Keramer generelt

Keramer er stive og sprø materialer som består av forbindelser av metall- eller halvmetall-atomer og ikke-metall-atomer, stort sett oksygen (1, 2). Disse atomene danner kjemiske bindinger med hverandre til molekyler, bundet sammen ved elektroniske tiltrekningskrefter (ioniske bindinger), eller ved å dele på elektroner seg imellom (kovalente bindinger). Dette blir til sterke faste stoffer med ulike gitterstrukturer av molekyler som står fastlåst mellom hverandre (figur 1). Dette gjør materialene svært motstandsdyktige mot kompresjon. Derimot er de ikke like motstandsdyktige mot strekkrefter. De tåler normalt 10 - 15 ganger mer kraftbelasting i trykk enn i strekk. De er også motstandsdyktige mot kjemisk påvirkning og er lite utsatt for korrosjon.

Keramer består ofte av en blanding av en sammenbindende glassfase, som har en uryddig, såkalt amorf gitterstruktur og krystaller som har en ryddig, altså krystallinsk struktur. Andre keramer er helt krystallinske, det vil si uten glassfase, slik som zirkoniumdioksidbaserte keramer eller ren aluminiumoksid. Ulike keramer har ulik grad av systematisering av gitterstruktur. En velorganisert krystallinsk gitterstruktur er sterkere og mer stabilt enn en uryddig og mer tilfeldig, amorf gitterstruktur (figur 2). Dentale keramer begunstiges av begge typer gitterstrukturer ettersom begge har spesifikke egenskaper som er nyttige. Materialgruppen dentale keramer kan variere fra materialer med så å si bare amorf struktur helt til materialer med utelukkende krystallinsk struktur.

Klassifisering

Navngivning og klassifisering av dentale keramer er forvirrende og uoversiktlig (3). Inndeling og begreper kan ofte være forskjellig i vitenskapelig litteratur, lærebøker og produktinformasjon. Inndelingen kan følge ulike klassifiseringer, etter innholdsstoffer, fremstillingsmetode, styrke eller bruksområde. Inndeling etter innholdsstoffer er historisk betinget og verken spesielt selvforklarende eller aktuell i dag (figur 3). Inndeling etter hvilken produksjonsmetode de er beregnet for, er også historisk ettersom samtlige keramtyper nå kan fremstilles digitalt ved bruk av dataassistert konstruksjon og produksjonsstyring, DAK/DAP, eller det mer brukte engelske begrepet, CAD/CAM-teknikk (4). Andel krystallstruktur gir en indikasjon på styrke og dermed bruksområde. Inndelingen etter krystallstruktur og bruksområde er dermed den som gjenstår som den mest hensiktsmessige inndelingen for klinisk bruk, noe som fremgår av den internasjonale standarden for dentale keramer, ISO 6872: 2015 Dentistry - Ceramic materials (5). Materialer med hovedsakelig amorf struktur benyttes til høyestetiske yttersjikt og kalles gjerne dekk-keramer. Disse kan i tillegg til å dekke kjernekeram eller metallkjerner i kroner eller broer, også benyttes som fasadematerialer for bonding direkte til tann. Brenn-keramer, feltspatkeramer, porselen og silikatkeramer hører inn under denne materialgruppen. Keramer med hovedsakelig krystallinsk struktur (polykrystalline) benyttes som kjernematerialer til erstatning for metaller og kalles kjernekeramer (alumina og zirkonia). «Oksid-keramer» benyttes også ofte som navn på denne materialgruppen. Dette er imidlertid litt misvisende, da samtlige dentale keramer inneholder oksider i større eller mindre grad. Polykrystalline keramer eller høystyrke-keramer benyttes også hyppig i vitenskapelig litteratur for disse keramene. I tillegg finnes det en del materialer med både amorf og krystallinsk struktur som kan benyttes både som kjernematerialer beregnet for to-lagsrestaureringer og som monolittiske restaureringer, som fremstilles til full-kontur uten yttersjikt. Disse kalles ofte for blandingsfase-keramer, forsterkede keramer eller hybridkeramer. I den videre beskrivelsen vil begrepene dekk-keramer benyttes om keramer som brukes til å dekke kjerner av metall eller keram samt til adhesivretinerte amorfe keramer uten kjernestruktur. For kjernekeramene benyttes navnene polykrystalline og blandingsfase-keramer. Disse keramene har en del ulike egenskaper som indikerer ulik bruk (tabell 1).

Dekk-keramene er svært sprø og skjøre, men kan fullt ut imitere utseende til både human emalje og dentin når det gjelder de estetiske egenskapene som farge, refleksjon, translucens og fluorescens. Kjerne-keramene er sterke og stive, men har til gjengjeld begrensinger i muligheten for å fremstille høy-estetiske restaureringer. Blandingsfase-keramene ligger et sted i mellom de to andre både med hensyn til styrke og estetikk, avhengig av andelen krystallinske partikler i blandingen.

I senere tid har en del materialprodusenter lansert produkter som gjerne kalles resinbaserte keramer, Resin Nano Ceramic, RNC, og som er påstått å være godt egnet til kroner. Disse materialene har en polymerbasert matriks med et høyt innhold av keramiske fyllpartikler (nanopartikler). I styrke skiller de seg lite fra andre komposittmaterialer og må derfor behandles og benyttes som komposittmaterialer. LAVA Ultimate er et slikt eksempel som har vist seg ikke å være egnet som kronematerialer likevel, og produsenten 3M anbefaler nå dette kun til innlegg og midlertidige kroner ifølge produsentens nettside (6).

Dekk-keramer

Dagens dekk-keramer er en videreutvikling av de første odontologiske keramiske restaureringene. De var fremstilt av et materiale, tilsvarende husholdningsporselen, altså som en blanding av feltspat, kvarts og kaolin (leire)(7). Dette er fortsatt hovedinnholdet i de fleste dekk-keramer i dag, men materialet er videreutviklet slik at det ikke inneholder leire. Dekk-keramer er i hovedsak amorfe, men inneholder en del krystallinske partikler som gir farge, opasitet og fluorescens, med dette oppnås lettere rett farge og translusens. De har en bruddstyrke som ligger under normalt tyggetrykk og er dermed ikke sterke nok til å benyttes alene. Dersom det bindes til et fast underlag vil de oppnå mye høyere styrke, ved at disse to enhetene da vil opptre som en enhet. Det dannes en kjemisk binding mellom kjerne- og dekk-keram i 2-lagskroner som mellom metall og dekk-keram i MK-kroner (8, 9). Vi oppnår tilsvarende effekt med adhesiv sementering av fasetter og skallkroner til tannsubstans.

For å få god nok binding mellom keram og adhesivsement må den indre overflaten av restaureringen etses med flussyre. Dette vil skape en overflate som ligner etset emalje, ettersom glassfasen løses opp, og som dermed gir god mikromekanisk retensjon, samt en større overflate for kjemisk binding mellom keram og polymer. For å oppnå maksimal kjemisk binding må keramet forbehandles med silanisering. Silanet bindes kjemisk til hydrofile OH--grupper i overflaten på keramet og vender dermed sin hydrofobe del utover (10). Denne delen bindes kjemisk til den hydrofobe sementen. I tillegg vil silaniseringen senke overflatespenningen, slik at sementen flyter bedre utover overflaten og ned i ujevnheter, og på den måten gir bedre mekanisk retensjon.

Kjernekeramer

Blandingsfase-keramene består av 50 - 70 % krystallinske partikler innbakt i en amorf fase (11). Den amorfe fasen er en type glass, og materialgruppen kalles glasskeram eller infiltrasjonskeram, basert på hvilken framstillingsprosess som benyttes. Glasskeramene lages ved at en glassmasse varmes til høy temperatur, slik at de blir flytende (lav viskositet), nedkjøles til en temperatur som er gunstig for sterk kimdanning (kim er utfellinger av partikler som vil vokse til krystaller). Etter at kimene er dannet i tilstrekkelig mengde, heves temperaturen til den mest gunstige temperatur for krystallvekst. Slik blir det mange, små og finfordelte krystaller i glassmassen. Om en vil oppnå en bestemt styrke eller termisk ekspansjonskoeffisient på glasskeramet, kan en avslutte krystalliseringen på et bestemt tidspunkt og nedkjøle massen til romtemperatur. Massen knuses så til pulver og presses sammen og sintres til blokker eller emner (ingots) for pressforming eller CAD/CAM-teknikk. Sintring er en varmebehandling der en pulverblanding fortettes over tid ved en høy temperatur. Infiltrasjonskeramer formes i et porøst polykrystallinsk materiale av aluminiumoksid, zirkoniumdioksid eller en blanding av disse. Formingen utføres ved CAD/CAM-teknikk, og porene i restaureringen etterfylles med flytene glass (infiltrering).

Det finnes en rekke ulike produkter på markedet. Forskjellene mellom dem ligger i andel krystallinsk fase, type krystaller som benyttes og hvordan de fremstilles. De mest vanlige blandingsfase-keramene i de skandinaviske markedene i dag er glasskeramene IPS e.max® og Vita Suprinity®, og infiltrasjonskeramene InCeram® (12). Ettersom blandingsfase-keramene inneholder en del glassfase, kan også disse etses med flussyre og sementeres med adhesiv sement slik som dekk-keramene. Glasskeramene kan også presses utenpå polykrystalline kjernekeramer, som aluminiumoksid og zirkoniumdioksidbaserte materialer, med «lost-wax» pressformingsteknikk. Bindingen til det krystallinske kjernematerialet kan være svakere enn for dekk-keram til metall. Materialene er imidlertid mye sterkere i seg selv, og restaureringene kan også sementeres med konvensjonelle sementer dersom det er ønskelig.

De polykrystalline keramene består i hovedsak av bare én type krystallpartikler gjennom hele materialet (3, 4, 13, 14). Alumina (ren aluminiumoksid) og zirkoniabaserte materialer (zirkoniumdioksid med tilsetninger av andre oksider som yttriumoksid, magnesiumoksid eller ceriumoksid) er alternativer som brukes i dag. Zirkonia-baserte materialer er sterkere og har mange flere valgmuligheter med hensyn til farge i translucens enn alumina og sistnevnte er i ferd med å fases ut av kommersiell odontologisk bruk (15).

Det er blitt vanlig å benevne metalloksid-baserte materialer med endelsen «-ia» som for eksempel magnesia, yttria, ceria og altså zirkonia. Zirkonia er oksidet av metallet zirkonium, i form av zirkoniumdioksid, ZrO2. Det kan forekomme i tre ulike faser ved ulike temperaturintervaller (figur 4)(13). Ved lave temperaturer, under 1167 °C, er den stabile formen monoklin struktur. Dette ser ut som en skjev kube der to av vinklene er 90 ° og en er forskjellig fra 90 °. I temperaturer mellom 1167 °C og 2367 °C er strukturen tetragonal der alle vinklene i enhetscellen er 90 °, men avstanden mellom to plan er lengre enn de to andre i en kube. Over 2367 °C blir strukturen kubisk der alle vinkler er 90 ° og med lik avstand mellom planene (16).

Ved nedkjøling fra en sintringstemperatur i det tetragonale faseområdet til romtemperatur vil ren zirkonia endre volum ved faseovergangen og sannsynligvis sprekke opp. Ved å tilsette ulike mengder stabiliserende oksider som for eksempel yttrium-oksid vil materialet bli værende i tetragonal tilstand også etter nedkjøling. Dentalt zirkonia er tradisjonelt blitt tilsatt ca. 3 volumprosent yttriumoksid for å kunne forbli stabilt tetragonalt også ved brukstemperatur (13, 17). Tilstanden sies da å være i en metastabil tilstand. Det vil si at den kan endre seg over tid, ved at den tetragonale fasen gradvis omvandles til monoklin struktur. Dette kalles for aldring. Aldringsprosessen vil kunne fremskyndes av fuktighet og energi i form av varme eller fysiske krefter.

I senere tid har man begynt å tilsette større mengder med stabilisator for å øke andelen kubiske krystaller, som vil gjøre materialet mer gjennomskinnelig (translucent) (17). Disse materialene omtales ofte som «anteriort zirkonia» eller «kubisk zirkonia». I tillegg vil kornstørrelse og andre tilsetningsstoffer kunne påvirke farge og gjennomskinn. Endret kornstørrelse oppnås ved å manipulere sintringstid og sintringstemperatur. Det er usikkert i hvilken grad dette vil påvirke aldringsprosessen og klinisk suksess i dentalt bruk, men bruddstyrken blir betydelig redusert i forhold til tradisjonelt zirkonia (tabell 1). Tannfarget og translusent zirkonia kan også benyttes uten et estetisk dekk-keram, i monolittiske restaureringer, også kalt fullkontur zirkonia (18 - 20). Dette gir sterke restaureringer med moderat estetikk, uten stort behov for prepareringsdybder (altså minimalt invasivt) og liten sannsynlighet for avskalling (figur 5). De kan også fremstilles med et tynt sjikt med dekk-keram i synlige partier. Dette gir bra estetikk uten at en behøver å slipe vekk unødvendig mye tannsubstans i ikke-synlige partier som palatinalt og okklusalt

Tradisjonell etsning med flussyre har ingen effekt på alumina og zirkonia ettersom de ikke inneholder glassfase. Det er imidlertid ifølge enkelte studier mulig å oppnå kjemisk binding til zirkonia ved bruk av MPD-holdige resiner (metakryloyloxydekyl-dihydrogenfosfat monomer) som kan binde seg kjemisk til oksygenet på overflaten (21 - 24). Dette krever at keramet er helt rent og at det er sandblåst med lavt trykk og små korn, slik at sementen flyter godt utover overflaten ifølge studiene. Andre studier tyder også på at det er mulig å forbedre bindingen mellom resin-basert sement og zirkonia ved å varm-etse overflaten (Ruyter et al, upubliserte data). Dette er imidlertid et område med stort forskningsfokus for tiden, og vi kan forvente at nye metoder vil kunne gi sterkere og mer varig binding mellom sement og zirkonia i fremtiden.

Framstilling av dentale keramer

Keramiske dentale erstatninger kan fremstilles på mange ulike måter, men digitale teknikker blir stadig mer vanlige for alle typer materialer (25, 26). For å oppnå høy-estetiske og individuelle restaureringer må tannteknikeren fremdeles være en «designkunstner» som legger opp ulike lag med dekk-keram for hånd slik at de imiterer dentin og emalje. Varmpressing av glasskeramer er fortsatt en hyppig brukt metode. Dette gir ensfargede restaureringer som må individualiseres etter behov ved påmaling av farget glasur eller ved å legge på et estetisk yttersjikt for hånd.

Zirkonia og alumina må alltid formes maskinelt. Dette kan gjøres på to måter. Det vanligste er å ta utgangspunkt i et delvis sintret keram som freses ut i en forstørret versjon og så fullsintres etter sliping, «soft machining» ? «myk-maskinering». Dette er raskt og enkelt, men kan gi et materiale med noe ufullstendig sintring (fortetning). Eventuelle sprekker som oppstår under fresingen vil ikke alltid tettes under sluttsintringen (figur 6). Det andre alternativet er å sintre blokker av zirkonia ved svært høyt og jevnt trykk og høy temperatur «hot isostatic pressing» (HIP) ved industrielle metoder. Disse blokkene kan så freses ut til kroner og broer i spesialdesignede maskiner, «hard machining» ? «hard-maskinering». Fresingen er hard og tidkrevende og dermed kostbar, men til gjengjeld er produktet ferdig og klart til bruk etter fresing. Mikrosprekker kan imidlertid introduseres i overflaten og dermed redusere restaureringens levetid (27). Intens forskning pågår for å muliggjøre bruk av additive teknikker for alumina og zirkonia til dentale restaureringer, som for eksempel lasersintring for 3D-printing (28, 29).

Alle momenter ved fremstillingen, fra krystallstruktur, kornstørrelse og fremstillingsmetode er med på å bestemme styrken og kvaliteten på sluttproduktet. Det er store forskjeller mellom de ulike systemene tilgjengelig på markedet i dag (figur 7).

Konklusjon

Det er en rekke ulike keramer tilgjengelig for dentalt bruk. Alle har styrker og svakheter, men ingen produkter kan benyttes til alle formål. Zirkonia finnes i mange ulike kvaliteter. Kunnskap om materialene er viktig for å kunne bruke rett materiale til rett tid og for å håndtere dem rett. Både tannleger og tannteknikere må kontinuerlig holde seg oppdatert for å gi pasientene best mulig behandling.