В этой статье мы рассмотрим характеристики циркониевых коронок, используемых для зубных имплантатов, и принципы повышения их прочности, а также изучим эволюцию современных стоматологических материалов.

Из какого материала изготавливают зубные имплантаты?

Когда думаешь об актере Ли Бён-хуне, первое, что приходит на ум, — это его улыбка, обнажающая его белые, здоровые зубы. В фильме «Человек, ставший королем» Ли Бён-хун засовывает кусочек водоросли между передними зубами и притворяется дураком, чтобы рассмешить королеву-консорта, потерявшую улыбку. Хан Хё-джу, играющая королеву-консорта, в конце концов разражается смехом. Однако, если бы у Ли Бён-хуна действительно отсутствовали два передних зуба, Хан Хё-джу, возможно, порекомендовала бы ему операцию по установке зубных имплантатов, а не нашла бы это смешным.
Процедура имплантации зуба обычно включает в себя укрепление недостаточной альвеолярной кости костным трансплантатом, затем установку титанового имплантата в челюстную кость, прикрепление к нему абатмента и, наконец, установку коронки. В данном случае под коронкой понимается внешняя часть зуба, которую мы используем для жевания. Коронки широко используются не только для имплантации зубов, но и для восстановления поврежденных зубов. Итак, что же такое цирконий, и как он стал материалом, по форме и свойствам столь похожим на свойства естественных зубов?

Как увеличилась прочность диоксида циркония?

Цирконий, используемый для коронок зубных имплантатов, в целом относится к категории керамических материалов. В материаловедении материалы классифицируются на металлы, керамику и полимеры. Керамика — это оксиды, карбиды и нитриды, образующиеся при соединении таких элементов, как кремний (Si), алюминий (Al) и цирконий (Zr), с кислородом, углеродом, азотом и другими элементами. Керамические изделия создаются путем придания этим керамическим материалам желаемой формы, а затем их спекания при высоких температурах для обеспечения достаточной прочности.
Когда диоксид циркония был впервые обнаружен, он имел цвет слоновой кости, похожий на цвет зубов, и плотность, сопоставимую с зубной эмалью, что указывало на его потенциал в качестве стоматологического материала. Однако его применение было сильно ограничено из-за очень низкой прочности, которая делала его склонным к разрушению. Поскольку это был материал, который можно было бы использовать в различных областях, если бы только удалось улучшить его прочность, инженеры-материаловеды начали исследования по повышению прочности диоксида циркония.
Прочность материала зависит от расположения его атомов и молекул. Даже для одного и того же вещества кристаллическая структура может меняться в зависимости от таких условий, как температура, давление и добавки в процессе производства. Путем соответствующего контроля этих внешних условий прочность материала может быть значительно улучшена. В материаловедении явление изменения свойств материала путем внесения таких изменений в его кристаллическую структуру называется мартенситным превращением. Применение этого принципа к диоксиду циркония привело к значительному увеличению его прочности, и впоследствии он стал использоваться не только в зубных коронках, но и в различных отраслях промышленности.

Как происходит мартенситное превращение?

Каков механизм, посредством которого мартенситное превращение повышает прочность керамики?
При совместном использовании диоксида циркония и оксида магния (MgO) может образовываться гораздо большее разнообразие кристаллических структур, чем при использовании каждого материала по отдельности. При нагревании диоксида циркония с определенной пропорцией оксида магния до высокой температуры образуется кристаллическая структура, отличающаяся от исходной. Последующее быстрое охлаждение (закалка) создает метастабильное состояние, в котором сохраняется эта кристаллическая структура, нестабильная при комнатной температуре.
Проще говоря, закалка — это процесс быстрого охлаждения. Его можно сравнить с процессом, который использовали кузнецы в прошлом, когда они ковали раскалённое железо, а затем немедленно погружали его в холодную воду для закалки.
Термическая обработка изменяет кристаллическую структуру, значительно улучшая механические свойства материала. В конечном итоге, при изменении расположения молекул изменяются и различные физические свойства, включая прочность, температуру плавления и характеристики теплового расширения. Однако, поскольку условия, необходимые для этих изменений в кристаллической структуре, различаются для каждого материала, необходимы обширные исследования и эксперименты. Если эти исследования будут продолжаться, даже материалы, которые в прошлом имели небольшую практическую ценность, могут возродиться как высокоэффективные материалы с новыми функциями.
В прошлом, когда зубы были повреждены, их часто покрывали золотом или серебром, или использовали зубные протезы. Сегодня, однако, предпочтение отдается материалам, которые практически неотличимы от естественных зубов по внешнему виду, и зубные имплантаты широко используются благодаря своим функциональным преимуществам. Люди хотят иметь здоровую улыбку, которая почти неотличима от их естественных зубов, а не зубы с видимым золотом или серебром. Достижения в материаловедении сделали это возможным, и ожидается, что они будут и дальше стимулировать разработку стоматологических материалов, которые будут выглядеть еще более естественно и долговечнее.