Development of glass-ceramics for dental applications

Abstract

The Ph.D thesis aimed at developing novel compositions of glass-ceramic (GC) materials in CaO-MgOSiO2 ternary system suitable for dental applications, both in the domain of dental implants, and in the domain of fixed all-ceramic prosthetic restorations. The novel compositions were based on the CaOMgO-SiO2 ternary system, with the additions of Na2O/Κ2Ο, P2O5, CaF2, and Al2O3. The influence of the substitution of K2O for Na2O, MgO for CaO, and the Al2O3 addition (1 and 7-8 mol%) on the properties of the resultant GCs was investigated. The glasses were produced by melting of the glass (in a Pt crucible at 1400 °C for 1 h, in air) and subsequent quenching (in cold water). Samples of glasses in bulk form were also produced. Thermal analysis (dilatometry and DSC) of the parent glasses was performed in order to set-up the optimal crystallization process for producing the GCs. The GCs were produced by sintering and controlled crystallization of glass-powder compacts (prepared by uniaxial pressing at 150 - 200 bar and having dimensions according to ISO 6872 “Dentistry - Ceramic Materials”). Τhe heattreatment schedule set-up was based on the results of the thermal analysis, in order to ensure that successful sintering process is completed before crystallization starts. The crystalline phases developed in the produced GCs were identified by X-ray diffraction analysis, while their microstructure was observed in a scanning electron microscope, equipped with an energy dispersive spectroscopy device for elemental analysis (SEM/EDS). The physical (density, linear shrinkage, and aesthetics), and the mechanical properties (flexural strength, modulus of elasticity, hardness, and fracture toughness) of the produced GC specimens were determined. The bioactivity of the produced GCs was also experimentally determined. More specifically, polished GCs bars as well as fine powders (0.2 g) were immersed in 25 ml SBF (simulated body fluid) solution for 7, 14, and 21 days, at 37 oC. Sampling took place at the aforementioned periods of time. The ability of the GCs to induce HA formation on their surface was evaluated indirectly, by measurements of the pH of the liquid, and directly, by X-ray diffraction analysis of the powders and SEM/EDS analysis of the surface of the GCs bars. The investigation on developing novel compositions aimed at producing bioactive GCs for dental implant applications resulted in the following conclusions. The complete substitution of K2O for Na2O, the partial substitution of MgO for CaO, and the addition of 1 mol% Al2O3 led to GCs whose mechanicalproperties are very close to the corresponding properties of jaw bone and dentine. Thus, these GCscan be qualified as potential candidates for dental implant applications. On the other hand, thecompositions with 7-8 mol% Al2O3 addition resulted in bioinert GCs whose mechanical properties were a good match for the properties of enamel and dentine. According to the ISO 6872 “Dentistry-Ceramic Materials”, these features qualify the produced GCs as potential candidates for all-ceramic prosthetic restorations, such as aesthetic ceramic materials, namely as coatings of metal or ceramic substrates for producing single-unit anterior or posterior prostheses, veneers, inlays, or onlays, as well as in the construction of adhesively cemented ceramic substrates for single-unit anterior or posterior prostheses.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει στόχο το σχεδιασμό καινοτόμων συστάσεων στο τριμερέςσύστημα CaO-MgO-SiO2, και με βάση τις συστάσεις αυτές, να κατασκευαστούν υαλοκεραμικά υλικάπου να μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο ως υλικά κατασκευής οδοντικών εμφυτευμάτων όσο και ως υλικά κατασκευής ακίνητων ολοκεραμικών προσθετικών αποκαταστάσεων. Στο στάδιο του σχεδιασμού των καινοτόμων συστάσεων των νέων υαλοκεραμικών υλικών με βάση το τριμερές σύστημα CaO-MgOSiO2, μελετήθηκαν οι προσθήκες των οξειδίων Na2O ή Κ2Ο, P2O5, CaF2 και Al2O3. Οι ύαλοι κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της τήξης σε χωνευτήρια πλατίνας στους 1400 oC και ελήφθησαν τόσο σε μορφή υαλοθραύσματος με υπερταχεία ψύξη του τήγματος με χύτευσή του σε κρύο νερό όσο και σε συμπαγή μορφή με χύτευση της υάλου σε προθερμασμένη πλάκα και αμέσως ανόπτηση. Αρχικά πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός της υάλου από την κάθε σύσταση, ο οποίος αφορούσε στη θερμική ανάλυση με μετρήσεις διασταλομετρίας (dilatometry) και διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC). Τα υαλοκεραμικά υλικά παρήχθησαν, σύμφωνα με τα αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης, με μεθόδους τεχνολογίας κόνεων (κονιομεταλλουργικά) με πυροσυσσωμάτωση και ελεγχόμενη κρυστάλλωση δοκιμίων κόνεων υαλοθραυσμάτων (που παρασκευάστηκαν με συμπίεσή τους σε καλούπι στα 150 - 200 bar και διαστάσεις που ορίζονται στο πρότυπο ISO 6872 “Dentistry - Ceramic Materials”). Tα παραχθέντα υαλοκεραμικά χαρακτηρίστηκαν πλήρως με κρυσταλλογραφική ανάλυση με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), με παρατήρηση της μικροδομής τους σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο με στοιχειακό αναλυτή (SEM/EDS) για ταυτοποίηση των κρυστάλλων και με πειραματικό προσδιορισμό των τιμών των φυσικών και των μηχανικών ιδιοτήτων τους, όπως είναι η πυκνότητα, η γραμμική συστολή τους κατά τη θερμική κατεργασία τους, και το χρώμα τους, καθώς η αντοχή σε κάμψη τριών σημείων, το μέτρο ελαστικότητας (E), η σκληρότητα (κατά Vickers, HV), και ο συντελεστής δυσθραυστότητας (ΚIC), αντίστοιχα. Για τον έλεγχο της βιοενεργότητας, υαλοκεραμικά εμβαπτίστηκαν σε προσομοιωμένο υγρό ανθρώπινου σώματος (SBF) για 7, 14 και 21 ημέρες, στους 37 oC. Στα χρονικά αυτά διαστήματα έγινε δειγματοληψία και στα ληφθέντα δείγματα έγινε έλεγχος σχηματισμού ή μη βιοενεργής επιφάνειας υδροξυαπατίτη, έμμεσα, με προσδιορισμό του pH του διαλύματος, και άμεσα, με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης με στοιχειακή ανάλυση (SEM/EDX) στις επιφάνειες των υαλοκεραμικών. Σε ότι αφορά στα υλικά που παράχθηκαν για εν δυνάμει χρήση τους ως υλικά κατασκευής βιοενεργών οδοντικών εμφυτευμάτων, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι από τις συστάσεις των υάλων με πλήρη υποκατάσταση του Na2O από Κ2Ο, με μερική υποκατάσταση του CaO από MgO, και με προσθήκη 1 mol% Al2O3, μπορούν να παραχθούν υαλοκεραμικά υλικά με ιδιότητες που ικανοποιούν τα κριτήρια πρόκρισης για περεταίρω θεώρηση και πειραματικό έλεγχο για τη συγκεκριμένη οδοντιατρική εφαρμογή. Η αξιολόγηση των υαλοκεραμικών υλικών που κατασκευάστηκαν αναφορικά με την πιθανή χρήση τους ως υλικά κατασκευής ακίνητων ολοκεραμικών (βιοαδρανών) προσθετικών αποκαταστάσεων, έγινε λαμβάνοντας υπόψη τα κατώτεραεπιτρεπτά όρια αντοχής σε κάμψη και δυσθραυστότητας που ορίζει το πρότυπο ISO 6872 “Dentistry - Ceramic Materials”. Έτσι, τα αποτελέσματα της διατριβής αυτής οδηγούν στο συμπέρασμα ότι ταυαλοκεραμικά υλικά με συστάσεις με προσθήκη Al2O3 σε ποσοστό 7-8 mol% ικανοποιούν τα κριτήρια για να προκριθούν για τη συγκεκριμένη οδοντιατρική εφαρμογή, δηλαδή, να προταθούν για να χρησιμοποιηθούν ως υλικά επικάλυψης μετάλλων ή κεραμικών υποστρωμάτων στην περίπτωσημεμονωμένων προσθετικών αποκαταστάσεων προσθίων ή οπίσθιων δοντιών, ως υλικά κατασκευήςόψεων, ενθέτων και επενθέτων, ή στην κατασκευή κεραμικών υποστρωμάτων προσθίων ή οπίσθιωνδοντιών.