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牙科陶瓷材料基礎介紹(一)— 陶瓷微結構
Basic Concept of Dental Ceramics - Microstructure

隨著數位牙科的進展,市面上的 CAD/CAM 用瓷塊越來越多,當陶瓷種類的選擇權從技師回到醫師手上時,困擾就開始產生了:有甚麼選項?差別在哪?什麼情況要用哪種?每種瓷塊的成分不同,成分相同的瓷塊各廠商命名也不同,分開記是一定記不完的。

本系列讓我們從牙科陶瓷的基礎結構開始複習起,透過系統性了解牙科陶瓷種類與性質,掌握瓷塊的特性與表現,進而能在臨床中選擇合適的材料。


前言

目前在數位牙科的贋復領域中,絕大部分是以數位切削瓷塊的方式來製作固定假牙。各家廠商推出了相當多不同的瓷塊產品,此時醫師與技師對於材料的了解便顯得相當重要,本文先介紹牙科陶瓷的基本結構,後續系列文章會介紹分類及其他性質表現,以提供臨床選擇參考。


牙科陶瓷的定義

Phillips 牙材課本1上牙科陶瓷 (ceramic) 的定義為:無機且非金屬的固態材料,主要由金屬或半金屬氧化物組成 (Nonmetallic, inorganic structures, primarily containing compounds of oxygen with one or more metallic or semi-metallic elements)。


牙科陶瓷的結構

先來看一下傳統玻璃陶瓷的基本的結構就是由矽酸鹽 (SiO4)4- 組成的四面體,再加上一些金屬的陽離子(常見如 K+, Na+, Al3+ …等)。基本上就是一個不規則的網狀結構,有一些金屬離子被負電荷吸引在結構中。

圖一、玻璃陶瓷的基本結構。 Source: JR Kelly, P Benetti (2011) Ceramic materials in dentistry: historical evolution and current practice. Australian Dental Journal 56:(1 Suppl): 84–96.

 

這種陶瓷的結構排列散亂不規則 (amorphous) ,稱為玻璃態 (glass matrix phase) 陶瓷,由於原子的排列跟吸收波長的關係,這種陶瓷的透光性非常好。另一方面因為排列較散亂,材料內部存在著許多空洞及微裂痕存在,使得陶瓷的強度較弱。(見圖二)

圖二、長石類陶瓷(玻璃陶瓷)微結構 — Vita 公司的 Mark II 瓷塊。 Source: Belli R., Wendler M., de Ligny D., and Cicconi M.R., et al. (2017) Chairside CAD/CAM materials. Part 1: Measurement of elastic constants and microstructural characterization. Dental Materials. 33(1):84-98.

 

相對來說,結晶態 (crystal phase) 陶瓷的原子排列則是相當規則,光學性質較不透光,而結晶顆粒排列緊密,其物理性質較玻璃陶瓷強很多。大家所熟知的氧化鋯及氧化鋁陶瓷就是屬於這種多晶陶瓷 (polycrystalline ceramics)。(見圖三)

圖三、氧化鋯(多晶陶瓷)微結構 — Ivoclar 公司的 e.max ZirCAD 瓷塊。 Source: Belli R., Wendler M., de Ligny D., and Cicconi M.R., et al. (2017) Chairside CAD/CAM materials. Part 1: Measurement of elastic constants and microstructural characterization. Dental Materials. 33(1):84-98.

 

而在牙科陶瓷的發展歷程中,一開始出現的是玻璃陶瓷 (glass ceramics) ,後來為增加強度就在玻璃陶瓷裡面增加一些結晶顆粒 (particle-filled glasses) ,之後則是發展出全結晶態的多晶陶瓷 (polycrystalline ceramics) (見圖四)。

近年來則因為數位牙科對於切割瓷塊的性質需求,也有一些新的材料出現,如:含有樹脂的複合型陶瓷 (resin/ceramic hybrid) 。之後陸續會有討論陶瓷分類與瓷塊的文章跟大家介紹。

圖四、不同種類陶瓷材料的微結構。 Source: JR Kelly, P Benetti (2011) Ceramic materials in dentistry: historical evolution and current practice. Australian Dental Journal 56:(1 Suppl): 84–96.

結論

陶瓷的微結構跟光學性質與物理性質(強度、切割時的邊緣耗損 (chipping) 程度及齒質磨耗程度)有高度相關,在瞭解瓷塊時可以先看看它的微結構是屬於哪類,下表是一個最粗略的性質比較。

排列 光學性質 物理強度
玻璃態
(glass matrix phase, noncrystalline)
不規則 較透光 較差
結晶態
(crystal phase, crystalline)
規則 較不透 較佳
表一、陶瓷的結構與性質關係簡易歸納。

Reference

1. Anusavice K.J., Shen C., Rawls H.R. (2013) Phillips’ science of dental materials. 12nd ed. St. Louis, Mo: Elsevier/Saunders. Ch18: Dental ceramics.
2. JR Kelly, P Benetti (2011) Ceramic materials in dentistry: historical evolution and current practice. Australian Dental Journal 56:(1 Suppl): 84–96.
3.Belli R., Wendler M., de Ligny D., and Cicconi M.R., et al. (2017) Chairside CAD/CAM materials. Part 1: Measurement of elastic constants and microstructural characterization. Dental Materials. 33(1):84-98
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