Vật liệu phục hình sứ - Kim loại

TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại 1 VẬT LIỆU PHỤC HÌNH SỨ-KIM LOẠI TS. Bùi Thanh Hải I. ĐẠI C ƯƠNG Các kim loại dùng trong nha khoa từ những năm 80 của thế kỷ XIX và ngày càng được hoàn thiện. cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, những tiến bộ trong các lĩnh vực nghiên cứu về sứ, kim loại và công nghệ dán sứ-kim loại đã giúp khắc phục những nhược điểm và thất bại trước đây. Cho đến nay, sứ-kim loại vẫn là một sự lựa chọn quan trọng đối với phục hình cố định. Các kim loại được sử dụng làm phục hình rất đa dạng và rất khác nhau về thành phần hóa học nhưng đều có chung một số điểm cơ bản sau: - Có tính chất dán sứ; - Có hệ số dãn nở nhiệt tương đương hệ số dãn nở nhiệt của sứ; - Nhiệt độ nóng chảy đủ cao để không biến dạng trong quá trình thiêu kết sứ. Hệ số dãn nở nhiệt (coefficient of thermal expansion – CTE): có tính chất liên hệ qua lại với điểm nóng chảy (melting point) và khoảng nóng chảy (melting range) của vật liệu. Nhiệt độ nóng chảy càng cao thì hệ số dãn nở nhiệt càng thấp. Đây là yếu tố quan trọng trong việc chế tạo hợp kim sứ-kim loại. Hợp kim sứ-kim loại (metal-ceramic alloy) cũng còn được gọi là ceramo metal hay porcelain fuse to metal, thuật nhữ thường dùng là metal- ceramic. Từ viết tắt PFM (Porcelain fuse to metal)) thường được dùng hơn so với từ PBM (porcelain bond to metal). Các phục hình sứ vốn có độ bền kéo (telsile) và độ bền cắt (shear) thấp, nhưng độ bền nén (compressive) cao. Tuy vậy, trong phục hình, cấu trúc bên dưới phải được thiết kế sao cho không tạo những điểm tập trung lực. Một trong những biện pháp khắc phục là thực hiện việc dán sứ trực tiếp lên kim loại (sườn kim loại của phục hình). Trước đây, hợp kim để làm sứ-kim loại có 85% vàng. Hợp kim này mềm và không đủ chịu lực để làm cầu. Vì không có sự dán hóa học với sứ, người ta phải tạo các ngàm lưu hóa học. Các test và độ bền dán cho thấy ngẫu lực tăng lên ở bề mặt tiếp xúc (giao diện) sứ-kim loại, bản thân kim loại này cũng ít dính (cohesion) vào sứ. Thất bại của loại phục hình này bắt đầu từ giao diện sứ-kim loại. Bằng cách thêm 1% nguyên tố để tạo thành lớp oxid như sắt, indium, thiếc vào hợp kim chứa tỷ lệ vàng cao (high-gold-content-alloy), độ bền dán (bond strenght) sứ-kim loại đã tăng lên. Sắt đồng thời cũng làm tăng độ bền của hợp kim. 1% kim loại thường được thêm vào hợp kim quý (vàng, palladium, platinum) là thực sự cần thiết để tạo một lớp oxid mỏng trên bề mặt của cấu trúc kim loại để đạt được độ bền dán sứ kim loại cao hơn, chứ không phải chỉ TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại 2 đơn thuần là tạo độ dính cho sứ vào kim loại. Loại hợp kim có thêm một lượng nhỏ kim loại thường đã trở thành tiêu chuẩn cho phục hình sứ kim loại. Vấn đề được giải quyết nhờ một lượng thích hợp leucite có độ dãn nở nhiệt cao được trộn vào feldspar glass trong quá trình chế tạo. Điều này cho phép điều chỉnh chính xác và đặc hiệu độ dãn nở nhiệt của sứ và đưa lại bước tiến quan trọng cho phục hình chụp sứ -kim loại. Trong quá trình làm lạnh, sự co do nhiệt của kim loại lớn hơn của sứ làm cho mặt phía trong của sứ ở trạng thái bị ép. Do độ bền nén của sứ lớn hơn độ bền kéo nên đã thắng được lực làm vỡ sứ (shattering). Phục hình sứ-kim loại gồm một sườn kim loại đúc (cast metallic, framework core) và sứ. Hợp kim làm sườn thường dùng là: Hợp kim quý: - Pd-Au; - Pd-Au-Ag; - Pd-Ag; - Pd-Cu; - Pd-Co; - Pd-Ga-Ag. Hợp kim rất quý: - Au-Pt-Pd; - Au-Pd-Ag (5-12%Ag); - Au-Pd-Ag (>12%Ag); - Au-Pd. Titanium và các hợp kim thường: - Titanium nguyên chất; - Ti-Al-V; - Ni-Cr-Mo-Be; - Ni-Cr-Mo; - Co-Cr-Mo; - Co-Cr-W. Điểm quan trọng đối với phục hình sứ-kim loại là hệ số dãn nở nhiệt của sứ thấp hơn kim loại để sau khi nguội chắc chắn sứ sẽ bị chịu một lực ép. Chính điều này đã làm cho sứ có độ bền cao, tránh được vết nứt lan rộng. TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại 3 II. NHỮNG TIÊU CHÍ CỦA VẬT LIỆU PHỤC HÌNH SỨ-KIM LOẠI Để đạt được tối đa ưu điểm của phục hình sứ-kim loại, cần thỏa mãn các điều kiện sau: a) Kim loại cần có độ nóng chảy cao: Khoảng nóng chảy phải cao hơn ít nhất là 1000C so với nhiệt độ nung sứ và vật liệu hàn. b) Sứ cần có nhiệt độ thiêu kết thấp hơn nhiệt độ phục hình toàn sứ để không làm biến dạng sườn kim loại trong quá trình thiêu kết. c) Sứ có thể làm ướt một cách dễ dàng như một loại vữa nhão (slurry) khi đặt lên sườn kim loại để tránh các khoảng hở ở giao diện, đồng thời làm ướt bề mặt kim loại trong quá trình thiêu kết. Góc tiếp xúc nói chung cần nhỏ hơn 600. d) Về bản chất, liên kết dán giữa sứ và kim loại đạt được là do phản ứng qua lại giữa sứ và các oxid kim loại trên bề mặt của hợp kim và độ nhám của bề mặt sườn kim loại. e) Hệ số giãn nở của sứ và kim loại phải tương đương nhau để sứ không bị nứt trong quá trình gia công. f) Độ cứng và độ bền của hợp kim là quan trọng đối với chụp và cầu răng sau. Độ cứng cao của kim loại làm giảm ngẫu lực trong sứ nhờ giảm độ võng (deflection) và sức căng (strain). g) Sườn kim loại cần được đúc cẩn thận. Tính chống lún (sag resistance) rất quan trọng. Để đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ, sườn thường khá mỏng nhưng không được phép biến dạng trong quá trình nung sứ. h) Hình dạng phục hình: cùi răng cần sửa soạn sao cho sứ và sườn kim loại đủ độ dày cần thiết. Trong một số trường hợp, sứ kim loại có ưu thế hơn sứ không kim loại vì mô răng phải mài đi ít hơn. i) Đường hoàn tất của phục hình nên làm vai nghiêng phẳng với góc tròn cho đủ độ dày của sứ để tránh vỡ. III. CƠ CHẾ VÀ NGUYÊN TẮC KỸ THUẬT DÁN SỨ - KIM LOẠI Độ bền dán sứ-kim loại trong phục hình sứ-kim loại là một trong những yêu cầu quan trọng nhất. Thất bại chủ yếu và phổ biến của phục hình sứ - kim loại là bong sứ. Có nhiều yếu tố liên quan đến sự dán sứ (adhesion) vào hợp kim: - Tính dễ làm ướt của sứ; - Sự tạo thành liên kết hoá học (chemical bonding); - Sự tạo thành các ngàm lưu hoá học (chemical interlocking) giữa hai loại vật liệu khác nhau; - Ứng suất dư (residual stresses). TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại 4 Xử lý bề mặt sườn kim loại nhằm hai mục tiêu chính: Tạo lớp oxid kim loại vừa đủ và làm nhám bề mặt. 2.1. Tính dễ làm ướt của sứ: là một tính chất quan trọng đối với sự dán sứ kim loại. Trong quá trình thiêu kết, sứ cần làm ướt và chảy trên bề mặt hợp kim. Góc tiếp xúc giữa sứ và hợp kim là số đo mức làm ướt và phản ánh chất lượng của sự dán. Sự thấm ướt của sứ thiêu kết trên bề mặt hợp kim thể hiện có sự tác động qua lại giữa các phân tử bề mặt hợp kim với sứ. Góc tiếp xúc nhỏ có nghĩa là sự làm ướt tốt. Bề mặt của các hợp kim vàng có thiếc và indium sau khi làm nóng có sự xuất hiện các oxid thâm nhập phản ứng qua lại với sứ, tạo thành một liên kết dán với góc tiếp xúc khoảng 600. 2.2. Liên kết hoá học giữa sứ và hợp kim: Sứ dán là kết quả của sự thấm hút hoá học (chemisorption) giữa oxid kim loại trên bề mặt hợp kim vào sứ. Oxid này được tạo thành trong quá trình xử lý nhiệt và xử lý bề mặt sườn hợp kim; được tạo thành trong quá trình đắp và thiêu kết sứ trên hợp kim. Giao diện giữa một hợp kim và sứ với nhiều liên kết hoá học bền vững, với các mối nối tác động như những đuôi (tags) liên kết hai vật liệu với nhau tạo nên liên kết vững chắc. Tuy vậy, những biện pháp công nghệ để tạo thành các liên kết hoá học mạnh giữa sứ và kim loại còn chưa được hoàn thiện. Một số hợp kim có palladium khi xử lý nhiệt, lớp oxid không những được tạo trên bề mặt mà còn cả oxid bên trong (internal oxid) ăn sâu vào hợp kim, làm tăng độ nhám. Các hợp kim thường, có chứa nhiều kim loại dễ oxy hoá như: nickel, chromium, beryllium,vì vậy cần kiểm soát để lớp oxid không quá dày để có thể xâm nhập vào sứ gây loạn sắc. Các hợp kim chứa beryllium khi tạo thành oxid (BeO) có độ bám dính tốt. BeO tạo thành chậm và không bị bong khỏi bề mặt hợp kim. 2.3. Bề mặt nhám của sườn kim loại: Sự xâm nhập của sứ vào bề mặt lồi lõm của sườn kim loại tạo thành những khoá cơ học. Tuy nhiên, bề mặt nhám lại có thể gây nên những khoảng hở làm cho sứ không xâm nhập đầy đủ vào bề mặt hợp kim. 2.4. Vấn đề ứng suất dư: Một ứng suất cao giữa sứ và hợp kim thường dẫn đến thất bại. Nếu hợp kim và sứ có hệ số dãn nở nhiệt khác nhau, chúng sẽ có tỷ lệ co khác nhau trong quá trình làm lạnh. Hậu quả là một ứng suất dư lớn sẽ hình thành ở giao diện. Nếu ứng suất dư này đủ lớn, sữ sẽ bị bong khỏi bề mặt hợp kim, sớm muộn phục hình cũng bị thất bại. Để khắc phục vấn đề trên, thành phần của sứ và hợp kim cần được tính toán rất kỹ để tạo nên sự tương hợp về hệ số dãn nở nhiệt. Hầu hết sứ nha khoa có hệ số dãn nở nhiệt từ 13,0 đến 14,0 x 10-6 /0C. Hợp kim sản xuất cho sườn sứ có hệ số dãn nở từ 13,5 đến 14,5 x 10-6 /0C. Sự khác biệt 0,5 x 10-6 /0C cho phép kim loại co nhiều hơn sứ trong quá trình làm lạnh sau nung, tạo nên một lực nén dư (residual compression) nhẹ làm cho sứ ít bị ảnh hưởng bởi ngẫu lực căng (tensile stress) do chịu tải cơ học. TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại 5 IV. CƠ CHẾ BONG DÁN SỨ-KIM LOẠI Hiểu biết về hiện tượng sứ bong có ý nghĩa lớn. Sứ bong có thể ở bề mặt lớp kim loại, ở giữa lớp oxid kim loại hoặc ở giữa các lớp sứ. Hiểu biết về hiện tượng sứ bong có ý nghĩa lớn để hạn chế những thiếu sót trong quá trình gia công phục hình. Có nhiều test để xác định độ bền dán sứ-kim loại. Tuy vậy, test lý tưởng vẫn chưa có. Các test thông thường hiện đang được áp dụng là Test về độ bền trượt phẳng (planar shear test) và test uốn (flexural test). Test uốn là dán một lớp sứ lên bề mặt một giải hoặc một tấm kim loại. Đem uốn tấm kim loại này cho đến khi sứ bị bong hoặc rạn vỡ. Độ bền dán được coi là đạt khi lực làm rạn vỡ từ trên 25 Mpa. Hiện nay, nhiều loại sứ kim loại đạt đến 40-60 Mpa. Một loại test uốn khác là thiêu kết lớp sứ dày 1mm trên một tấm kim loại có kích thước 20mm x 5mm x o,5mm; sau đó, đem uốn tấm kim loại trên một trụ có đường kính 1cm (bề mặt phủ sứ hướng ra phía ngoài) rồi làm thẳng trở lại, quan sát lớp sứ dưới kính lúp để nhận xét. Các mẫu có độ bền cao nhất bị vỡ ở trong lớp sứ. điều này chứng tỏ bề mặt kim loại cũng như sứ đã được chuẩn bị và gia công đúng. Các mẫu bị vỡ trong lớp oxid thường do lớp oxid dày, gặp với hợp kim thường. Các mẫu bị vỡ giữa bề mặt kim loại và lớp oxid (metal – metal oxid) thường là do lớp oxid không được hình thành đầy đủ ở các mẫu hợp kim rất quý. Người ta đã có nhiều cố gắng để sứ có độ dãn nở nhiệt đủ cao bằng cách thêm vào một lượng potassium oxid, gọi là leucite (KAlSi2O6). Nhờ đó, độ dãn nở nhiệt của porcelain cao, phù hợp với hợp kim sứ. Mặt khác, sứ cũng được nghiên cứu chế tạo để có nhiệt độ thiêu kết thấp hơn, tránh làm biến dạng sườn kim loại.. Các oxid Na và K trong pha thuỷ tinh có tác dụng làm giảm nhiệt độ thiêu kết (fusing temperature) đến khoảng 930 - 9800C. Sứ thiêu kết nhiệt độ thấp có các nhóm hydroxyl và nhiều Na2O, thiêu kết ở nhiệt độ 6600C. Gần đây, sứ thiêu kết nhiệt độ thấp và độ dãn nở nhiệt cao (15,8 x 10-6 / 0C) đã được sử dụng. Nó được dùng với hợp kim vàng rất quý (có độ dãn nở nhiệt từ 16,1 đến 16,8 x 10-6 / 0C). Về tính chất vật lý, sứ cho phục hình sứ-kim loại thường có độ bền kéo là 35 Mpa; độ bền nén là 860 Mpa; độ bền cắt là 120 Mpa; độ bền đàn hồi là 60 Mpa. V. LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ PHỤC HÌNH SỨ-KIM LOẠI Vì sứ là vật liệu có độ bền kéo thấp và dễ vỡ nên sườn kim loại cần đủ cứng để giảm tối đa sự biến dạng, đặc biệt là những nơi chuyển tiếp từ trụ sang nhịp của cầu phục hình. Tuy nhiên, sườn lại cần phải mỏng để dảm bảo thẩm mỹ của phục hình. Nhìn chung, các hợp kim Ni-Cr hoặc Co-Cr có lợi thế hơn so với các hợp kim quý và rất quý vì các chỉ tiêu về độ cứng của chúng thường lớn hơn 1,5 -2 lần với độ dày chỉ bằng phân nửa. TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại 6 Quy trình phục hình sứ gồm 5 bước: 1. Porcelain application and condensation); 2. Drying; 3. Firing (Sintering): Sứ sẽ bị thay đổi thể tích theo công thức: ∆V/V0 = (9γ / 4ηr) t Trong đó: - ∆V: là thể tích thay đổi của khối sứ; - V0 : là thể tích khối sứ ban đầu; - γ : là sức căng bề mặt của sứ trong giai đoạn đầu; - η : là độ nhớt; - r : là bán kính hạt bột sứ; - t : là thời gian nung. Từ công thức trên ta thấy: độ nhớt của khối sứ càng thấp và kích thước hạt bột sứ càng nhỏ thì mức độ đặc chắc của khối sứ càng cao. 4. Glazing; 5. Cooling. Bảng thành phần sứ Thành phần Opaque (bột, %) Dentin (bột, %) SiO2 50 - 59 57 - 62 Al2O3 9 - 15 11 - 16 Na2O 5 - 7 4 - 9 K2O 9 - 11 10 - 14 TiO2 0 - 3 0 - 0,6 ZnO2 0 - 5 0,1 - 1,5 SnO2 5 - 15 0 - 0,5 Rb2O 0 - 0,1 0 - 0,1 CeO2 - 0 - 3 Chất mầu - vết TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại 7 tµi liÖu tham kh¶o 1. Mai Đình Hưng (2004), Vật liệu học. Bài giảng cho Cao học. 2. Hoàng Tử Hùng (2011): Phục hình sứ. Lịch sử và hiện tại. 3. Herbert T. Shillingburg, Sumiya Hobo, Lowell D. Whitsett (1981): Fundamentals of fixed prosthodontics. 4. Stephen F. Rosenstiel, Martin F. Land, Junhei Fujimoto (2006): Contemporary Fixed Prosthodontics 5. Brian William Darvell (2000): Materials science for dentistry. 6. Robert George Craig, Marcus L. Ward (1997): Restorative Dental Materials. 7. William Joseph O'Brien (2002): Dental materials and their selection. 8. Edward Charles Combe, F. J. Trevor Burke, William H. Douglas (1999): Dental biomaterials.. 9. Ralph W. Phillips, B. Keith Moore (1994): Elements of dental materials: for dental hygienists and dental assistants. 10. H. Greener, J. K. Harcourt, E. P. Lautenschlager (1972): Materials science in dentistry. 11. John Neil Anderson (1967): Applied dental materials.. 12. Carol Dixon Hatrick, W. Stephan Eakle, William F. Bird (2003): Dental materials: clinical applications for dental assistants and dental hygienists..