10.4. Конструкционные материалы

Металлы и сплавы для стоматологии

Стоматологические металлы и сплавы являются важнейшими конструкционными материалами для изготовления зубных протезов, шин, аппаратов и имплантатов в ортопедической стоматологии.

В ортопедической стоматологии для изготовления протезов используют различные металлические сплавы. Чистые металлы для этих целей не применяют, так как по своим свойствам они не соответствуют основным требованиям, предъявляемым к конструкционным материалам: имеют недостаточную прочность, высокую способность к коррозии и др.

Различают физико-механические, химические и технологические свойства металлов и сплавов. Наиболее распространенными понятиями и определениями свойств металлов и сплавов являются:

Прочность - это способность металлов и сплавов без разрушения сопротивляться действию внешних сил, вызывающих деформацию.

Упругость, или эластичность - способность металлов и сплавов восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение его формы (деформацию).

Пластичность - это свойство металлов и сплавов деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения их действия (т.е. пластичность - свойство, обратное упругости).

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных к нему сил.

Деформация может быть упругой и пластической (остаточной). Упругая исчезает после снятия нагрузки. Она не вызывает изменений структуры, объема и свойств металлов и сплавов. Пластическая не устраняется после снятия нагрузки и вызывает изменения структуры, объема, а порой и свойств металлов и сплавов.

Твердость характеризует свойства металла противостоять пластической деформации при проникновении в него другого твердого металла.

Текучесть - это способность расплавленного металла заполнять форму.

Пластическая деформация приводит к изменению физических свойств металла, а именно к:

• повышению электросопротивления;

•  уменьшению плотности;

•  изменению магнитных свойств.

Сплавы металлов - это смесь двух и более различных металлов, при этом образующийся сплав обладает совершенно новыми качествами. При составлении сплавов учитываются требования, предъявляемые к тем или иным деталям зубного протеза.

Различают два вида сплавов: металлические и неметаллические. Металлические сплавы могут состоять либо только из металлов, либо из металлов с содержанием неметаллов. Неметаллические сплавы состоят из неметаллических веществ, например, стекла, фарфора, ситаллов и др.

В ортопедической стоматологии используют следующие сплавы:

•  на основе золота, серебра, палладия;

•  на основе железа, хрома, кобальта, никеля;

•  на основе меди, никеля, титана, алюминия, ниобия, тантала.

Сплавы металлов, применяемые в клинической и ортопедической стоматологии, должны обладать рядом физико-механических свойств, таких как прочность, твердость, легкоплавкость, пластичность, легкость, а также обладать значительной коррозийной стойкостью, химической инертностью и биосовместимостью.

Свойства сплавов

Сплавы, применяемые в ортопедической стоматологии, по определенным свойствам можно разделить на две группы.

К первой группе относятся сплавы, обладающие общемедицинскими свойствами. Они не должны вызывать в полости рта токсического и аллергического действия.

Во вторую группу входят сплавы с определенными технологическими свойствами:

•  высокой антикоррозийной стойкостью;

•  прочностью, твердостью;

•  малой усадкой при литье;

•  невысокой температурой плавления;

•  ковкостью, текучестью при литье;

•  возможностью паяния и сварки;

•  хорошей механической и электролитической обработкой и по лировкой.

Свойства сплавов зависят от свойств компонентов, входящих в их состав, каждый компонент привносит свое качество. Так, в нержавеющей стали хром (17 - 19%) придает сплаву коррозийную стойкость,

никель (8 - 10%) - пластичность, усиливает вязкость, делает его ковким. Для улучшения литейных свойств сплава добавляют титан (около 1%), что придает стали высокие механические свойства. Молибден - мелкокристаллическая структура, усиливающая прочность. Марганец понижает температуру плавления, способствует удалению сернистых соединений и газов.

Технология обработки сплавов

Изготовление любого зубного протеза, ортопедического аппарата - сложный технологический процесс, в ходе которого материал подвергается различным механическим, термическим и химическим воздействиям. В результате этого в материале происходят различные структурные превращения, изменяются физико-химические свойства. Изменяя режим технологического процесса, можно из одного сплава получать изделия с различными свойствами.

Литье - процесс производства фасонных отливок путем заполнения жидким металлом заранее приготовленных форм, в которых металл затвердевает. Процесс литья зубных протезов складывается из нескольких этапов:

1) моделирование из воска конструкций будущего протеза;

2) подготовка восковой модели для формовки;

3) формовка;

4) литье.

Важнейшие литейные свойства - это жидкотекучесть, малая усадка, незначительная ликвация.

Жидкотекучестью сплава называется его способность заполнять форму, точно воспроизводить ее очертания. Усадкой сплава называется уменьшение линейных размеров и объема тела при его охлаждении, затвердевании и хранении. Она зависит от свойства сплава (его состава, степени нагрева, способа охлаждения).

С целью придания протезам лучших декоративных свойств предложены материалы, внешне имитирующие протезы из золотых сплавов. В качестве защитно-декоративного покрытия используют, в основном, нитрид-титановые и титан-циркониевые соединения, напыленные в вакууме на протез из стали или КХС. Несмотря на повышенную износостойкость, индифферентность к биологическим средам, эти материалы не решают одну из главных задач зубного протезирования - восстановление эстетической нормы.

Данная задача может быть почти полностью и достаточно успешно решена, если в одной конструкции протеза соединить эстетичную

пластмассу или керамику с прочными металлическими сплавами. Соединение, например, фарфоровой массы, восстанавливающей в полном объеме эстетические нормы, с металлической основой, заключенной внутри протеза, достигается, главным образом, путем спекания их в вакууме во время обжига фарфора.

Сплавы металлов для изготовления каркасов металлокерамических протезов

В зуботехнических лабораториях мира широко используется более 100 сплавов для металлокерамических и металлоситалловых протезов. Сплавы для изготовления металлокерамических и металлоситалловых зубных протезов разделяют на две основные группы: благородные и неблагородные. Небольшую промежуточную группу составляют полублагородные сплавы с низким содержанием золота. В отдельную группу могут быть выделены сплавы на основе титана. Сплавы на основе благородных металлов, в свою очередь, делят на золотые, золото-палладиевые и серебряно-палладиевые. Они обладают лучшими литейными свойствами и коррозионной стойкостью, однако по прочности, сопротивляемости деформации и теплопроводности уступают сплавам неблагородных металлов.

Сплавы для металлокерамики на основе неблагородных металлов отличаются невысокой стоимостью и лучшими механическими свойствами. Однако температура их плавления на 500 °С выше, чем сплавов на основе благородных металлов. Они обладают низкой теплопроводностью, по своим литейным свойствам хуже благородных и химически более реактивны.

К сплавам для изготовления каркасов для металлокерамики предъявляются следующие требования:

•  температура размягчения сплава должна превышать температуру обжига фарфора;

•  способность сцепления с фарфором;

•  удовлетворительная прочность и литейные свойства;

•  долговечность и стабильность свойств;

•  коррозийная устойчивость;

•  хорошая термическая согласованность с керамическим покрытием, высокие физико-химические свойства; отсутствие токсичности.

К физико-механическим свойствам сплавов относятся прочность, плотность, упругость, пластичность, твердость. Одним из важнейших свойств любого сплава, используемого для приготовления металлоке-

рамических зубных протезов, является его термическое расширение, определяемое температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Эта характеристика сплава определяет его термическую согласованность с керамическим покрытием, при отсутствии которой может произойти разрушение металлокерамики. Необходимое условие высокой прочности адгезии между металлом и керамикой - максимальная близость их к температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР). ТКЛР Ni-Сг- и Со-Cr-сплавов должен быть равен (13,0 - 14,5) X 10^-6 °С ¹ (в интервале температур от 20 до 500 °С).

Палладий - жаропрочный металл, в химическом отношении обладает большой стойкостью. В агрессивных средах на поверхности палладия и его сплавов образуется защитная пленка, предохраняющая его от коррозии. Обладает довольно высокой ковкостью и хорошо поддается прокатыванию. Значительно дешевле золота и в 1,7 раза легче; химически более активен по сравнению с другими металлами платиновой группы. При нагревании в атмосферных условиях в интервале 400-850 °С образуется плотная окисная пленка PdO. Палладий в сплавах повышает механическую прочность. В сплавах системы золото-серебро-медь-палладий увеличивается сопротивляемость к истиранию, он уменьшает ликвацию в литейных сплавах, что делает их более однородными и повышает их коррозионную стойкость.

Золото улучшает литейные качества сплава, снижая температуру плавления, усиливает высокотемпературную коррозию платиновых сплавов.

Серебро увеличивает твердость сплава. Легирование сплавов палладия цинком и медью приводит к возрастанию предела прочности, а с увеличением содержания меди твердость сплава растет.

Полимерные материалы - пластмассы - составляют большую группу материалов, применяемых в ортопедической стоматологии. Из них изготавливают базисы съемных протезов, челюстно-лицевые и ортодонтические аппараты, различные шины, искусственные зубы, покрытия для металлических частей несъемных протезов, коронки, металлополимерные имплантаты и др. Успех лечения во многом зависит от правильного выбора полимерного материала с учетом его взаимодействия с тканями ротовой полости.

Стоматологические полимерные материалы. Классификация и свойства

Полимеры (от poly... + греч. meros - доля, часть) - вещества, молекулы (макромолекулы) которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев.

Полимеры имеют широкое применение в качестве материала для изготовления:

•  базиса съемных протезов;

•  челюстно-лицевых и ортодонтических аппаратов;

•  различных шин;

•  искусственных зубов;

•  покрытия для металлических частей несъемных протезов;

•  коронок;

•  металлополимерных имплантатов. Классификация:

1. По действию нагревания на свойства пластмасс:

•  термопласты (при повышении температуры размягчаются, состав при этом не изменяется);

•  обратные термопласты (при понижении температуры затвердевают, при этом состав не изменяется);

•  реактопласты (термореактивные; необратимые полимеры), их переработка сопровождается химическими реакциями.

2. По составу смеси:

•  однокомпонентные;

•  многокомпонентные;

•  сополимерные (полимеры, содержащие в одной макромолекуле несколько типов мономерных звеньев).

3. По типу полимера:

•  линейные (целлюлоза);

•  разветвленные, имеют структуру, подобную крахмалу и гликогену;

•  пространственные (сшитые), построены в основном как сополимеры;

•  регулярные (целлюлоза);

•  нерегулярные (нуклеиновые кислоты, белки).

4. По типу наполнителя.

5. По эксплуатационным характеристикам.

6. По числу атомов, входящих в молекулу:

•  низкомолекулярные;

•  высокомолекулярные;

•  органические (полиэтилен, полиметилметакрилат, биополимеры);

•  неорганические (силикаты).

7. По химической структуре мономера:

•  гомоцептные, имеющие связи углерод-углерод;

•  гетероцептные, имеющие кроме углеродных связей связи с атомами кислорода, серы, галогенов.

Основными исходными соединениями для получения полимерных стоматологических материалов являются мономеры и олигомеры (моно-, ди-, три- и тетраметакрилаты). Моноакрилаты летучи, поэтому их используют в комбинации с высокомолекулярными эфирами, это позволяет уменьшить усадку полимера (усадка - уменьшение линейных размеров и объема тела при его затвердевании, охлаждении, хранении). Ди-, три-, тетраметакрилаты содержатся в большинстве композитных материалов, а также в базисных пластмассах в качестве сшивагентов. Их подразделяют на отвердители (для полимеров) и вулканизирующие (для каучуков). Для облегчения переработки полимеров и придания им комплекса требуемых физико-механических (прочность на удар, излом, изгиб, растяжение, сжатие и др.; соответствие цвету твердых тканей зубов или слизистой оболочки полости рта; твердость, абразивная стойкость), химических (прочность соединения с искусственными зубами; минимальное содержание остаточного мономера), технологических (простота, удобство и надежность переработки) и других свойств в их состав вводят различные компоненты - наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, сшивагенты, антимикробные агенты, которые хорошо смешиваются в полимере с образованием однородных композиций и обладают стабильностью этих свойств в процессе переработки и эксплуатации полимерного материала.

Наполнители - вещества, придающие изделию прочность, твердость, теплопроводность, стойкость к действию агрессивных сред, липкость и другие физико-механические свойства. Наполнители по происхождению делятся на органические и минеральные, по структуре - на порошкообразные и волокнистые. При наличии химической связи наполнителя и полимера первый называется активным. Если такая связь отсутствует, наполнитель называется инертным. Наилучший эффект достигается при применении активных наполнителей. В качестве наполнителей применяют древесную муку, стекловолокно, порошки различных металлов, минералов и т.д.

Пластификаторы - вещества, придающие материалам пластичность в процессе обработки и обеспечивающие эластичность готового материала. Кроме того, они облегчают смешивание в полимере

сыпучих ингредиентов, регулируют клейкость полимерной композиции, снижают ее вязкость и температуру формирования. В качестве пластификаторов используют дибутилфталат, диоктилфталат, трикрезалфосфат и ряд других низкомолекулярных веществ, способных разрыхлять цепи полимеров.

Стабилизаторы - вещества, тормозящие старение полимеров. Они снижают скорость химических процессов, приводящих к старению пластмасс. Применяются: антиоксиданты, препятствующие окислению; фотостабилизаторы, ингибирующие фотолиз и фотоокисление; антиарды, препятствующие старению под действием излучения и т.д.

Красители применяют для окрашивания материалов, для получения эстетического эффекта и имитации мягких и твердых тканей. Базисные материалы окрашивают под цвет слизистой оболочки. Искусственным зубам придают цвет зубов пациента, экзопротезам - гармонический эффект кожных покровов. Красители должны обладать высокой дисперсностью, отсутствием склонности к миграции на поверхность изделия, нетоксичностью, стойкостью к ротовой жидкости. Для окраски полимеров используют различные органические красители и пигменты.

Сшивагенты - вещества, которые образуют поперечные связи между макромолекулами для повышения прочности полимерных материалов. Сшивагенты используются в некоторых конструкционных и пломбировочных материалах.

Антимикробные агенты - добавки, препятствующие зарождению и размножению микроорганизмов в полимерных материалах. Эти вещества должны быть достаточно эффективными и в чрезвычайно малых концентрациях.

Антиоксиданты - антиокислители, природные или синтетические вещества, способные тормозить или предотвращать процессы, приводящие к старению полимеров.

Основные физико-механические свойства стоматологических сополимеров определяют следующими показателями:

•  прочность на разрыв;

•  относительное удлинение при разрыве;

•  модуль упругости;

•  прочность при прогибе;

•  удельная ударная вязкость.

Важнейшими характеристиками базисного материала являются его пластичность и ударопрочность. В основном эти свойства определяют функциональные качества и долговечность протеза. Одним из основных качеств сополимерных материалов является водопоглощение (набухание), которое может приводить к изменению геометрических форм базисных пластмасс, ухудшать оптические и механические свойства, способствовать инфицированию. Водопоглощение как физическое свойство проявляется при длительном пребывании базисных пластмасс (т.е. базиса протеза) во влажной среде полости рта.

Увеличение ударной прочности и эластичности хрупких сополимеров может быть достигнуто путем их совмещения с эластичными сополимерами. К теплофизическим свойствам сополимерных материалов относятся теплостойкость, тепловое расширение и теплопроводность. Тепловое расширение характеризуется величиной линейного и объемного расширения. Теплопроводность определяет способность материалов передавать тепло и зависит от природы сополимерной матрицы, природы и количества наполнителя (пластификатора).

Классификация полимеров по назначению:

1. Основные, используемые для изготовления съемных и несъемных зубных протезов:

•  базисные (жесткие) полимеры;

•  эластичные полимеры, или эластомеры (в том числе силиконовые, тиоколовые и полиэфирные оттискные массы);

•  полимерные (пластмассовые) искусственные зубы;

•  полимеры для замещения дефектов твердых тканей зубов, т.е. материалы для пломб, штифтовых зубов и вкладок;

•  полимерные материалы для временных несъемных зубных протезов;

•  полимеры облицовочные;

•  полимеры реставрационные (быстротвердеющие).

2. Вспомогательные.

3. Клинические.

К вспомогательным полимерным материалам можно отнести некоторые оттискные массы. Из полимеров выполнены стандартные и индивидуальные ложки для получения оттисков, стандартные и индивидуального изготовления защитные полимерные колпачки и временные коронки для защиты препарированных зубов. Полимеры

входят в состав композитных материалов, некоторых фиксирующих цементов. Многие основные и вспомогательные полимерные материалы следует отнести к группе клинических, поскольку они используются врачом на клиническом приеме. Жесткие базисные полимеры

Указанные материалы применяются для изготовления базисов съемных пластиночных и дуговых (бюгельных) протезов.

В настоящее время в стоматологии в качестве базисных материалов широкое применение получили синтетические пластические массы (пластмассы).

Пластмассы - материалы, основу которых составляют полимеры, находящиеся в период формирования изделий в вязкотекучем или высокоэластичном, а при эксплуатации - в стеклообразном или кристаллическом состоянии.

Применяемые в клинике ортопедической стоматологии базисные пластмассы можно классифицировать по общепринятым (традиционным) признакам:

•  по степени жесткости - пластмассы жесткие (для базисов протезов и их реставрации) и мягкие, или эластичные, которые применяются самостоятельно (боксерские шины) или в качестве мягкой подкладки под жесткий базис;

•  по температурному режиму полимеризации - пластмассы «горячего» и «холодного» отвердения («самотвердеющие», «быстротвердеющие»);

•  по наличию красителей - пластмассы «розовые» и «бесцветные» и др.

В то же время пластмассы как полимерные материалы делят на 2 основные группы:

1) термопластические (термопласты) - при их затвердевании не протекают химические реакции, и материалы не утрачивают способности размягчаться при повторном нагревании, т.е. они обратимы. Несмотря на успешные результаты ряда исследований по применению термопластов в качестве базисных материалов и методов изготовления из них зубных протезов литьем под давлением, этот вид материалов не нашел широкого применения в практике ортопедической стоматологии. По-видимому, технологические сложности в изготовлении протеза, отсутствие надежного соединения базиса из термопласта с искусственными акриловыми зубами тормозили широкое распространение этих материалов в практике;

2) термореактивные (реактопласты), при переработке которых в изделии происходит химическая реакция, приводящая к отвердению, а материал при этом теряет способность размягчаться при повторном нагревании, т.е. она необратима.

В стоматологии несколько десятилетий удерживают первенство базисные материалы на основе производных акриловой и метакриловой кислот. Ведущую роль акриловые материалы заслужили благодаря своим главным свойствам:

•  относительно низкой токсичности;

•  удобству переработки;

•  химической стойкости;

•  механической прочности;

•  эстетическим качествам.

Большинство базисных материалов в настоящее время содержит полиметилметакрилат (ПММА) как основной ингредиент. Совершенствование акриловых базисных материалов ведется по следуюшим направлениям:

•  сополимеризация акрилатов;

•  изменения в режиме переработки полимермономерных акриловых композиций при изготовлении зубных протезов:

•  полный отказ от акрилатов и применение для изготовления базисов литьевых термопластов или других материалов неакриловой природы, например полиуретана.

Акриловые эластичные материалы

Акриловые эластичные материалы могут иметь 2 формы выпуска:

а) комплект порошка и жидкости;

б) эластичные пластины.

Комплекты порошка с жидкостью могут быть высоко- и низкотемпературной полимеризации.

Порошок представляет собой сополимеры акриловых мономеров (метил-, этил-, бутилакрилат; гидрооксиэфиры метакриловой кислоты и др.).

Жидкость для приготовления формовочной массы бывает двух видов:

1) смесь акриловых мономеров или метилметакрилат (может содержать пластификатор - диоктилфталат или другие, а также некоторые органические растворители);

2) смесь акриловых мономеров - жидкость для быстротвердеюших пластмасс.

Жидкость некоторых эластических материалов содержит вещества, регулирующие рост полимерной цепи. При полимеризации в этом случае образуется полимер меньшей молекулярной массы. Снижение молекулярной массы повышает эластичность материала.

Эластичные пластины для базиса поставляются в виде бесцветных или окрашенных в розовый цвет пластинок 100 X 65 X 1 мм для верхней челюсти и 100 X 65 X 2 мм для нижней челюсти. Оптимальной эластичности материал достигает в полости рта при 37 °С.

Существенным недостатком некоторых акриловых материалов можно считать их относительно быстрое старение, проявляющееся в потере эластичности.

SR-Ивозил - эластичная масса, выпускаемая фирмой «Ивоклар» (Лихтенштейн), представлена комплектом порошка с универсальной и специальной жидкостью на базе метакрилата.

Поливинилхлоридные материалы

Поливинилхлоридные материалы выпускаются двух типов:

а) комплект порошка и жидкости;

б) гель в виде тонкой лепешки, ламинированной полиэтиленовой пленкой.

Материалы обоих типов представляют собой сополимеры винилхлорида с другими мономерами. В качестве сополимеров могут использоваться акрилаты, винилацетат и др. Эластичность достигается за счет внешней пластификации.

Отечественный материал Эладент-100 представляет собой комплект порошка и жидкости и обладает хорошей эластичностью.