Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБНЫХ КОРОНОК ИЗ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ

Изобретение относится к медицине, а именно к ортопедической стоматологии, и может быть использовано для восстановления анатомической формы отдельных зубов и как опорная коронка в мостовидных и частичных съемных протезах.

Известен способ восстановления анатомической формы коронок посредством штамповки металлического каркаса сечением 0,28-0,30 мм с последующим созданием на его вестибулярной поверхности ретенционного узла, представленного гофрированной пластинкой с просечками, расположенными на вершинах гофр [1].

Преимуществом данного способа является эстетичность при соблюдении определенных технических условий.

Способ имеет следующие недостатки.

Использование штампованного каркаса из стандартной гильзы-заготовки сечением 0,28-0,30 мм не обеспечивает плотного охвата шейки восстанавливаемого зуба.

Для изготовления данной конструкции требуется значительное препарирование вестибулярной части зуба, поскольку ретенционные пункты облицовочного слоя имеют выпуклые очертания кнаружи; слой облицовочной массы должен иметь достаточную толщину, чтобы избежать просвечивания ретенционного узла. Для изготовления данного ретенционного узла используют нестандартное дорогостоящее оборудование (генератор КВАНТ-15).

Наличие просечек на вершинах гофр нарушает прочность фиксирующей ленты, деформирует ее, что снижает ее назначение.

К десневому краю с вестибулярной стороны прилегает пластмасса, которая, как правило, вызывает очаг хронического воспаления.

Известен способ изготовления металлокерамических зубных протезов, заключающийся в отливке металлического колпачка, последовательном нанесении на наружную поверхность колпачка пяти слоев керамической облицовки: первого грунтового, второго грунтового, первого дентинного, второго дентинного слоев керамической массы и глазури, с температурным обжигом каждого слоя [2].

Недостатком является то, что торцовая поверхность металлического колпачка в процессе термических обжигов покрывается оксидным слоем, окислы металла которого диффундируют в керамическую облицовку пришеечной области наружного края коронки и окрашивают ее. Кроме того, послойное нанесение керамической массы с температурным обжигом каждого из слоев приводит к отколам керамической облицовки вследствие неполноценного сцепления между слоями. Многократный обжиг металлокерамической конструкции влечет за собой перекристаллизацию керамики и ее разрушение, а также увеличение толщины оксидного слоя, что приводит к снижению прочности сцепления между керамической облицовкой и металлическим каркасом.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления коронок из диоксида циркония [3].

В способе-прототипе для изготовления коронки используется компьютерное моделирование. После того как зуб обработан под коронку, снимается слепок, но не привычным гипсовым способом, а специальным сканером, который передает полученное изображение в компьютер. Таким образом, изготовление коронки на оксиде циркония состоит из следующих этапов: препарирование зуба под коронку; лазерное снятие слепка (как самого зуба, так и всей челюсти); цифровое моделирование будущей коронки (с учетом строения челюсти, прикуса, а также возможной усадки коронки во время обжига); изготовление коронки на цифровом фрезерном станке из цельного блока оксида циркония; обжигание конструкции в специальной печи (необходимо для придания прочности коронке); после каркас из оксида циркония покрывается слоем керамики.

Недостатками способа-прототипа является низкая прочность и износостойкость коронки. Кроме того, коронка, изготовленная по способу-прототипу, имеет высокую пористость и шероховатость, что требует дополнительной обработки поверхности коронки, которая осуществляется путем нанесения на нее керамического слоя с последующей механической обработкой указанного слоя. Перечисленные недостатки снижают качество изготавливаемой коронки.

Техническая задача, стоящая в рамках настоящего изобретения, заключается в повышении качества коронки путем повышения ее прочности и износостойкости, снижения шероховатости и пористости ее поверхности.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления зубных коронок из циркония, заключающемся в предварительном снятии снимка зубов пациента, в изготовлении на основе снимка модели, в сканировании ее лазером, в считывании сканером формы модели, в фиксации указанной модели компьютерной программе, моделирующей нужную форма каркаса будущих зубных коронок из циркония, в изготовлении в соответствии с заданной компьютерной программой с помощью фрезеровочного аппарата основы коронки - каркаса, согласно изобретению изготовленный каркас помещают в среду разреженных газов и при давлении 10^-2-10^-3 Па облучают его ускоренными до 15 - 20 кэВ импульсными электронными пучками субмиллисекундной длительности, лежащей в диапазоне от 100 до 200 мкс, причем облучение каркаса проводят при токе пучка 100-200 А в течение 60-80 с при частоте следования импульсов 0,2-0,4 с^-1.

Сущность изобретения заключается в том, что обработка поверхности ионными, электронными пучками или потоками плазмы приводит к снижению масштабного уровня локализации пластической деформации в наноструктурированном поверхностном слое, обуславливая, тем самым, более равномерное распределение упругих напряжений в более значительном объеме материала, чем при внешнем механическом или температурном воздействии на поверхность. В результате этого в значительной степени повышается энергия зарождения в поверхностном слое концентраторов напряжения, снижается вероятность образования в поверхностном слое микро- и макродефектов. Последнее определяет демпфирующие свойства наноструктурированного поверхностного слоя коронки по отношению к ее глубинным слоям, предотвращая при значительных нагрузках на коронку преждевременное зарождение и распространение с поверхности в основной объем материала хрупких микротрещин, приводящих в итоге к его разрушению. Наноструктурный слой, полученный после облучения электронным пучком на поверхности циркониевой коронки, в отличие от традиционных совмещает в себе достаточно высокую микротвердость и достаточную пластичность. Поведение нанокристаллических материалов с размерами зерен 10 нм и менее определяется главным образом в пограничных слоях, поскольку количество атомов в зернах сравнимо или меньше, чем на их границах. Это обстоятельство существенно изменяет характер взаимодействия между соседними зернами, например тормозит генерацию дислокаций, препятствует распространению трещин из-за упрочнения границ зерен. При этих условиях дислокации в нанозернах отсутствуют. Поверхностный слой коронки из керамики после облучения его электронным пучком обладает сверхвысокой твердостью, большим коэффициентом упругого возврата и высокой термостойкостью и повышенной трещиностойкостью.

Пример конкретного выполнения

Изготавливалась зубная коронка по заявляемому способу из диоксида циркония ZrO₂ с добавкой (6-8)% Y₂O₃. Оксид и диоксид циркония - это разновидности керамики. Выбор диоксида циркония в качестве материала для коронки обусловлен его преимуществами по сравнению с другими материалами, используемыми в зубоврачебной практике. Преимуществом циркониевых протезов является их эстетический вид и их высокая биосовместимость. Не имея металлического каркаса, протез имеет более естественный вид и цвет. Абсолютная инертность оксида циркония предопределяет уверенное отсутствие аллергических реакций, которые могут иметь место при изготовлении протезов из металла. Но оксид циркония не может быть получен литьем. В сыром виде брусок оксида циркония представляет собой легкообрабатываемый материал, напоминающий мел. После спекания в печи при температуре 1350 градусов материал приобретает высокую прочность и твердость, характерную для керамики. При спекании материал имеет усадку, из-за чего исходные размеры коронки уменьшаются. Традиционные способы ручного изготовления циркониевых протезов не пригодны. Изготовление таких протезов стало возможным с внедрением компьютерных технологий (CAD/САМ), которые и применялись в заявляемом способе.

В соответствии с заявляемым способом после подготовки зубов к протезированию с них снимался снимок, по которому изготавливалась гипсовая модель зубов пациента.

С помощью специального лазерного сканера для стоматологии - Iscan_D100 фирмы Imetric (Швейцария), осуществлялось сканирование зубов гипсовой модели.

После сканирования зубов гипсовой модели с помощью пакета моделирования коронок и мостов Delcam DentCAD по результатам сканирования строилась трехмерная компьютерная модель участка полости рта, на котором планировалось установить зубной протез. На этой стадии выбирался из базы данных DentCAD наиболее подходящий по форме зуб, который дорабатывался средствами DentCAD до нужной формы. Поставляемая с DentCAD база данных содержит модель коронок под каждый зуб. Для редактирования геометрии используется интуитивно понятные функции скульптурного моделирования.

Созданная модель загружалась в память фрезерного станка с числовым программным управлением.

В качестве фрезерного станка был использован вертикально-фрезерный 4-координатный станок с числовым программным управлением (ЧПУ) Charlyrobot (Франция), специально ориентированный на использование в зубопротезных лабораториях. Станок имеет двухпозиционный поворотный стол, который позволяет вести обработку обеих сторон заготовки без ручных переустановок. Магазин инструментов вмещает необходимый набор фрез для полной обработки заготовки. Также имеется автоматическая система всасывания пыли.

Изготовленный на фрезерном станке каркас коронки из диоксида циркония помещался в вакуумную камеру импульсного ускорителя электронов.

В вакуумной камере создавалось разрежение газов до давления 10^-2-10^-3 Па. При вакууме выше чем 10^-2 в разреженном остаточном газе содержится еще достаточно много элементов и веществ, которые при воздействии на них электронными пучками могут ионизоваться, бомбардировать поверхность коронки, что может ухудшить ее качество. Для снижения давление менее чем 10^-3 требуется выполнять достаточно жесткие требования к материалу вакуумной камеры, ее герметичности и к системам ее откачки, что усложняет процесс и поэтому нецелесообразно.

Выбор ускоряющего напряжения, обеспечивающего энергию электронов 15 - 20 кэВ, импульсными электронными пучками субмиллисекундной длительности, лежащей в диапазоне от 100 до 200 мкс, обусловлен необходимостью обеспечения оптимальных режимов облучения, так как при пучках электронов с энергией электронов ниже 15 кэВ и при длительности импульса напряжения ниже 100 мкс, так же как и при пучках электронов с энергией электронов выше 20 кэВ и при длительности импульса напряжения выше 200 мкс, наблюдается ухудшение качества поверхностного слоя коронок. В первом случае это связано с недостаточной глубиной проникновения электронов вглубь поверхности коронки и относительно малой энергией, связанной с малым временим воздействия на нее указанной энергией пучка. Во втором случае, наоборот, высокая энергия и время облучения могут приводить к нежелательным деструкциям поверхности. Как показывают опыты, оптимальные значения упомянутых выше параметров лежат в указанном диапазоне энергий пучка и его длительности.

Аналогичные оптимальные значения были получены при облучении каркаса коронки при токе пучка 100-200 А в течение 60-80 с при частоте следования импульсов 0,2-0,4 с^-1.

В рассматриваемом примере облучение коронки осуществляли при энергии пучка 17, 5 кэВ, длительности импульса ускоряющего напряжения 150 мкс, токе пучка 150 А, времени 70 с и частоте 0,3 с^-1.

В керамике каркаса коронки до облучения электронным пучком и после него проводили исследования фазового состава и дефектной структуры поверхностного слоя методами оптической (NEOFOT-32), сканирующей (SEM-515 Philips) и дифракционной электронной (JEM-2100) микроскопии, рентгеноструктурного анализа (дифрактометр XRD 6000, съемка осуществлялась в медном отфильтрованном излучении Cu-Kα1; монохроматор СМ-3121). Для определения физико-механических и трибологических характеристик керамики использовали нанотвердомер «Nanotest- 100»; трибометр «CSEM Tribometer High Temperature S/N 07-142», CSM Instruments, высокотемпературный трибометр THT-S-AX0000, реализующий метод «вращающаяся исследуемая поверхность - неподвижное контртело»; 3D-профилометр MICRO MEASURE 3D station.

В результате исследования поверхности было выявлено следующее.

Необработанная пучком электронов поверхность каркаса характеризуется высоким уровнем пористости и шероховатости (Ra=9,7 мкм).

Электронно-пучковая обработка позволила многократно снизить уровень шероховатости покрытия с Ra=10,8…13,6 мк при необлученной поверхности до Ra=0,18…0,20 мк в оптимальном режиме облучения. Выглаживание поверхностного слоя керамики на основе диоксида циркония интенсивным электронным пучком не сопровождалось изменением фазового состава поверхностного слоя. Исследования, выполненные методами рентгенофазового анализа, показали, что перед облучением керамика являлась двухфазным материалом, основная фаза - кубическая модификация диоксида циркония, а вторая фаза - тетрагональная. После облучения электронным пучком наблюдается замещение кубической модификации на тетрагональную, соотношение фаз составляет 1:1.

Дефектную субструктуру и фазовый состав модифицированного электронным пучком слоя анализировали методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг, специально выполненных для сравнения с прототипом из диоксида циркония. Фольги готовили путем утонения пластинок, расположенных в плоскости поперечного сечения образца. Это позволяло одновременно анализировать модифицированный поверхностный слой и расположенный под ним основной объем материала. Анализ тонких фольг выявил формирование в поверхностном объеме многослойной структуры.

В результате исследований было выявлено, что после облучения в оптимальном режиме произошло в сравнении с прототипом увеличение износостойкости поверхностного слоя в 150…300 раз, твердости в 6…7 раз, модуля Юнга в 1,4 раза и снижение коэффициента трения в ~3,3 раза. Высказано предположение, что высокий уровень твердости поверхностного слоя (~35 ГПа) обусловлен формированием многофазной наноразмерной структуры, образующейся при высокоскоростной кристаллизации расплавленного состояния. Существенное повышение в заявляемом способе поверхностной прочности, износостойкости и других качественных показателей позволяет не менее чем на 20-30% уменьшить толщину коронки по сравнению с прототипом, сохранив при этом все преимущества по износостойкости и прочности коронки. Это позволяет производить более щадящее для пациента восстановления зуба при помощи коронки, так как это заметно уменьшает толщину слоя, который удаляют с поверхности зуба пациента при подготовке его к закрытию коронкой. Поверхностный нанослой коронки обладает высокими теплоизоляционными свойствами, что исключает дискомфорт при употреблении пациентом горячей пищи.

Кроме того, каркас не требует дальнейшей запечки полировки, как в прототипе, так как в заявляемом способе происходит не только упрочнение, но и сглаживание поверхности, эквивалентное ее полировке электронным пучком.

Источники информации

1. Авт. св. N 1237197, кл. А61С 5/08, 1986.

2. Копейкин В.Н. и соавт. Зубопротезная техника. М.: Медицина, 1985, с. 202-205.

3. http://aplik.ru/studentu/1-kurs/kuvatbaeva-u/ - прототип.