1
HỢP KIM ĐÚC NHA KHOA
GS. Hoàng Tử Hùng
MỤC TIÊU:
Sau khi nghiên cứu bài này, sinh viên có thể:
1. Thảo luận được lịch sử phát triển của hợp kim nha khoa,
2. Trình bày được những đòi hỏi của hợp kim nha khoa,
3. Liệt kê và mô tả sơ lược được các công nghệ tạo mẫu kim loại,
4. Trình bày được sự phát triển của các phân loại và phân biệt hợp kim đúc nha khoa,
5. Trình bày được các tính chất vật lý của hợp kim đúc nha khoa,
6. Trình bày được sự co đúc và các phương pháp xử lý nhiệt hợp kim quí và rất quí,
7. Liệt kê được các hợp kim đúc rất quí, quí và thường trong các ứng dụng nha khoa.
1. ĐẠI CƯƠNG VÀ LỊCH SỬ
Các kim loại có thể chia làm hai nhóm:
Sắt (ferrous), và
Không sắt (nonferrous).
Kim loại “sắt” gồm sắt, bao gồm các loại thép.
Các kim loại “không sắt” gồm:
Các kim loại quí (noble metals),
Các kim loại thường (base metals), và
Các kim loại nhẹ (light metals).
Kim loại quí gồm vàng, nhóm platinum (gồm platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium
và osmium). Chúng được đặc trưng bởi tính bền vững về hóa học đối với sự oxy hóa, kháng ăn
mòn và đổi màu. Các hợp kim quí thường được gọi là “quí kim” (precious metal) vì giá cả của
nó. Mặc dầu bạc (silver) cũng là một quí kim, nhưng không phải là kim loại quí trong nha khoa vì
kém đề kháng với ăn mòn và đổi màu. Các kim loại nhẹ như titanium, đặc trưng bởi khối lượng
riêng thấp; các kim loại thường bao gồm nickel, cobalt… và các kim loại nặng khác.
Hầu hết kim loại dùng trong nha khoa là dưới dạng hợp kim (alloys). Hơp kim có nhiều
ưu điểm so với các kim loại nguyên chất về đặc tính cơ học và lý học do được chế tạo để đạt đến
tối ưu từ những kim loại thành phần.
Thí dụ: vàng nguyên chất mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng, nhưng không đáp ứng được đòi hỏi để làm
mão (chụp) hoặc cầu răng, nếu thêm 10% đồng vào vàng, sẽ tạo thành một hợp kim có độ bền
kéo và độ cứng tăng gấp bốn lần.
1.1. Sơ lược lịch sử
Lịch sử hợp kim đúc nha khoa chịu ảnh hưởng của ba yếu tố: những thay đổi công nghệ
làm phục hình, các tiến bộ về luyện kim và những thay đổi về giá cả của kim loại quí từ 1968.
Năm 1907, Taggart trình bày tại tập đoàn nha khoa New York (New York Odontological
Group) về thực hiện inlay đúc, đây là báo cáo đầu tiên về áp dụng kỹ thuật đúc thay thế sáp (lost
wax technique) trong nha khoa. Kỹ thuật này mau chóng được áp dụng cho cả onlay, mão, cầu,
hàm khung. Sau đó, vì vàng nguyên chất không đủ đáp ứng về tính chất vật lý, các hợp kim vốn
dùng làm trang sức (có thêm đồng, bạc, platinum) được sử dụng trong nha khoa. Từ năm 1948,
các hợp kim quí nha khoa đã trở thành một phân nhóm riêng, với những công thức mới, khuynh
hướng vật liệu bị đổi màu được khắc phục, vì bạc đã được thay thế bằng palladium.
Khoảng những năm 30 của thế kỷ XX, hợp kim thường để làm hàm tháo lắp được giới
thiệu. Từ đó, cả nikel-chromium lẫn cobalt-chromium ngày càng trở nên phổ biến so với hợp kim
vàng Typ IV vốn được dùng cho loại hàm giả này. Những ưu điểm nổi bật của hợp kim thường
là nhẹ, đặc tính cơ học tốt và giá thành rẻ, vì vậy, các loại hợp kim thường đã ngày càng thay thế
hợp kim quí để làm phục hình kim loại.
Cuối những năm 50, một bước đột phá đã diễn ra trong công nghệ nha khoa, ảnh hưởng
sâu sắc đến việc chế tạo các phục hồi. Đó là sự thành công trong việc làm mặt dán sứ trên kim
www.hoangtuhung.com
loại. Cho đến trước thời điểm đó, hệ số dãn nở nhiệt của các hợp kim vàng cao hơn hẳn sứ, làm
cho không thể đạt được sự dán giữa hai cấu trúc này. Người ta nhận thấy thêm cả platinum và
palladium vào vàng, sẽ làm giảm hệ số dãn nở nhiệt, đủ để kết dính vật lý hai cấu trúc. Một cách
tình cờ, nhiệt độ nóng chảy của hợp kim cũng tăng lên đủ để cho phép nung (thiêu kết) sứ trên
hợp kim quí ở 1400ºC (1900ºF) mà không làm biến dạng lún (lún) kim loại.
2
Thành công của các hợp kim thường để làm hàm khung hướng đến việc chế tạo những hợp
kim mới cho những ứng dụng khác trong nha khoa phục hồi. Nhưng đến những năm 70, và nhất
là từ 1978, khi giá vàng tăng cao, vấn đề mới thực sự thu hút.
Do sự phong phú của các loại hợp kim với các thành phần khác nhau cho những ứng dụng
đa dạng, việc phân loại các hệ thống trở nên khó khăn, cần có sự uyển chuyển để bao gồm những
vật liệu mới hoặc những thay đổi đối với vật liệu đang có. Vì vậy, các phân loại được thường
xuyên xem xét lại (xem phần phân loại)
1.2. Những đòi hỏi của hợp kim đúc nha khoa
Hợp kim đúc nha khoa được dùng trong labo để làm inlay, onlay, mão (chụp), cầu, các
phục hình cố định kim loại-sứ, kim loại-nhựa, chốt ống tủy, hàm khung…Hợp kim cần đáp ứng
được các đòi hỏi chung như sau:
1. Phải có tính tương hợp sinh học, không tạo ra độc chất gây nguy hiểm hoặc gây dị
ứng đối với người sử dụng và với bệnh nhân.
2. Phục hình phải có tính kháng ăn mòn và không bị thay đổi trong môi trường miệng.
3. Các đặc tính lý học và cơ học, như tính dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy, hệ số dãn nở vì
nhiệt, độ bền… cần được đáp ứng, thoả mãn các giá trị tối thiểu và thay đổi theo
những đòi hỏi khác nhau của các ứng dụng phục hình.
4. Phải không có những đòi hỏi quá đáng trong sử dụng, cần đạt được tính khả thi đối
với đòi hỏi về trình độ chuyên môn thông thường của kỹ thuật viên cũng như bác sĩ.
5. Các kim loại, hợp kim và vật liệu đi kèm phải đầy đủ, không đắt quá.
6. Riêng đối với gia công trong labo, hợp kim cần dễ nấu chảy, dễ đúc, dễ hàn, dễ đánh
bóng, ít co, không phản ứng với vật liệu làm khuôn đúc, kháng mòn, không bị lún khi
nung sứ.
1.3. Công nghệ tạo mẫu kim loại
Các phục hình toàn kim loại có thể được thực hiện trực tiếp trên miệng: trám bằng vàng lá và
amalgam. Một loại vật liệu nhồi nén liên kim loại khác (intermetallic compound) cũng đã được
nghiên cứu phát triển bởi Viện quốc gia tiêu chuẩn và công nghệ Hoa kỳ (National Institute of
Standards and Technology) để thay thế amalgam nhưng chưa được triển khai trong thực hành.
Công nghệ đúc: Các loại phục hình kim loại: inlay, onlay, mão (chụp), cầu, các phục hình
cố định kim loại-sứ, kim loại-nhựa, chốt ống tủy… đã được thực hiện bằng phương pháp đúc từ
một thế kỷ qua. Hợp kim vàng đã chứng tỏ có ưu thế về độ cứng và độ bền so với các vật liệu
phục hồi khác. Phục hình sứ-kim loại được làm với sườn (lõi) kim loại đúc (alloy casting coping)
cũng chứng tỏ sự bền vững và thẩm mỹ.
Đối với sườn kim loại được sử dụng làm nền cho sứ, công nghệ lá kim loại (metal foil)
cũng được sử dụng thay cho sườn đúc. Các lớp lá kim loại được ép nóng (swage) trên dye và xử
lý nhiệt trên lửa gas để làm tăng độ bền trước khi đắp sứ. Quá trình này tuy tránh được việc phải
tạo mẫu sáp nhưng phải tạo khuôn chịu lửa (refractory mold), nấu chảy và đúc kim loại vào
khuôn, cũng cần nhiều thời gian để ép nóng và chỉnh sửa sườn kim loại. Hơn nữa, bề mặt các lớp
kim loại để đắp sáp còn có những vùng tích tụ ứng suất (stress concentration areas) có thể làm
giảm độ bền của phục hình. Tuy vậy, kỹ thuật này cho phép tạo những lõi kim loại có độ dày chỉ
khoảng 100 µm hoặc mỏng hơn, do đó có thể giúp tiết kiệm mô răng và tăng độ dày của lớp sứ,
nhờ đó tăng tính thẩm mỹ.
Công nghệ CAD-CAM được sử dụng trong nha khoa để thiết kế (computer-aided
designing) kích thước và hình dáng của phục hồi, và chế tạo (computer-aided machining) phục
hồi bằng sứ từ các khối sứ (ceramic block) hoặc các chi tiết kim loại khó đúc: titanium và hợp
kim titanium.
Công nghệ mài: trong phương pháp này, người ta không dùng công nghệ đúc để thực hiện
mão toàn kim loại hoặc sườn kim loại. Quá trình mài bản sao (copy milling process) gồm tạo
www.hoangtuhung.com
mặt ngoài và lấy bỏ phần lõi để tạo bề mặt bên trong căn cứ theo bề mặt của dye chính đã được
ghi lại trong computer.
3
Tuy vậy, phương pháp nấu chảy và đúc hợp kim vẫn là phương pháp được sử dụng phổ
biến nhất cho các quá trình làm việc ngoài miệng. Phương pháp đúc cổ điển gồm việc tạo một
khoảng trống do mẫu sáp đã được lấy đi, thay thế bằng hợp kim. Mẫu sáp được tạo trên mẫu hàm
được đổ từ dấu trong miệng, sau đó dược bao lại bằng vật liệu tạo khuôn (mold material) gọi là
bột đúc hay bột bao (investment). Bột đúc là hỗn hợp của nước, silica và chất gắn (binder) gồm
thạch cao (calcium sulphate hemihydrate), magnesium ammonium phosphate, ethyl silicate. Sau
khi vữa bột đúc (investment slurry) cứng, sáp được đốt cháy khỏi khuôn đúc, kim loại nóng chảy
được đúc vào khoảng trống trong khuôn đúc dưới áp lực hoặc lực ly tâm.
Nhiều lưu ý về kỹ thuật được đưa ra, phụ thuộc vào hiểu biết về hợp kim. Trong khoảng 20
năm trở lại đây, đã có nhiều tiến bộ trong lãnh vực này. Do có nhiều loại hợp kim khác nhau, bác sĩ
cần biết lựa chọn cho những chỉ định khác nhau: nhựa-kim loại, sứ-kim loại, toàn kim loại… Kỹ
thuật viên cũng cần hiểu biết hơn về các loại hợp kim, vì nhiều bác sĩ không rõ lợi ích cũng như bất
lợi của các hệ thống hợp kim trong các ứng dụng cụ thể khác nhau. Như vậy, sự liên hệ giữa bác sĩ
và kỹ thuật viên là điều quan trọng cho sự lựa chọn.
2. PHÂN LOẠI VÀ THUẬT NGỮ
2.1. Các phân loại hợp kim trong nha khoa
2.1.1. Năm 1932, Ban vật liệu nha khoa tại Văn phòng quốc gia về tiêu chuẩn Hoa kỳ (dental
materials group at National Bureau of Standards) đã phân loại đại thể thành bốn typ:
• Typ I: mềm, Vickers hardness number (VHN) từ 50 – 90
• Typ II: trung bình, VHN từ 90 – 120
• Typ III: cứng, VHN từ 120 – 150
• Typ IV: rất cứng, VHN ≥ 150
Phân loại của American Dental Association (ADA), gồm bốn loại: từ typ I đến IV như trên
chỉ áp dụng cho hợp kim vàng.
Trong nửa cuối thế kỷ XX, nhiều hợp kim thường đã phát triển, thay thế cho hợp kim quí ở
nhiều lãnh vực. Hầu hết hàm khung cũng như các phục hồi mão, cầu...được làm từ hợp kim
thường,
2.1.2. Năm 1984, ADA đưa ra một phân loại đơn giản dựa trên cơ sở thành phần kim loại quí
Đối với hợp kim nha khoa.
Hệ thống này phân loại thành các hợp kim rất quí (high noble: HN); quí (noble: N) và
thường (predominantly base metal: PB) (được nêu trong bảng 20-1). Phân loại hợp kim nha
khoa theo thành phần kim loại quí cần để ước lượng giá của phục hồi, cần cho bác sĩ, kỹ thuật
viên, bệnh nhân và cơ quan bảo hiểm.
TABLE 20 -1. Phân loại hợp kim nha khoa của ADA 1984 (Alloy Classification of the
American Dental Association (1984))
Typ hợp kim Tổng lượng kim loại quí trong thành phần (theo khối
lượng)
Rất quí (HN)
Quí (N)
Thường (PB)
≥ 40 wt% Au & ≥ 60 wt% nguyên tố kim loại quí (Au
+ Ir + Os + Pd + Rh + Ru)
≥ 25 wt% nguyên tố kim loại quí
< 25 wt% nguyên tố kim loại quí
Từ “hợp kim bán quí” (precious, semipreciuos) không nên dùng vì không chính xác.
Các kỹ thuật viên thường dùng từ “bán quí” để chỉ các hợp kim có nền là palladium hoặc bạc.
Các hợp kim có >50% khối lượng paladium, bao gồm Pd-Ag, Pd-Cu, Pd-Co, Pd-Ga-Ag, Pd-Au,
Pd-Au-Ag được gọi là quí. Từ quí cũng được dùng cho hợp kim Ag-Pd nếu chứa >25%
www.hoangtuhung.com
4
palladium và các kim loại quí khác. Các hợp kim rất quí và quí thường được đóng gói và tính giá
theo các lô 1, 2, hoặc 20 dwt (pennyweight)∗
2.1.3. Từ 1989, phân loại vẫn gồm bốn typ đã đưa thêm tất cả các hợp kim đúc đáp ứng đòi hỏi
các test về độc tính, đổi màu, giới hạn chảy dẻo, phần trăm dãn dài. (Bảng 20-2 cho thấy bên
cạnh độ cứng, giới hạn chảy dẻo và % dãn dài là cơ sở của phân loại này).
Bảng 20 -2. Đòi hỏi về đặc tính cơ học của hợp kim (Mechanical Property Requirements of
American Dental Association Specification No.5)
Typ hợp kim
Giới hạn chảy dẻo (MPa)
(độ lệch 0,1%)
sau ủ sau làm cứng
Dãn dài tối thiểu (%)
sau ủ sau làm
cứng
I (mềm)
II (trung bình)
III (cứng)
IV (rất cứng)
Tối đa 140 không
140 – 200 không
200 – 340 không
≥340 500
18 không
19 không
12 không
10 2
• Typ I: mềm, cho những phục hồi ít chịu lực: inlay
• Typ II: trung bình, phục hồi chịu lực trung bình: onlay
• Typ III: cứng, cho những phục hồi chịu lực: onlay, mão, các cầu ngắn
• Typ IV: rất cứng, cho những phục hồi chịu lực cao: chốt ống tủy, mão
veneer mỏng, cầu dài, khung.
Theo phân loại 4 typ cua ADA và tu chỉnh năm 1989, 4 typ hợp kim để làm phục hồi toàn
kim loại và mặt dán nhựa được sắp xếp, dựa theo đặc tính (chứ không theo thành phần) như sau:
• Typ I: mềm, VHN từ 50 – 90, cho những phục hồi ít chịu lực: inlay
• Typ II: trung bình, VHN từ 90 – 120, phục hồi chịu lực trung bình: onlay, mão ¾
dày, cùi răng, pontic, mão đầy
• Typ III: cứng, VHN từ 120 – 150 cho những phục hồi chịu lực cao: onlay, mão,
các cầu ngắn, mão ¾ mỏng, các pontic và cùi nhỏ, nền hàm
• Typ IV: rất cứng, VHN ≥ 150 cho những phục hồi chịu lực rất cao: chốt ống tủy,
mão veneer mỏng, cầu dài, khung và các thanh ngang của khung.
Loại I và II thường còn được gọi là “hợp kim inlay”, loại III và IV còn được gọi là
“hợp kim mão và cầu”.
2.1.4. Năm 2003, Hội đồng khoa học của ADA đã xem xét lại sự phân loại, bao gồm thêm
titanium như một mục riêng trong nha khoa. Titanium là một trong những kim loại có tính tương
hợp sinh học cao nhất trong các ứng dụng nha khoa và có ứng dụng rộng với đặc tính tương tự
kim loại quí.
Ngoài các phân loại chính thức nêu trên, còn cần chú ý hai cách phân biệt sau:
2.2. Phân biệt hợp kim nha khoa
Do có nhiều loại hệ thống hợp kim để lựa chọn, cần phải xem xét theo chỉ định áp dụng
và thành phần của hợp kim.
2.2.1 Phân biệt loại các hợp kim theo chỉ định: Bảng 20-3 liệt kê các loại hợp kim theo chỉ
định áp dụng đối với mão toàn kim loại, kim loại-sứ và hàm khung. Cần chú ý là hợp kim dùng
∗ 1troy ounce = 20 pennyweight
www.hoangtuhung.com
cho phục hình sứ-kim loại có thể dùng cho toàn kim loại nhưng không phải là ngược lại. Nguyên
nhân chính là do hợp kim không thể tạo một lớp oxid mỏng và ổn định để liên kết với sứ, độ
nóng chảy có thể thấp nên gây biến dạng lún hoặc bị chảy ở nhiệt độ thiêu kết (nung) sứ, độ dãn
nở nhệt cũng không tương thích với sứ.
5
Bảng 20-3. Phân loại hợp kim để làm phục hình toàn kim loại, sứ-kim loại, hàm khung
(Classification of Alloys for All-Metal Restorations, Metal-Ceramic Restorations, and
Frameworks for Removable Partial Dentures).
Typ hợp kim Toàn kim loại Kim loại-sứ Hàm khung
Rất quí
Quí
Thường
Au-Ag-Cu-Pd
Hợp kim cho sứ-kim
loại
Ag-Pd-Au-Cu
Ag-Pd
Hợp kim cho sứ-kim
loại
Ti nguyên chất
Ti-Al-V
Ni-Cr-Mo-Be
Ni-Cr-Mo
Co-Cr-Mo
Co-Cr-W
Al-đồng thiếc
Au-Pt-Pd
Au-Pd-Ag (5-12 wt% Ag)
Au-Pd-Ag (>12 wt% Ag)
Au-Pd
Pd-Au
Pd-Au-Ag
Pd-Ag
Pd-Cu
Pd-Co
Pd-Ga-Ag
Ti nguyên chất
Ti-Al-V
Ni-Cr-Mo-Be
Ni-Cr-Mo
Co-Cr-Mo
Co-Cr-W
Au-Ag-Cu-Pd
Ag-Pd-Au-Cu
Ag-Pd
Ti nguyên chất
Ti-Al-V
Ni-Cr-Mo-Be
Ni-Cr-Mo
Co-Cr-Mo
Co-Cr-W
2.2.2. Phân biệt hợp kim bằng các nguyên tố chính
Khi phân biệt hợp kim theo thành phần, người ta xếp theo trình tự giảm dần, từ thành phần
chiếm nhiều nhất rồi đến các thành phần khác. Các bảng 20-3, 20-7 và 20-8 sắp xếp theo trình tự
này. Ngoại lệ cho sự sắp xếp là khi có thành phần ảnh hưởng nhiều đến đặc tính hoặc ảnh hưởng
đến tính tương hợp sinh học của vật liệu hoặc cả hai. Thí dụ, hợp kim nickel-chromium-
molybdenum-beryllium thường được gọi là hợp kim nickel-chromium-beryllium vì beryllium
vừa góp phần quan trọng đối với tính dễ đúc và kiểm soát sự tạo thành lớp oxid ở nhiệt độ cao
nhưng có độc tính so với các kim loại khác. Molybdenum (Mo), tungsten (W) thường có nhiều
hơn beryllium để làm giảm hệ số dãn nở nhiệt.
2.3. Các kim loại dùng trong hợp kim nha khoa
Trên bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có tám kim loại quí: vàng, các kim loại nhóm
platinum (platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, osmium) và bạc. Tuy vậy, trong
môi trường miệng, bạc khá hoạt động nên không được coi là kim loại quí. Các kim loại quí
thường được dùng trong hợp kim làm inlay, onlay, mão, cầu, sứ-kim loại. Chúng là những hợp
kim ít bị đổi màu và ăn mòn. Từ “kim loại quí” chỉ có nghiã tương đối. Trong số bảy kim loại
quí, chỉ có vàng, palladium và platinum đóng vai trò quan trọng trong các hợp kim nha khoa.
www.hoangtuhung.com