بررسـي سراميـک هاي مورد استفـاده در دندان سـازي

سراميک هاي زيرساختاري

(substructure ceramics)

توسعه ي سراميک مستحکم تر براي تمام پروتزهاي سراميکي پوشش داده شده، ميتواند به صورت يک گذار به سمت افزايش درصد حجمي مواد کريستالي و کاهش حجم شيشه نشان داده شود. سرانجام اين پيشرفتها، رسيدن حجم مواد شيشهاي پروتزها به صفر است. در سال ،1965، McLean گزارشي مبني برافزايش استحکام شيشه هاي فلدسپاتي با افزودن ذرات اکسيد آلومينيوم ارائه کرد. و در همان سال General Electric براي اولين بار از تکنولوژي استحکام بخشي ديسپرشن به صورت کاربردي، براي مقره هاي خطوط فشار قوي بهره برد. در اواخر دهه ي 1980، يک روش براي افزايش قابل توجه آلومينيوم اکسيد (از 55 درصد وزني به 70 درصد حجمي) ، بوجود آمد.

اين روش در ابتدا با پودر آلوميناي سبک انجام ميشد که اين پودر بواسطه ي حرارت دهي به همديگر مي چسبيد، سپس اين توده ي آلومينايي متخلخل که مانند يک بسته، از ذرات آلوميناي به هم چسبيده تشکيل شده بود را با شيشه پر ميکردند. در طي فرآيند پخت آلومينا که منجر به ايجاد توده ي سبکي ميشد، ذرات آلومينايي که در مجاورت هم بودند، در محلهاي اتصال به هم پيوند ميخوردند و ايجاد يک شبکه ي سه بعدي از ذرات به هم چسبيده ميشد. همچنين پس از ايجاد ساختار آلومينايي متخلخل، يک شيشه ي مذاب با ويسکوزيته ي پايين، بوسيله ي نيروهاي موينيگي وارد ساختار متخلخل ميشد. اين کار باعث ايجاد يک ترکيب سه بعدي از آلومينا و شيشه ميشود. اگر چه تنها70 درصد حجمي اکسيد آلومينيوم در اين سراميک وجود دارد ولي استحکام و تافنس شکست آن برابر با سراميک هاي آلومينايي با100 درصد پلي کريستال است.

دو پيشرفت کليدي که اجازهي استفاده ي کاربردي از سراميک ً هاي کاملا پلي کريستال را در پروتزهاي ثابت کننده دارد عبارتند از:

  • قابليت استفاده از پودرهاي شروع کننده ي بسيار کنترل شده.
  • استفاده از کامپيوترها در پروسه هاي سراميکي. برعکس سراميک هاي شيشه اي، سراميک هاي پلي کريستال قابليت پرس شدن براي رسيدن به مواد با دانسيته ي بالا را در قالبهاي با اندازه ي بزرگتر را ندارد. سراميک هاي پلي کريستال از پودر آنها توليد ميشود که آنها تنها تا 70 درصد دانسيته ي تئوري شان ميتوان فشرده سازي کرد. از اين رو سراميک هاي پلي کريستال در هنگامي که با بيشترين دانسيته، پخت شوند، به اندازه ي 30 درصد حجمي شرينکيج دارند. براي داشتن پروتزهاي نهايي مناسب، مقدار شرينکيج يايد به دقت اندازه گيري گردد و در طراحي به آن توجه شود.

پودرهاي اوليه مناسب که توانايي يکنواخت شدن در فشرده سازي را دارند. يک پيش نياز براي رسيدن به شرينکيج قابل محاسبه و تجديد پذير است.

تحقيقات انجام شده در علم توليد سراميک ها از اواخر دهه ي 1980 تا دهه ي 1990 منجر به دسترسي تجاري به پودرهاي مناسب براي استفاده در زمينه ي دندان سازي شده است ً همزمان با پيشرفت تکنولوژي، پالايش تقريبا پودر، موجب توسعه ي ماشينهاي کامپيوتري و افزايش قابليت محاسبه ي دستگاه هاي سه بعدي شده است.

دو روش براي توليد پروتز از سراميکهاي پلي کريستال و به صورت تجاري ارائه شده است که در هر روش، يک قطعه ي خام با اندازه ي بزرگتر از حد مطلوب ايجاد ميشود و در محاسبه ي خواص شرينکيج اين قطعه ي خام از دستگاه هاي سه بعدي استفاده ميشود. در روش اول، يک قالب با اندازه ي بزرگتر از حد مطلوب بر اساس 20000 اندازه گيري قالب آزمايشگاهي اسکن شده، ساخته ميشود. سپس اکسيد آلومينيوم يا اکسيد زيرکونيوم در داخل اين قالب فشرده شده که مقدار فشردگي بر اساس شرينکيج مطلوب محاسبه ميگردد.

در روش دوم، يک قطعه ي نيمه خام از اکسيد زيرکونيوم ماشين کاري شده و به قطعه ي مورد نظر تبديل ميشود که اندازه ي آن کمي بزرگتر از حد مطلوب است که علت آن اين است که پس از پخت نمونه به اندازه ي مورد نظر برسد. در اين سيستم، دانسيته ي هر قطعه ي اوليه براي محاسبه ي دقيق شرينکيج قطعه بر روي آن ثبت ميشود. در واقع در اين روش که روش جولي در ساخت قطعات سراميکي معروف است، يک قطعه ي سراميکي بوسيله ي يک ماشين تراش از قطعه خام بدست ميآيد.

زيرکونياي بهبود يافته از لحاظ تافنس (چقرمگي) ، يک سراميک پلي کريستال است که در حال حاضر براي کاربردهاي دندان پزشکي در دسترس است. البته به خاطر اينکه اين ماده مکانيزم و همچنين تافنس شکست متفاوتي بست به ديگر سراميک هاي پلي کريستال است که در حال حاضر براي کاربردهاي دندان پزشکي در دسترس است. البته به خاطر اينکه اين ماده مکانيزم و همچنين تافنس شکست متفاوتي نسبت به ديگر سراميک هاي پلي کريستال دارد، بايد مورد بررسي جداگانه اي قرار گيرد. که جزئيات تافنس شکست واستحکام اين ماده را در بخش زير بيشترمورد بررسي قرار ميدهيم. اما در اينجا کافيست که تافنس را به معناي اشکال در رشد ترک در نظر بگيريم.

برخلاف آلومينا، اکسيد زيرکونيم در طي پخت از يک حالت کريستالي به حالت ديگر تغيير شکل ميدهد. در دماي پخت زيرکونيا در حالت تتراگونال است و در دماي اتاق به حالت مونوکلينيک در ميآيد. يک سلول واحد مونوکلينيک، 404درصد بيشتر از زماني که تتراگونال است، فضا اشغال ميکند. البته اين مسئله باعث فروريختن زيرکونيا در فرآيند سردکردن، ميشود. و ساختار زيرکونيا را ناپايدار ميکند. در اواخر دهه ي 1980، مهندسين سراميک توانستند ساختار تتراگونال را در دماي اتاق و به کمک اضافه کردن مقدار ً کمي (8-3 درصد) کلسيم پايدار کنند که بعدا بجاي کلسيم از ايتريم (yttrium ) و يا سريم (cerium ) استفاده شد. اگر چه اين حالت در دماي اتاق پايدار است ولي حالت تتراگونال حالتي نيم پايدار است. اين بدان معناست که انرژي بدام افتاده اي در داخل ماده وجود دارد که مانع برگشت به حالت مونو کلينک ميشود. تنش متمرکز در جلوي گسترش ترک براي راه انداختن تغيير حالت در داخل دانه هاي سراميکي و درنزديکي قسمت تيز ترک کافي ميباشد. که در اين حالت افزايش 404درصدي حجم، مفيد واقع ميشود و ترک بسته ميشود. و از پيشرفت آن جلوگيري ميشود. (در واقع، تغييرحالت موجب کاهش شدت تنش محلي ميشود) مقدار تافنس شکست در اين ماده، دو برابر و يا حتي چند برابر سراميک هاي آلومينايي است در واقع اکسيد زيرکونيوم بهبود يافته، پتانسيلي خوب براي مواد زير ساختاري از خود نشان ميدهد. مشکلاتي که ممکن است در مورد اين سراميک زيرکونيايي بوجود بيايد شامل عدم ثبات دراز مدت در حضور آب، مسائل سازگاري پرسلاني و تعدادي از محدوديتها در انتخاب مواد به خاطر خاصيت مات بودن شان، ميشود. به هر حال، بر اساس تجربيات بدست آمده در استفاده از اين مواد در تهيه ي پروتزها، مشکلات عمده اي ديده نشده است.

استحکام و تافنس شکست

(strength and fracture toughness)

سه خاصيت مربوط به ساختار داخلي ماده وجود دارند که براي توليد مواد ساختاري به آنها توجه ميشود.

اين سه خاصيت به صورت زير هستند:

  • استحکام (strength)
  • تافنس شکست (fracture toughness)
  • قابليت شيميايي جلوگيري از رشد ترک

مهمترين نکته اي که بايد در مورد استحکام بدانيم اين است که استحکام يک خاصيت ذاتي مواد نيست، اين بدان معناست که مقداراستحکام به وضعيت ماده و نحوه و روش آزمون سنجش استحکام بستگي دارد.

تافنس شکست )که در زير مورد بررسي قرار ميگيرد( يک خاصيت ذاتيتر سراميک هاست که در هنگام مقايسه ي مواد تجاري بسيار مفيد است.

استحکام (strength)

استحکام يک اندازه گيري کلي از سه چيز است که شامل موارد زير ميشود:

  • نوع و اندازه ي ترک هاي حاصل از شروع شکست و توزيع آنها
  • تافنس شکست
  • تأثيرات آب

اگر اين سه چيز به خوبي کنترل شود موجب ايجاد محيط واقعي براي پروتز ميشود، سپس مقايسه ها بر اساس استحکام داراي معنا ميشوند. ترکهاي بوجود آمده درنمونه ها اغلب نتيجه اي از مراحل توليد پروتز است. اما ترک ها همچنين ميتوانند بر اساس ذات خود ماده نيز ايجاد شوند؛ از اين رو بهترين اندازه گيري استحکام از نمونه هاي مورد آزمايش، حاصل ميشود که تمام مراحل توليد دندان سازي و آزمايشگاهي استاندارد قابل انجام نيست و تهيه ي شرايط مطلوب آزمايشات قطعات دندان سازي کاملا شبيه به شرايط حقيقي نيست و استحکام اندازه گيري شده ممکن است که بي معنا باشد.

به عبارت ديگر، اگرچه پروتزهاي واقعي به اندازه ي کافي شرايط توليد سراميک ها را منعکس مي کند، تنش هاي وارده بر پروتز نقطه ً ي شکست (مثال استحکام) را به سختي ميتوان محاسبه کرد. به علاوه بيشتر تلاش ها درجهت تکرار بارگذاري باليني بر روي پروتزها، با شکست هاي حاصل از زيان هاي توليدي در طي مراحل تست کردن، روبروست. و جالب اين است که اين شرايط هيچگاه در شرايط باليني ديده نشده است. از سال1958، اين حقيقت فهميده شد که آب استحکام اکثر شيشه و سراميک ها را کاهش ميدهد. آب، مانند يک ماده ي شيميايي عمل کرده و وجود آن در ترک ها موجب رشد آرام آنها ميشود. که اين رشد ترکها در شرايط ديگر پديد نمیآيد (درشرايط نبودن آب ) سراميک ها با شدت متفاوتي نسبت به آب حساس اند و اين حقيقتي است که به خوبي کنترل نشده است. ودرحقيقت آب عاملي است که موجب بوجودآمدن اختلاف در داده هاي اندازه گيري شده در تست هاي استحکام است. آب در کليه ي سطوحي که در معرض ترشحات بزاقي قرار ميگيرد، وجود دارد. البته آب همچنين در سطوح چسبانيده شده تيوپهاي دندان پزشکي نيز نفوذ ميکنند؛ همه ي سيمان هاي دندان پزشکي اجازه ي نفوذ آب (ترشحات بزاقي و…) را از داخل خود ميدهند.

البته نکته ي قابل توجه اين است که داده هاي مربوط به استحکام تنها در مورد مواد خالص بيان ميشود در حالي که پروتزها عمدتا از مواد چندگانه ساخته شده اند که هر کدام از اين مواد خواصي متفاوت دارند. عملکرد چنين پروتزهايي ممکن است حالت بي ثباتي داشته باشد. زيرا اين پروتزها از چند ماده ساخته شده اند همچنين عدم انطباق ضرايب انبساط حرارتي اين مواد ميتواند موجب بروز شکست در پروتز بشود. براي مثال يک نوع ازيک پروتز تمام سراميک ميتواند به دليل تنش ها و ترک هاي بوجود آمده که در بين بخش هسته و روکش، بشکند. شبيه به بحث قبل، يک روکش تک قسمتي دندان ميتواند از قسمت داخلي اش بشکند که علت آن اعمال نيرو بوسيله ي جويدن اجسام سخت و آدامس ميباشد. اين شکست هاي اتفاقي بيشتر در بخش سيماني قطعه روي ميدهد. (بخاطر اينکه بخش سيماني قطعه آسيبپذير است). احتمال بقاء اين قطعه به نوع سيمان استفاده شده در ساخت روکش دندان، بستگي دارد. بنابراين، استحکام چيزي بيشتر از يک اندازه گيري نامعلوم از خاصيت ذاتي ماده است و بايد از آزمون استحکام در قضاوت کردن در مورد عملکرد سيستم هاي سراميکي جديد استفاده کرد يک اندازه گيري بهتر براي مقايسه کردن عملکرد ساختاري سراميک ها، تافنس شکست است، اما در مورد رفتار يک ماده تنها، اين روش محدوديت دارد.

تافنس شکست

(fracture toughness)

به خاطر اينکه سراميک ها از طريق رشد ترک هاي موجود در نمونه مي شکند، فهميدن نحوه ي اين امر، مفيد مي باشد. نيروهاي کششي موجب ايجاد تنش در قسمت نوک ترک ميشود. همين طور که نيروها افزايش مي يابد، شدت تنش هاي بوجود آمده در بخش نوک تيز ترک نيز به سرعت افزايش مي يابد. در حالت کلي باز شدن مستقيم، بدون حرکت در جهت سطح و بدون ايجاد حالت برشي را مد I باز شدن ميگويند. و شدت تنش بوجود آمده با اين نوع باز شدن را ببا کا (k)  نشان مي دهند. بنابراين، شدت تنش در يک قسمت نوک تيزترک در حالت مد I باز شدن را به صورت زير مينويسند:

K_I. A_t

در حالت بحراني از شدت تنش، ترک ناپايدار شده و قطعه ي سراميکي به دو بخش تقسيم ميشود. شدت تنش بحراني براي مد I بازشدن، با KIc نشان داده ميشوند که واحد آن است.، به طور عمومي به حالت ماده بستگي ندارد. و براي مقايسه ي مواد مختلف ميتواند مورد استفاده قرارگيرد. مقدار K_IC براي چيني هاي سراميک – فلزي تقريبا 0/9 تا 1/2 و براي سراميک هاي تقويت شده با لوسيت که دندان سازي مورد استفاده قرار ميگيرد، مقدار K_IC تقریبا 1.5 تا 1.7 است. مقدار K_IC براي آلومينا تقريبا 4.5 و براي زير کونياي بهبود يافته اين مقدار بين 8 تا 12 و براي آلياژهاي فلزي تقريبا 20 است.

نقش فلز در استحکام بخشي

قش و چگونگي عمل مواد فلزي در ايجاد و دوام هنوز به طور کامل شناخته نشده است. بنابراين، تشخيص اينکه کدام يک از خواص ريخته گري کردن فلز ميتواند خواص شکل دهي زير ساختاري بوسيله ي تکنولوژيهاي ديگر شکل دهي فلزات را بهبود دهد، انجام نشده است. اغلب بيان ميشود که پرسلان (چيني) به يک تقويت کننده شبکه اي از جنس فلز نيازمند است. البته توضيح داده نشده است که تقويت کننده (supported) به چه معني است.

تعدادي مکانيزم هاي قابل انجام وجود دارد که بوسيله ي آنها، فلز ريخته گري شده ممکن است توانايي افزايش طول عمر پرسلان روکش شده را دارند.  پرسلان نيازمند محافظت اولا در برابر توسعه ي تنش هاي کششي در مجاورت ترک هاي بوجود آمده در نواحي بحراني را دارد. اين دليلي است بر آن که فلز ممکن است بر توزيع تنش در داخل پرسالن، بالاخص در سطوح و مکان هاي اتصال، تأثير بگذارد.

دوما، در مکان هايي که تنشها ايجاد ميشوند، اگر گسترش ترکها متوقف شود، پرسلان به صورت مفيد عمل ميکند و اين دلالتي است براين که فلزي که به خوبي به پرسلان پيوند داده شود. ممکن است مانند يک پل عمل کند و از باز شدن ترک هاي پرسلان جلوگيري کند.

سوما، ترک هایی که ممکن است سرانجام باعث شکست شوند، آرام تر رشد ميکنند (البته اگر خشک نگه داشته شوند) . اين دلالت ميکند که يک نقش ديگر فلز ريخته گري شده ممکن است اين باشد که فلز از ورود آب به داخل ترک ها جلوگيري ميکند. (در واقع فلز از رشد شيميايي ترکها بوسيله آب جلوگيري ميکند) .

مزاياي سيستم ً هاي کاملا سراميکي در برابر سيستم هاي فلز-سراميک

مزاياي زيبايي حقيقتي است که حتي در هنگام جايگزيني يک فلز با يک سراميک مات بوجود ميآيد. زيرا از لحاظ اپتيکي فلزات کل پرتوهاي فوري را جذب يا منعکس ميکنند ولي سراميک ها درصدي از نور را عبور ميدهند. پس بنابراين از لحاظ مسائل زيبايي بهتر عمل ميکنند. سيستم هایي که کاملا از سراميک ساخته شده اند، از لحاظ زيبايي، نتيجه ي بهتري براي تعداد متنوعي از بيماران نسبت به سيستم هاي فلز-سراميک، ايجاد ميکنند که علت آن دامنه ي وسيع از عبور نور است که بوسيله ي سيستم هاي سراميکي بوجود ميآيد. اين دامنه ي وسيع نور باعث ايجاد حالت شفافيت يا ماتي و همچنين ايجاد رنگ در سيستم ميشود. ديگرمزاياي اين سيستم ها به بافت نرم تر وبهداشتي تر سراميک ها مربوط است که سلامت اين سيستم ها از زيبايي آنها مهم تر است. به سطوح سراميکي، پلاک هاي ميکروبي و مولکولهاي چسبنده ي کمتري نسبت به آلياژهاي طلا و آملاگام )آلياژ جيوه با چند فلز ديگر براي پرکردن دندان استفاده ميشود(ميچسبند. همچنـــين سطــوح سراميــکي محيط مناسبتري براي رشد ملکولهاي بافتهاي داخل دهاني بوجود ميآورند. و سطوح تميزتري دارند. در بخشهاي بالايي پرسلانها که با لثه در برخوردند به علت ماهيت خود پروتزهاي سراميکي، زخم کمتري بوجود ميآيد.

سيستمهاي فلز – سراميک

مزاياي سيستمهاي فلز-سراميک مربوط به عملکرد ساختاري قابل پيش بيني، تطبيق پذيرشان و نياز به دانش کمتر براي انتخاب يک سيستم مناسب است. عملکرد ساختاري سيستمهاي سراميک-فلز بسيار بهتر از هر نوع سيستم کاملا سراميکي است.

در زير در مورد جزئيات اين مسئله بحث ميکنيم. همچنين شکست بلاک و ترکهاي بوجود آمده در پرسلان پس از گذشت 6 سال بر کارکرد تقريبا 10-5 درصد پروتزهاي تک بخشي تأثير ميگذارد. داده هاي باليني کمتري براي پروتزهاي سه بخشي وجود دارد و همه ي سيستم ها به خوبي مورد مطالعه قرار نگرفته اند. به طور برعکس، مشکلات ساختاري مربوط به پرسلان در پروتزهاي سراميک–فلز در طي 10 سال، 4-3 درصد است و 73 درصد از اين پروتزها را تا 15 سال نيز ميتوان استفاده کرد که در اکثر مواد مشکلات زيست شناسي، عاملي براي تعويض اين پروتزها پس از 15 سال ميشود. البته صحبتي که در بالا انجام شد در مورد پرسالانهاي تقويت شده با تيتانيم صادق نيست و اين پرسلانهاي تقويتي زياد خوب عمل نکرده و حتي پس از 6 سال کار، مشکلات بسياري در نقطه ي تقاطع پرسلان-تيتانيم رخ مي دهد. سيستم هاي فلز-سراميک به حدي خوب عمل ميکنند که تنها اطلاعات کمي براي استفاده ي روتين از آنها، مورد نياز است. اکثر شاغلين در زمينه ي دندان سازي، اطلاعات کمي در مورد سيستم هاي فلز-سراميک تهيه شده در آزمايشگاهشان دارند و هرسيستم به طور عمومي براي پروتزهاي تک بخشي جلويي و پروتزهاي چند بخشي عقبي مناسب است. البته استفاده از تمام سيستم هاي سراميکي نيازمند داشتن دانشي کافي براي بوجود آوردن ماکزيمم زيبايي و انتخاب مناسب ساختارها براي طول عمر بيشتر است.

برگرفته از ماهنامه دندانسازان حرفه ای

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *