За последние десятилетия в технологии изготовления CAD/CAM зубных протезов достигнута максимальная оптимизация процесса: заготовки из разных материалов при этом отвечают основным лабораторным и эстетическим требованиям, а также биологическим принципам. Высокие прочностные свойства стоматологических CAD/CAM материалов связаны прежде всего с особенностью их микроструктуры. Современные материалы на основе керамики формируются в виде структур с наноразмерными кристаллическими зернами и минимальными межзеренными промежутками.

Считается, что характер структуры, размер зерен, особенности и плотность их упаковки в значительной мере задают механические и прочностные характеристики материалов. На современном стоматологическом приеме врач-стоматолог при протезировании основывает свой выбор материала для CAD/CAM методики chairside на знаниях, полученных из официальных информационных брошюр [1]. Довольно часто бывает, что у разных по химическому составу и структуре материалов абсолютно одинаковые показания: изготовление виниров, вкладок inlay, onlay, overlay, коронок на переднюю и боковую группу зубов, а также ограниченное время на лечение у пациента и детский возраст. В таких случаях выбор материала затрудняется [2].

Нашей задачей было сравнить с помощью метода сканирующей импульсной акустической микроскопии основные показатели упругих свойств и внутренней структуры нового стоматологического CAD/CAM материала из гибридной керамики для технологии chairside с таковыми у его традиционных аналогов из полевошпатной и лейцитной керамик и из акриловых полимеров.

Исследования проведены на образцах, изготовленных из разных материалов для CAD/CAM методики chairside: из гибридной керамики VITA Enamic («VITA Zahnfabrik», Германия); из полевошпатной керамики Mark II («VITA Zahnfabrik», Германия); лейцитной стеклокерамики IPS Empress CAD («Ivoclar Vivadent», Лихтенштейн); полимерного материала Temp Premium («Zirkonzahn», Италия) и полимерного материала Telio CAD («Ivoclar Vivadent», Лихтенштейн). Доступна информация о процентном содержании оксидных соединений в блоках из полевошпатной керамики: SiO₂ — 56—64%; Al₂O₃ — 20—23%; Na₂O — 6—9%; K₂O — 6—8%; CaO — 0,3—0,6%; TiO₂ — 0,0—0,1%. Блоки из лейцитной стеклокерамики содержат SiO₂, Al₂O₃, K₂O, Na₂O, CaO и другие оксиды и пигменты. Блоки из гибридной керамики на 86% состоят из полевошпатной керамики, доля полимерного компонента в материале — 14%. Структура данного материала представляет собой взаимопроникающие керамическую и полимерную решетки. Основу керамического каркаса составляют: SiO₂ — 58—63%; Al₂O₃ — 20—23%; Na₂O — 11%; K₂O₄ — 6%; B₂O₃ — 0,5—2%; CaO ≤1%; TiO₂ ≤1% и др. Полимерные блоки и полимерные заготовки на ≥98% состоят из полиметилметакрилата; около 1% составляют пигменты.

Образцы из материалов выполнены в виде пластин размером 15×5×3 мм с плоскопараллельными сторонами. Образцы поочередно закрепляли на предметном столике, помещали в чашу с дистиллированной водой комнатной температуры и изучали с помощью акустического микроскопа SIAM-2, разработанного в Институте биохимической физики РАН [3, 4]. При зондировании образца ультразвуковыми импульсами падающий импульс проходит через иммерсионную жидкость, отражается от передней поверхности образца, элементов его внутренней структуры и дна. Отраженный сигнал состоит из сигналов, разделенных интервалами, определяемыми временем распространения зондирующего пучка от одного препятствия до другого. Эти временные различия позволяют выбирать сигналы, полученные на разной глубине в объеме образца, и строить на этой основе растровые одномерные (В-сканы) и двухмерные (С-сканы) акустические изображения внутренней микроструктуры. Исследования образцов проводили с помощью акустической линзы с рабочей частотой 100 МГц и угловой апертурой 11°. Анализировали осциллограммы (A-сканы), изображения внутренней структуры образцов, полученные в виде поперечных вертикальных срезов (B-сканов), изображения внутренней структуры заданной толщины на заданной глубине в объеме образца (C-сканы) (рис. 1).

По времени задержки между импульсами, отраженными от верхней и нижней поверхности, были определены локальные скорости продольных и поперечных волн. По осциллограммам определяли временные задержки сигнала, отраженного от задней границы образца и сформированного при прохождении продольных волн через объем материала, и сигнала, сформированного конверсией звуковых мод при прохождении через объем материала. Полученные данные о времени распространения продольных и поперечных волн в совокупности с известной толщиной материала позволили определить скорости распространения продольной C_L и поперечной C_T звуковых волн в материале. Плотность ρ материалов получена методом гидростатического взвешивания на весах KERN Alt 220. С учетом данных о плотности изучаемых материалов, полученных методом гидростатического взвешивания по традиционной методике, рассчитывали локальные значения объемного (К) и сдвигового (G) модулей упругости материала:

G=C²_T·ρ,

K=C²_L·ρ -

G = C²_T·ρ,

где C_L — скорость продольной волны, км/c; С_T — скорость поперечной волны, км/c; ρ — плотность материала, г/см³.

Рассчитывали модуль Юнга (E) и коэффициента Пуассона (µ) [4]:

3¡K+G

9¡K¡G

–1,

где K — объемный модуль упругости, ГПа; G — сдвиговый модуль упругости, ГПа.

На осциллограммах (А-сканах) были определены временные задержки сигналов, обусловленные прохождением продольных волн и конверсией продольных и поперечных волн. Данные о рассчитанных скоростях распространения продольных и поперечных ультразвуковых волн в материалах представлены в табл. 1.

В табл. 2 приведены результаты расчета плотности материалов, в табл. 3 : результаты расчета модулей упругости: объемного, сдвигового, модуля Юнга и коэффициента Пуассона.

Керамические материалы, характеризующиеся высокими по сравнению с остальными исследуемыми материалами значениями сдвигового модуля и модуля всестороннего сжатия, обладают высокой жесткостью (E~70 ГПа), но низкими пластичными свойствами (µ~0,19), что определяет их склонность к хрупкому разрушению. Полимеры имеют наименьшие значения модулей упругости и соответственно подвергаются деформации и разрушению при малых нагрузках. Гибридный материал благодаря своей двойственной внутренней структуре обладает лучшими по сравнению со стеклокерамическими материалами пластичными свойствами, но в 1,5 раза уступает им в прочностных характеристиках.

Полученные данные необходимо учитывать в клинической стоматологической практике при выборе материалов для изготовления зубных коронок с различной толщиной стенок. При тонкостенных постоянных конструкциях зубных протезов следует отдавать предпочтение керамическим и гибридным материалам. Возможно, что высокие показатели деформации под действием функциональных нагрузок полимерных коронок из-за низких показателей их модуля упругости являются причинами частичных и полных расцементировок и «краевой проницаемости» на границах твердых тканей зубов и тонких стенок полимерных протезов.

Изучение внутренней микроструктуры образцов проводилось при одинаково заданных настройках сканирования (усиление ультразвукового сигнала, шага сканирования и т. д.). Растровое построение акустических изображений подразумевает отображение яркости точки на изображении в зависимости от амплитуды отраженного сигнала в той же точке. На рис. 2 представлены акустические изображения внутренней структуры образцов (С-сканы); отображаемая структура образцов располагается на глубине 0,8 мм от поверхности, толщина слоя на изображениях — 50 мкм. Яркие точки соответствуют порам в объеме образцов; больше всего их наблюдается в объеме керамических материалов, размер которых варьирует от нескольких микрон до сотни.

В объеме гибридного материала наблюдается равномерная двухфазная (керамика + полимер) структура — вариации темных и серых участков на изображении соответствуют амплитудам при отражении на границах 2 фаз в объеме материала. Толща полимерных материалов представляет собой однородную структуру (темный фон) с малым содержанием пор и воздушных включений в объеме (светлые точки на изображении).

Таким образом, мы установили, что в объеме заготовок, получаемых методом прессования из керамических материалов, присутствуют поры с размерами, существенно превосходящими размеры как кристаллических зерен, так и пространств между ними, превышая общепринятый размер прецизионности зубных протезов в 50 мкм. Такие дефекты могут создавать пункты ретенции красителей и микроорганизмов, а следовательно, влиять со временем на долговечность реставрации.

Полученные нами результаты свидетельствуют о возможном возникновении сравнительно крупных (до сотни микрон) поверхностных дефектов в керамических коронках, изготовленных по CAD/CAM технологии chairside. Эта технология предусматривает полный отказ от зуботехнической лаборатории в процессе ортопедического лечения, т. е. окончательной обработкой поверхности зубного протеза является только полировка. А механическая полировка не сможет заполировать поверхностный дефект в 100 мкм без существенного изменения формы и размеров самого протеза. По-видимому, в случаях изготовления chairside зубных коронок надо отдавать предпочтение блокам из гибридной керамики, лишенной свойственной керамическим блокам довольно крупной пористости, или следует дополнительно проводить глазурование изготовленного CAD/CAM керамического протеза. Для этих целей предусмотрены и серийно выпускаются специальные безвакуумные муфельные печи для клинической поверхностной цветовой индивидуализации и глазуровки керамических протезов. Такое дооснащение клинического кабинета еще больше удорожает chairside технологию протезирования коронками с применением керамических заготовок в сравнении с использованием блоков из гибридной керамики.

Итак, методом сканирующей импульсной акустической микроскопии были изучены 3 группы стоматологических материалов, используемых для CAD/CAM изготовления коронок у кресла пациента. Получены акустические изображения внутренней структуры материалов, изучены их упругие характеристики. Показано, что материалы, использующиеся для решения одинаковых клинических задач, кардинально различаются по своим упругим характеристикам: применяются материалы от пластичных и мягких полимерных до жестких керамических, склонных к хрупкому разрушению. Исследование внутренней микроструктуры материалов выявило наличие мелкопористой структуры стеклокерамических и полевошпатных образцов с размером пор от нескольких до сотни микрон. В объеме полимерных материалов визуализированы единичные точечные дефекты внутренней структуры. В объеме гибридного материала дефектов не обнаружено. Работа выполнена частично при поддержке гранта РФФИ № 15−02−04994.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.