Keramer som dentale materialer

Keramer er uorganiske forbindelser mellom et metallisk eller halvmetallisk grunnstoff og et ikke-metallisk grunnstoff. Et eksempel er metallet aluminium og ikke-metallet oksygen, som sammen danner keramet aluminiumoksid, Al₂O₃. Definisjonen inkluderer glass, porselen, keramikk, steingods, betong, salt og en hel rekke andre materialer. Keramer er generelt stive og sprø og tåler trykkbelastning bedre enn strekkbelastning. Den mikrostrukturelle oppbygningen av materialene, med ionebindinger mellom atomene, fører til at strekkbelastning gir sprekkdannelse med smale spisser. Dette gir høy spenningskonsentrasjon i sprekkspissen. Ved økt belastning vil sprekken vokse med selvforsterkende kraft gjennom materialet til total fraktur, eller det som kalles «katastrofalt brudd». En annen stor utfordring ved keramiske materialer er at det er umulig å lage et keramisk materiale helt uten defekter.

Keramer, i form av leire, ble formet og brukt som husholdningsverktøy allerede i steinalderen, men ble først introdusert som materiale til bruk i munnhulen av en fransk apoteker som laget sitt eget gebiss i porselen på 1700-tallet (1, 2). Siden ble det vanlig å benytte protesetenner av porselen festet til forskjellige typer av protesebasis (Figur 1). Som kronemateriale ble porselen benyttet allerede rundt år 1900, i form av «jacketkroner». Keram fastbrent på metall som i metall-keramkroner (MK) eller porselens-gullkroner (PG), som ble introdusert i 1950-årene, har vist seg å være vellykket og er i dag det mest benyttede kronealternativet i verden (3, 4). Helkeramiske kroner fikk større anvendelse og popularitet da teknikken med å etse tannsubstans, og etter hvert også etsing av keramet, ble tatt i bruk på 80-tallet (5). Dette gir økt retensjon for resinbaserte sementer, slik at restaureringen bindes helt til underlaget. Den sterke bindingen bidrar til å redusere bøyebelastninger på restaureringene. Dermed øker holdbarheten på disse konstruksjonene.

Forskjellige metoder for å forsterke keramiske materialer har gjort det mulig å redusere frakturrisikoen (6, 7). Forbedringene har funnet sted på to felter. Den ene forbedringen har vært å redusere antall og størrelse på defekter i materialene ved hjelp av forbedrede fremstillingsteknikker. Den andre har vært å redusere betydningen av eventuelle feil ved utvikling av sterkere materialer. I utgangspunktet ble de eksisterende glassaktige feltspatiske keramene forsterket ved å øke andel krystallinsk fase i materialene. Etter hvert ble det utviklet materialer med utelukkende krystallinsk fase (polykrystalline). Høy-styrke polykrystalline keramer, som aluminiumoksid (Al₂O₃) og zirkoniumoksid (ZrO₂), kan erstatte metaller på flere bruksområder. Sistnevnte er nyeste tilskudd og ble introdusert som konstruksjonsmateriale med kallenavn «keramisk stål» i 1975 (8). Dette materialet ble først brukt som biomateriale i hofteleddproteser og siden som kjernemateriale i helkeramiske kroner, broer og implantatkomponenter (9, 10).

Utfordringen ved dentale protetiske restaureringer er at disse lages individuelt tilpasset til hvert enkelt kasus. Dette er en komplisert og tidkrevende prosess, som setter store krav til både materialet og fremstillingen. Mekaniseringen av fremstillingsprosessen, i form av CAD/CAM-utstyr (computer aided design/computer aided manufacturing), har forenklet den tanntekniske bearbeidelsen og gjort det mulig å produsere individuelt formede restaureringer av avanserte materialer til en akseptabel pris (11). De første generasjonene av CAD/CAM-programmene hadde problemer med å ta hensyn til behovet for understøttelse av det tannfargede dekk-keramet som blir lagt utenpå kjernen. Kjernene ble produsert i en kappe med jevn tykkelse rundt hele prepareringen (Figur 2). Problemet kunne unngås ved såkalt «dobbelskanning», der tanntekniker utformet en fysisk modell av restaureringen. Modellen ble skannet og overført til den digitale prepareringsmodellen. Dette var tidkrevende og vanskelig og ble kun gjort i spesielt krevende tilfeller, noe som trolig har medført en del uønsket avskalling av dekk-keram fra tyggeknuter og incisalkanter. Programutviklingen for dentalt CAD/CAM-utstyr følger den raske utviklingen til dataprogrammer ellers. De siste programmene kan ifølge produsentene enkelt tilpasse tykkelse på alle vegger og bindeledd direkte ved den digitale design av restaureringen (www.inlab.com, www.3m.com, www.nobelbiocare.com). I tillegg kan antagonister og nabotenner skannes og legges inn i riktig relasjon til de preparerte tenner, og på den måten vise hvor økt understøttelse er nødvendig.

Zirkoniumoksid

Zirkoniumoksid er dannet av metallet zirkonium (Zr) og oksygen (O) og har mange av de egenskaper som skal til for å lykkes som et biomateriale (9, 10). Høy styrke, lang holdbarhet og lav løselighet tilsier at dette materialet skulle være perfekt på mange måter. Den hvite fargen er selvfølgelig også et stort fortrinn i odontologisk øyemed.

Zirkoniumoksid kan opptre i forskjellige krystallstrukturer; monoklin (m), kubisk (c) eller tetragonal (t). I naturlig form finnes zirkoniumoksid i monoklin krystallstruktur. Dette er et sprøtt og skjørt materiale som er ubrukelig til konstruksjonsformål. Ved å øke trykk og temperatur går krystallstrukturen over til tetragonal form. Ytterligere økning i trykk og temperatur gir en kubisk form på krystallstrukturen. Både den tetragonale og den kubiske krystallstrukturen danner sterke materialer, men ulempen er at krystallstrukturen reverseres til monoklin form ved nedkjøling. Zirkoniumoksid kan tvinges til å bli værende i den tetragonale strukturen i romtemperatur ved tilsetting av små mengder av stabiliserende stoffer, som for eksempel yttriumoksid, ceriumoksid eller magnesiumoksid. Dette materialet brukes i en rekke industrier og som dentalt keram. Ved å øke mengden stabiliserende stoffer kan man oppnå et stabilt materiale i den kubiske strukturen. Dette benyttes som kunstige diamanter i smykker, og som varmeisolator.

Den vanligste stabilisator for dentalt zirkoniumoksid er yttriumoksid (yttria). Materialet kalles da yttria-stabilisert tetragonalt zirkoniumoksid polykrystall (Y-TZP) og er et metastabilt materiale i tetragonal struktur. Det vil si at det er stabilt så lenge det ikke blir utsatt for mye spenning eller høy temperatur. En sprekk som oppstår ved bøyebelastning kan føre til at noen krystaller reverseres til monoklin struktur i spenningsområdet ved sprekkspissen (t-m-transformasjon) (12). Denne t-m-transformasjonen medfører en liten volumøkning i det påvirkede området, noe som kan hemme videre sprekkvekst. Zirkoniumoksid kalles ofte for et sprekkhemmende eller «selv-reparerende» materiale på grunn av denne egenskapen.

Fremstilling

Restaureringer av zirkoniumoksid kan fremstilles på forskjellige måter (Figur 3). Blokker av zirkoniumoksid kan fremstilles av materialprodusent ved hjelp av høyt, jevnt trykk og høy varme (hot isostatic pressing, HIP), for å oppnå høyest mulig tetthet, sintringsgrad (fullsintret) og jevn kornstørrelse. Denne blokken slipes til individuelle dentale restaureringer. Materialet er svært hardt og slipingen er tidkrevende. Det kreves kostbart utstyr samt hyppig utskifting av bor og andre slitasjedeler. Denne fremstillingsmetoden kalles «hard maskinering» (produkteksempler: Denzir, Cad Esthetics; DC Zircon, DCS President).

Et alternativ er å benytte en blokk av zirkoniumoksid som bare er delvis sintret og har en krittaktig struktur. Blokken kan enkelt slipes til ønsket form. Restaureringen må ettersintres etter formgivning. Ferdigsintringen medfører krymping, noe det må tas høyde for ved slipingen. Denne prosessen kalles «myk maskinering» (produkteksempler: LAVA, 3M ESPE; Procera Bridge Zirkonia, Nobel Biocare AB; Vita In-Ceram YZ, Vident). Enkle kroner kan også fremstilles ved kaldpressing av zirkoniumoksidpulver direkte på en forstørret modell, etterfulgt av myk maskinering av den ytre konturen av kronen (produkteksempel: Procera Crown Zirconia, Nobel Biocare AB). Disse restaureringene må også ettersintres etter formgiving. Alle teknikker benytter digitalisert styring av modellfremstilling, design og maskinering (CAD/CAM). Zirkoniumoksid kan også brukes som forsterkende krystaller i andre keramer og i resinbaserte fyllingsmaterialer. Masseproduserte implantatkomponenter kan fremstilles enten ved hard eller myk maskinering i en kontrollert og standardisert prosess.

Klinisk erfaring

Restaureringer med kjerne av zirkoniumoksid burde ha vært overlegne alle andre keramiske restaureringstyper, gitt materialers mekaniske egenskaper slik de fremkommer i laboratorieforsøk (Tabell 1). De få kliniske studier som er tilgengelige, viser at dette ikke er tilfelle (10, 13, 14). Resultatene skiller seg ikke nevneverdig fra andre helkeramiske restaureringer når en måler andel vellykkede restaureringer (15–23, Tabell 2). De problemene som er beskrevet med kliniske zirkoniumoksidbaserte restaureringer, varierer både i omfang og i type blant studiene, slik at det er vanskelig å trekke noen pålitelige konklusjoner. Det kan være flere årsaker til at zirkoniumoksidbaserte restaureringer ikke kan oppvise bedre resultater i kliniske studier. For det første er det ikke publisert særlig mange kliniske studier med zirkoniumoksid-baserte restaureringer eller implantatkomponenter. De studier som finnes til nå har dessuten kort oppfølgingstid, slik at dokumentasjonen er begrenset. Det kan også tenkes at disse første studiene ble gjort av operatørteam som ikke var spesielt øvet i å benytte det nye materialet. Resultatene kan ha blitt påvirket av dette, selv om den kliniske prosedyren er tilsvarende andre helkeramiske restaureringer med kjernekeram.

For det andre er det nesten ingen studier med zirkoniumoksid-baserte enkle kroner. Dette kan tyde på at forskerne har antatt at enkle kroner med kjerne av zirkoniumoksid skal være uproblematisk i klinisk funksjon, til tross for at dette mangler dokumentasjon. Broer har som regel flere komplikasjoner enn kroner, slik at den samlede suksessraten på restaureringer med zirkoniumoksid trolig hadde blitt høyere dersom enkle kroner også hadde blitt vurdert. De fleste tilgjengelige studier er basert på broer med tre til fem ledd og med pilar i hver ende.

For det tredje kan det være materialtekniske aspekter ved dentalt zirkoniumoksid som ennå ikke helt er klarlagt. Dette kan gjelde blant annet bruddstyrke, sprekkvekst, elastisitetsmodul og forhold som har med design og fremstilling av restaureringer å gjøre. Dagens anbefalinger for design og dimensjonering av helkeramiske restaureringer generelt, bygger på prinsipper om å unngå spenningsfokuserende, skarpe vinkler samt krav til dimensjonering og retensjon i forhold til de krefter som er til stede i munnhulen. Disse anbefalinger gjelder også for zirkoniumoksid, men de absolutte minstekrav er ikke klare. De mekaniske egenskapene til zirkoniumoksid skulle tilsi at restaureringene kan tåle både svært tynne vegger og kantavslutning som en knivsegg. Dette er imidlertid ikke dokumentert, verken ved laboratoriestudier eller klinisk, og bør trolig unngås inntil videre.

Bruddstyrke

Effekten av t-m-transformasjon ved spenningspåvirkning er påvist i zirkoniumoksid. Dette har i materialstudier resultert i svært høye bruddstyrkeverdier. Det har imidlertid vist seg at evnen til å stoppe sprekkvekst påvirkes av mange faktorer, og det er usikkert om effekten er til stede i dentale restaureringer. Overdreven tro på materialets fortreffelighet kan ha ført til underdimensjonering av restaureringer og dermed frakturer (Figur 4). En rekke studier gir ulike anbefalinger med hensyn på dimensjonering av bindeledd i broer (24).

Det har også vært vist at mekanisk belastning fra for eksempel sandblåsing, eller sliping uten tilstrekkelig vannkjøling, kan gi høyere bruddstyrke på grunn av økt mengde monokline krystaller i det påvirkede området, noe som gir et komprimert sjikt i regionen (25–27). Det har derfor fra flere hold vært foreslått å sandblåse eller rue opp innsiden av restaureringen før sementering, for å oppnå høyere styrke. Ulempen ved dette er at for stor andel monokline krystaller i zirkoniumoksid kan gi økt sprøhet og fremskyndet aldring (28, 29). I tillegg er det vist at effekten av et eventuelt komprimert ytre sjikt forsvinner over tid eller ved oppvarming (30). Det er uvisst om påbrenning av dekk-keram på zirkoniumoksidkjerner fører til endringer i materialet på sikt. Oppvarming regnes imidlertid som en kilde til fremskyndet aldring for ortopediske keramer, så det er rimelig å anta at dette også gjelder dentale keramer.

Zirkoniumoksid var tidligere ansett som et meget lovende materiale innen ortopedisk kirurgi, men en historie med mange brudd av hofteproteser på kort tid i 2001, førte til skepsis til zirkoniumoksid i dette miljøet (31). Det er siden vist at bruddene i denne perioden stammet fra noen produksjonsserier («batcher») som var sintret i en ovn med feil, uten at dette har forbedret materialets rykte. Hittil er det ikke rapportert om lignende tilfeller med dentalt zirkoniumoksid, men det kan ha flere årsaker. Dentale restaureringer produseres i stor grad hos mindre tannteknikerbedrifter. Blokker fra de forskjellige produksjonsseriene som er sintret hos materialprodusent, fordeles utover et stort marked og over lang tid. Tilbakesporing til enkeltserier blir dermed komplisert og tidkrevende. Enkelte produsenter opererer med sentraliserte produksjonsbaser og vil nok lettere kunne spore tilbake til bestemte produksjonsserier. Det er trolig mer nærliggende for tannteknikere å tenke på andre årsaker enn det rent materialtekniske i de fleste omgjøringskasus (32). Mange faktorer i prosessen kan forårsake feilslag når en krone eller bro produseres (Figur 5).

Sprekkvekst

Materialprodusentene har presentert zirkoniumoksid som svært sterkt og usårbart. Dette kan ha resultert i skjødesløs håndtering fra både tanntekniker og tannleger (33). De forskjellige fremstillingsprosessene gir ferdige produkter med en del ulike egenskaper, selv når sammensetningen i utgangspunktet er svært lik. Materialene laget for hard maskinering har høyere tetthet og sintringsgrad enn materialene fremstilt for myk maskinering som er sintret i to omganger. Ulempen er at den harde maskineringen kan introdusere mikrosprekker i restaureringen, noe som senere kan gi totale frakturer (34). Myk maskinering derimot, er lett og rask, men det kan tenkes at det også her oppstår sprekker som ikke tettes fullstendig i sluttsintringen. Ved begge metodene må det alltid utføres noe sliping for hånd før dekk-keramet brennes utenpå (Figur 6). Dette kan også føre til sprekker dersom slipingen utføres med for stor kraft, slitte bor eller utilstrekkelig vannkjøling. Det er ikke entydig hvilken fremstillingsteknikk som er mest hensiktsmessig for dentale restaureringer. Begge metodene er kommersielt tilgjengelig i Skandinavia, men kliniske studier der de ulike produktene sammenlignes mangler.

Elastisitetsmodul

Keramer er generelt stive og sprø (høy elastisitetsmodul). Det vil si at de tåler liten, eller ingen, deformasjon før brudd, i motsetning til de fleste dentale metallegeringer. Zirkoniumoksid tåler imidlertid større deformasjon enn for eksempel aluminiumdioksid, som er det keramet som kommer nærmest i bruddstyrke. De spesielle egenskapene ved zirkoniumoksid har gjort det vanskelig å utvikle godt tilpassede dekk-keramer med hensyn til elastisitetsmodul, termisk utvidelseskoeffisient og den kjemiske binding mellom kjerne og dekkende keram (Figur 7). Dette kan ha resultert i en del kliniske problemer i de tidligste kombinasjonene. Flere studier rapporterer om problemer med avskalling av dekk-keramet («chipping»).

I større broer kan det oppstå noe deformasjon ved belastning (35–37). Dette kan føre til at deler av dekk-keramet spretter av. Metall-kerambroer og implantatforankrede broer blir spesielt konstruert for stivhet for å unngå dette problemet. Det kan imidlertid tenkes at dette har vært neglisjert når det gjelder zirkoniumoksid, siden dette anses som et svært stivt materiale. Bro-utforming for helkeramiske broer har til nå vært tuftet på erfaringer fra metall-keramiske broer, men det er ikke gitt at dette er hensiktsmessig. Enkelte studier rapporterer imidlertid om få eller ingen problemer med avskalling. Det kan derfor være rimelig å anta at disse problemene kan være knyttet til enkeltprodukter eller det enkelte operatørteam.

Fremtidsutsikter

Dentalt zirkoniumoksid vil trolig øke i popularitet. Langtidsresultater fra flere pågående brostudier vil gi mer informasjon om eventuelle begrensninger. Foreløpig er det ikke funnet noen tilfredsstillende måte å behandle restaureringenes innside for å øke retensjonen for adhesiv sementering, men dette er et tema med stort forskningsfokus.

I ortopedisk medisin jobbes det nå med å teste ut nye materialkombinasjoner med zirkoniumoksid. Disse kan være mer stabile og mindre følsomme for feil i produksjonsprosessen. Enkelte studier indikerer at zirkoniumoksid i kombinasjon med aluminiumdioksid kan gi bedre sprekkhemmende egenskaper enn de zirkoniumoksidmaterialene som til nå har vært brukt (38, 39). Dette kan være interessante materialer også for dentalt bruk. Det gjenstår å se om også andre mekaniske egenskaper ved denne typen keramer er fordelaktige for dentale restaureringer. Det har også vist seg at zirkoniumoksid som stabiliseres med andre oksider enn yttriumoksid, kan være egnet som biokeramer (40). Hittil er disse lite brukt som dentale materialer.