CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DI MATERIALI CERAMICI PER APPLICAZIONI ODONTOIATRICHE

Transcript

1 AIAS ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI XXXVII CONVEGNO NAZIONALE, SETTEMBRE 2008, UNIVERSITÀ DI ROMA LA SAPIENZA CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DI MATERIALI CERAMICI PER APPLICAZIONI ODONTOIATRICHE M. Alfano a, F. Inchingolo b, C. Maletta a, M. Marrelli c a Università della Calabria, Dipartimento di Meccanica P. Bucci, 44C Rende (CS), carmine.maletta@unical.it b Università degli Studi di Bari. Dipartimento di Odontostomatologia e Chirurgia, f.inchingolo@tin.it c Clinica Odontoiatrica Calabrodental Srl, Regione Calabria Crotone, calabrodental@calabrodental.it. Sommario Nel presente lavoro è stata analizzata la resistenza meccanica di un materiale ceramico commerciale a base di zirconia per applicazioni odontoiatriche, da utilizzare per la realizzazione di protesi fisse in combinazione con tecniche di lavorazione CAD/CAM. In particolare, sono state effettuate prove di flessione su tre punti (ISO 6872), e sono stati analizzati gli effetti della rugosità superficiale e del processo di colorazione, eseguito utilizzando una soluzione colorante commerciale. Inoltre, è stata effettuata un analisi comparativa di otto differenti ceramiche commerciali da rivestimento estetico, comunemente utilizzate per la realizzazione di protesi in ceramica integrale in combinazione con strutture in zirconia. A tale scopo, sono state eseguite prove di flessione su tre punti su provini bimateriale (zirconia/rivestimento) e misure di micro-durezza Vickers. Infine, al fine di comprendere l evoluzione delle caratteristiche del materiale in seguito all impianto nel cavo orale, le prove di micro-durezza sono state effettuate nuovamente in seguito all esposizione dei provini in ambiente fisiologico simulato. Abstract In this study the mechanical performances of a commercial zirconia based material for dental applications, to be used for the realization of bridges and crowns in combination with CAD/CAM techniques, were analyzed. In particular, the effects of the surface roughness on the flexural strength of standard specimens were investigated, by three point bending tests, as well as the effects of a coloring process carried out by using a commercial colour liquid. Additionally, eight commercial ceramic veneers, to be used for the realization of all-ceramic restorations in combination with zirconia based structures, were analyzed by three point bending tests of two-layered specimens and Vickers microhardness measurements. Finally, the evolution of the Vickers hardness was investigated after immersion of the specimens in artificial saliva for several immersion times. Parole chiave: Zirconia ZrO 2, Protesi odontoiatriche, Resistenza a flessione, Durezza Vickers. 1. INTRODUZIONE L introduzione di tecniche di lavorazione CAD/CAM nel settore odontoiatrico ha favorito l introduzione dei materiali ceramici avanzati, per la realizzazione di protesi fisse. Tali tecniche permettono di ottenere protesi di geometria complessa con un elevato livello di accuratezza

2 dimensionale e dotate di buone proprietà meccaniche [1,2]. La tecnologia più promettente in tale ambito consiste nella fresatura di blocchi di materiale pre-sinterizzato a base di zirconia (ZrO 2 ), nel trattamento con liquidi coloranti e nella successiva fase di sinterizzazione [3]. Infine, le strutture sono successivamente rivestite con ceramiche da rivestimento estetico, permettendo di ottenere protesi in ceramica integrale caratterizzate da un eccellente risultato estetico e funzionale, e dotate di buona biocompatibilità [4]. I materiali ceramici a base di zirconia presentano le migliori prospettive di sviluppo grazie ad una trasformazione di fase allo stato solido da struttura tetragonale a monoclina (t m) [5]. A tale trasformazione, indotta dallo stato tensionale all apice di difetti acuti, è associato un incremento di volume che introduce uno stato di compressione e, pertanto, tende ad arrestarne la propagazione. Negli ultimi anni sono state condotte numerose attività di ricerca in ambito odontoiatrico con lo scopo di analizzare la resistenza meccanica della zirconia, al variare di differenti condizioni di finitura superficiale [6-8], oltre che l interazione con numerose ceramiche da rivestimento estetico [9-11]. Nel presente lavoro è stata analizzata la resistenza meccanica di una ceramica commerciale a base di zirconia (Bio ZS Blank, Kavo Everest ), e gli effetti dei processi di lavorazione del materiale comunemente eseguiti durante la produzione di protesi fisse con tecniche CAD/CAM. In particolare, sono state effettuate prove di flessione su tre punti (ISO 6872), e sono stati analizzati gli effetti della rugosità superficiale e del processo di colorazione, eseguito utilizzando un liquido commerciale (Color Liquid, Zirkon Zahn ). Inoltre, è stata effettuata un analisi comparativa di otto differenti ceramiche commerciali da rivestimento estetico, comunemente utilizzate per la realizzazione di protesi in ceramica integrale in combinazione con strutture in zirconia. A tale scopo, sono state eseguite prove di flessione su tre punti su provini bi-materiale (zirconia/rivestimento) e misure di micro-durezza Vickers. Infine, al fine di comprendere l evoluzione delle caratteristiche del materiale in seguito all impianto nel cavo orale, le prove di micro-durezza sono state effettuate nuovamente in seguito all esposizione dei provini in ambiente fisiologico simulato. 2. MATERIALI E METODI Nel lavoro è stata analizzata la resistenza meccanica di una ceramica commerciale a base di zirconia (Bio ZS Blank, Kavo Everest ), mediante prove standard di flessione su tre punti (ISO 6872). Inoltre, sono state analizzate le proprietà meccaniche di otto differenti tipologie di ceramiche da rivestimento estetico, riportate in tabella 1, attraverso prove di flessione su tre punti di provini bi-materiale zirconia/rivestimento e prove di micro-durezza Vickers. Infine, le prove di microdurezza sono state ripetute in seguito all esposizione dei materiali in condizioni fisiologiche simulate, ovvero in saliva artificiale (Oralbalance, Laclade) alla temperatura di 37 C, al fine di valutare l evoluzione della durezza superficiale in seguito all impianto all interno del cavo orale. Tabella 1: Tipologie di ceramiche da rivestimento estetico analizzate Nome Commerciale Produttore Lava Ceram Ceramco PFZ Vita VM9 Triceram Zirox GC Initial ZR IPS e.max Sakura Interaction 3M Espe, (USA) Dentsply International (USA) Vita (D) Dentaurum (D) Wieland Dental Systems (D) GC Europe, (B) Ivoclar Vivadent AG, (FL) Elephant Dental B.V. (NL) 2.1 Prove di flessione di provini in zirconia Le prove di flessione dei provini in zirconia sono state eseguite in accordo con la normativa ISO In particolare, sono stati utilizzati provini prismatici di lunghezza l= 25 mm con sezione rettangolare, di larghezza b=5 mm e spessore t=2 mm. I provini sono stati tagliati da blocchetti pre-sinterizzati

3 utilizzando un disco diamantato con diametro φ=63 mm, e le dimensioni sono state opportunamente incrementate al fine di compensare la contrazione del materiale durante il successivo trattamento termico di sinterizzazione. Le prove di flessione su tre punti sono state eseguite in controllo di spostamento, ad una velocità di avanzamento della traversa di 1 mm/min, utilizzando una macchina universale di prova materiali (Instron 8500) equipaggiata con una cella di carico con capacità massima pari a 5 kn. La resistenza a flessione, S, è stata determinata calcolando la tensione massima a rottura del provino: 3Pf d S = 2 (1) 2bt dove P f è il carico di rottura e d è la distanza tra gli appoggi, pari a 15 mm. Al fine di valutare l effetto del processo di colorazione e della finitura superficiale sulla resistenza meccanica sono state analizzate quattro differenti tipologie di provini, identificate in tabella 2 come Tipo A, B, C e D. In particolare, i provini Tipo A e C risultano non colorati, mentre i provini Tipo B e D sono stati colorati utilizzando un liquido colorante commerciale (Color Liquid, Zirkon Zahn ); inoltre la finitura superficiale dei provini Tipo C e D è stata modificata mediante un processo di lucidatura meccanica. La rugosità superficiale (R a ) dei provini testati è stata misurata con un rugosimentro a contatto (Mahr, MahrSurf III). Tabella 2: Tipologie dei provini in zirconia analizzate Tipologia di provino Tipo A Tipo B Tipo C Tipo D Descrizione Sinterizzato Sinterizzato e colorato Sinterizzato e lucidato Sinterizzato, colorato e lucidato 2.2 Prove di flessione di provini bi-materiale zirconia/ceramica da rivestimento Le prove di flessione dei provini bi-materiale zirconia/rivestimento, per ciascuna delle ceramiche riportate in Tabella 1, sono state eseguite utilizzando le medesime attrezzature e procedure descritte nella sezione precedente. I provini di lunghezza l=25 mm, con sezione rettangolare di larghezza b=5mm e altezza totale t=2.2 mm, sono stati preparati in accordo con le specifiche fornite dai produttori delle ceramiche. In particolare, lo strato in ceramica da rivestimento estetico, di spessore t C =1.1 mm, è stato applicato sui substrati in zirconia sinterizzata del medesimo spessore, t Z =1.1 mm, senza alcun trattamento di finitura superficiale. I provini sono stati testati applicando il carico sulla superficie del rivestimento, ovvero sottoponendo a trazione il substrato in zirconia. E stata condotta un analisi comparativa tra le otto ceramiche selezionate, scegliendo come parametro di confronto l energia di deformazione per unità di volume, u tot, alla rottura o al danneggiamento dei provini: u = u + u tot Z C (2) dove i pedici Z e C indicano il substrato in zirconia (Z) e la ceramica da rivestimento (C). Come noto, le due energie u Z e u C sono date dalle seguenti equazioni: u Z 1 = Z Z dv V σ ε 2 Z V Z, u C 1 = C CdV V σ ε 2 C V C (3) dove σ ed ε rappresentano la tensione e la deformazione e V il volume.

4 2.3 Prove di micro durezza Le prove di micro-durezza Vickers sono state eseguite in accordo alla normativa DS/ENV Sono state effettuate cinque differenti indentazioni su ciascun provino, con una distanza minima tra ciascun punto di 2mm,utilizzando un microdurometro Shimadzu HMV-M ed un peso di 1 kg. La superficie dei provini è stata preliminarmente lucidata e la durezza è stata calcolata mediante la seguente relazione: F HV F = d (4) dove HV F è la durezza Vickers, F è la forza applicata espressa in kg, e d è la media delle diagonali dell impronta, d=(d 1 +d 2 )/2, espressa in mm. Al fine di stimare l evoluzione delle caratteristiche meccaniche in seguito all impianto nel cavo orale le prove di durezza sono state ripetute in seguito a differenti tempi di esposizione dei provini in saliva artificiale (10, 30, 60 e 120 giorni) in condizioni di temperatura controllata (T=37 C). 3. RISULTATI 3.1 Resistenza meccanica dei provini in zirconia In tabella 3 sono riportati i risultati relativi alla resistenza a flessione, unitamente ai valori di rugosità superficiale, ottenuti testando venti differenti provini per ciascuna tipologia. Al fine di analizzare gli effetti del processo di colorazione e della rugosità superficiale sono stati eseguiti test di significatività t-student (p=95%). Tabella 3: Resistenza a flessione e rugosità superficiale per le quattro tipologie di provini. Tipologia provino Rugosità Resistenza a flessione[mpa] Parametri di Weibull [MPa] superficiale Ra (μm) Media Deviazione standard Modulo Resistenza caratteristica Tipo A 1.75 ± Tipo B 1.27± Tipo C 0.13± Tipo D 0.12± La figura 1 illustra i valori medi e le deviazioni standard della resistenza a flessione delle quattro tipologie di provini. Figura 1: Resistenza a flessione delle quattro tipologie di provini.

5 Come atteso, la figura 1 e la tabella 3 mostrano chiaramente che il processo di lucidatura causa un incremento significativo dei valori medi di resistenza a flessione. La tabella mostra inoltre che la resistenza meccanica dei provini lucidati è caratterizzata da valori più bassi della deviazione standard rispetto ai provini non lucidati, e quindi da più alti valori del modulo di Weibull. Questo risultato indica una forte dipendenza della resistenza meccanica dai difetti microscopici presenti in superficie, legati al processo di lavorazione, che costituiscono punti di innesco della frattura. Le precedenti osservazioni sono confermate anche dai test t-student che indicano una differenza significativa della resistenza meccanica tra provini lucidati e non lucidati. Inoltre, il processo di colorazione non ha un effetto significativo sulla resistenza meccanica, come chiaramente mostrato in figura Resistenza meccanica di provini bi-materiale zirconia/rivestimento Sono stati analizzati dieci provini bi-materiale per ciascuna tipologia di ceramica da rivestimento riportata in tabella 1. La figura 2 illustra una rappresentazione schematica delle tipiche curve caricospostamento della traversa (P-δ) registrate durante le prove dei campioni bi-materiale, che corrispondono a differenti tipologie di rottura. (a) (b) Figura 2: Esempi di curve carico-spostamento dei provini bi-materiale: a) rottura simultanea di zirconia e rivestimento (P=P f ); b) danneggiamento del rivestimento (P=P p ) prima della rottura completa del provino (P=P f ) La curva in figura 2.(a) si osserva nel caso di rottura simultanea dei due materiali per P=P f ; la figura 2.(b) illustra un esempio di curva carico-spostamento con un carico di picco P=P p <P f, che rappresenta un danneggiamento prematuro del rivestimento prima della rottura completa del provino per P=P f. E importante osservare che la stessa curva può esibire più carichi di picco in funzione dei meccanismi di danneggiamento del provino, come illustrato in figura 3. (a) (b) (c) Figura 3: Tre esempi di meccanismi di rottura: a) rottura simultanea dei due materiali; b) rottura mista adesiva-coesiva; c) frattura adesiva. In particolare, la figura 3.(a) è relativa alla rottura simultanea di zirconia e rivestimento per P=P f ; la figura 3.(b) mostra una tipica morfologia superficiale relativa ad un meccanismo di rottura misto

6 adesivo-coesivo, per il quale si osserva una curva carico spostamento con carichi di picco multipli; infine, la figura 3.(c) mostra la morfologia superficiale relativa alla frattura adesiva del rivestimento per P=P p. La tabella 4 illustra i meccanismi di rottura osservati durante le prove dei campioni bimateriale, per ciascuna le otto tipologie di ceramiche da rivestimento estetico selezionate. Tabella 4: Meccanismi di rottura dei provini bi-materiale. Tipologia ceramica Meccanismo di rottura (*) Lava Ceram S, M Ceramco PFZ S Vita VM9 S, M Triceram S, M Zirox M, A GC Initial ZR S, M IPS e.max A Sakura Interaction S (*) Rottura simultanea di substrato e ceramica da rivestimento estetico (S); meccanismo di rottura misto adesivo-coesivo (M); frattura adesiva (A) La tabella mostra che i provini bi-materiale realizzati con le ceramiche Sakura Interaction e Ceramco PFZ esibiscono una rottura simultanea di substrato e rivestimento, mentre i provini realizzati con la ceramica IPS e.max mostrano frattura adesiva; infine, gli altri provini mostrano meccanismi di rottura multipli. In fig. 4 è riportata l energia di deformazione per unità di volume per le otto tipologie di provini bimateriale. In particolare, è stata calcolata l energia totale a rottura u tot f, ovvero per P=P f, e l energia in corrispondenza del danneggiamento del rivestimento u tot p, ovvero per P=P p ; è importante sottolineare che nel caso di curva carico-spostamento con carichi di picco multipli è stato considerato il primo carico di picco per il calcolo dell energia di danneggiamento. Figura 4. Energia di deformazione per unità di volume a rottura e al danneggiamento del rivestimento. La figura 4 mostra che la ceramica Vita VM9 esibisce le migliori prestazioni meccaniche; la figura mostra inoltre che le ceramiche Ceramco PFZ e Sakura Interaction presentano lo stesso valore delle due energie, u tot f e u tot p, come conseguenza della rottura simultanea dei due materiali, come illustrato anche in tabella 4. Infine, le ceramiche IPS e.max, GC Initial ZR e Zirox, mostrano differenze marcate tra u tot f e u tot p come conseguenza di un danneggiamento prematuro della ceramica da rivestimento, in seguito a meccanismi di rottura mista coesiva-adesiva o frattura adesiva.

7 3.3 Micro-durezza Vickers In figura 5 sono riportati i risultati relativi alla micro-durezza Vickers, HV 1, delle otto ceramiche da rivestimento estetico oltre che dei substrati in zirconia colorati e non colorati. In particolare, la figura mostra i valori medi e le deviazioni standard ottenuti analizzando cinque differenti provini per ciascuna tipologia. Come atteso, i provini in zirconia colorata (ZrO2 C) e non colorata (ZrO2 NC) mostrano valori simili della durezza Vickers, pari a 1400 HV 1 e 1386 HV 1, rispettivamente. Il test t- student (p=95%), indica che non vi è una differenza significativa nella durezza per le due tipologie di provini. I risultati relativi alle ceramiche da rivestimento estetico mostrano valori della durezza simili e compresi tra 546 HV 1 per Lava Ceram a 624 HV 1 per Ceramco PFZ. Tuttavia, il tests t-student indica che le ceramiche Ceramco PFZ, Vita VM9 e IPS e.max esibiscono valori di durezza significativamente più elevati rispetto alle altre ceramiche. Figure 5. Durezza Vickers dei provini in zirconia e delle otto ceramiche da rivestimento estetico. La figura 6.a mostra l evoluzione dei valori medi della durezza Vickers per i provini in zirconia, colorati e non colorati, in seguito ad esposizione in saliva artificiale dopo 10, 30, 60 e 120 giorni. La figura mostra chiaramente una diminuzione della durezza nei primi 30 giorni, per ambedue le tipologie di provini, mentre non si osservano variazioni significative tra 30 e 120 giorni. La figura mostra inoltre che la durezza dei provini colorati è sempre più elevata rispetto ai provini non colorati, probabilmente come conseguenza del fatto che il trattamento colorante contribuisce alla riduzione della porosità del materiale. La figura 6.b mostra l evoluzione dei valori medi di durezza rilevati sulle otto differenti tipologie di ceramiche da rivestimento estetico; anche in questo caso si osserva una diminuzione generalizzata della durezza nei primi 30 giorni di esposizione e variazioni non significative tra 30 e 120 giorni ad eccezione della ceramica Triceram che non mostra variazioni significative in seguito all esposizione; tuttavia i valori registrati dopo 120 giorni di esposizione, per le altre tipologie di ceramiche, non appaiono significativamente più bassi rispetto ai valori iniziali con riduzioni percentuali massime sempre inferiori al 10 %.

8 a) b) Figura 6: Evoluzione della durezza Vickers in seguito ad esposizione dei provini in saliva artificiale: a) provini in zirconia e b) provini in ceramica da rivestimento estetico. 4. CONCLUSIONI Nel presente lavoro è stata analizzata la resistenza meccanica di una ceramica commerciale a base di zirconia, da utilizzare per la produzione di protesi odontoiatriche fisse in combinazione con tecniche di lavorazione CAD/CAM. In particolare, sono stati analizzati gli effetti della rugosità superficiale e del processo di colorazione, eseguito utilizzando un liquido colorante commerciale. I risultati ottenuti mostrano che la rugosità superficiale dei provini in zirconia gioca un ruolo fondamentale sulla loro resistenza meccanica, mentre il processo di colorazione non produce variazioni significative delle caratteristiche di resistenza del materiale. I risultati indicano, pertanto, che deve essere prestata un elevata attenzione durante le fasi di lavorazione di protesi odontoiatriche in materiale ceramico, con lo scopo di ottenere superfici con bassi valori di rugosità e prive di difetti superficiali. Inoltre, è stata eseguita un analisi comparativa tra otto differenti tipologie di ceramiche commerciali, da utilizzare come rivestimento estetico di strutture in zirconia, per la realizzazione di protesi in ceramica integrale. Le prove meccaniche di provini bi-materiale (zirconia/rivestimento) hanno mostrato differenti tipologie di rottura tra le ceramiche selezionate, principalmente legati a differenti livelli di adesione tra zirconia e ceramica da rivestimento. Infine, sono state eseguite prove di durezza Vickers sia su provini in zirconia che sulle ceramiche da rivestimento estetico, in seguito a differenti tempi di esposizione (0-120 giorni) dei provini in ambiente fisiologico simulato. I risultati indicano una diminuzione generalizzata della durezza nei primi 30 giorni di esposizione, seppur con variazioni contenute entro il 10%, mentre non si osservano variazioni significative tra 30 e 120 giorni. RINGRAZIAMENTI La ricerca è stata finanziata dalla società Tecnologica Srl (Crotone, Italy). Gli autori ringraziano, inoltre, il Sig. Roberto Marrelli (Direttore tecnico della società Dentalia s.r.l di Crotone) ed i suoi collaboratori per il validissimo supporto nella preparazione dei provini. BIBLIOGRAFIA [1] P. F. Manicone, P. Rossi Iommetti. L. Raffaelli, An overview of zirconia ceramics: Basic properties and clinical applications, Journal of Dentistry, 35, , [2] J. R. Kelly, I. Denry, Stabilized zirconia as a structural ceramic: an overview Dental Materials, 24, , [3] I. Denry, J. R. Kelly, State of the art of zirconia for dental applications, Dental Materials, 24, , 2008.

9 [4] C. Piconi, G. Maccauro, Zirconia as a ceramic biomaterial, Biomaterials, 20(1), 1-25, [5] F. F. Lange, Transformation toughening Part4 fabrication, fracture toughness and strength of Al2O3 ZrO2 composites, Journal of Materials Science, 17, , [6] H. Wang, M. N. Aboushelib, A. J. Feilzer, Strenght influencing variables on CAD/CAM zirconia frameworks, Dental Materials, 24, , [7] M. Guazzato, L. Quach, M. Albakry, M. V. Swain, Influence of surface and heat treatments on the flexural strength of Y-TZP dental ceramic, Journal of Dentistry, 33, 9-18, [8] R. G. Luthardt, M. S. Holzhuter, H. Rudolph, V. Herold, M. H. Walter, CAD/CAM-machining effects on Y-TZP zirconia, Dental Materials, 20, , [9] M. Guazzato, K. Proos, L. Quach, M. V. Swain, Strength, reliability and mode of fracture of bilayered porcelain/zirconia (Y-TZP) dental ceramics. Biomaterials, 25, , [10] M. N. Aboushelib, N. De Jager, C. J. Kleverlaan, A. J. Feilzer, Effect of loading method on the fracture mechanics of two layered all-ceramic restorative systems, Dental Materials, 23, , [11] S. N. White, V. G. Miklus, E. A. McLaren, A. Lang, A. A. Caputo, Flexural strength of a layered zirconia and porcelain dental all-ceramic system, The Journal of Prosthetic Dentistry, 94(2), , 2005.