DENTÁLNÍ KERAMIKA – MECHANICKÉ VLASTNOSTI

Souhrn

Úvod a cíl: Keramika je směs anorganických nekovových materiálů. Její historie je datována již od paleolitu. Využívá se například k výrobě šperků, nádobí, ve stavebním průmyslu, v sochařství a samozřejmě i v zubním lékařství. Keramika je tvrdá, pevná, termicky i elektricky nevodivá, ale je především také estetická. Z důvodu zvyšujících se nároků pacientů na krásný a přirozený úsměv je keramika velmi dobrou volbou při zhotovování estetických protetických prací. Dentální keramika totiž velmi dobře opticky napodobuje tvrdé zubní tkáně, dentin a sklovinu. Proto se dentální keramika stala běžně používaným materiálem v zubních laboratořích. Využívá se ke zhotovení celokeramických, metalokeramických a jádrových korunek či můstků, inlejí, onlejí, estetických faset až po fixtury a suprakonstrukce dentálních implantátů.

Ve výběru dentální keramiky pro požadovanou keramickou práci by neměla figurovat jen estetika budoucí keramické práce, ale důležité je brát v úvahu také mechanické vlastnosti keramiky. Žvýkací síly v ústní dutině se zvětšují směrem od frontálního do laterálního úseku, naopak požadavky na estetiku v tomto směru klesají. Keramika, která je vhodným řešením ve frontálním úseku, nemusí být nutně vhodná do laterálního úseku a naopak.

Proto je předmětem našeho sdělení přiblížit, porovnat a klasifikovat některé mechanické vlastnosti keramických materiálů využívaných v zubním lékařství.

Metodika: Pro odborné sdělení zaměřené na mechanické vlastnosti keramiky jsme čerpaly údaje z odborných knih a z literatury zabývající se danou tematikou dostupné v databázi PubMed. Tyto studie byly následně kriticky hodnoceny pro potřeby odborného sdělení.

Závěr: Znalost mechanických vlastností dentálních materiálů je klíčová. Díky této znalosti může stomatolog zvolit vhodný materiál, který nejlépe splňuje konkrétní požadavky pro danou práci. Neznalost těchto vlastností může na druhou stranu vést k neuspokojivému výsledku až selhání práce.

Klíčová slova:

křehkost – dentální keramika – mechanické vlastnosti – pevnost – tvrdost

ÚVOD

Slovo keramika pochází z řeckého slova „keram, keramos“, které lze do češtiny přeložit, jako „hrnčíř či hrnčířství“ [1]. Ve stomatologii se setkáváme s pojmem keramika a taktéž pojmem porcelán, který je nepřesným označením pro dentální keramiku s vysokým obsahem skelné fáze, tedy se jedná o jakési odlišení keramiky více estetické od keramiky méně estetické s vyšší mechanickou odolností [2]. Slovo porcelán pochází z 13. století, kdy Marco Polo použil pro nejlepší vyjádření charakteristik čínského porcelánu slovo „mušle“, italsky porcellana [3].

Historie keramiky jako takové sahá již do doby paleolitu, 28 000 let před naším letopočtem, ze které je datován nález Věstonické venuše, nejstarší známé keramické sošky na světě. V průběhu staletí se zvyšovalo využití keramiky a také se měnilo její chemické složení a typy výrobních procesů. V 7. století našeho letopočtu již byl znám čínský porcelán. Veliký zájem o porcelán nastal v Evropě v období 17. století. Pro vhodné estetické vlastnosti se začalo využívat porcelánu i v zubním lékařství. První keramickou protézu zhotovil v roce 1774 v Paříži Alexis Duchateau a Dubois de Che´mant [1, 4].

Keramika je anorganický materiál, jehož skupiny oxidů a atomy molekul jsou spojeny pomocí kovalentních či iontových vazeb [5, 6]. Řadíme ji k hlavním dentálním materiálům, ze kterých lze zhotovit definitivní rekonstrukci. Výhodou dentální keramiky je, že výborně opticky napodobuje tvrdé zubní tkáně, dále její biokompatibilita, estetika, mechanická pevnost a chemická odolnost. Mezi nevýhody dentální keramiky se řadí vysoká tvrdost a s ní související možnost abraze antagonistů, dále křehkost a v neposlední řadě vysoká cena keramické náhrady, z důvodu časově i technicky náročného výrobního procesu [2, 7]. Křehkému materiálu, jako je dentální keramika, chybí vlastnosti typické pro kovy, například houževnatost a tvárnost [8].

V dnešní době rozvoje vědy a moderních technologií na trhu přibývá velké množství keramických hmot, naopak některé keramické hmoty zase z trhu mizí – proto někdy mohou být klasifikace keramik pro zubní lékaře poněkud zmatečné a zneklidňující. Dentální keramiku můžeme dělit snadno podle výrobního procesu, použití, ale také podle mikrostruktury (či poměru skelné a krystalické fáze).

Na základě poměru skelné a krystalické fáze dělíme dentální keramiku do tří základních skupin: 1. převážně skelná keramika, 2. skelná keramika vyztužená krystaly a 3. polykrystalická keramika (obr. 1) [2, 4].

Keramika převážně skelná působí z důvodu velkého množství skelné fáze velmi esteticky. Světlo dopadající na keramickou rekonstrukci je částečně odraženo, pohlceno či propuštěno, a konstrukce se tak jeví translucentní (průhledná). Nejlépe tak napodobuje optické vlastnosti skloviny a dentinu, a proto se využívá jako fasetovací materiál estetických rekonstrukcí chrupu.

Keramika polykrystalická obsahuje pouze krystalickou fázi. Krystaly jsou uspořádané těsně vedle sebe, bez přítomnosti skelné fáze. S množstvím krystalické fáze se zvyšuje odolnost a pevnost materiálu, zatímco estetika v porovnání s předchozí dentální keramikou klesá. Dopadající světlo je odraženo či pohlceno, a proto se keramická náhrada z tohoto materiálu jeví opakní (neprůhledná) [4].

Z poměru skelné a krystalické fáze můžeme odvodit nejen optické vlastnosti [1, 3, 6], ale i vlastnosti mechanické, kdy s měnícím se poměrem krystalické/skelné fáze dentální keramiky dochází ke změně mechanických vlastností, jako je pevnost, tvrdost a křehkost.

Cílem tohoto přehledového článku bylo shrnout základní mechanické vlastnosti dentální keramiky, dostupné v nynější literatuře.

METODIKA

Pro tento přehledový článek byly vyhledány studie v anglickém jazyce za pomoci klíčových slov (dental ceramics, mechanical properties, strength, hardness, brittleness). Vyhledávání proběhlo v databázi PubMed a ve zdrojích tuzemské literatury. Další literatura byla identifikována autory vyhledáváním referencí článků vybraných prostřednictvím procesu elektronického vyhledávání. Byly vybrány studie především z časopisů s impakt faktorem, vydaných v rozmezí let 2000 až 2020. Z důvodu citování původní literatury je několik publikací z 90. let minulého století.

MECHANICKÉ VLASTNOSTI DENTÁLNÍ KERAMIKY

Mechanické vlastnosti vyjadřují schopnost materiálu odolávat mechanickému namáhání [8]. K popisu mechanických vlastností materiálů se obecně používá křivka napětí a deformace [9]. Osa y vyjadřuje sílu působící na plochu (napětí) a osa x znázorňuje deformaci materiálu při působení této síly.

Křivku můžeme rozdělit na dva úseky, a to na úsek deformace elastické a plastické (obr. 2).

Elastická deformace materiálu je definována jako stav dočasný. Při působení vnějších sil na materiál dochází k posunu atomu z rovnovážné polohy, navenek se projevující jako změna tvaru tělesa. Je to ale proces vratný, protože po odstranění působení vnější síly se tvar tělesa vrátí do původního stavu (obr. 3) [8]. Jejím limitem je mez elasticity, která je definována jako maximální možné napětí, při němž ještě nedojde k plastické trvalé deformaci. Pro lineárně elastický materiál je mez elasticity shodná s mezí úměrnosti [6]. Keramické materiály jsou typicky lineárně elastické [10]. Za mezí elasticity začíná zóna plastické deformace.

Plastická deformace je definována jako trvalá změna tvaru tělesa, která přetrvává i po odstranění působení vnější síly (obr. 3) [6]. Křehký materiál nepodléhá výrazně viditelné plastické deformaci v porovnání s tažnými materiály, jako jsou kovy.

Na modelové křivce napětí – deformace hypotetického křehkého a tažného materiálu jsou znázorněny základní body (obr. 2).

Bod A – mez úměrnosti (proportional limit) je hranice, do které je platný Hookův zákon, kde napětí je lineárně úměrné deformaci materiálů [11]. Jak již bylo řečeno, u lineárně elastických materiálů je mez úměrnosti totožná s mezí elasticity [6, 10].

Často je těžké přesně určit proporční limit, proto se někdy udává mez kluzu.

Mez kluzu (yield point) je napětí, při kterém dochází k trvalým deformacím. Tento přechod od elastických k plastickým změnám není u většiny materiálů výrazně patrný, proto se často používá smluvní mez kluzu. Smluvní mez kluzu je napětí, při kterém poměrná plastická deformace dosáhne předepsané hodnoty, například 0,2 % trvalé deformace.

Bod B – mez pevnosti (ultimate strength) je maximální napětí, kterému materiál odolává předtím, než dojde k jeho selhání [6]. Podle toho, jakou zkoušku pevnosti používáme, pak mez pevnosti může být nazývána jako maximální pevnost v ohybu, tlaku, tahu atd.

Bod C – lomové napětí (fracture strength) je napětí, při kterém dochází k selhání (fraktuře) materiálu. U křehkého materiálu dochází k jeho selhání při maximálním zatížení. Tudíž na křivce napětí-deformace křehkého materiálu jsou tyto body totožné. U materiálů tažných (ductility), jako jsou kovy či slitiny, se body lomového napětí a meze pevnosti liší. U tažných materiálů nemusí být lomové napětí nutně maximální hodnotou [6]. Po působení maximální síly působící na těleso, vzniká výrazné zaškrcení průřezu tažného materiálu, dochází k tzv. tvorbě krčku (necking) a až pak dojde k přetržení, tzv. vznikne tvárný lom.

Pevnost a lomová houževnatost

Při procesu žvýkání u dospělého jedince jsou keramické rekonstrukce v ústní dutině neustále zatěžovány žvýkacími silami v rozmezí od 150 N ve frontálním úseku do 800 N v laterálním úseku. Aby mohl keramický materiál odolávat těmto silám, musí být pevný [6, 12]. Mírou odolnosti materiálu je tedy pevnost [7].

Pevnost je definovaná jako schopnost materiálu odolávat vnějším silám, které se snaží deformovat a porušit materiálovou celistvost [12].

U materiálů křehkých, jako je keramika, je mez pevnosti stejná jako lomové napětí [6]. To znamená, že materiál praskne při maximálním zatížení.

U keramických a křehkých materiálů se měří nejčastěji pevnost v ohybu (flexular strength). Pro dané měření se využívá zkouška pevnosti při uniaxiálním ohybu (tříbodový ohybový test) či při biaxiálním ohybu (ball on ring metoda). Mechanismus těchto technik je znázorněn na obr. 4 a 5.

Při tříbodovém ohybovém testu je vzorek (nosník) daného materiálu položen na dva paralelní nosné kolíky, které tvoří podporu nosníku testovaného materiálu. Z druhé strany vzorku (nosníku) působí přesně v polovině vzdálenosti nosných kolíků zatěžovací síla pomocí třetího kolíku až do selhání daného materiálu [6].

Ball on ring metoda spočívá v položení vzorku testovaného materiálu tvaru disku na podkladový prstenec. Spodní strana keramického disku má tak kontakt s podkladovým prstencem a vrchní strana má kontakt s kovovou kuličkou, která na vzorek tlačí přesně ve středu disku přesně definovanou silou, až do té doby, než dojde k selhání materiálu [13]. Strana směřující ke kuličce je tedy v kompresi a strana směřující k prstenci v tenzi.

Minimální pevnost v ohybu pro převážně skelnou dentální keramiku se v odborné literatuře uvádí v rozmezí od 50 do 70 MPa [1, 7, 14]. Maximální pevnost v ohybu pro polykrystalickou dentální keramiku na bázi oxidu zirkoničitého se pohybuje v rozmezí 900–1200 MPa [1, 7, 14, 15]. Z těchto údajů je patrné, že s vyšším obsahem krystalické fáze roste i pevnost keramického materiálu.

Pevnost keramického materiálu může ovlivnit několik faktorů:

1. Defekty submikroskopických a atomárních rozměrů.

2. Vady a koncentrátory napětí přítomné v mikrostruktuře dentální keramiky.

3. Poměr skelné/krystalické fáze.

4. Povrchové vady, mikropraskliny způsobené broušením, řezáním, využitím subtraktivní metody opracování keramického bloku u CAD/CAM technologií [16] nebo vzniklé při kontaktu s jinými pevnými tělesy.

5. Trhliny a další defekty způsobené nesprávným technologickým postupem. Defekty mohou například vznikat při tvarování, sušení nebo při rychlém ohřevu či ochlazení během procesu pálení.

6. Pevnost dentální keramiky může být také ovlivněna vnitřním pnutím způsobeným rozdílem koeficientů teplotní roztažnosti různých fází [8].

Selhání keramické rekonstrukce někdy nastává neočekávaně při velmi nízkém zatížení. Nečekané selhání při poměrně malém zatížení může být způsobeno existencí povrchových a vnitřních defektů keramického materiálu popsaných výše.

Mechanickou vlastností materiálu popisující odolnost materiálu proti šíření existujících prasklin/defektů je lomová houževnatost. Je to množství energie potřebné k propagaci praskliny, a tím selhání daného materiálu. Pro dané měření využíváme speciálních vzorků (nosníků, disků) s uměle vytvořenou prasklinou, nejčastěji tvaru V, či mikroprasklinou vytvořenou indentací pomocí Vickersova indentoru. Pevnost těchto vzorků se testuje pomocí uniaxiálního či biaxiálního testu v ohybu (strana s uměle vytvořenou prasklinou směřuje směrem dolů a je v tenzi).

Křehký materiál nepodléhá výrazné plastické deformaci, proto jeho schopnost odolávat šíření defektů je velmi nízká.

Přítomnost defektů, mikroprasklin keramického materiálu je kritická především v oblasti působení tahového napětí. Největší množství tahového napětí se kumuluje v oblasti špičky praskliny (obr. 6). U tažných materiálů dochází k rozšiřování a zaoblování špičky praskliny z důvodu schopnosti plastické deformace, a tím i k rozvolnění kumulace napětí (obr. 6). Pro selhání tažného/houževnatého materiálu je potřeba velké množství energie. Křehký materiál nepodléhá žádné plastické deformaci, proto se napětí kumuluje v oblasti špičky praskliny až do té doby, než napětí přesáhne kritické meze a dojde k propagaci praskliny a k selhaní materiálu [6, 17]. Defekty či mikropraskliny na povrchu keramické práce podléhají mnohonásobně vyššímu napětí než defekty uvnitř daného materiálu. Proto finální úprava povrchu keramické práce je velmi důležitou součástí celého výrobního procesu keramické rekonstrukce [17].

Křehkost

Další mechanickou vlastností keramiky je křehkost. Čím více keramika obsahuje skelné fáze, tím je estetičtější, ale také křehčí. Křehkost keramiky je způsobena rozpojením kovalentních vazeb z důvodu nadměrného zatížení [5] nebo je důsledkem alkalické hydrolýzy Si-O vazeb v zásaditém prostředí, které vzniká rozkladem oxidu draselného či sodného v živcové keramice [7].

Křehkost (fragilita, brittleness) materiálu je definovaná jako neschopnost materiálu odolávat změně tvaru pod účinkem vnější síly [7]. Opakem křehkosti je houževnatost. Houževnatost (toughness) je vyjádřena graficky jako celá plocha pod křivkou napětí a deformace až do prasknutí daného materiálu. Z fyzikálního hlediska je houževnatost definovaná jako energie potřebná k prasknutí materiálu [6]. Můžeme tedy říci, že křehký materiál je málo houževnatý a nepotřebuje velkou energii k dosažení svého selhání (prasknutí). Při pohledu na obrázek 7 lze konstatovat, že materiál A je křehčí než materiál B, protože plocha pod křivkou znázorňující energii nutnou pro selhání (prasknutí) materiálu je menší než energie potřebná k selhání (prasknutí) materiálu B.

Keramický materiál praská lomem křehkým, který se šíří velkou rychlostí a není k němu potřeba tak vysoké energie jako pro lom tvárný [8]. Grafické znázornění obou lomů je na obrázku 8.

Tvrdost

Tvrdost je schopnost povrchu materiálu odolávat vnikání cizího tělesa. Lze ji testovat několika způsoby, přičemž se využívají zkoušky statické nebo dynamické. Mezi nejznámější patří vrypová zkouška podle Martense, odrazová zkouška podle Shorea a vnikací zkoušky podle Vickerse, Brinella, Knoopa a Rockwella [12]. Pro testování tvrdosti keramického materiálu se nejčastěji ve výzkumu využívá vnikací zkouška podle Vickerse. Jejíž mechanismus je znázorněn na obrázku 9. Tato metoda využívá čtyřbokého jehlanu, jehož vrcholový úhel je 136° [6, 7, 18]. Čtyřboký jehlan (indentor) je vtlačován definovanou silou do povrchu testovaného materiálu. Podle délky úhlopříček vtisku indentoru a tabulek tvrdosti se dále může určit tvrdost materiálu [19].

Ideální dentální materiál by měl mít takové chemické, mechanické, fyzikální a biologické vlastnosti, které by se blížily či shodovaly s vlastnostmi tvrdých zubních tkání [7]. Vysoká tvrdost materiálu není vítána, protože může docházet k abrazi antagonisty. Nízká tvrdost materiálu není také preferována, protože může dojít k jeho rychlému opotřebení a k selhání celé práce. Tvrdost keramiky je však vyšší než tvrdost dentinu a skloviny nebo překvapivě i chrom-kobaltové slitiny. Tvrdost živcové keramiky se podle dostupné literatury pohybuje od 450 HV do 764 HV [7, 20], u polykrystalické keramiky na bázi oxidu zirkoničitého od 1188 HV do 1300 HV [20, 21, 22, 23]. K možnosti porovnání tvrdosti keramiky s ostatními materiály a tvrdými zubními tkáněmi udáváme tyto hodnoty: tvrdost skloviny se pohybuje od 275 HV do 395 HV [7, 14, 20, 21, 24, 25] a dentinu od 53 HV do 74 HV [7, 14, 20, 21, 24, 25], tvrdost Cr-Co slitiny se pohybuje od 330 do 465 [6, 7, 14]. Tvrdost keramiky se velmi často udává jako negativní vlastnost materiálu z toho důvodu, že přesahuje hodnoty tvrdosti tvrdých zubních tkání, ale i výplňových či dentálních materiálů pro výrobu protetických rekonstrukcí. Keramická práce tak může způsobit abrazi svého antagonisty [26].

Je možné konstatovat, že s rostoucím obsahem krystalické fáze v řadě: převážně skelná keramika – skelná keramika vyztužená krystaly – polykrystalická keramika [1, 4] se tvrdost keramiky zvyšuje.

ZÁVĚR

Se zvyšujícím se obsahem krystalické fáze dentální keramiky se zvyšují mechanické vlastnosti, jako je pevnost, lomová houževnatost a tvrdost, naopak estetické vlastnosti dentální keramiky se zvyšují s narůstajícím obsahem skelné fáze, která snižuje pevnost a odolnost materiálu. Žvýkací síly se zesilují směrem od frontálního do laterálního úseku, a naopak požadavky na estetiku v tomto směru klesají. Keramický materiál, který je vyhovující pro rekonstrukci do frontálního úseku, tedy nemusí být nutně vyhovujícím materiálem pro rekonstrukci do laterálního úseku. Díky znalosti těchto mechanických a s tím souvisejících i estetických vlastností dentální keramiky (od skelné až po polykrystalickou keramiku) by měl stomatolog brát velký zřetel na indikaci typu keramiky pro budoucí protetickou rekonstrukci.

Tato práce vznikla za podpory grantového projektu LF UPOL číslo IGA_LF_2021_017.

MDDr. Kristýna Hynková

Klinika zubního lékařství

LF UP a FN Olomouc

Palackého 12

779 00 Olomouc

e-mail: hynkovkr@gmail.com