высокотехнологичного оборудования, соответственно и цена на них в настоящее время выше.

Изготовление циркониевого каркаса – это почти полностью автоматизированный процесс, состоящий из следующих этапов. После снятия слепков с обточенных зубов и изготовления гипсовых моделей, эти модели сканируются, полученные данные проходят компьютерную обработку, создается виртуальная трехмерная модель. Затем с помощью специальной компьютерной программы производится моделирование каркаса будущей конструкции с учётом усадки, происходящей в процессе обжига (рис.17). Обработанные данные передаются на цифровой фрезерный станок и происходит вытачивание каркаса из блока предварительно спеченного, «мягкого» оксида циркония (рис.18,19). Для промышленного производства керамических блоков, применяемых в ортопедической стоматологии, используют порошки (рис.20) оксида циркония высокой степени очистки частично стабилизированного оксидом иттрия, которые прессуются различными методами. Блоки можно подобрать разного цвета и разной степени прозрачности в зависимости от клинической ситуации.

Рис.17. Виртуальное моделирование протезов.

Рис.18. Блоки оксида циркония

Рис.19. Каркасы коронок после фрезеровки в блоке

Рис.20. Порошок оксида циркония

После фрезеровки проводится окончательное спекание заготовок в специальной высокотемпературной печи, что обеспечивает высокопрочные характеристики материала каркаса. При этом происходит уменьшение объема реставрации, только применение современных компьютерных CAD/CAM технологий позволяет рассчитать данную усадку. После этого зубной техник проверяет конструкцию на моделях, современные технологии фрезерования позволяют добиться очень хорошей точности прилегания коронок, что способствует надежности и долговечности. Далее покрывают каркас специальной керамической массой, имеющий схожий с ZrO2 коэффициент температурного расширения, или окрашивают специальными красителями с целью придания естественности реставрации.

С использованием новых методов фрезеровки стали доступны монолитные реставрации, выполненные полностью из оксида циркония без облицовки керамикой, например, Prettau (Zirkonzahn). У данного материала возможно выбрать степень прозрачности заготовки в зависимости от цвета опорного зуба. Однако если опорный зуб сильно изменен в цвете, то необходимо использовать не прозрачный каркас. С таких реставраций не скалывается керамика, но они имеют более высокую микротвердость по сравнению с эмалью зуба, что может способствовать более высокой стираемости своих зубов. Поэтому поверхность таких протезов должна быть покрыта глазурью и тщательно отполирована. Такие коронки менее эстетичны, т.к. нет прозрачного слоя эмали, но зато имеют большую прочность, что важно при изготовлении коронок в боковом отделе, и коронок на имплантатах. Кроме того, такие коронки возможно изготовить меньшей толщины, следовательно, меньше обтачиваются свои зубы.

Оксид циркония является очень хорошим материалом для изготовления ортопедических конструкций, однако, «чудо материалов» не бывает. Только правильное планирование работы с учетом всех положительных и отрицательных свойств материала и строгое соблюдение технологии изготовления, позволит получить долгосрочный положительный результат.