1
hoangtuhung.com
§ SỨ NHA KHOA (DENTAL CERAMICS)
GS. Hoàng Tử Hùng
MỤC TIÊU
Sau khi nghiên cứu bài này, sinh viên có thể:
1. Trình bày được sự phát triển của gốm sứ
2. Trình bày được bản chất, các định nghiã sứ nha khoa
3. Trình bày được các phân loại sứ nha khoa
4. Mô tả được quá trình chế tạo sứ nha khoa
5. Trình bày được đặc điểm cấu trúc, quang học và sự co thể tích của sứ nha khoa
6. Trình bày được các phương pháp tăng cường độ bền của sứ.
1. MỞ ĐẦU, LỊCH SỬ, ĐỊNH NGHĨA VÀ THUẬT NGỮ
1.1. Mở đầu
Từ “ceramic” có gốc tiếng Hylạp “keramos”, có nghĩa là thợ gốm, đồ gốm. Gốm là vật
liệu nhân tạo được sử dụng sớm nhất trong lịch sử loài người. Theo nhiều tài liệu khác nhau, đồ
gốm đã được làm từ 24.000 năm trước công nguyên ở Tiệp khắc, nhiều sản phẩm gốm được sử
dụng từ trên 10.000 năm trước công nguyên(1). Những đồ gốm có niên đại khoảng 8.000 năm
trước công nguyên đã được thấy ở Gandjdareh (Iran) và Mureybat (Syria). Ban đầu là các vật
dụng chế tạo từ đất sét, kaolin (gốm đất nung), sau này, gốm bao gồm các sản phẩm sứ, các vật
liệu trên cơ sở oxid (gốm Al2O3…) hoặc chất vô cơ không phải oxid (SiC…). Từ nửa cuối thế kỷ
XX, các loại gốm kỹ thuật được phát triển, làm cho gốm trở nên đa dạng về chủng loại, có nhiều
đặc tính kỹ thuật mới: tính bán dẫn, tính chất từ…Trong quá trình lịch sử, gốm là một vật liệu
được liên tục cải tiến và ngày càng quan trọng đối với con người.
Ceramic veà maët hoùa hoïc là một hỗn hợp chặt chẽ các nguyên tố kim loại và không kim
loại, cho phép xuất hiện các liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết ion(2). Trong tự nhiên, chỉ có ít các
nguyên tố không kim loại: oxygen, nitrogen, hydrogen, chlorine. Sứ nha khoa phổ biến nhất là
hỗn hợp của ba oxid kim loại chính: SiO2, Al2O3, K2O. Hiện nay ở nước ta, tên gọi “gốm sứ”
được sử dụng rộng rãi để chỉ các sản phẩm dân dụng. Phương pháp công nghệ gốm điển hình là
phương pháp thiêu kết (nung kết, nung): nguyên liệu sứ dạng bột được tạo hình (trong nha khoa
thường gọi là “đắp sứ” để tạo liên kết tạm thời), sau đó được nung ở nhiệt độ cao để tạo liên kết
khối. Về cơ bản, sứ nha khoa cũng theo công nghệ này.
Theo nghĩa rộng về khoa học vật liệu và vật liệu ứng dụng nói chung, gốm sứ gồm ba
loại: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh và gốm thủy tinh, ximăng và bê tông.
Gốm kỹ thuật cũng được chia thành ba loại theo thành phần hóa học, gồm:
- Gốm silicate: được chế tạo từ khóang thiên nhiên chứa silicium: đất sét,
kaolin, trường thạch…
- Gốm oxide: gồm các loại gốm đơn oxide và đa oxide, có ba loại:
(1) Sukumaran, V.G., Narasimha Bradwaj: Ceramic in dental application, Trends Biomater. Actif.
Organs. Vol. 20(1), (7 – 11), 2006
(2) Stefen Bayne, Duane Taylor: Dental materials, Chapter 6, The Art and Science of Operative
Dentistry, 3rd edition, Mosby, 1995.
2
hoangtuhung.com
Gốm oxide có nhiệt độ nóng chảy cao: các loại gốm trên cơ sở gốm
Al2O3, MgO, ZrO2, MgO.Al2O3. Những gốm này sử dụng oxide kỹ thuật,
có độ tinh khiết cao, tạo ra cấu trúc đơn pha và tinh thể mịn.
Gốm điện: gốm trên cơ sở TiO2 và titanat của các oxide kim loại: BaO,
MgO, PbO, ZnO, La2O3...để chế tạo tụ điện
Gốm bán dẫn và từ tính: gốm trên cơ sở Fe2O3 và oxid kim loại nặng
thuộc nhóm sắt có khả năng bán dẫn theo cơ chế nhiệt (khi nhiệt độ tăng
thì điện trở giảm). Các ferit là hỗn hợp oxid sắt với oxid kim loại khác:
BeO, ZnO, MnO…có cấu trúc kiểu spinel là những gốm có từ tính tốt,
dùng trong bộ nhớ máy tính, nam châm vĩnh cửu.
- Gốm không chứa oxy: chế tạo từ các đơn nguyên tố: B, C, Si hoặc hợp chất của
chúng: SiC, B4C, BN…Công nghệ chế tạo gốm loại này thường đòi hỏi đặc
biệt: dưới áp suất và nhiệt độ cao. Gốm được dùng để làm hạt mài cho dụng cụ
cắt gọt kim loại, trong kỹ thuật hạt nhân…
1.2. Lịch sử
Như đã nêu trên, đồ gốm đã được sử dụng từ rất sớm trong các cộng đồng thời tiền sử,
nhưng công nghệ gốm sứ (ceramic technology) trải qua nhiều giai đọan phát triển, từ gốm (gốm
đất nung: earthenware) đến sành (sành sứ: stoneware), sứ (sứ cao cấp: porcelain) đến các loại
gốm kỹ thuật hiện đại.
Ở Trung hoa, công nghệ gốm sứ đã phát triển từ nhiều thế kỷ trước công nguyên. Các sản
phẩm sứ đã được làm ra từ 100 năm trước công nguyên, đến thế kỷ X đã có sản phẩm sứ cao cấp.
Những sản phẩm này được mô tả là “trắng như tuyết, bền chắc đến mức một bình chứa chỉ cần
làm với độ dày từ 2 – 3 mm, ánh sáng có thể xuyên qua, mật độ cao tới mức gõ nhẹ có thể phát ra
tiếng kêu như chuông”.
Ở châu Âu, mặc dù đồ gốm đã xuất hiện rất sớm nhưng nhiều vấn đề kỹ thuật chưa được
giải quyết, nhất là vấn đề nguyên liệu và nhiệt độ của lò nung. Do thất bại của việc nung mở cổ
truyền, người ta đã chuyển sang sử dụng lò nung đứng (up-draught kiln), có nhiệt độ khí nóng cao
hơn (đạt đến 900oC) và đồng đều hơn; sản phẩm được tạo ra ở nhiệt độ này gọi là “đồ gốm”
(earthenware), thường lỗ rỗ và không chứa được chất lỏng vì chỉ dùng nguyên liệu đất sét (clay).
Để khắc phục, một lớp vật liệu thủy tinh được tráng (khoảng 5.500 năm trước công nguyên). Về
sau, nhờ tăng nhiệt độ lò nung và sử dụng nguyên liệu đa dạng hơn, khoảng thế kỷ XV – XVI sản
phẩm “sành” (stoneware) cũng xuất hiện ở châu Âu.
Từ khoảng thế kỷ XVII, sản phẩm gốm sứ Trung hoa và các nước Viễn Đông đã đạt đến
trình độ cao, được xuất khẩu sang các vùng lân cận và sang châu Âu. Ngành gốm sứ châu Âu đã
tiếp thu công nghệ gốm sứ mới này. Tuy độ trắng có cải thiện nhờ dùng lớp tráng bên ngòai là
oxid thiếc, nhưng không `đạt được độ trong như porcelain đã mô tả trên và được gọi là “sứ chất
lượng cao”. Sự khác biệt giữa sứ “stoneware” và sứ “porcelain” là độ mỏng của sản phẩm. Sứ
Trung hoa vẫn sử dụng lò nung nằm ngang, bí quyết chính là ở nguyên liệu và phương pháp chế
tác. Năm 1717, bí quyết này mới dần được khám phá bởi nhà truyền đạo thiên chúa, cha
d’Entercolles. Ông đã đến trung tâm sản xuất sứ nổi tiếng King-Te-Tching thời đó và lấy được
mẫu nguyên liệu, gửi về Pháp cùng với mô tả qui trình chế tạo chi tiết. Mẫu và qui trình này được
bạn của d’Entercolles, chuyển cho ông de Reamur, một nhà khoa học và thành phần nguyên liệu
sứ Trung hoa được khám phá, gồm kaolin, silica và feldspar .
Về hóa học, bộ ba trục của sứ “porcelain” gồm (Hình X.XX):
Kaolin (white clay, bolus alba): là một silicate nhôm ngậm nước (Al2O3(?).2SiO2.2H2O),
thuộc nhóm khoáng vật sét với tinh thể hai lớp, trong đó các lớp silic-oxy và nhôm –hydroxyl luân
phiên nhau, tồn tại trong tự nhiên như một loại đá màu trắng, mềm.
Noort, R.: Introduction to Dental Materials, Mosby, 2007
Thạch anh (quartz, flint): là oxid silic (silica: SiO2): tồn tại trong tự nhiên như một khoáng
vật không màu, trong suốt, có ánh thủy tinh, có tính đàn hồi và tính điện giải, còn dùng làm mẫu
tần số thứ cấp.
Trường thạch (feldspar): trong trạng thái khoáng vật, trường thạch có dạng tinh thể, đục,
màu từ xám đến hồng. Về hóa học, trường thạch là một silicate nhôm kali (potassium alumino
silicate - K2O.Al2O3.6SiO2) và silicate nhôm natri (sodium alumino silicate – Na2O.Al2O3.6Sio2).
Tỷ lệ giữa K2O và Na2O có thể thay đổi và ảnh hưởng đến việc chế tạo bột sứ nha khoa (xem phần
3).
Sứ nha khoa
Sứ dân dụng
Sành
Gốm đất nung
Hình X.XX: Sơ đồ thành phần nguyên liệu của các sản phẩm gốm sứ.
(nguồn: Noort, R.: Introduction to Dental Materials, Mosby, 2007)
Sứ được dùng trong nha khoa lần đầu vào cuối những năm 1700. Khoảng 1900, mão
jacket sứ được giới thiệu; mặt dán sứ được mô tả lần đầu năm 1938. Trong nửa cuối thế kỷ trước,
sự phát triển các loại sứ trường thạch chứa leucit (leucite-containing feldspathic porcelains), đồng
thời với những thay đổi của hợp kim cho loại phục hình làm cho phục hình sứ-kim loại khắc phục
được sự thiếu phù hợp về độ dãn nở (và sự co) vì nhiệt giữa sườn kim loại và sứ bên ngoài, vốn là
nguyên nhân thất bại của phục hình sứ-kim loại. Trong những năm 80 của thế kỷ trước, các hệ
thống dán nha khoa phát triển và được ứng dụng trong phục hình sứ theo cơ chế dán. Trong
những năm cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ XXI, hàng loạt hệ thống sứ không kim loại được giới thiệu.
Trường thạch
(Feldspar)
3
hoangtuhung.com
Thạch anh
(Quartz)
Sét trắng
(Kaolin)
4
hoangtuhung.com
1.3. 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(1)
Ceramic có liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết ion chặt chẽ giữa các nguyên tử kề nhau:
Liên kết cộng hóa trị (covalent bond) là liên kết trong đó mỗi nguyên tử của cặp liên kết đóng góp
một điện tử để tạo thành đôi điện tử (còn gọi là electron pair bond): K2O. Liên kết ion (ionic bond)
là liên kết trong đó một hoặc nhiều electron chuyển hòan tòan từ nguyên tử này sang nguyên tử
khác, do đó, biến nguyên tử trung hòa thành ion mang điện, những ion này xấp xỉ hình cầu và hút
lẫn nhau do điện tích ngược dấu của chúng (còn gọi là electrovalent bond): SiO2. Cả liên kết ion
và liên kết cộng hóa trị tạo nên sự liên kết rất vững chắc giữa các nguyên tử, điều này làm cho các
ceramic nói chung dòn, cứng, trơ về hóa học, cách điện. (trong khi đó, ở kim loại, có “liên kết kim
loại” (metallic bond) giữa các nguyên tử, làm cho kim loại nói chung có tính uốn được).
C ấu trúc của sứ nha khoa gồm pha tinh thể và pha thuỷ tinh, làm cho sứ nha khoa về cơ
bản là một sứ thuỷ tinh. Một số sứ nha khoa hiện đại thuộc loại “gốm oxid” có nhiệt độ nóng chảy,
độ tinh khiết cao, cấu trúc đơn pha tinh thể dùng làm sườn cho phục hình toàn sứ.
Như đã nói trên, từ porcelain dùng để chỉ một nhóm vật liệu ceramic có thành phần tương
đối đặc hiệu, được làm từ hỗn hợp sét trắng (kaolin), thạch anh (quatz, clay) và đá trường thạch
(feldspar), nung ở nhiệt độ cao. Các loại phục hình sứ-kim loại thuộc loại này, nhưng thành phần
“sứ nha khoa” (dental porcelain) chủ yếu thường gồm trường thạch và thạch anh (bảng 3.4.1).
Trong nhiều trường hợp, “sứ” và “porcelain” được dùng đồng nghĩa.
Bảng 3.4.1. So sánh thành phần gốm sứ dân dụng và sứ nha khoa
Sứ % trường
thạch
% thạch anh % kaolin
Dân dụng 25 – 30 20 – 25 50
Nha khoa 65 25 0
Nguồn: Sukumaran, Bradwaj (2006), tài liệu đã dẫn.
1.4. Một số thuật ngữ
Alumina core: Sườn sứ nhôm oxid: Ceramic chứa một lượng tinh thể nhôm oxid
(crystalline alumina) đủ để đạt được độ bền và tính trong mờ, dùng làm sườn cho mão toàn sứ.
Aluminous porcelain: Sứ nhôm oxid: sứ được tạo bởi pha liên tục glass và từ trên 35%
theo thể tích là Al2O3.
Castable dental ceramic: Sứ nha khoa đúc, sứ đúc: Một lọai sứ nha khoa đặc biệt, dùng
để đúc theo phương pháp thay thế mẫu sáp.
Ceramic: gốm/sứ: một hợp chất của các nguyên tố kim lọai và không kim loại (xem định
nghĩa).
(1) J.M. Powers, R.L. Sakaguchi: Craig’s Restorative Dental Materials, Elsevier, 12nd edit, 2006
Dental ceramic: một hợp chất của kim lọai (aluminum-Al, calcium-Ca, lithium-Li,
mangnesium-Mg, potassium-K, sodium-Na, tin-Sn, titanium-Ti, zirconium-Zr) và không kim lọai
(silicon-silic-Si, boron-bo-B, fluorine-flo-F, oxygen-oxy-O) có thể được dùng như một thành
phần có cấu trúc đơn nhất (thí dụ trong CAD-CAM) hoặc như một trong nhiều lớp khi thực hiện
một phục hình.
Chú ý: tất cả porcelain và glass-ceramic là ceramic, nhưng không phải tất cả ceramic là
porcelain hay glass-ceramic:
CERAMIC
5
hoangtuhung.com
GLASS-CERAMIC CERAMIC KHÁC PORCELAIN
Ceramic jacket crown (CJC): mão jacket sứ: Mão toàn sứ, không có nền kim loại, làm
từ ceramic với thành phần trên 50% tinh thể. Cần phân biệt với porcelain jacket crown, làm từ vật
liệu cốt có độ bền kém hơn, thường là porcelain nhôm oxide hoặc porcelain trường thạch.
Core ceramic: Vật liệu ceramic tạo nên khung sườn vững chắc, trên đó, sứ được đắp vào.
Cracking: Sự hình thành các vết nứt lớn hoặc nhỏ (microcracks)
Crazing: Sự hình thành một hoặc nhiều nứt nhỏ, là kết quả sớm hoặc muộn của thay đổi
nhệt độ.
Feldspathic porcelain: Sứ trường thạch: ceramic hợp thành từ pha matrix glass và một
hoặc nhiều pha tinh thể. Trong đó, leucite (K2O.Al2O3.4SiO2 , hoặc KAlSi2O6)i được dùng để tạo
ra độ dãn nở nhiệt lớn tương thích với các hợp kim vàng, palladium, nickel. Tên gọi đúng hơn về
kỹ thuật cho lọai ceramic nha khoa này là “sứ leucit” (leucite porcelain), vì feldspar không có mặt
trong sản phẩm sau cùng của porcelain và cũng không cần thiết như một nguyên liệu thô để tạo
thành các tinh thể leucite.
Glass-ceramic: Sứ thủy tinh: một chất rắn gồm pha bao bọc thủy tinh (glass) và một hoặc
nhiều pha tinh thể được tạo thành bởi sự tạo nhân tinh thể và lớn lên của các tinh thể trong thủy
tinh.
Glass-ceramic-core: Sườn sứ thủy tinh: Cấu trúc bên dưới của một phục hồi, một cách
điển hình, được làm bằng cách đúc (casting) chất tạo nhân có glass vào khuôn (mould), lấy bỏ cấu
trúc khuôn, cắt phần dư ống đúc (sprue), ceramming để tạo thành những khối đặc hiệu tinh thể .
Nếu cần kiểm soát màu và độ trong, sườn có thể được phủ (veneer) bằng porcelain đặc biệt hoặc
ceramic khác ở một nhiệt độ cao hơn, thí dụ: Dicor glass-ceramic.
Glass-infiltrated dental ceramic: Sứ thấm glass: Sườn sứ Al2O3 hoặc MgAl2O4 thiêu
kết (sintered) tối thiểu với hệ thống khoảng trống (void network) được lấp đầy bởi hệ mao quản
glass nóng chảy. Thí dụ: In-ceram (Al2O3), In-ceram Spinell (MgAl2O4).
Injection-molded ceramic: Sứ đúc bơm: Một loại glass hoặc vật liệu ceramic khác dùng
để tạo sườn sứ của inlay, mặt dán (veneer) hoặc mão bằng cách làm nóng và ép sứ nóng vào
khuôn dưới áp lực. Thí dụ: IPS Empress.
Metal-ceramic restoration: phục hình sứ-kim loại: Mão, cầu hoặc phục hình khác được
làm với một sườn kim loại (thường là kim loại đúc), trên đó, porcelain được dán vào để tăng tính
thẩm mỹ qua trung gian một lớp oxid kim loại. Các thuật ngữ porcelain-fused-to-metal (PFM),
porcelain-bonded-to-metal (PBM), porcelain-to-metal (PTM), ceramometal cũng dược dùng để
chỉ loại phục hình này.
Porcelain jacket crown (PJC): Mão jacket sứ: Một trong những loại mão toàn sứ (all-
ceramic crown) đầu tiên, được làm từ sườn sứ nhôm oxid độ cứng thấp và lớp phủ (veneer)