Utskrift från Malmö högskolas webbplats www.mah.se

Micromechanical retention and chemical bonding to polycrystalline dental ceramics. Studies on aluminium oxide and zirconium dioxide

Contact person: Evaggelia Papia
Responsible: Per Vult von Steyern
Co-workers: Ann Wennerberg
Funding: Malmö högskola/ Malmö University
Timeframe: 2010-02-01 -- 2014-05-09
Faculty/Department: Faculty of Odontology
Subject: Odontologi

Densely sintered aluminium oxide (alumina) and yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals (Y-TZP) are often described as oxide ceramics or high strength ceramics, containing no glass phase. Compared to conventional ceramic systems such as feldsphatic porcelain or glass ceramics, alumina and Y-TZP have superior mechanical properties, ensuring a broad application in dentistry. Especially Y-TZP is known for its high fracture toughness and fracture strength and the clinical use of this material is increasing. 

Full-coverage oxide ceramic restorations and fixed dental prostheses (FDPs) may not require adhesive cementation due to their intrinsic strength. However, a durable resin bond to a ceramic is necessary in some clinical situations, such as compromised retention, short abutment teeth or resin-bonded FDPs. The reliability of long-term bonding of oxide ceramics A prerequisite for a reliable bond to the cementation surface of oxide ceramics is determined by micromechanical and chemical retention between the adhesive cement system and the ceramic reconstruction.

Micromechanical retention is determined by the structure of the cementation surface of the restoration. Depending on the manufacturing technique, the cementation surface will differ in surface roughness, thus influencing the bond strength. In order to increase surface roughness and the bond strength of alumina or zirconia cementation surface, machining of the surface or airborne particle abrasion is used. With these methods the bond strength to oxide ceramics will increase, but the applied roughening process might introduce micro-cracks into the ceramic and result in unintended process-related flaws, cracks or grain pull-outs and subsequently phase transformation which will affect and reduce the strength of the ceramic.

Regarding the chemical retention, different cement systems and methods of surface treatment have been proposed for adhesive cementation of oxide ceramics in an attempt to attain optimal and durable bonding to the ceramic reconstruction. Still, the literature indicates that establishing a strong and reliable bond between oxide ceramics, in particular Y-TZP, and a bonding component is difficult and unpredictable.

Successful long-term bond strength of oxide ceramics to adhesive cement systems could result in wider applications for oxide based ceramic reconstructions, especially those relying heavily on bonding, for example veneers and resin-bonded fixed dental prostheses. By utilizing adhesive cementation it would also be possible to decrease the need for excessive tooth preparation, thus preserving tooth substance.

The overall aim of this thesis was to evaluate and develop techniques for modifying the surface of oxide ceramics that enable durable bonding between the restorations and adhesive cement systems. Additionally, the thesis inventories existing methods for achieving a bondable surface on oxide ceramics and how these methods affect the materials.

Specific aims

• Evaluate whether sufficient and durable shear bond strength (>20 MPa) can be established between various adhesive cement systems and densely sintered aluminum oxide (as-produced or sandblasted).

• Describe a method for producing a bondable Y-TZP surface using impaction modification with two different mediums: glass granules and polymer granules.

• Investigate and describe the surface structures of surfacemodified Y-TZP produced using modified-additive technique and compare them to an unmodified Y-TZP surface.

• Investigate and describe the chemical surface composition of surface-modified Y-TZP produced using modified-additive technique and compare them to an unmodified Y-TZP surface.

• Evaluate the shear bond strength (>20 MPa) between various adhesive cement systems and both unmodified and surface modified Y-TZP.

This research project could contribute to the development of bondable alumina and Y-TZP based reconstructions.

Beskrivning på svenska

För att ersätta förlorade tänder pågår en ständig utveckling av olika dentala material. En materialgrupp som det läggs stort fokus på är keramiska material, mer specifikt oxidkeramer så som yttriumoxidstabiliserad tetragonal polykristallin zirkoniumdioxid (Y-TZP). Förutom att utveckla ersättningsmaterial har en av de större utmaningarna varit att få ersättningen att sitta fast i munnen på befintliga tänder.

Traditionellt har man cementerat fast ersättningar genom att skapa en geometrisk form som kan låsa fast dem genom att skapa en mekanisk retention, och med hjälp av ”cement” hålla kvar ersättningen. Att skapa den geometriska formen har dock har inneburit att patienten har förlorat en hel del tandsubstans. Det har också inneburit att behandlingen endast har varit lämplig för de patienter som har haft tillräckligt mycket tandsubstans. I kliniska situationer där den mekaniska retentionen är otillräcklig kan det emellertid vara nödvändigt att använda sig av adhesiv cementeringsteknik där en kemisk bindning kan uppnås.

Y-TZP är känt för sina fördelaktiga mekaniska egenskaper, så som hög brottseghet och brotthållfasthet, men den kliniska användningen är begränsad till traditionell cementeringsteknik. Detta beror bland annat på den ytstruktur som skapas genom CAD/CAM-teknologin vid framställningsprocessen och materialets kemiska sammansättning. En förutsättning för en tillförlitlig bindning mellan tandersättning, cement och befintlig tand är makro-/mikromekanisk retention och cement som möjliggör att en kemisk bindning kan uppnås. Det senare har visat sig vara svårt och oförutsägbart att uppnå och olika tekniker för ytmodifiering har föreslagits för att skapa en cementeringsyta på Y-TZP-baserade ersättningar, som gör den adhesiva tekniken möjlig.

Mitt forskningsprogram handlar om att utveckla och utvärdera en ny teknik för hur man modifierar ytan på oxid keramer och skapar förutsättning för adhesiv bindning. Forskningsresultaten kommer att bidra till utvecklingen av oxidkeramiska ersättningsmaterial och möjliggöra användningen av adhesiv cementeringsteknik.

Publikationer:
1) Papia E, Vult von Steyern P. Bond strength between different bonding systems and densely sintered alumina with sandblasted surfaces or as produced. Swed Dent J 2008; 32: 35–45.
2) Papia E, Zethraeus J, Ransbäck PÅ, Wennerberg A, Vult von Steyern P. Impaction
modified densely sintered yttria-stabilized tetragonal zirconium dioxide: methodology,
surface structure, and bond strength. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2012;
100(3):677-84.

3) Papia E, Larsson C, Du Toit Madeleine, Vult von Steyern P. Bonding between oxide based ceramics and adhesive cement systems: A systematic review. J Biomed Mater Res Part B Appl Biomater 2014; 102: 395-413.

4) Papia E, Jimbo R, Chrcanovic BR, Andersson M, Vult von Steyern P. Surface structure and mechanical properties of impaction-modified Y-TZP. Dent Mater 2014; 30(8): 808-816.

Senast uppdaterad av Magnus Jando