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  • CAD/CAM系统和可切削陶瓷的应用及发展

    2014年06月01日 作者:佚名 点击: 【字体:

    传统的失蜡法制作修复体费时并且难以获得与牙合面对位良好的牙合接触。CAD/CAM是智能机器人和计算机集成制造系统的主要组成部分, 该技术已广泛应用于工业生产、建筑设计、物体质量特性计算等众多领域。在1971 年, 法国牙医Duret和数名计算机专家一起致力于CAD/CAM系统样机, 1985 年用该设备制作出第一个全瓷牙冠, 1988 年CAD/CAM 系统制造设备商品化,引入到口腔固定修复的设计与制作中,引发了口腔修复学界一场重大的技术革命。生产工艺的革命也必然带动了材料学的飞速发展,生物陶瓷应用于口腔修复学领域并以其良好的生物相容性、优秀的美学性能备受人们关注,CAD/CAM技术推动了可切削陶瓷的发展,出现了几种与之配套的陶瓷系统。 
    1.CAD/CAM系统

       CAD/CAM 系统制造设备通常由激光摄像系统、数据处理系统和小型数控机床三个部分组成。其技术特点是将应用材料获取“物理印模”和“物理模型”(Physical impression and phycical die) 技术转变为应用光电原理和数字化处理系统获取光学印模和模型。将应用材料制作修复体坯型(蜡型或塑料型) 转变为用光标移动在监视屏上绘制修复体图形。将石蜡铸造术、充填技术制作修复体转变为由图形数字化处理形成的指令控制的数控机床铣出修复体,病人一次就诊就可以完成修复治疗。主要有法国的Duret 系统、美国明尼苏达大学的Rekow 系统、荷兰的Cicero 系统、瑞士的Cerec 系统、瑞典的Procera 系统、美国3M公司的Lava系统等。不同系统之间在技术上不尽相同,操作的难度和速度,使用的材料,修复体的精确性和美观性也不同。

        1.1 Duret 系统

        由法国牙医Duret 等发明, 是最早开发出的牙科CAD/CAM 系统, 由摄像部分、数据处理部分和修复体加工部分组成。是在口腔内照相, CCD 对摄取的牙面反射激光产生的信号进行排列,将携光量信息数字化并输入、存贮在计算机中, 这样就获取了“光学印模”。用于“取模”的激光扫描器分辩率为20um。数据处理部分也就是CAD 部分, 采用编码技术直接在屏幕的“模型”上通过移动光标来设计假牙, 整个过程仅需2-10min。CAM 部分, 依据存贮在Eulid 软件中的指令用陶瓷或复合树脂块切削出嵌体、3/4冠、全瓷冠等。病人在一次就诊中就能装上修复体, 整个疗程约30-60min。

        1.2 Cerec 系统

        Cerec系统问世至今已开发出四代产品,第4 代产品制成的牙修复体精确度与牙科精密铸造的合金修复体类似。工作时将照相机镜头置于预备牙上方, 获得该牙的三维影像。王华蓉等研究认为临床上用Cerec2 CAD/CAM制作全瓷底层冠时可应用间接法采集印模,间接印模法对CAD/CAM全瓷底层冠适合性无影响。

        目前CAM/CAD已能成功地制作嵌体、贴面、冠、固定桥等固定修复体。但正确的咬合关系的建立一直是CAD的难点。因为计算机系统中的数据库提供的是正常牙体形态, 而CAD/CAM 修复的患者为各种年龄, 牙体牙合面形态有多种变化, 咬合关系各不相同,如牙齿牙合面有磨耗、缺损, 因此计算机加工制作出的修复体牙合面需在口内进行调磨。Cerec 系统是少有的几个能进行修复体牙合面设计的CAD/CAM 系统之一, 牙合面设计有推断法、相关法和功能法等方法。有研究认为Cerec2系统对正常咬合关系患者可采用推断法进行全瓷冠牙合面设计, 咬合关系异常者可采用功能法进行牙合面设计。

        1. 3 Procera系统

        CAD为Procera识读器或数字化仪,包括Procera扫描仪,IBM兼容仪,设计软件,彩色显示器,传送媒介。Procera扫描仪扫描预备体代型并记录下数据,约需3-5min。厂家提高的设计软件可将数字化代型和底层冠放大12℅-20℅,以补偿氧化铝15℅-20℅的烧结收缩。

    设计后的数据组成数据文件通过传送媒介传送到Procera Sandivk AB 制造厂的Procera工作站。CAM为计算机化Procera精密加工机,它根据传送来的数据精确地将放大的数字化代型加工成机制代型,其另一个作用是调改氧化铝底层冠坯体的外形。

        1.4 Cicero 系统

        计算机整合的陶瓷重建技术(computer integrated ceramic reconstruction, CICERO)制作全冠主要包括以下步骤:扫描石膏代型获得电脑数字化的资料,设计全瓷冠的层次组合、加压、烧结、计算机连续切割核瓷、牙本质瓷和切端瓷。由于Cicero方法是在比色的、高强度的立基于氧化铝的核瓷上,分层次涂塑牙本质瓷和切端瓷,并且通过计算机模拟下颌三维运动,有效去除所有的牙合干扰,故制作的全瓷修复体具有良好的美观性、足够的机械强度以及静态和动态时最广泛的牙合接触。Cicero全瓷冠的整体临床效果是令人满意的。

        1. 5 Lava全瓷系统

        通过扫描模型获得资料。有杰出的机械性能和美学特性,适于单冠和前后牙3-4单位的桥体。氧化锆陶瓷支架有7种颜色供选择。 

    2.CAD/CAM专用的切削陶瓷

       用于牙科CAD/CAM专用的切削材料,研究进展相当缓慢,最早使用的是含有高强度填料的预成复合树脂和牙科烤瓷。80年代末才研制出商品化的切削陶瓷,如Dicor MGC、Vita Mark Ⅱ。但这两种材料强度低(<180MPa) 、韧性差(<210MPa.m1/2) ,只能用于前牙贴面、后牙嵌体的修复,不能作为牙科全瓷冠桥的修复材料。1996 年, Rinke 和Huls及Bindl和Mormann分别采用Celay 系统和Cerec Ⅱ型CAD/CAM系统将预成多孔氧化铝加工成基底冠,然后,采用In-Ceram 技术完成了高强度全瓷冠修复体的制作。CAM 技术和In-Ceram 技术结合,为牙科高强度全瓷修复体的制作开辟了新途径。近年来氧化锆增韧陶瓷以其高强度、高韧性、良好的生物相容性引起人们的关注,成为后牙冠桥修复开发的热点。

        可切削陶瓷主要有四种:①长石质可切削陶瓷,如Vita MarkⅡ;②可切削玻璃陶瓷,其中云母基玻璃陶瓷有Macor-M、Dicor MGC、MGC-F等,羟基磷灰石陶瓷Bioram-M,热压铸陶瓷IPS-Empress;③氧化铝(Al2O3)陶瓷,有Procera-Allceram 铝瓷,Celay/In – CeramAlumian 瓷块④氧化锆(Zirconia)陶瓷。

        2.1 长石类陶瓷和玻璃陶瓷

        Dicor MGC、Vita Mark Ⅱ。这两种材料强度低、韧性差 ,只能用于前牙贴面、后牙嵌体的修复,不能作为牙科全瓷冠桥的修复材料。

        IPS-Empress是Ivoclar与苏黎世大学共同研制的一种白榴石热压铸玻璃陶瓷,它具有良好的半透明性和折光性、与牙釉质相似的磨耗强度以及边缘适合性好等优点。该公司推出IPS-Empress2,是二硅酸锂强化型玻璃陶瓷,机械强度较IPS-Empress提高3倍。可用于三单位固定桥的修复。


        严格的操作后,我们看到了铸瓷的美观效果

        2.2 Procera-Allceram 铝瓷

        Procera-Allceram是Anderson和 Oden Nobel Biocare AB 和AB Sandivk Hard Materials公司(瑞典)开发的技术。采用纯度99.9℅以上的氧化铝粉末,应用工业技术以极高的压力将氧化铝细粉压在机械代型上形成坯体(干法加压成形),巨大的压力给予了材料高堆积密度,明显降低气孔率,减少烧结时间,减缓晶粒长大,是其底层冠材料优良力学性能的主要因素。其外表面通过Procera CAM 研磨而成。底层坯体从机械代型上取下,在1550℃以上烧结,烧结收缩15℅-20℅后,底层形态和厚度就与计算机上设计的一样了。此时氧化铝底层冠呈半透明象牙色,具有很好的边缘适合性。氧化铝底层冠的专用饰面瓷Procera-Allceram是低膨胀烤瓷。

     其挠曲强度为601-687Mpa,是传统长石瓷(约65Mpa)的10 倍以上,也高于玻璃渗透铝瓷In-Ceram Alumina(约352Mpa),其断裂韧性约为4.48Mpa.m1/2与In-Ceram(4.49Mpa.m1/2)接近。是目前所知(除氧化锆陶瓷外)强度最高的牙科陶瓷材料。

        2.3 Celay/In - Ceram 瓷块

       Vita公司已推出Celay/In - Ceram Alumina 和In - Ceram Spinell瓷块,将推出Zirconia瓷块。In - Ceram Alumina block瓷块是牙科CAD/CAM 技术和In - Ceram 技术结合的修复材料。预成Vita In - Ceram Alumina block 瓷块经牙科CAD/ CAM系统切削成底层冠、桥架后,采用配套的玻璃渗透形成氧化铝玻璃复合体底层冠、桥架,提高了强度和韧性,最后在底层冠、桥架上堆塑面瓷完成修复体的制作,该材料可用于制作全瓷冠和前牙三单位固定桥,制作加工时间短,临床应用前景好[3-5]。

        2.4 氧化锆陶瓷

        氧化锆陶瓷是新型生物材料,于20 世纪60 年代晚期,多用于制作关节假体的关节头,近年来在牙科种植和修复领域的应用日渐广泛。氧化锆陶瓷是以斜锆石(ZrO2)和锆英石(ZrO2-SiO2)为主料通过成形烧结等一系列工艺制成的瓷制品。它具有良好的生物相容性、优良的力学性能,尤其是断裂韧性远高于氧化铝陶瓷其高强度和高韧性,成为牙科陶瓷开发的重点。氧化锆优秀的力学性能来自于它的多晶形相变。氧化锆有3种晶形:单斜相晶形、四方相晶形及立方相晶形。3 种晶形分别存在于不同的温度范围并可相互转化,其中单斜相晶形与四方相晶形之间的转变是马氏林相变,相变过程中伴有3%-5% 的剪切应力改变和体积改变,纯氧化锆烙点在2710℃,通常室温下仅以单斜相形式存在,但加入适量有利于稳定的四方相的MgO2、Y2O3、CaO及La2O3等氧化物时,其熔点可降至2500℃左右,并可使四方相氧化锆稳定地存在于室温甚至于室温之下;而常温下稳定的四方相,在材料使用过程中由于外力诱导会向更稳定的单斜相转变,从而消耗部分能量,缓解应力场,同时相变粒子体积增大的效应在一定程度上会抑制裂纹的进展。另一方面,如果相变使材料内部产生微裂纹,只要裂纹的尺寸足够小,且均匀分布的微裂纹起到应力分散的作用,也可以提高材料的韧性。其中以氧化钇(Y2O3)稳定的四方相氧化锆多晶陶瓷(Y-TZP)性能最佳。

        氧化锆陶瓷有稳定的氧化锆陶瓷、部分稳定的氧化锆陶瓷、四方氧化锆多晶陶瓷、氧化锆增韧复合陶瓷、氧化锆增韧玻璃陶瓷等,近年来氧化锆陶瓷材料的研究不断发展。

        2.4.1 氧化锆增韧氧化铝玻璃复合体

        李江等在氧化铝中添加ω(ZrO2)=5% 做为增韧剂改善多孔氧化铝及其玻璃复合体(Alumina Glass Composit,AGC)的力学性能,提高可切削氧化铝烧结体的强度和韧性。

        2.4.2 氧化锆增韧纳米复合渗透陶瓷

        在部分稳定的氧化锆陶瓷中加入少量的AL2O3可提高氧化锆的强度和韧性,巢永烈等将相变增韧陶瓷部分稳定氧化锆(Partially Stabilized Zirconia,PSZ)及具有高韧性、低温超塑性的纳米陶瓷相结合开发研制了新型的Al2O3-nZrO2高强韧的纳米复合渗透陶瓷材料。

        2.4.3 聚甲基丙烯酸甲酯-氧化锆复合材料

        李石保等等以部分烧结氧化锆陶瓷( partially sintered Zirconia compacts ,PSZC) 为基体,将预聚甲基丙烯酸甲酯(MMA) 经真空浸渍渗透其中,原位聚合固化,制备出一种新型的聚甲基丙烯酸甲酯-氧化锆(PMMA2ZrO2)材料,是有机-无机复合材料,具有优秀的综合性能,并有一定的美观性及良好的表面抛光性和耐磨性,可用于牙科CAD/CAM 系统一次加工,直接制备出牙科修复体。

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