DOI: https://doi.org/10.1016/j.dental.2024.05.007
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38755041
تاريخ النشر: 2024-05-16
المؤلف: Omid Akhlaghi وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تركز البحث على تطوير وتصنيف السيراميك النانوي من زركونيا المدعمة باليتريا (YSZ) ذات القوة العالية والشفافية العالية، المصممة لتكرار الخصائص البصرية للأسنان الطبيعية. باستخدام تقنيات المعالجة الرطبة على الجسيمات النانوية التفاعلية، نجح الدراسة في تقليل درجة حرارة الكثافة إلى 1100-1200 درجة مئوية، مما سمح بتشكيل هياكل نانوية دون الحاجة إلى طرق كثافة متقدمة مثل الضغط الهيدروستاتيكي الساخن أو تلبيد البلازما الشرارية. أظهرت عينات YSZ الناتجة انتقال ضوء أقصى بنسبة 38% عند 780 نانومتر، ومعامل شفافية يتراوح بين 30.2 إلى 35.2، ومعامل أوباليسنس يتراوح بين 15.0 و 18.2.
كشفت الاختبارات الميكانيكية عن سلوك فريد تأثر بحجم الحبيبات، حيث أظهرت عينات 3YSZ علاقات كل من Hall-Petch و Hall-Petch العكسية. وصلت الصلابة القصوى إلى 14.2 ± 0.3 جيجا باسكال وقوة ثنائية المحاور تبلغ 1980 ± 260 ميجا باسكال عند أحجام حبيبات تقارب 120 نانومتر و 80 نانومتر، على التوالي. ومع ذلك، أدى تقليل حجم الحبيبات إلى حوالي 55 نانومتر إلى انخفاض في الصلابة إلى 12.5 ± 0.2 جيجا باسكال والقوة إلى 1100 ± 110 ميجا باسكال. تفوقت السيراميك النانوي من الزركونيا المطورة على السيراميك المتاحة تجارياً والزجاج-السيراميك في كل من الخصائص البصرية والميكانيكية، مما يشير إلى إمكاناتها في ترميم الأسنان مع تقليل سمك النواة، مما يعزز جاذبيتها في طب الأسنان التعويضي والتجميلي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على المشهد المتطور لمواد ترميم الأسنان، مع التأكيد على الطلب المتزايد على الترميمات الجمالية والموثوقة. أصبحت النوى المصنوعة من البورسلين الملتحم بالمعدن (PFM) أقل تفضيلاً، خاصة في التطبيقات الأمامية، بسبب عدم شفافيتها ولونها غير المرغوب فيه. لقد عالج ظهور الترميمات السيراميكية بالكامل بعض هذه المشكلات اللونية؛ ومع ذلك، لا تزال التحديات مثل الهشاشة، والتشقق، والشفافية المحدودة قائمة، خاصة حيث تكون الخصائص الوظيفية والجمالية ذات أهمية قصوى. تؤكد الورقة على أهمية تقليد سلوك الأوباليسنس للأسنان الطبيعية، التي تشتت الأطوال الموجية الأقصر وتنقل الأطوال الموجية الأطول من الضوء، لتحقيق نتائج جمالية متفوقة.
يناقش المؤلفون الخصائص الواعدة لزركونيا رباعية الأبعاد المدعمة باليتريا بنسبة 3 مول. % (3YSZ)، والتي تجمع بين القوة العالية والصلابة مع التوافق الحيوي. على الرغم من مزاياها، تفتقر 3YSZ القياسية إلى الشفافية والأوباليسنس للأسنان الطبيعية، مما يستلزم استخدام تغليف لتحسين الجمالية. تم استكشاف استراتيجيات حديثة لتعزيز الشفافية، مثل تقليل محتوى الألومينا وزيادة مستويات الدوبامين Y2O3، ولكن غالباً ما تؤثر هذه على القوة الميكانيكية. تشير الورقة إلى تقدم حديث من قبل Lim وآخرون، الذي أبلغ عن نوع زركونيا يظهر كل من القوة العالية والشفافية؛ ومع ذلك، لا تزال هناك مخاوف بشأن مقاومة الشيخوخة بسبب التلبيد عند درجات حرارة عالية. يقترح المؤلفون نهجاً مبتكراً يتضمن استخدام جزيئات زركونيا بحجم نانو وتقنيات تلبيد محكومة لإنتاج سيراميك نانوي يمكن أن تحقق كل من الخصائص البصرية والميكانيكية المرغوبة، مما يعالج قيود السيراميك الزركوني التجارية الحالية في تطبيقات الأسنان.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات زركونيا مدعمة باليتريا ومعالجتها إلى أجسام خضراء لمزيد من التصنيف. تم إعداد الجسيمات النانوية، بحجم متوسط يبلغ 8 ± 1 نانومتر، باستخدام طريقة التعليق الغروي التي تضمنت إضافة سترات ثلاثي الأمونيوم وبولي فينيل الكحول كمواد رابطة. خضعت الأجسام الخضراء الناتجة، ذات الشكل الأسطواني وكثافة 3.1 ± 0.05 جرام/سم³، لسلسلة من خطوات المعالجة بما في ذلك إزالة الربط عند 600 درجة مئوية والتلبيد عند درجات حرارة تتراوح من 1150 درجة مئوية إلى 1300 درجة مئوية. تم استخدام طريقة تلبيد من خطوتين لتحسين عملية الكثافة، خاصة للعينات الأكبر التي تهدف إلى التطبيقات السنية.
شملت تقنيات التصنيف قياسات انتقال الضوء في الخط، وتقييمات إحداثيات لون CIELAB، واختبارات ميكانيكية لقوة ثنائية المحاور والصلابة. تم حساب معامل الشفافية (TP)، ومعامل الأوباليسنس (OP)، ونسبة التباين (CR) لتقييم الخصائص البصرية، مع قيم TP الأعلى تشير إلى شفافية أكبر. تم تقييم الخصائص الميكانيكية باستخدام اختبار فيكرز للصلابة ومتانة الكسر، مع مقارنة النتائج بمعايير قياسية. تم إجراء تحليلات هيكلية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل عالي الدقة (HR-TEM)، وتصوير الأشعة السينية (XRD) للتحقق من حجم الحبيبات وتركيب الطور. توفر النتائج رؤى حول معالجة وخصائص زركونيا المدعمة باليتريا، ذات الصلة بتطبيقات في مواد الأسنان ومجالات أخرى.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التأثير الكبير للporosity المتبقية وحجم الحبيبات على الخصائص البصرية والميكانيكية لسيراميك الزركونيا النانوية. وُجد أن إجمالي حجم المسام النانوية المتبقية أقل من 0.5% ضروري لتحقيق الشفافية، حيث أظهرت البنية المجهرية لسيراميك الزركونيا الكثيفة الحد الأدنى من المسام المتبقية (<15 نانومتر) بعد التلبيد عند 1150 درجة مئوية. أظهرت الخصائص البصرية، وخاصة انتقال الضوء في الخط (IT)، تحسناً مع انخفاض متوسط حجم الحبيبات، حيث سمحت الحبيبات الأصغر من 100 نانومتر بانتقال أفضل للضوء، خاصة عند الأطوال الموجية الأطول. كما أظهرت الدراسة أن معاملات الشفافية والأوباليسنس لسيراميك الزركونيا ذات الحبيبات النانوية تحاكي عن كثب تلك الخاصة بالأسنان الطبيعية، مما يشير إلى إمكانية تطبيقها في ترميم الأسنان. فيما يتعلق بالخصائص الميكانيكية، أكدت البحث علاقة Hall-Petch، حيث تعزز أحجام الحبيبات الأصغر الصلابة والقوة بسبب زيادة كثافة الانزياح وتأثيرات حدود الحبيبات. ومع ذلك، لوحظ انتقال إلى سلوك Hall-Petch العكسي عندما انخفضت أحجام الحبيبات إلى أقل من 75 نانومتر، مما يشير إلى تفاعل معقد بين حجم الحبيبات، وديناميات الانزياح، وتحولات الطور. حددت الدراسة نطاق حجم الحبيبات الأمثل (70-120 نانومتر) الذي يوازن بين القوة الميكانيكية والشفافية، حيث حققت العينات ذات الأداء الأفضل صلابة قدرها 14.2 جيجا باسكال وقوة ثنائية المحاور قدرها 1980 ميجا باسكال. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن السيراميك النانوي من الزركونيا المطورة تظهر خصائص بصرية وميكانيكية متفوقة مقارنة بالمواد التقليدية، مما يجعلها مرشحة واعدة للتطبيقات السنية الجمالية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.dental.2024.05.007
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38755041
Publication Date: 2024-05-16
Author(s): Omid Akhlaghi et al.
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
The research focuses on the development and characterization of high-strength, highly translucent Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) nanocrystalline ceramics designed to replicate the optical properties of natural teeth. Utilizing wet processing techniques on reactive nanoparticles, the study successfully reduced the densification temperature to 1100-1200 °C, allowing for the formation of nanocrystalline structures without the need for advanced densification methods like hot isostatic pressing or spark plasma sintering. The resulting YSZ samples demonstrated a maximum light transmission of 38% at 780 nm, a translucency parameter ranging from 30.2 to 35.2, and an opalescence parameter between 15.0 and 18.2.
Mechanical testing revealed a unique behavior influenced by grain size, exhibiting both Hall-Petch and inverse Hall-Petch relationships in the 3YSZ samples. The peak hardness reached 14.2 ± 0.3 GPa and a biaxial strength of 1980 ± 260 MPa at grain sizes of approximately 120 nm and 80 nm, respectively. However, further reduction in grain size to around 55 nm led to a decrease in hardness to 12.5 ± 0.2 GPa and strength to 1100 ± 110 MPa. The developed nanocrystalline zirconia ceramics outperformed commercially available ceramics and glass-ceramics in both optical and mechanical properties, suggesting their potential for dental restorations with reduced core thickness, thereby enhancing their appeal in prosthetic and aesthetic dentistry.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the evolving landscape of restorative dental materials, emphasizing the increasing demand for aesthetically pleasing and reliable restorations. Traditional porcelain-fused-to-metal (PFM) cores are becoming less favored, particularly in anterior applications, due to their opacity and undesirable color. The advent of all-ceramic restorations has addressed some of these color issues; however, challenges such as brittleness, chipping, and limited translucency persist, particularly where both functional and aesthetic qualities are paramount. The paper underscores the importance of mimicking the opalescent behavior of natural teeth, which scatters shorter wavelengths and transmits longer wavelengths of light, to achieve superior aesthetic outcomes.
The authors discuss the promising properties of 3 mol. % Yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals (3YSZ), which combine high strength and hardness with biocompatibility. Despite its advantages, standard 3YSZ lacks the translucency and opalescence of natural teeth, necessitating veneering for improved aesthetics. Recent strategies to enhance translucency, such as reducing alumina content and increasing Y2O3 dopant levels, have been explored, but these often compromise mechanical strength. The paper notes a recent advancement by Lim et al., which reported a zirconia variant exhibiting both high strength and translucency; however, concerns about aging resistance due to high-temperature sintering remain. The authors propose an innovative approach involving the use of nano-sized zirconia particles and controlled sintering techniques to produce nano-crystalline ceramics that can achieve both desirable optical and mechanical properties, thereby addressing the limitations of current commercial zirconia ceramics in dental applications.
Methods
In this study, yttria-doped zirconia nanoparticles were synthesized and processed into green bodies for further characterization. The nanoparticles, with an average size of 8 ± 1 nm, were prepared using a colloidal suspension method that included the addition of tri-ammonium citrate and polyvinyl alcohol as binders. The resulting green bodies, cylindrical in shape with a density of 3.1 ± 0.05 g/cm³, underwent a series of processing steps including debinding at 600 °C and sintering at temperatures ranging from 1150 °C to 1300 °C. A two-step sintering method was employed to optimize the densification process, particularly for larger samples intended for dental applications.
Characterization techniques included in-line light transmission measurements, CIELAB color coordinate assessments, and mechanical testing for biaxial strength and hardness. The translucency parameter (TP), opalescence parameter (OP), and contrast ratio (CR) were calculated to evaluate optical properties, with higher TP values indicating greater translucency. Mechanical properties were assessed using Vickers indentation for hardness and fracture toughness, with results compared to standard benchmarks. Structural analyses were performed using scanning electron microscopy (SEM), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), and X-ray diffraction (XRD) to investigate grain size and phase composition. The findings provide insights into the processing and properties of yttria-doped zirconia, relevant for applications in dental materials and other fields.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant influence of residual porosity and grain size on the optical and mechanical properties of nanocrystalline zirconia ceramics. It was found that a total volume of residual nanopores below 0.5% is essential for achieving translucency, with the microstructure of dense zirconia ceramics exhibiting minimal residual pores (<15 nm) after sintering at 1150 °C. The optical properties, particularly in-line transmission (IT), were shown to improve as the average grain size decreased, with grains smaller than 100 nm allowing for better light transmission, especially at longer wavelengths. The study also demonstrated that the translucency and opalescence parameters of nano-grained zirconia ceramics closely mimic those of natural teeth, indicating their potential application in dental restorations. In terms of mechanical properties, the research confirmed the Hall-Petch relationship, where smaller grain sizes enhance hardness and strength due to increased dislocation density and grain boundary effects. However, a transition to inverse Hall-Petch behavior was observed when grain sizes fell below 75 nm, indicating a complex interplay between grain size, dislocation dynamics, and phase transformations. The study identified an optimal grain size range (70-120 nm) that balances mechanical strength and translucency, with the best-performing samples achieving a hardness of 14.2 GPa and a biaxial strength of 1980 MPa. Overall, the findings suggest that the developed nanocrystalline zirconia ceramics exhibit superior optical and mechanical properties compared to conventional materials, making them promising candidates for aesthetic dental applications.