Bài giảng Sứ nha khoa - Phần 2a: Công nghệ và đặc điểm - Hoàng Tử Hùng

www.hoangtuhung.com SỨ NHA KHOA CÔNG NGHỆ & ĐẶC ĐIỂM NGND. GS. BS. Hoàng Tử Hùng tuhung.hoang@gmail.com www.hoangtuhung.com DÀN BÀI 1- Qui trình chế tạo bột sứ đắp-thiêu kết 2- Quá trình tạo thành sứ thủy tinh 3- Quá trình tạo thành sứ oxid MỤC TIÊU Sau khi nghiên cứu bài này, sinh viên có thể 1- Mô tả được: – Quá trình chế tạo bột sứ đắp thiêu kết – Quá trình chế tạo sứ thủy tinh – Quá trình chế tạo sứ oxid 2- Trình bày được đặc điểm và ứng dụng của từng loại sứ trong phục hình www.hoangtuhung.com MỞ ĐẦU Gốm sứ dùng trong nha khoa bao gồm nhiều chủng loại (gốm chịu lửa, xi măng...ở labô; porcelain, sứ thủy tinh, sứ oxidtrong phục hình) Bài này tóm tắt qui trình chế tạo bột sứ (porcelain), sứ thủy tinh và sứ oxid nha khoa SỨ NHA KHOA TRONG BA LOẠI GỐM SỨ GỐM XÂY DỰNG GỐM GIA DỤNG&MỸ NGHỆ GỐM KỸ THUẬT PORCELAIN NHA KHOA SỨ THỦY TINH& SỨ OXYT NHA KHOA Sứ thủy tinh Glass-ceramic Porcelain BA LOẠI SỨ NHA KHOA Cả ba loại sứ nha khoa nêu trên đều đang có tại Việt nam Sứ oxid CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT www.hoangtuhung.com CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT Trường thạch (feldspar): là một loại đá tự nhiên có cấu trúc 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. www.hoangtuhung.com • 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 trường thạch có màu sáng, • Nghiền thành bột mịn, loại bỏ những hạt lớn hoặc quá nhỏ, • Rung trên một mặt nghiêng có rãnh từ tính để loại bỏ một lần nữa sắt còn lại. CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT (tiếp) www.hoangtuhung.com CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT (tiếp) •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; • oxid sắt: nâu; • cerium tạo tính phát huỳnh quang (trước đây dùng uranium oxide, oxide thiếc, titanium, zirconium được dùng để làm các chất che màu. www.hoangtuhung.com 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). (Leucite cũng được dùng để làm tăng độ bền của sứ trong phục hình toàn sứ (lượng leucite lên tới 45%), xem phần sứ thủy tinh). CHẾ TẠO BỘT SỨ ĐẮP-THIÊU KẾT (tiếp) CHẾ TẠO SỨ THỦY TINH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỨ THỦY TINH Sứ thủy tinh gồm tối thiểu hai pha: 1. Pha glass vô định hình, và 2. Pha tinh thể (môt hoặc nhiều loại) kết hợp theo tỷ lệ đặc hiệu. Qui trình sản xuất Sứ thủy tinh có hai giai đoạn: – Tạo pha thủy tinh (1) – Tinh thể hóa có kiểm soát (2) 1- TẠO PHA THỦY TINH Nguyên liệu thủy tinh thông dụng: 12-18% Na2O 8-15% CaO 60-70% SiO2 •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 1- TẠO PHA THỦY TINH (trong chế tạo sứ thủy tinh) Các hệ nguyên liệu: Li2O x Al2O3 x nSiO2, MgO x Al2O3 x nSiO2 ZnO x Al2O3 x nSiO2 Tạo thành các hệ thống sứ thủy tinh kỹ thuật tương ứng: LAS, MAS, ZAS Processing Nấu chảy nguyên liệu thủy tinh (Melting) Thời gian N h i ệ t đ ộ IPS e.max CAD Làm lạnh (cooling) Quá trình tạo pha thủy ti h (LAS) Khối thủy tinh Chú ý: Dạng sản phẩm là khối thủy tinh 2- TINH THỂ HÓA CÓ KIỂM SOÁT (controlled crystallization) Xử lý nhiệt lần 2 (reheat treatment) để: 1- tạo mầm tinh thể*, và 2- phát triển mầm tạo pha tinh thể**. Pha thủy tinh chuyển một phần thành pha kết tinh Pha tinh thể chiếm ≥30%, Nếu số mầm đủ lớn và tinh thể đủ nhỏ (~1µm): Đạt 90% thể tích). 2- TINH THỂ HÓA CÓ KIỂM SOÁT (controlled crystallization) 1-Tạo mầm tinh thể: dùng chất xúc tiến (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
kết tinh có trật tự 2-Phát triển mầm tạo pha tinh thể: Nhiệt độ được kiểm soát để tốc độ tạo mầm và lớn lên của mầm phải như nhau theo các phương Produktname | Thema3 19 •Hòa tan loại tinh thể LS và lớn lên của tinh thể thứ hai (LS2) 770°-:- 820 °C Quá trình xử lý nhiệt lần hai (tạo mầm và phát triển mầm, tạo pha tinh thể) N h i ệ t đ ộ Thời gian Kích thước tinh thể phụ thuộc nhiệt độ IPS e.max CAD 840°-:- 850°C IPS e.max CAD •Đồng thời tạo nhân kết tinh của hai loại tinh thể •Sự lớn lên của loại tinh thể thứ nhất (LS) CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SỨ THỦY TINH Như vậy: Sản phẩm của “Giai đoạn 1” là chế tạo được khối thủy tinh • Thủy tinh có thể chuyển dạng từ “mềm” (soft glass) dễ tạo dạng (shaping): đúc, màisang dạng cứng (sứ thủy tinh: tough glass-cereamic) nhờ quá trình tinh thể hóa có kiểm sóat. Giai đoạn 2 (tinh thể hóa có kiểm soát) diễn ra trong quá trình chế tác phục hình bằng công nghệ ép nóng hoặc CAD/CAM SỨ THỦY TINH Đặc điểm sứ thủy tinh: • Tinh thể liên kết với nhau có qui luật
pha tinh thể đồng nhất, có cấu trúc • Pha thủy tinh đóng vai trò kết dính. • Lượng pha tinh thể từ 30 – 90% Có thể điều chỉnh: · tỷ lệ giữa hai pha, · bản chất hóa học pha tinh thể Khác “sứ đắp”, sứ thủy tinh hầu như không lỗ rỗ do không trải qua nung trong xử lý nhiệt Trạng thái tiền tinh thể hóa (precrystallized state) Khoảng 40% tinh thể lithium nửa bền (lithium metasilicate crystals) rải rác trong khuôn thủy tinh Hình ảnh khi tinh thể được xoi mòn (etching of crystals) Trạng thái tinh thể hóa (crystallized state) Khoảng 70 % tinh thể lithium disilicate hạt mịn trong khuôn thủy tinh Hình ảnh khi xoi mòn pha thủy tinh (etching the glass matrix) Cấu trúc vi thể (Microstructure) sứ thủy tinh lithium disilicate IPS e.max CAD Processing Nấu chảy nguyên liệu thủy tinh (Melting) Thời gian N h i ệ t đ ộ IPS e.max CAD Làm lạnh (cooling) Quá trình tạo pha thủy ti h Khối thủy tinh Produktname | Thema3 24 •Hòa tan loại tinh thể LS và lớn lên của tinh thể thứ hai (LS2) 770°-:- 820 °C Quá trình xử lý nhiệt lần hai (tạo mầm và phát triển mầm, tạo pha tinh thể) N h i ệ t đ ộ Thời gian Kích thước tinh thể phụ thuộc nhiệt độ IPS e.max CAD 840°-:- 850°C IPS e.max CAD •Đồng thời tạo nhân kết tinh của hai loại tinh thể •Sự lớn lên của loại tinh thể thứ nhất (LS) Chú ý: Xử lý nhiệt lần 2 diễn ra khi chế tác phục hình CHẾ TẠO SỨ OXID CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SỨ OXID Phát triển trong khoảng 15 năm trở lại đây, là các sứ đơn pha đa tinh thể: – 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, đáp ứng được đòi hỏi để làm sườn phục hình (mão/chụp, cầu, cùi cho implant) thay thế kim loại, nhưng khó gia công.
ALUMINA & ZIRCONIA ZrO2 Al2O3 VẬT LIỆU SỨALUMINA Bột aluminum oxid tinh khiết được nung đến 1357°C để đạt trang thái alumina xốp (bisque alumina). Alumina trong trạng thái này được tạo hình bằng máy (CAM) sau đó, được nung đến 1700°C để đạt trạng thái thiêu kết sau cùng, là một sứ oxid đa tinh thể, tinh khiết (99,5%), đồng nhất (co thể tích giữa hai trạng thái: 15 – 18%) VẬT LIỆU SỨ ZIRCONIA Zirconia (ZrO2) gồm ion kim loại Zr(4-) và ion oxid O(2+). Là một sứ oxid có cấu trúc hạt mịn (fine-grain) đa tinh thể (polycrystalline). – Trong tự nhiên, tồn tại dưới dạng pha đơn xiên (monoclinic), ổn định ở nhiệt độ thường đến 1170°C, – ≥ 1170°C , chuyển dạng thành pha tứ giác (tetragonal), – Đến 2370°C , ở dạng khối vuông (cubic). – Khi nhiệt độ hạ xuống, sự chuyển dạng diễn ra ngược lại với sự khác biệt nhỏ về mức nhiệt độ Trong quá trình chuyển dạng, ZrO2 tăng thể tích 3-5%.
ứng dụng để phát triển vật liệu với đặc tính được lựa chọn có kiểm soát. ZrO2 tổng hợp có chứa các yếu tố ổn định (stabilizers,“doping”): Y2O3, CaO, MgO, CeO2, Sc2O3 để: – Đưa chuyển dạng tetragonal về nhiệt độ thấp hơn – Chống chuyển dạng từ tetragonal sang monoclinic (t/m transformation) ở nhiệt độ thường – Giữ dạng cubic ở nhiệt độ thường. Có bốn loại sứ ZrO2: 1. FSZ: Fully Stabilized Zirconia 2. PSZ I: Partially Stabilized Zirconia I 3. PSZ II: Partially Stabilized Zirconia II 4. TZP: Tetragonal Zirconia Polycrystals PSZ I, PSZ II, TZP là những vật liệu tăng cường chuyển dạng (transformation-reinforced materials).
Giảm đặc tính dòn cố hữu của sứ, xuất hiện tính “giả chịu uốn” (“pseudo-ductile”) Hai cơ chế tăng chuyển dạng: Tăng chuyển dạng cảm ứng vi nứt (microcrack-induced transformation reinforcement: RM) có ở PSZ I Tăng chuyển dạng cảm ứng ứng lực (stress-induced transformation reinforcement: TR) có ở PSZ II TZP ổn định từng phần với 3 mol-% Y2O3 được sử dụng trong nha khoa: mỗi tinh thể trong cấu trúc đều duy trì trạng thái nửa bền (metastable) trong pha tetragonal ở nhiệt độ thường. Lực gây biến dạng vi cấu trúc được bù trừ bằng sự chuyển dạng tinh thể tetragonal thành monoclinic
sự lan rộng vết nứt được ngăn chặn CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SỨ OXID Dạng chế tạo của sứ oxyt là khối sứ tiền thiêu kết (presintered) khi vật liệu còn tương đối “mềm”: “sứ có thể gia công bằng máy”: (machinable ceramics); sứ “non” (“green” ceramic); trạng thái trắng (white state). Quá trình gia công (chế tác phục hình) được thực hiện bằng công nghệ CAD/CAM. Sau khi được tạo hình, sứ được tiếp tục thiêu kết hoàn toàn. Quá trình này điễn ra sự co thể tích. - Từ 15 – 18% đối với alumina - ~25% đối với zirconia SƠ LƯỢC ĐẶC ĐIỂM SỨ NHA KHOA 1. Đặc điểm về cấu trúc • Sứ dòn, có hai loại rạn nứt: Các khiếm khuyết trong chế tác: – Trong quá trình chế tác phục hình: đắp sứ & nung
khoảng hở +“dị vật” – Lỗ rỗ & vi nứt : là những nứt gãy khởi đầu trong quá trình nguội do sốc nhiệt (làm nguội sứ quá nhanh). Nứt bề mặt: - Trong gia công bằng máy hoặc mài khi gắn phục hình - Trong quá trình sử dụng: lực chức năng, cận chức năng
lan rộng dần vết nứt: nguyên nhân thất bại phổ biến (đưa đến nứt, vỡ sứ) 2. Đặc điểm quang học của sứ nha khoa Trên lâm sàng, Cần chú ý các đặc điểm: – Sự phù hợp màu – Màu của phục hình sứ – Độ trong của sứ – Tính huỳnh quang – Chất dán/gắn phục hình Độ bền và đặc điểm quang học của sứ phụ thuộc tỷ lệ và bản chất của pha tinh thể, nói chung: Pha tinh thể nhiều: độ bền tăng, độ trong giảm Pha tinh thể ít: độ trong tăng, độ bền giảm
Không phải sứ nha khoa nào cũng trong ĐẶC ĐIỂM CỦA SỨ NHA KHOA 3. Đặc điểm vật lý Độ bền uốn Độ bền gãy Độ bền cắt Hằng số đàn hồi Độ co Độ co tuyến tính Sự co thể tích Mật độ Đặc điểm nhiệt Hệ số dãn nở nhiệt tuyến tính CÁC PHƯƠNG PHÁP TĂNG CƯỜNG ĐỘ BỀN CỦA SỨ www.hoangtuhung.com 1. Biện pháp nội sinh Tăng cường pha tinh thể Nguyên tắc: đưa vào một pha tinh thể phân tán có độ bền cao, làm tăng sức đề kháng đối với sự lan & làm lệch vết nứt Biến đổi tăng độ bền: ZrO2 có 2 dạng tinh thể: *tứ giác (tetragonal) bền vững ở khoảng 1170 - 2370o C, *đơn nghiêng (monoclinic) bền vững ở nhiệt độ dưới 1170o C. Cho thêm 3 mole % yttrium oxid (3Y-TZP)
Dạng tứ giác trở nên bền vững ở nhiệt độ thường do cảm lực (stress-induce): Dưới tác động lực, ZrO2 biến đổi từ pha tứ giác kém bền vững thành phađơn nghiêng bền vững do đặc tính cơ học cuả (3Y-TZP) (xem phần thứ ba). www.hoangtuhung.com 2. Biện pháp ngoại sinh Tạo một lớp chịu lực ở bề mặt: Tạo lớp ion bề mặt • Tạo sự trao đổi ion dựa trên khuyếch tán (diffusion-based ion exchange): trong mạng pha thủy tinh: ion kiềm nhỏ (natri) thành ion lớn hơn (kali). Thực hiện trong bồn muối nóng chảy 450 - 480o C, ứng dụng trong sứ nha khoa từ những năm 90. Độ dày: khoảng 140µm Làm láng • Làm láng (glazing): nướng lại, tạo một lớp sứ láng; không có ý nghĩa để làm tăng độ bền uốn của sứ trường thạch. • “Glaze” là loại thủy tinh có độ dãn nở thấp, đặt trên bề mặt sứ, nung ở nhiệt độ cao. Độ co của lớp sứ bên dưới lớn hơn, do đó làm giảm kích thước các rạn nứt TÓM TẮT - Làm lớp phủ phục hình sứ-kim loại - Làm lớp phủ thẩm mỹ cho toàn sứ - Làm mặt dán sứ PORCELAIN: Bột sứ đắp-Thiêu kết (tỷ lệ pha tinh thể <30%) •Đặc điểm: Thẩm mỹ, nhưng dòn, độ bền thấp, lỗ rỗ •Cấu trúc nhiều pha, pha tinh thể không được kiểm soát về cấu trúc •Chế tạo thành dạng bột sứ; •Chế tác thủ công bằng phương pháp đắp-thiêu kết • ĐẶC ĐIỂM và CÔNG NGHỆ CHẾ TÁC ĐẶC ĐIỂM và CÔNG NGHỆ CHẾ TÁC SỨ THỦY TINH (Tỷ lệ pha tinh thể >30-90%) - Viên sứ ép sườn mão (Li2Si2O5) - Viên sứ ép “press-on” (Ca5(PO4)3F) - Khối sứ CAD/CAM (Li2Si2O5) •Đặc điểm: Thẩm mỹ khá, độ bền khá, ít lỗ rỗ •Cấu tạo nhiều pha, pha tinh thể được kiểm soát về mức độ và sự phân bố •Chế tạo thành viên hoặc khối thủy tinh; •Chế tác bằng công nghệ ép nóng hoặc CAD/CAM SỨ OXID (Pha tinh thể >>95%) - Khối sứ CAD/CAM zirconia (ZrO2) - Khối tiền thiêu kết zirconia (ZrO2) - Khối tiền thiêu kết alumina (Al2O3) •Đặc điểm: Kém thẩm mỹ, độ bền cao, không lỗ rỗ •Cấu trúc đơn pha, không có pha thủy tinh •Chế tạo thành khối sứ tiền thiêu kết; •Chế tác bằng công nghệ CAD/CAM ĐẶC ĐIỂM và CÔNG NGHỆ CHẾ TÁC SỨ NHA KHOA Hiện có ở Việt nam PORCELAIN: Bột Sứ đắp-Thiêu kết (Pha tinh thể <30%) SỨ THỦY TINH (Pha tinh thể >30-90%) - Phục hình sứ-kim loại - Làm lớp phủ thẩm mỹ cho toàn sứ - Làm mặt dán sứ Viên sứ ép sườn mão (Li2Si2O5) Viên sứ ép mặt ngoài Press-on (Ca5(PO4)3F) Khối sứ CAD/CAM (Li2Si2O5) SỨ OXID (Pha tinh thể >95%) Khối sứ CAD/CAM zirconia (ZrO2) Khối tiền thiêu kết zirconia (ZrO2) Khối tiền thiêu kết alumina (Al2O3)