Bài giảng Sứ nha khoa: Tìm hiểu vật liệu và công nghệ Hoàng Tử Hùng

Bài giảng Sứ nha khoa: Tìm hiểu vật liệu và công nghệ trình bày một số thuật ngữ về gốm sứ, phân loại gốm sứ, lịch sử của sứ nha khoa, định nghĩa và phân loại, công nghệ chế tạo sứ nha khoa, công nghệ chế tạo vật liệu sứ thủy tinh,...Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn.

CÂU H Ỏ I và V Ấ N ĐỀ (2)

- Phục hình (mão, cầu) toàn sứ có thẩm mỹ hơn phụchình sứ-kim loại không?,

LỊCH SỬ GỐM SỨ

Gốm là một trong những vật liệu được con người sử

dụng sớm nhất, từ thời kỳ đồ đá, cách nay trên 10.000 năm*, ngày nay, vẫn phổ biến và tiếp tục phát triển

*sự xuất hiện của đồ gốm được coi là một mốc đánh dấu thời đại đá

Th ă ng long)

“porcelain” = “g ố m s ứ ”

Sét tr ắ ng

(Kaolin)

Tr ườ ng th ạ ch (feldspar)

Th ạ ch anh (quartz) SiO2

S ứ (Porcelain) nha khoa

G ố m S ứ m ỹ ngh ệ , gia d ụ ng

Sành, g ố m v ệ sinh

G ố m đấ t nung

Sơ đồ thành phần cơ bản của gốm sứ

THUẬT NGỮ “porcelain” = “g ố m s ứ ”

Trong tiếng Việt,

– Các sản phẩm gốm sứ dân dụng và mỹ thuật thông dụng được gọi chung là “g ố m s ứ ”,

– Trong thu ậ t ng ữ k ỹ thu ậ t , chủ yếu sử dụng

từ “ g ố m ”, – Trong nha khoa , chủ yếu sử dụng từ “ s ứ ”.

THU Ậ T NG Ữ

• Porcelain: là các lo ạ i g ố m s ứ làm t ừ nguyên li ệ u

thô: đ á tr ườ ng th ạ ch (feldspar), th ạ ch anh (quartz),

sét tr ắ ng (kaolin), được nung đến 1.200 – 1.400°C.

- Tùy theo thành ph ầ n và độ tinh khi ế t c ủ a nguyên

li ệ u, người ta có thể thu được: sành, sứ, sứ cao

cấp, trong đó có sứ nha khoa dạng bột…

Các s ả n ph ẩ m c ủ a porcelain đ a d ạ ng: vật liệu

dùng trong xây dựng, đồ dùng gia đình, đồ trang

trí…

1- G ố m xây d ự ng : g ạ ch, ngói, s ứ v ệ sinh…

Ngói, G ạ ch ố ng n ướ c, lát đườ ng th ờ i Lê

(Hoàng thành Th ă ng long)

PHÂN LO Ạ I G Ố M S Ứ

2- Gốm gia dụng và…

Ch ế tác s ả n ph ẩ m b ằ ng bàn xoay

Venus of Dolnie Vestonice 29,000 BC – 25,000 BC

Discovered 1925 in Moravia

Present location Moravské zemské muzeum ,

Brno , Czech Republic

Etruscan,540–530 BC

(S ứ th ủ y tinh)

Porcelain

(G ố m s ứ , men s ứ )

LỊCH SỬ SỨ NHA KHOA

• Trong nha khoa*

1774, A Duchâteau (người Pháp) đã thực hiện hàmgiả có răng sứ, công bố tại Viện hàn lâm phẫu thuậtnăm 1776,

1788, N D de Chémant công bố luận văn “A

Dissertation on Artificial Teeth” mô tả việc thực hiện

răng porcelain từ bột dẻo khoáng chất (mineral paste)

1884, M L Logan (người Mỹ) được cấp bằng sáng

chế mão toàn sứ

*W Hoffmann-Axthelm: History of Dentistry , Quintessence,1981

ĐỊNH NGHĨA

Sứ nha khoa là một sản phẩm dùng trong nha khoa

phục hồi, có bản chất là vật liệu vô cơ không kim loại,

trải qua nung ở nhiệt độ cao để đạt được đặc tính

mong muốn (J.M Powers, R.L Sakaguchi: Craig’s

Restorative Dental Materials, 2006)

TH Ế GI Ớ I S Ứ NHA KHOA

Hi ệ n có ở Vi ệ t nam

S Ứ TH Ủ Y TINH

(Tỷ lệ pha tinh thể >50-90%)

Đặ c đ i ể m: Th ẩ m m ỹ khá, độ b ề n khá, ít l ỗ r ỗ

C ấ u t ạ o nhi ề u pha, pha tinh th ể đượ c ki ể m soát v ề m ứ c độ

và s ự phân b ố

TH Ế GI Ớ I S Ứ NHA KHOA

Hi ệ n có ở Vi ệ t nam

S Ứ OXID

(Pha tinh thể >95%)

Đặ c đ i ể m: Kém th ẩ m m ỹ , nh ư ng độ b ề n cao, không l ỗ r ỗ

C ấ u trúc đơ n pha, không có pha th ủ y tinh

TH Ế GI Ớ I S Ứ NHA KHOA

Hi ệ n có ở Vi ệ t nam

PORCELAIN:

B ộ t S ứ đắ p-Thiêu k ế t (t ỷ l ệ pha tinh th ể <30%)

Viên s ứ ép s ườ n mão (Li 2 Si 2 O 5 )

Viên s ứ ép m ặ t ngoài Press-on (Ca 5 (PO 4 ) 3 F)

Kh ố i s ứ CAD/CAM (Li 2 Si 2 O 5 )

S Ứ OXID

(Pha tinh th ể >95%)

Kh ố i s ứ CAD/CAM zirconia (ZrO 2 )

Kh ố i ti ề n thiêu k ế t zirconia (ZrO 2 )

Kh ố i ti ề n thiêu k ế t alumina (Al 2 O 3 )

Độ b ề n và đặ c đ i ể m quang h ọ c c ủ a s ứ ph ụ thu ộ c

t ỷ l ệ và b ả n ch ấ t c ủ a pha tinh th ể , nói chung:

Pha tinh th ể nhi ề u: độ b ề n t ă ng, độ trong gi ả m

Pha tinh th ể ít: độ trong t ă ng, độ b ề n gi ả m

Không ph ả i s ứ nha khoa nào c ũ ng trong

QUI TRÌNH CHẾ TẠO BỘT SỨ NHA KHOA

Trường thạch (feldspar): là một loại đá tự nhiên có cấutrúc tinh thể, đục, màu từ xám đến hồng

• là một silicate nhôm kali (potassium aluminum silicate

- K2O•Al2O3•6SiO2) Thành phần hoá học của trường thạch thường gồm:

– Silica (SiO2): 64%;

– Alumina (Al2O3): 18%;

– Soda (Na2O), Potash (K2O): 8-10%

• Nóng chảy ở 1150º C, tạo thành leucite (KAlSi2O6)

(pha tinh thể) và thủy tinh nóng chảy

CHẾ TẠO SỨ NHA KHOA

• Trường thạch được khai thác từ mỏ, nghiền nhỏ,

• Loại bỏ sắt và mica (thường có trong trường thạch

không tinh khiết): chỉ chọn sử dụng những phần

CHẾ TẠO SỨ NHA KHOA

•Nung bột mịn trường thạch đến ~1200º C,

Hỗn hợp leucite và thủy tinh

•Làm lạnh nhanh trong nước để khối sứ bị rã thành bột

•Thêm các chất màu:

• titanium oxide: vàng nâu;

• manganese oxide: xanh nhạt pha đỏ;

CHẾ TẠO SỨ NHA KHOA

Sản phẩm của quá trình là bột sứ trường thạch nha

khoa (feldspathic dental porcelain) có hai pha:

• Pha thủy tinh với các tính chất đặc trưng: dòn,

trong, nứt vỡ không theo hướng nhất định…

• Pha tinh thể leucite (KAlSi2O6):

– chiếm 10 - 20%

– có hệ số dãn nở nhiệt cao (>20 x 10¯ 6 /° C)

Khi chế tác phục hình, bột sứ được “đắp” lên sườn kim

loại hoặc sườn sứ, sau đó thiêu kết trong lò nung

Vì sao r ă ng s ứ l ạ i trong?

Răng sứ “đắp” (thực chất là porcelain), có hai pha:

Pha thủy tinh

Pha tinh thể

Pha tinh th ể trong porcelain không cao (~25%), ph ụ

thu ộ c vào thành ph ầ n nguyên li ệ u

Porcelain là loại sứ duy nhất được sử dụng trong nha khoa cho đến những năm 80

S Ứ TH Ủ Y TINH

(T ỷ l ệ pha tinh th ể >50-90%)

Đặ c đ i ể m: Th ẩ m m ỹ khá, độ b ề n khá, ít l ỗ r ỗ

C ấ u t ạ o nhi ề u pha, pha tinh th ể đượ c ki ể m soát v ề m ứ c độ

và s ự phân b ố

SỨ THỦY TINH

• Sứ thủy tinh (glass-ceramic) là một chất rắn nhiều

pha, gồm:

- Pha thủy tinh (glass) là pha bao bọc, vô định hình, và

- Một hoặc nhiều pha tinh thể (crystalline)

được tạo thành bởi sự tạo nhân tinh thể và lớn lên củacác tinh thể trong thủy tinh Quá trình tinh thể hóa

được kiểm soát

Qui trình s ả n xu ấ t S ứ th ủ y tinh có hai giai đ o ạ n:

– T ạ o pha th ủ y tinh (1)

– Tinh th ể hóa có ki ể m soát (2)

Sứ thủy tinh được gọi tên theo tên pha tinh thể

Các h ệ nguyên li ệ u : [Li 2 O x Al 2 O 3 x nSiO 2 ]; [MgO x

Al 2 O 3 x nSiO 2 ]; [ZnO x Al 2 O 3 x nSiO 2 ] t ạ o thành các h ệ

th ố ng s ứ th ủ y tinh k ỹ thu ậ t t ươ ng ứ ng: LAS, MAS, ZAS).

•Nấu chảy ở 1400-1500°C
pha lỏng đồng nhất

•Hạ nhiệt độ để có pha thủy tinh

Thủy tinh chảy mềm ở 1000-1200°C

N ấ u ch ả y nguyên li ệ u th ủ y tinh

CÔNG NGH Ệ V Ậ T LI Ệ U S Ứ TH Ủ Y TINH

Chế tạo sứ thủy tinh (tiếp)

2- Tinh thể hóa có kiểm soát (controlled crystallization)

Xử lý nhiệt lần 2 (reheat treatment) để

– tạo mầm tinh thể*, và

– phát triển mầm tạo pha tinh thể**

Pha thủy tinh chuyển một phần thành pha kết tinh

(chiếm ≥30 Nếu số mầm đủ lớn và tinh thể đủ nhỏ

(~1µm), có thể đạt 90% thể tích)

Trong sứ thủy tinh, các tinh thể liên kết với nhau có qui

luật tạo thành pha tinh thể đồng nhất, có cấu trúc trên

nền pha thủy tinh đóng vai trò kết dính Khác “sứ đắp”,

sứ thủy tinh hầu như không lỗ rỗ do không trải qua

nung trong xử lý nhiệt

CÔNG NGH Ệ V Ậ T LI Ệ U S Ứ TH Ủ Y TINH

*T ạ o m ầ m tinh th ể : dùng ch ấ t xúc ti ế n (accelerator) tạo mầm: Pt, SnO2 hoặc các muối kim loại nhạy

sáng: Au, Ag, Cu…(vừa xúc tiến vừa tạo màu).

Chất xúc tiến có cấu trúc gắn với tinh thể hình thành trong thủy tinh
k ế t tinh có tr ậ t t ự

** Phát triển mầm t ạ o pha tinh th ể :

Nhi ệ t độ đượ c ki ể m soát để t ố c độ t ạ o m ầ m và l ớ n lên của mầm phải nh ư nhau theo các ph ươ ng

Quá trình x ử lý nhi ệ t l ầ n hai

(t ạ o m ầ m và phát tri ể n m ầ m, t ạ o pha tinh th ể )

c ủ a hai lo ạ i tinh th ể

•S ự l ớ n lên

c ủ a lo ạ i tinh

th ể th ứ nh ấ t (LS)

Tr ạ ng thái ti ề n tinh th ể hóa

(precrystallized state)

Kho ả ng 40% tinh th ể lithium n ử a b ề n

(lithium metasilicate crystals) r ả i rác

trong khuôn th ủ y tinh

Hình ả nh khi tinh th ể đượ c xoi mòn

(etching of crystals)

Tr ạ ng thái tinh th ể hóa

(crystallized state)

Kho ả ng 70 % tinh th ể lithium disilicate

h ạ t m ị n trong khuôn th ủ y tinh Hình ả nh khi xoi mòn pha th ủ y tinh (etching the glass matrix)

C ấ u trúc vi th ể (Microstructure)

s ứ th ủ y tinh lithium disilicate

IPS e.max CAD

CÔNG NGH Ệ V Ậ T LI Ệ U S Ứ

Như vậy:

Thủy tinh (soft glass) có thể chuyển dạng từ “mềm” sang

cứng (sứ thủy tinh: tough glass-ceramic) nhờ lựa chọn

và kiểm sóat quá trình tinh thể hóa thủy tinh

Pha glass dễ tạo dạng (shaping) - td bằng cách đúc

-mà không bị biến dạng

Có thể điều chỉnh: · tỷ lệ giữa hai pha,

· bản chất hóa học pha tinh thể

để sứ thủy tinh đạt đặc điểm mong muốn

THUẬT NGỮ “ gốm/sứ kỹ thuật”

G ố m/s ứ k ỹ thu ậ t (g ố m/s ứ tiên ti ế n)

technical/engineering/advanced ceramics là các loại gốm được phát triển gần đây nhằm đáp ứng những đòi hỏi của công nghệ hiện đại

Gồm hai nhóm lớn:

– Gốm oxid: zirconium oxide (zirconia: ZrO2),

aluminum oxide (alumina: Al2O3), titania (TiO2)…

– Gốm không chứa oxi: tungsten carbide (WC),

silicon carbide (SiC), boron carbide (B4C)…

S Ứ OXID

S ứ oxid: trong phục hình toàn sứ được phát triển

trong khoảng 15 năm trở lại đây, là các sứ m ộ t

pha (monophase) đ a tinh th ể :

– Zirconia (zirconium oxide: ZrO2)

– Alumina (aluminum oxide: Al2O3)

Trong trạng thái thiêu kết hoàn toàn (completely sintered state) là vật liệu rất bền chắc, cứng rắn, không lỗ rỗ, không có thủy tinh, đáp ứng được đòi hỏi để làm

sườn phục hình (mão/chụp, cầu, cùi cho implant…)

thay thế kim loại, nhưng khó gia công

S Ứ OXID

Quá trình gia công bằng “CAM” trong trạng thái tiềnthiêu kết (presintered) khi vật liệu còn tương đối

“mềm” (tức “sứ có thể gia công bằng máy”:

machinable ceramics; sứ “non”: “green” ceramic;

trạng thái trắng: white state) được phát triển

Sau khi được tạo hình, sứ được tiếp tục thiêu kếthoàn toàn Quá trình này điễn ra sự co thể tích

- Từ 15 – 18% đối với alumina

- ~25% đối với zirconia

CÔNG NGH Ệ V Ậ T LI Ệ U S Ứ Alumina

B ộ t aluminum oxid tinh khiết được nung đến 1357°C

để đạt trang thái alumina x ố p (bisque alumina)

Alumina trong trạng thái này được tạo hình bằng

máy (CAM) sau đó, được nung đế n 1700°C để đạt trạng thái thiêu kết sau cùng, là một s ứ oxid đ a

tinh th ể , tinh khi ế t (99,5%), đồ ng nh ấ t (co thể tích giữa hai trạng thái: 15 – 18%)

ALUMINA

CÔNG NGH Ệ V Ậ T LI Ệ U S Ứ Zirconia

ZrO2 Là một sứ oxid có cấu trúc hạt mịn (fine-grain) đa

tinh thể (polycrystalline)

– Trong t ự nhiên , t ồ n t ạ i d ướ i d ạ ng pha đơ n xiên

(monoclinic), ổ n đị nh ở nhi ệ t độ th ườ ng đế n 1170°C,

– ≥ 1170°C , chuy ể n d ạ ng thành pha t ứ giác (tetragonal), – Đế n 2370°C , ở d ạ ng kh ố i vuông (cubic)

– Khi nhi ệ t độ h ạ xu ố ng, s ự chuy ể n d ạ ng di ễ n ra ng ượ c l ạ i

v ớ i s ự khác bi ệ t nh ỏ v ề m ứ c nhi ệ t độ

– Trong quá trình chuy ể n d ạ ng, ZrO2 t ă ng th ể tích 3-5%.

ứ ng d ụ ng để phát tri ể n v ậ t li ệ u v ớ i đặ c tính đượ c l ự a

ch ọ n có ki ể m soát.

CÔNG NGH Ệ V Ậ T LI Ệ U S Ứ Zirconia

ZrO2 t ổ ng h ợ p có ch ứ a các y ế u t ố ổ n đị nh

(stabilizers,“doping”): Y 2 O 3 , CaO, MgO, CeO 2 , Sc 2 O 3 …

TZP ổ n đị nh t ừ ng ph ầ n v ớ i 3 mol-% Y 2 O 3 đượ c s ử d ụ ng

trong nha khoa: m ỗ i tinh th ể trong c ấ u trúc đề u duy trì

tr ạ ng thái n ử a b ề n (metastable) trong pha tetragonal ở

nhi ệ t độ th ườ ng.

L ự c gây bi ế n d ạ ng vi c ấ u trúc đượ c bù tr ừ b ằ ng s ự chuy ể n

d ạ ng tinh th ể tetragonal thành monoclinic
s ự lan r ộ ng

v ế t n ứ t đượ c ng ă n ch ặ n

Gi ả m đặ c tính dòn c ố h ữ u c ủ a s ứ , xu ấ t hi ệ n tính “gi ả ch ị u

u ố n” (“pseudo-ductile”)

Kỹ thuật chế tác Pha tinh thể Độ bền uốn (MPa)

Alumina (Al2O3) Spinel (MgAl2O4) Zirconia (ZrO2)

Leucite (KAlSi2O6) Lithium disilicate (Li2Si2O5) Lithium phosphate (Li3PO4)

Leucite (KAlSi2O6) Alumina (Al2O3) Fluorapatite (Ca5(PO4)3F) Leucite (KAlSi2O6)

900 650 105 135

446 378 604

121 350 164

104 139 80 70

ZIRCONIA Đ Ã LÀ V Ậ T LI Ệ U

đàn hồi giảm 30%”*

*Cattani Lorente, M., et al.: Low temperature degradation of a Y-TZP dental ceramic, Acta Biomaterialia, V 7, Issue 2, Feb

2011 (858-865)

V Ấ N ĐỀ

“Việc sử dụng sườn zirconia cho cầu nhiều đơn vị

và cho phục hình trên implant còn đang được

đánh giá và cần được theo dõi lâm sàng dài hạn

để cung cấp bằng chứng khoa học cho việc đưa

ra một chỉ dẫn chắc chắn”*

*Zarone, F., Russo, S., Sorrentino, R.: From

porcelain-fused-to-metal to zirconia: clinical and experimental

considerations, Dental Materials, V27, issue 1, jan 2011

(83-96)

CÂU H Ỏ I và V Ấ N ĐỀ

- Ph ụ c hình (mão, c ầ u) toàn s ứ có th ẩ m m ỹ h ơ n ph ụ c hình s ứ kim lo ạ i không?,

- Gi ố ng nhau và khác nhau gi ữ a hai lo ạ i ph ụ c hình

ỨNG DỤNG LÂM SÀNG DỰA TRÊN BẰNG CHỨNG

C Ả M Ơ N QUÍ V Ị VÀ CÁC B Ạ N

Đ Ã THEO DÕI