Vật liệu phục hình sứ - kim loại

VẬT LIỆU PHỤC HÌNH SỨ-KIM LOẠI<br /> TS. Bùi Thanh Hải<br /> <br /> I. ĐẠI C ƯƠNG<br /> Các kim loại dùng trong nha khoa từ những năm 80 của thế kỷ XIX và ngày càng được hoàn<br /> thiện. cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, những tiến bộ trong các lĩnh vực<br /> nghiên cứu về sứ, kim loại và công nghệ dán sứ-kim loại đã giúp khắc phục những nhược<br /> điểm và thất bại trước đây. Cho đến nay, sứ-kim loại vẫn là một sự lựa chọn quan trọng đối<br /> với phục hình cố định.<br /> Các kim loại được sử dụng làm phục hình rất đa dạng và rất khác nhau về thành phần hóa học<br /> nhưng đều có chung một số điểm cơ bản sau:<br /> -<br /> <br /> Có tính chất dán sứ;<br /> <br /> -<br /> <br /> Có hệ số dãn nở nhiệt tương đương hệ số dãn nở nhiệt của sứ;<br /> <br /> -<br /> <br /> Nhiệt độ nóng chảy đủ cao để không biến dạng trong quá trình thiêu kết sứ.<br /> <br /> Hệ số dãn nở nhiệt (coefficient of thermal expansion – CTE): có tính chất liên hệ qua lại với<br /> điểm nóng chảy (melting point) và khoảng nóng chảy (melting range) của vật liệu. Nhiệt độ<br /> nóng chảy càng cao thì hệ số dãn nở nhiệt càng thấp. Đây là yếu tố quan trọng trong việc chế<br /> tạo hợp kim sứ-kim loại.<br /> Hợp kim sứ-kim loại (metal-ceramic alloy) cũng còn được gọi là ceramo metal hay porcelain<br /> fuse to metal, thuật nhữ thường dùng là metal- ceramic. Từ viết tắt PFM (Porcelain fuse to<br /> metal)) thường được dùng hơn so với từ PBM (porcelain bond to metal).<br /> Các phục hình sứ vốn có độ bền kéo (telsile) và độ bền cắt (shear) thấp, nhưng độ bền nén<br /> (compressive) cao. Tuy vậy, trong phục hình, cấu trúc bên dưới phải được thiết kế sao cho<br /> không tạo những điểm tập trung lực. Một trong những biện pháp khắc phục là thực hiện việc<br /> dán sứ trực tiếp lên kim loại (sườn kim loại của phục hình).<br /> Trước đây, hợp kim để làm sứ-kim loại có 85% vàng. Hợp kim này mềm và không đủ chịu<br /> lực để làm cầu. Vì không có sự dán hóa học với sứ, người ta phải tạo các ngàm lưu hóa học.<br /> Các test và độ bền dán cho thấy ngẫu lực tăng lên ở bề mặt tiếp xúc (giao diện) sứ-kim loại,<br /> bản thân kim loại này cũng ít dính (cohesion) vào sứ. Thất bại của loại phục hình này bắt đầu<br /> từ giao diện sứ-kim loại.<br /> Bằng cách thêm 1% nguyên tố để tạo thành lớp oxid như sắt, indium, thiếc vào hợp kim chứa<br /> tỷ lệ vàng cao (high-gold-content-alloy), độ bền dán (bond strenght) sứ-kim loại đã tăng lên.<br /> Sắt đồng thời cũng làm tăng độ bền của hợp kim. 1% kim loại thường được thêm vào hợp<br /> kim quý (vàng, palladium, platinum) là thực sự cần thiết để tạo một lớp oxid mỏng trên bề<br /> mặt của cấu trúc kim loại để đạt được độ bền dán sứ kim loại cao hơn, chứ không phải chỉ<br /> <br /> TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại<br /> <br /> 1<br /> <br /> đơn thuần là tạo độ dính cho sứ vào kim loại. Loại hợp kim có thêm một lượng nhỏ kim loại<br /> thường đã trở thành tiêu chuẩn cho phục hình sứ kim loại.<br /> Vấn đề được giải quyết nhờ một lượng thích hợp leucite có độ dãn nở nhiệt cao được trộn vào<br /> feldspar glass trong quá trình chế tạo. Điều này cho phép điều chỉnh chính xác và đặc hiệu độ<br /> dãn nở nhiệt của sứ và đưa lại bước tiến quan trọng cho phục hình chụp sứ -kim loại. Trong<br /> quá trình làm lạnh, sự co do nhiệt của kim loại lớn hơn của sứ làm cho mặt phía trong của sứ<br /> ở trạng thái bị ép. Do độ bền nén của sứ lớn hơn độ bền kéo nên đã thắng được lực làm vỡ sứ<br /> (shattering).<br /> Phục hình sứ-kim loại gồm một sườn kim loại đúc (cast metallic, framework core) và sứ. Hợp<br /> kim làm sườn thường dùng là:<br /> Hợp kim quý:<br /> -<br /> <br /> Pd-Au;<br /> <br /> -<br /> <br /> Pd-Au-Ag;<br /> <br /> -<br /> <br /> Pd-Ag;<br /> <br /> -<br /> <br /> Pd-Cu;<br /> <br /> -<br /> <br /> Pd-Co;<br /> <br /> -<br /> <br /> Pd-Ga-Ag.<br /> <br /> Hợp kim rất quý:<br /> -<br /> <br /> Au-Pt-Pd;<br /> <br /> -<br /> <br /> Au-Pd-Ag (5-12%Ag);<br /> <br /> -<br /> <br /> Au-Pd-Ag (>12%Ag);<br /> <br /> -<br /> <br /> Au-Pd.<br /> <br /> Titanium và các hợp kim thường:<br /> -<br /> <br /> Titanium nguyên chất;<br /> <br /> -<br /> <br /> Ti-Al-V;<br /> <br /> -<br /> <br /> Ni-Cr-Mo-Be;<br /> <br /> -<br /> <br /> Ni-Cr-Mo;<br /> <br /> -<br /> <br /> Co-Cr-Mo;<br /> <br /> -<br /> <br /> Co-Cr-W.<br /> <br /> Điểm quan trọng đối với phục hình sứ-kim loại là hệ số dãn nở nhiệt của sứ thấp hơn kim loại<br /> để sau khi nguội chắc chắn sứ sẽ bị chịu một lực ép. Chính điều này đã làm cho sứ có độ bền<br /> cao, tránh được vết nứt lan rộng.<br /> <br /> TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại<br /> <br /> 2<br /> <br /> II. NHỮNG TIÊU CHÍ CỦA VẬT LIỆU PHỤC HÌNH SỨ-KIM LOẠI<br /> Để đạt được tối đa ưu điểm của phục hình sứ-kim loại, cần thỏa mãn các điều kiện sau:<br /> a) Kim loại cần có độ nóng chảy cao: Khoảng nóng chảy phải cao hơn ít nhất là 1000C<br /> so với nhiệt độ nung sứ và vật liệu hàn.<br /> b) Sứ cần có nhiệt độ thiêu kết thấp hơn nhiệt độ phục hình toàn sứ để không làm biến<br /> dạng sườn kim loại trong quá trình thiêu kết.<br /> c) Sứ có thể làm ướt một cách dễ dàng như một loại vữa nhão (slurry) khi đặt lên sườn<br /> kim loại để tránh các khoảng hở ở giao diện, đồng thời làm ướt bề mặt kim loại<br /> trong quá trình thiêu kết. Góc tiếp xúc nói chung cần nhỏ hơn 600.<br /> d) Về bản chất, liên kết dán giữa sứ và kim loại đạt được là do phản ứng qua lại giữa sứ<br /> và các oxid kim loại trên bề mặt của hợp kim và độ nhám của bề mặt sườn kim<br /> loại.<br /> e) Hệ số giãn nở của sứ và kim loại phải tương đương nhau để sứ không bị nứt trong quá<br /> trình gia công.<br /> f) Độ cứng và độ bền của hợp kim là quan trọng đối với chụp và cầu răng sau. Độ cứng<br /> cao của kim loại làm giảm ngẫu lực trong sứ nhờ giảm độ võng (deflection) và sức<br /> căng (strain).<br /> g) Sườn kim loại cần được đúc cẩn thận. Tính chống lún (sag resistance) rất quan trọng.<br /> Để đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ, sườn thường khá mỏng nhưng không được phép<br /> biến dạng trong quá trình nung sứ.<br /> h) Hình dạng phục hình: cùi răng cần sửa soạn sao cho sứ và sườn kim loại đủ độ dày<br /> cần thiết. Trong một số trường hợp, sứ kim loại có ưu thế hơn sứ không kim loại vì<br /> mô răng phải mài đi ít hơn.<br /> i) Đường hoàn tất của phục hình nên làm vai nghiêng phẳng với góc tròn cho đủ độ dày<br /> của sứ để tránh vỡ.<br /> <br /> III. CƠ CHẾ VÀ NGUYÊN TẮC KỸ THUẬT DÁN SỨ - KIM LOẠI<br /> Độ bền dán sứ-kim loại trong phục hình sứ-kim loại là một trong những yêu cầu quan trọng<br /> nhất. Thất bại chủ yếu và phổ biến của phục hình sứ - kim loại là bong sứ. Có nhiều yếu tố<br /> liên quan đến sự dán sứ (adhesion) vào hợp kim:<br /> - Tính dễ làm ướt của sứ;<br /> - Sự tạo thành liên kết hoá học (chemical bonding);<br /> - Sự tạo thành các ngàm lưu hoá học (chemical interlocking) giữa hai loại vật liệu<br /> khác nhau;<br /> - Ứng suất dư (residual stresses).<br /> TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại<br /> <br /> 3<br /> <br /> Xử lý bề mặt sườn kim loại nhằm hai mục tiêu chính: Tạo lớp oxid kim loại vừa đủ và<br /> làm nhám bề mặt.<br /> 2.1. Tính dễ làm ướt của sứ: là một tính chất quan trọng đối với sự dán sứ kim loại.<br /> Trong quá trình thiêu kết, sứ cần làm ướt và chảy trên bề mặt hợp kim. Góc tiếp xúc giữa<br /> sứ và hợp kim là số đo mức làm ướt và phản ánh chất lượng của sự dán. Sự thấm ướt của<br /> sứ thiêu kết trên bề mặt hợp kim thể hiện có sự tác động qua lại giữa các phân tử bề mặt<br /> hợp kim với sứ. Góc tiếp xúc nhỏ có nghĩa là sự làm ướt tốt. Bề mặt của các hợp kim<br /> vàng có thiếc và indium sau khi làm nóng có sự xuất hiện các oxid thâm nhập phản ứng<br /> qua lại với sứ, tạo thành một liên kết dán với góc tiếp xúc khoảng 600.<br /> 2.2. Liên kết hoá học giữa sứ và hợp kim: Sứ dán là kết quả của sự thấm hút hoá học<br /> (chemisorption) giữa oxid kim loại trên bề mặt hợp kim vào sứ. Oxid này được tạo thành<br /> trong quá trình xử lý nhiệt và xử lý bề mặt sườn hợp kim; được tạo thành trong quá trình<br /> đắp và thiêu kết sứ trên hợp kim. Giao diện giữa một hợp kim và sứ với nhiều liên kết hoá<br /> học bền vững, với các mối nối tác động như những đuôi (tags) liên kết hai vật liệu với<br /> nhau tạo nên liên kết vững chắc. Tuy vậy, những biện pháp công nghệ để tạo thành các<br /> liên kết hoá học mạnh giữa sứ và kim loại còn chưa được hoàn thiện. Một số hợp kim có<br /> palladium khi xử lý nhiệt, lớp oxid không những được tạo trên bề mặt mà còn cả oxid bên<br /> trong (internal oxid) ăn sâu vào hợp kim, làm tăng độ nhám. Các hợp kim thường, có<br /> chứa nhiều kim loại dễ oxy hoá như: nickel, chromium, beryllium,…vì vậy cần kiểm soát<br /> để lớp oxid không quá dày để có thể xâm nhập vào sứ gây loạn sắc. Các hợp kim chứa<br /> beryllium khi tạo thành oxid (BeO) có độ bám dính tốt. BeO tạo thành chậm và không bị<br /> bong khỏi bề mặt hợp kim.<br /> 2.3. Bề mặt nhám của sườn kim loại: Sự xâm nhập của sứ vào bề mặt lồi lõm của<br /> sườn kim loại tạo thành những khoá cơ học. Tuy nhiên, bề mặt nhám lại có thể gây nên<br /> những khoảng hở làm cho sứ không xâm nhập đầy đủ vào bề mặt hợp kim.<br /> 2.4. Vấn đề ứng suất dư: Một ứng suất cao giữa sứ và hợp kim thường dẫn đến thất<br /> bại. Nếu hợp kim và sứ có hệ số dãn nở nhiệt khác nhau, chúng sẽ có tỷ lệ co khác nhau<br /> trong quá trình làm lạnh. Hậu quả là một ứng suất dư lớn sẽ hình thành ở giao diện. Nếu<br /> ứng suất dư này đủ lớn, sữ sẽ bị bong khỏi bề mặt hợp kim, sớm muộn phục hình cũng bị<br /> thất bại. Để khắc phục vấn đề trên, thành phần của sứ và hợp kim cần được tính toán rất<br /> kỹ để tạo nên sự tương hợp về hệ số dãn nở nhiệt.<br /> Hầu hết sứ nha khoa có hệ số dãn nở nhiệt từ 13,0 đến 14,0 x 10-6 /0C. Hợp kim sản xuất<br /> cho sườn sứ có hệ số dãn nở từ 13,5 đến 14,5 x 10-6 /0C. Sự khác biệt 0,5 x 10-6 /0C cho<br /> phép kim loại co nhiều hơn sứ trong quá trình làm lạnh sau nung, tạo nên một lực nén dư<br /> (residual compression) nhẹ làm cho sứ ít bị ảnh hưởng bởi ngẫu lực căng (tensile stress)<br /> do chịu tải cơ học.<br /> <br /> TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại<br /> <br /> 4<br /> <br /> IV. CƠ CHẾ BONG DÁN SỨ-KIM LOẠI<br /> Hiểu biết về hiện tượng sứ bong có ý nghĩa lớn. Sứ bong có thể ở bề mặt lớp kim loại, ở<br /> giữa lớp oxid kim loại hoặc ở giữa các lớp sứ. Hiểu biết về hiện tượng sứ bong có ý nghĩa<br /> lớn để hạn chế những thiếu sót trong quá trình gia công phục hình.<br /> Có nhiều test để xác định độ bền dán sứ-kim loại. Tuy vậy, test lý tưởng vẫn chưa có. Các<br /> test thông thường hiện đang được áp dụng là Test về độ bền trượt phẳng (planar shear<br /> test) và test uốn (flexural test). Test uốn là dán một lớp sứ lên bề mặt một giải hoặc một<br /> tấm kim loại. Đem uốn tấm kim loại này cho đến khi sứ bị bong hoặc rạn vỡ. Độ bền dán<br /> được coi là đạt khi lực làm rạn vỡ từ trên 25 Mpa. Hiện nay, nhiều loại sứ kim loại đạt<br /> đến 40-60 Mpa. Một loại test uốn khác là thiêu kết lớp sứ dày 1mm trên một tấm kim loại<br /> có kích thước 20mm x 5mm x o,5mm; sau đó, đem uốn tấm kim loại trên một trụ có<br /> đường kính 1cm (bề mặt phủ sứ hướng ra phía ngoài) rồi làm thẳng trở lại, quan sát lớp<br /> sứ dưới kính lúp để nhận xét.<br /> Các mẫu có độ bền cao nhất bị vỡ ở trong lớp sứ. điều này chứng tỏ bề mặt kim loại cũng<br /> như sứ đã được chuẩn bị và gia công đúng. Các mẫu bị vỡ trong lớp oxid thường do lớp<br /> oxid dày, gặp với hợp kim thường. Các mẫu bị vỡ giữa bề mặt kim loại và lớp oxid<br /> (metal – metal oxid) thường là do lớp oxid không được hình thành đầy đủ ở các mẫu hợp<br /> kim rất quý.<br /> Người ta đã có nhiều cố gắng để sứ có độ dãn nở nhiệt đủ cao bằng cách thêm vào một<br /> lượng potassium oxid, gọi là leucite (KAlSi2O6). Nhờ đó, độ dãn nở nhiệt của porcelain<br /> cao, phù hợp với hợp kim sứ.<br /> Mặt khác, sứ cũng được nghiên cứu chế tạo để có nhiệt độ thiêu kết thấp hơn, tránh làm<br /> biến dạng sườn kim loại.. Các oxid Na và K trong pha thuỷ tinh có tác dụng làm giảm<br /> nhiệt độ thiêu kết (fusing temperature) đến khoảng 930 - 9800C. Sứ thiêu kết nhiệt độ<br /> thấp có các nhóm hydroxyl và nhiều Na2O, thiêu kết ở nhiệt độ 6600C. Gần đây, sứ thiêu<br /> kết nhiệt độ thấp và độ dãn nở nhiệt cao (15,8 x 10-6 / 0C) đã được sử dụng. Nó được<br /> dùng với hợp kim vàng rất quý (có độ dãn nở nhiệt từ 16,1 đến 16,8 x 10-6 / 0C).<br /> Về tính chất vật lý, sứ cho phục hình sứ-kim loại thường có độ bền kéo là 35 Mpa; độ bền<br /> nén là 860 Mpa; độ bền cắt là 120 Mpa; độ bền đàn hồi là 60 Mpa.<br /> <br /> V. LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ PHỤC HÌNH SỨ-KIM LOẠI<br /> Vì sứ là vật liệu có độ bền kéo thấp và dễ vỡ nên sườn kim loại cần đủ cứng để giảm tối<br /> đa sự biến dạng, đặc biệt là những nơi chuyển tiếp từ trụ sang nhịp của cầu phục hình.<br /> Tuy nhiên, sườn lại cần phải mỏng để dảm bảo thẩm mỹ của phục hình. Nhìn chung, các<br /> hợp kim Ni-Cr hoặc Co-Cr có lợi thế hơn so với các hợp kim quý và rất quý vì các chỉ<br /> tiêu về độ cứng của chúng thường lớn hơn 1,5 -2 lần với độ dày chỉ bằng phân nửa.<br /> <br /> TS.Bùi Thanh Hải. Viện ĐT Răng Hàm Mặt. 2012. Vật liệu phục hình sứ - kim loại<br /> <br /> 5<br /> <br />