Effekten av lågtemperatursdegradering på Y-TZP som framställts med två olika processtekniker.

Transkript

1 Effekten av lågtemperatursdegradering på Y-TZP som framställts med två olika processtekniker. Ricardo Sakihama TT K6 VT 2009 Odontologiska fakulteten Malmö Högskolan Enheten för Dental teknologi Handledare: Evaggelia Papia, MScDT/tandtekniker 0

2 Sammanfattning Inledning Det finns ett flertal fabrikanter som är inriktade på framställning av yttria-stabiliserad tetragonal polykristallin zirkoniumdioxid (Y-TZP), som är en oxidkeram som används inom dentalbranschen. Vid framställning av Y-TZP används huvudsakligen två pressningstekniker, kall isostatisk pressning (CIP) eller het isostatisk pressning (HIP). Det finns dock få materialstudier som jämför egenskaperna hos Y-TZP som framställts genom de två teknikerna och hur artificiellt åldrande påverkar de mekaniska egenskaperna. Syfte Syftet med denna studie är att undersöka Y-TZP som framställts med CIP- respektive HIPtekniken och ta reda på om den erhållna densiteten av respektive metod är en faktor som påverkar materialens LTD och dess böjhållfasthet. Material och metod I studien framställdes totalt 16 stycken provkroppar, 8 provkroppar av Kavo ZS-Blanks, 8 provkroppar av Kavo ZH-Blanks. Efter framställning av provkropparna och sintring av den ena materialgruppen, mättes densiteten. Därefter delades de 8 provkroppar från respektive materialgrupp in i 2 grupper (n=4). Grupperna LTD-ZS och LTD-ZH utsattes för temperatur och tryck (121 C/ 1,2 bar) under 8 timmar. Kontrollgrupperna, K-ZS och K-ZH förvarades i ett värmeskåp (36,5 C) under denna tid. För att fastställa böjhållfastheten hos provkropparna i respektive grupp utfördes ett ¼ 4- punkts böjhållfasthetstest enlig ISO/DIS 14704, med viss modifiering. Frakturmönstret av samtliga provkroppar kontrollerades visuellt. Den statistiska metoden som användes för att jämföra inom och mellan materialgrupperna var Student t-test och one-way Anova. Signifikansnivån var α=0,05. Resultat Student t-test visade att det fanns en statistisk signifikant skillnad mellan de två materialgrupperna, där Kavo-ZH visade högre densitet (p=0,043) än Kavo-ZS. Vidare visade resultaten att det fanns en statistisk signifikant skillnad i böjhållfasthet mellan de båda kontrollgrupperna, K-ZS(734,48 MPa) och K-ZH (1100,94) (p=0,026). K-ZS hade högre böjhållfasthet än LTD-ZS (794,27 MPa). Denna skillnad var dock inte statistisk signifikant. Mellan grupperna, K-ZS och LTD-ZH (1099,59 MPa) fanns det en statistisk signifikant skillnad där LTD-ZH (MPa) hade högre böjhållfasthet(p=0,027). Det fanns ingen skillnad mellan grupperna K-ZH och LTD-ZH. Slutsats Utifrån de begränsningar som finns i föreliggande studie fanns det en skillnad mellan YTZP som framställts med CIP- respektive HIP-tekniken beträffande densitet samt böjhållfasthet, där Y-TZP som framställts med HIP-tekniken hade högre densitet och uppvisade högre böjhållfasthetsvärden, med eller utan articifiellt åldrande. Lågtemperatursdegraderingen påverkade de båda materialgrupperna, en höjning i böjhållfasthet för det försintrade materialet och en sänkning för det fullsintrade materialet, jämfört med respektive kontrollgrupp. 1

3 Innehållsförteckning Inledning... 3 Frågeställning...4 Syfte...4 Hypotes...4 Material och metod... 5 Material...5 Framställning av provkroppar...5 Beräkning av densitet...6 Gruppindelning...7 LTD...7 Böjhållfasthetstest...7 Analys av brottytorna...8 Statistik...8 Resultat... 9 Diskussion Slutsats Slutord Referenslista

4 Inledning Estetik är en av många faktorer som får allt större betydelse i dagens samhälle. De estetiska kraven för metallfria protetiska ersättningar har därför fått teknologin att utveckla nya material och nya framställningsmetoder. Ett av dessa material är yttria-stabiliserad tetragonal polykristallin zirkoniumdioxid (Y-TZP), en oxidkeram med goda biologiska, mekaniska och estetiska egenskaper som idag används inom odontologin [1,2,3,4]. Alla patienterna är inte villiga att ha metall i sina ersättningar, även om Mk-legeringar har goda mekaniska egenskaper vilket har betydelse för hållfastheten och hållbarheten på de protetiska ersättningarna. Detta kan bero på olika aspekter, så som materialets biokompatibilitet och begränsad estetik. Tandteknikern och tandläkaren måste ha kunskapen om materialens egenskaper och dess handhavande. Uppdatering av kunskap om nya materials egenskaper och framställningsteknik är väsentligt för att kunna hantera materialet på ett lämpligt sätt och nå optimala resultat [4,5] upptäcktes zirkoniumdioxid (ZrO 2 ) av den tyske kemisten Martin Heinrich Klaproth [11]. Sedan dess har utvecklingen av materialet lett till framställning av Y-TZP. Zirkoniumdioxid förekommer i tre kristallfaser, beroende av temperatur. Vid rumstemperatur upp till 1170 C är det monoklin struktur som sedan omvandlas till tetragonal struktur, upptill 2370 C. Höjs temperaturen ytterligare, får man en kubisk struktur [6,7]. Vid nedkylning (950 C- rumstemperatur) sker transformation, från tetragonal till monoklin struktur, vilken ger en volymökning på 1% - 4,5% som leder till sprickor i materialet[7]. Tillsättning av en stabilisator som till exempel 3mol % Yttriumoxid (Y 2 O 3 ) bevarar den tetragonala strukturen vid rumstemperatur. Detta bidrar till att yttria-stabiliserad tetragonal polykristallin zirkoniumdioxid (3Y-TZP) blir metastabilt, vilket innebär att om det utvecklas spänning i keramen, kan en fasomvandling från tetragonal till monoklin struktur ske. Detta medför en volymökning (ca. 3 %), som i sin tur leder till kompressioner istället för drag/skjuvspänningar i materialet och därmed bromsas spricktillväxten [6,8, 9]. Y-TZP har som alla material sina för- och nackdelar. Exempel på några fördelar är dess böjhållfasthet ( MPa) och fasomvandlingen som hämmar sprickpropageringen. Fasomvandlingen kan även resultera till en nackdel där man istället får en degradering i material. Detta innebär t.ex. att vid olika ytbearbetningar så som slipning och sandblästring skapas spänningar som orsakar fasomvandling och höjer böjhållfastheten. Denna förändring på ytan av materialet lämnar det i ett mottagligt tillstånd för åldrande, så kallad lågtemperaturs degradering (LTD) [7]. Effekten av lågtemperaturs degradering (LTD) av Y-TZP observerades första gången av Kobayashi et al 1985 [3,10]. LTD innebär att det sker en fasomvandling (från tetragonal till monoklin struktur) på grund av fuktig miljö, temperatur (150 till 400 C) och belastning[3]. Denna fasomvandling följs av volymökning av kornen som orsakar spänningar i kringliggande korn på ytan. Tillväxten av spänning i olika områden orsakar kraftiga mikrosprickor som leder till att kornen lossnar, som i sin tur orsakar ytdefekter och mickrosprickor in mot bulkmaterialet [3,6,7,11]. Det finns ett antal studier där man har testat LTD på Y-TZP [6, 8,12, 13,14,15]. En del studier visar att LTD ökar vid längre tid och olika temperaturer ( C) [6,12]. I en av studierna, analyserades Y-TZP där man fann att LTD i samband med vatten gav en viss förlust av 3

5 yttriumoxid, då det bildades både zirkoniumhydroxider eller yttriumhydroxider. Detta kan vara en potentiell anledning till fasomvandlingen (från tetragonal till monoklin struktur) på grund av att det inte fanns tillräckligt med yttriumoxid för att stabilisera materialet [6,16]. Idag finns det ett antal fabrikanter av Y-TZP som har sina produkter på marknaden. Dessa använder sig av två olika pressningsmetoder i framställningen, kall isostatisk pressning (CIP) eller het isostatisk pressning (HIP). Det finns även pressmetoder i framställningen där man använder sig av uniaxial pressning [7,17]. CIP, är en teknik som användes i pulverteknologi[18] för att utforma materialet (Y-TZP) i önskad form. Det finns två tekniker inom CIP: wet- och dry-bag. Wet-bag, processen består av följande steg: Pulver läggs i och sluts i en flexibel form. Formen består av ett polymermaterial, t ex kautschuk eller polyuretan som sänks ner i en behållare fylld med vätska (t ex vatten eller hydraulisk olja och glycerin) som trycksätts. Trycket kommer att påverka formen från alla riktningar vilken gör att pulvret som finns i formen, blir jämt pressad, det vill säga isostatisk pressat. Dry-bag, processen innebär att man inte sänker ner formen i vätska som Wet-bag utan inbyggda kanaler i behållaren kommer att pumpa in vätska som trycksätts och i sin tur påverkar en flexibel form till att forma pulvret så som önskat [18]. HIP, denna teknik är en analog av CIP. Man använder sig av tre viktiga element: temperatur, tryck och tid för att uppnå sina mål[20]. Apparaturen består av en hög-temperartursugn som innestängs av en autoklav som kyler ner ugnen. Upphettning av materialet (pulvret) kräver värmetåliga element, som t ex kan bestå av molybden eller grafit och som skapar en jämn värmezon i ugnen som uppnår en temperatur upptill ca 2000 C [18]. Processen består av att hälla pulvret i en stålbehållare som utsätts för hög värme under vakuum för att ta bort fuktighet och luft ur materialet. Materialet utsätts, under denna tid, för trycket av en inert gas som argon eller helium [21,18]. Föreliggande studies frågeställningar; Är egenskaperna likvärdiga för Y-TZP som framställts genom HIP respektive CIP tekniken? Finns det ett samband mellan vilken pressteknik som har används och påverkan av LTD? Syfte Syftet med denna studie var att undersöka Y-TZP som framställts med CIP-tekniken respektive HIP-tekniken och ta reda på om den erhållna densiteten av respektive metod är en faktor som påverkar materialens LTD och dess böjhållfasthet. Hypotes Y-TZP som har framställs med HIP-teknik kommer att visa högre densitet och högre böjhållfasthet med eller utan artificiellt åldrande (LTD) än material som har framställs genom CIP-teknik. 4

6 Material och Metod Material Materialen som användes i denna studie var Y-TZP i de två varianter som levereras av fabrikanten, KaVo Everest (KaVo Everest, Biberach, Tyskland), försintrat (ZS-Blanks, KaVo Everest, Biberach, Tyskland) respektive fullsintrat (ZH-Blanks KaVo Everest, Biberach, Tyskland). De materialegenskaper och sammansättning som gäller för ZS-Blank respektive ZH-Blank redovisas i tabell 1 och är baserade på fabrikantens produktinformation (23). Tabell 1. Tabell 1. Sammanställning av materialens sammansättning och materialegenskaper ZS-Blanks ZH-Blanks Sammansättning ZrO 2 / Y 2 O 3 /Al 2 O 3 ZrO 2 / Y 2 O 3 /Al 2 O 3 Sammansättning i procent (90-94%)/ (3-6 %)/ (<0,5 %) Anges inte av fabrikant Densitet 6,05 ±0,02 Anges inte av fabrikant Böjhållfasthet 1155 MPa >1200 MPa Korn storlek 0,35 µm Anges inte av fabrikant Framställning av provkroppar I denna studie framställdes totalt 16 stycken provkroppar, 8 st provkroppar av ZS-Blanks, (ZS-Blanks, LOT (B42/20) KaVo Everest, Biberach, Tyskland) och 8 st. provkroppar av ZH-Blanks, (ZH-Blanks, LOT 3879B33/16) KaVo Everest, Biberach, Tyskland). Utifrån ett försintrat block av ZS-Blanks (blockets mått före kapning; L:42 x B:20x H:20 mm) framställdes 8 st. provkroppar med dimensionerna (L: 36±0,55 x B: 4,8± 0x H: 3,6± 0,1mm), genom att kapa blocket med en låghastighetsåg (med hastigheten 7, motsvarar 210 rpm), (IsoMet, Low Speed Saw, Buehler LTD, Lake Bluff, USA). Kapningen gjordes med hjälp av en klinga, 300µm i tjocklek (Beuhler.Isomet, 100 x 0.3mm, Series 15 LC, No , Diamond Wafering Blade, USA). All kapning skedde under vattenkylning och hänsyn hade tagits till krympningsfaktorn (19,92%). Figur 1a. En avfasning av kanterna på samtliga provkroppar gjordes, under vattenkylning för att följa rekommendationen för böjhållfasthetstest enligt ISO/DIS 14704[17]. För avfasningen av provkropparna användes sandpapper med olika kornstorlek (Buehler SiC-Sandpapper, Grit P. 320) och (Buehler SiC- Sandpapper, Grit P. 600). Därefter utfördes sintring av de försintrade materialet i en sintringsugn (Everest Therm 4180, KaVo Everest, Biberach. Tyskland), enlig fabrikantens anvisningar. Den slutgiltiga dimensionen på provkropparna efter sintringen var (L: 30±0,74 x B: 4±0,12 x H: 3±0 mm). Dimensionerna av respektive provkropp kontrollerades med ett digitalt skjutmått (DCA150 Velleman, China) före och efter sintring. För materialgruppen ZH-Blanks (blockets mått före kapning; L: 33x B: 16 x H: 15 mm) framställdes 8 st. provkropparna på samma sätt (med hastighet 10, motsvara 300 rpm), men det togs ingen hänsyn till krympningsfaktorn, då den var ca.0 %. De slutliga måtten för dessa provkroppar var (L: 30±0,1 x B:4±0,18 x H: 3±0,33 mm). Precis som de försintrade provkropparna, gjordes det en avfasning av kanterna, under vattenkylning, på samtliga fullsintrade provkroppar. Figur 1b. 5

7 Avverkat material på ömse sidor: L: 2,7mm, B: 4,76 mm och H:2,07 mm Kapad storlek före sintring: L: 36±0,55 x B: 4,8± 0x H: 3,6± 0,1mm (krympningsfaktor: 19,92%) Slutliga måtten, efter sintring: L: 30±0,74 x B: 4±0,12 x H: 3±0 mm Material: ZS-Blanks KaVo Everest Figur 1a. Kapningsschema för ZS-Blanks KaVo Everest. Antal provkroppar 8 stycken Avverkat material på ömse sidor: L:1,2mm, B: 1,85 mm och H:0,75 mm Kapad storlek och slutliga måtten: L: 30±0,1 x B:4±0,18 x H: 3±0,33 mm Material: ZH-Blanks KaVo Everest Figur 1b. Kapningsschema för ZH-Blanks KaVo Everest. Antal provkroppar 8 stycken. Beräkning av densitet Efter framställning av provkropparna och den slutliga dimensionen uppnåtts mättes densiteten. För att analysera materialens densitet används följande ekvation: ρ = m/v = kg/cm³ där: ρ = densitet; m = massa och V = volym För att mäta materialens massa (m) används en digital våg (Mettler Toledo, PB602-L Precision Balance, Switzerland) och materialens volym (V) beräknades med hjälp av följande formel L x B x H = mm³, där måtten på provkropparna mättes. Medelvärdet av densiteten för respektive materialgrupp räknades ut. 6

8 Gruppindelning Respektive materialgrupp delades in i 2 stycken undergrupper där varje grupp innehöll 4 stycken provkroppar. Provkropparna valdes slumpmässigt ut till respektive grupp. Gruppindelningen kan ses i figur 2. Figur 2. Gruppindelning av provkropparna LTD För att utsätta provkropparna för artificiellt åldrande placerades provkropparna i en autoklav (Getinge, Autoklav 2406 EC-1, Skärhamn, Sweden). Grupperna LTD-ZS och LTD-ZH utsattes för följande temperatur och tyck: 121 C/ 1,2 bars under 60 min, enligt förprogrammerat autoklavprogram. Cykeln (autoklavprogrammet, 60min) upprepades tills 8 timmar uppnåddes. Kontrollgrupperna, K-ZS och K-ZH förvarades i ett värmeskåp (36,5 C) under denna tid, (Memmert, Model SFE 800, Schwabach, Tyskland). Böjhållfasthetstest För att fastställa böjhållfastheten hos provkropparna i respektive grupp utfördes ett ¼ 4- punkts böjhållfasthetstest enlig ISO/DIS [22], med viss modifiering. Figur 3. En universal testmaskin, Instron, modell 4465 (Instron Ltd, High Wycombe, Bucks, England) användes till testet. ISO/DIS Modifierade mått Figur 3. Schematisk bild över skillnaden mellan ISO/DIS och modifierade mått för ¼- 4punktstest. 7

9 Diametern på valsarna var 4,5mm och längden var 12mm där provkropparna placerades enligt figur 3. Böjhållfasthetstestet utfördes med en belastningshastighet på 0,5 mm/min och tiden från påbörjat belastning till total fraktur var sekunder. Resultaten registrerades i en spännings/töjningsgraf (Philip PM 8010, Eindhoven, Nederländerna). För att beräkna materialens böjhållfasthet används följande formel: σ f = 3Fa bd 2 där: σ f = böjhållfasthet (MPa) F = brottlast (N) a = längdavstånd mellan de övre och nedre valsarna L/4 (5mm) b = provkroppens bredd (mm) d = provkroppens höjd (mm) Analys av brottytorna Frakturmönstret av samtliga provkroppar kontrollerades visuellt. Statistik Den statistiska metoden som användes för att jämföra inom och mellan materialgrupperna var Student t-test och one-way Anova. Signifikansnivån var α=0,05. 8

10 Resultat Densitet Resultaten av densiteten på samtliga provkroppar och medelvärde för Kavo-ZS och Kavo-ZH redovisas i tabell 2. Student t-test visade att det fanns en statistisk signifikant skillnad mellan de två materialgrupperna, där Kavo-ZH visade högre densitet (p=0,043). Tabell 2. Resultat på densiteten för samtliga provkroppar tillhörandes grupperna Kavo-ZS och Kavo-ZH Grupp Kavo-ZS Total massa (g) Total volym (cm³) Densitet Grupp Kavo-ZH Total volym(cm³) Total massa(g) Densitet 1 1,87 0,33 5,66 1 0,40 2,32 5,80 2 1,93 0,34 5,67 2 0,41 2,35 5,73 3 1,82 0,32 5,68 3 0,41 2,32 5,66 4 1,92 0,34 5,64 4 0,35 2,02 5,77 5 2,01 0,35 5,74 5 0,44 2,56 5,81 6 1,90 0,33 5,75 6 0,41 2,33 5,68 7 1,88 0,33 5,69 7 0,43 2,51 5,84 8 1,86 0,33 5,63 8 0,45 2,56 5,68 Medelvärde (±SD) 5,68(±0,04) Medelvärde (±SD) 5,75(±0,07) ¼ 4- punkts böjhållfasthetstest Resultaten på böjhållfastheten på samtliga provkroppar och medelvärde för Kavo-ZS och Kavo-ZH redovisas i tabell 3. One-way Anova, Tukey test visade att det fanns en statistisk signifikant skillnad i böjhållfasthet mellan grupperna K-ZS och K-ZH (p=0,026) och grupperna K-ZS och LTD-ZH (p=0,027). Tabell 3. Resultat på samliga provkroppars böjhållfasthet i respektive grupp inklusive medelvärde och standardavvikelse. Grupp MPa provkropp 1 MPa provkropp 2 MPa provkropp 3 MPa provkropp 4 MPa Medelvärde (±SD) K-ZS 744,16 Y 823,75 619,58 750,42 734,48 (±84,69) K-ZH 1077, , ,75 794, ,94 (±247,62) LTD-ZS 816,25 786,67 807,50 766,67 794,27 (±22,19) LTD-ZH 1052,50 937, , , ,59 (±166,21) 9

11 Analys av brottytorna Frakturmönstret av respektive provkropp, delades in i två olika typer, enligt ISO-standardens indelning (ISO/DIS 14704). Figur 4 och Tabell 4. Tabell 4. Indelning av frakturmönster för respektive provkropp från varje grupp Frakturtyp Ax By Grupp K-ZS 4 K-ZH 4 LTD-ZS 2 2 LTD-ZH 4 Figur 4: Indelning av olika frakturmönster enlig ISO/DIS

12 Diskussion Det finns ett flertal studier som beskriver de olika pressteknikerna; CIP och HIP [7,19, 20,21,28,31], men det är svårt att finna studier som jämför de båda teknikerna och deras slutprodukt. Syftet med denna studie var att undersöka Y-TZP som framställts med CIP-tekniken respektive HIP-tekniken och jämföra densiteten på respektive material. Till likaså, reda ut om densiteten av respektive metod är en faktor som påverkar materialens LTD och dess böjhållfasthet. Maca et al 2005, påvisades det att man med CIP- tekniken kan uppnå en hög densitet, vilket är baserat på kornstorleken under pressningsprocessen. Det visade sig att två grupper av Y-TZP pulver med olika kornstorlek, den ena gruppen bestod av 9,5nm korn och den andra gruppen med 8nm korn, jämfördes och resultatet var likvärdigt för de två grupperna. Den uppnådda densiteten var ca 99 % efter sintringen [28]. I en annan studie konstaterade man att genom att tillämpa HIP-tekniken kunde man på ett presintrat material uppnå en densitet högre än 99 % [12]. Resultaten i föreliggande studie på densiteten av de två materialgrupperna, Kavo-ZS och Kavo-ZH, visade ingen stor skillnad mellan Kavo-ZS (5,68) och Kavo-ZH (5,75). Skillnaden var dock statistisk signifikant (p=0,043) där Kavo-ZH hade högre densitet än Kavo-ZS och ligger i linje med tidigare studiers resultat. Hypotesen kan bekräftas, att HIP ger högre densitet än CIP. Det finns studier som påvisar att olika ytbearbetningar på Y-TZP påverkar dess hållfasthet. Dessa ytbearbetningar, så som slipning och sandblästring, kan ske under framställningsprocessen av rekonstruktioner på tandtekniska laboratorier [6]. Guazatto et al 2005, fann i sin studie att slipning och sandblästring påverkar hållfastheten på fullsintrat Y-TZP som framställts genom HIP-tekniken. Man fann att hållfastheten höjdes efter ytbearbetningarna. Anledningen till denna höjning är att under ytbearbetningar aktiveras fasomvandlingen från tetragonal till monoklin fas vilket förstärker materialet genom härdningsmekanismen. I samma studie fann man vidare att vid värmbehandling vid 900 C sänktes hållfastheten på provkropparna som hade ytbearbetats. Anledningen till denna sänkning var en omvänd fasomvanling (m t fas) där värmen utlöser spänningskoncentrationen [29]. Kosmac et al 2000, visar liknande resultat, dock var deras studie baserad på uniaxialt pressat Y-TZP [30]. Ytbearbetning av Y-TZP, som det har nämnts ovan, lämnar materialet i ett tillstånd där det påverkas av åldrande och är mer mottagligt för LTD. Studier som har gjort på LTD och dess påverkan på Y-TZP har konstaterat att det blir en kraftig degradation av hållfastheten hos Y- TZP på grund av den hydrotermala spänningen, orsakad av värme, vatten och tid [3]. Chevalier et al 1999, förklarar att anledningen till den fasomvandling som sker (t m fas) vid LTD beror på att det bildas yttriumhydroxid vid kontakt med vatten som leder till en förlust av yttriumoxid som stabiliserar materialet [16,26]. En vidare undersökning av Papanagiotou et al 2006, redovisar att efter olika ytbearbetningar på försintrat Y-TZP i kombination med LTDprocessen påvisades inga stora förändringar i hållfasthet. Det visade sig dock att efter LTD- 11

13 processen ökade mängden (t m fas) vilket kan relateras till kombinationen av ökad tid och temperatur. Vidare fann man att vid LTD, reduceras mängden yttriumoxid i materialet och degraderingen ökar [6]. Ardlin 2002, rapporterade i en studie på fullsintrat (HIP) Y-TZP, att material med hög hållfasthet, inte påverkas av LTD. Det relaterades till att hållfastheten är en faktor som beror på tillverkningsprocessen och den kemiska sammansättningen av materialet [12,27,32]. Muñoz et al 2003, studie konstaterade att kornstorleken på Y-TZP är en avgörande faktor som förbättrar motståndet för LTD. Man testade provkroppar med en hög densitet (94,5% av den totala densiteten) och med en kornstorlek på mindre än 0,6 µm och dess motstånd för LTD. Studien visar att det fanns ett visst motstånd för LTD hos materialet över en längre tid, upptill 2000 timmar. I samma studie, testades provkroppar med full densitet (100% av den totala densiteten) och med en kornstorlek på 0,36 µm vilket visade ännu högre motstånd för LTD [12]. Det finns en mängd faktorer som är avgörande för hållfasthet på Y-TZP. I föreliggande studie har det gjorts en begränsning av ovan nämnda faktorer där hållfastheten har testats före och efter att materialen utsatts för LTD. I allmänhet testar man keramer genom 3- eller 4- punkts böjhållfasthetstest för att bestämma deras hållfasthet. Vid ett 4- punkts böjhållfasthetstest sker belastningen i en större area av det testade materialet och sannolikheten att belasta området där defekten är mest ogynnsamt placerad är större än vid ett 3- punkts böjhållfasthetstest. Belastningsfördelning vid 3- punkts böjhållfasthetstest koncentreras i en liten area av provkroppen, och sannolikheten att belasta den största defekten i materialen minskar [18,24]. Inom 4- punkts böjhållfasthetstest finns det två varianter: ⅓- och ¼- test. Skillnader mellan de två varianterna är att i ⅓- test ligger en tredjedel av provkroppens längd mellan de inre och yttre valsarna på vardera sidan. Vid ett ¼- test gäller det samma fast fördelat på en fjärdedel mellan de inre och yttre valsarna. Detta innebär att en större volym belastas vid ett ¼-test än vid ⅓-test. Figur 4 [18]. 3-punktstest 4-punktstest Figur 4. Belastningsområde av 3-punkts-, ⅓- och ¼-4- punkts böjhållfasthetstest. En annan aspekt av 4- punkts böjhållfasthet är att den inte kan reproducera de dynamiska belastningar som uppstår i munhålan på grund av provkropparnas symmetriska form. Därför är det svårt att närma sig vekligheten och jämföra in-vitro studier med in-vivo studier [25]. 12

14 Enligt ISO/DIS krävs det minst 10 provkroppar för att kunna bestämma ett medelvärde på böjhållfastheten [23], för att få en rimlig precision i böjhållfasthetstesten. Det låga antal av provkroppar i denna studie uppvisar ett resultat som man bör beakta med försiktighet. Resultaten visade att det fanns en statistisk signifikant skillnad i böjhållfasthet mellan de båda kontrollgrupperna, K-ZS och K-ZH (p=0,026). K-ZS gruppens låga hållfasthetsvärden kan påverkas av olika faktorer, så som defekter som redan finns i ett försintrat material [18,33]. Under framställningen av provkropparna uppstod vissa svårigheter som kan vara möjliga felkällor som kan ha påverkat studiens resultat. En av dessa svårigheter var provkropparnas variation i storlek. Detta beror på att man inte kunde utföra en kontrollerad kapning av blocken till önskad storlek av provkropparna. Anledningen till detta var att kalibrieringen av inställningarna på kapmaskinen förflyttades på grund av vibrationer när kapningen skedde och klingan som användes var skev. Provkropparna från K-ZS krympte mer i längd än den beräknade krympningsfaktorn (19,92%), upp till 0,74 mm kortare av den önskade längden (30mm) på provkropparna. Denna krympning fick kompenseras genom att varje provkropps belastningsvolym räknades ut vid sammanställningen av böjhållfasthetstestet. Böjhållfasthetstestet utfördes efter artificiellt åldrande för att utsätta provkropparna för lågtemperatursdegradering (LTD). Provkropparna autoklaverades i 121 C med 1,2 bars tryck under 8 timmar. Deville et al 2005, rapporterade att efter tre timmars autoklavering (134 /2bar) upptäckte man med hjälp av observationer med svepelektronmikroskop (SEM) en viss föråldringseffekt på materialet. Det visade sig att man fick en fasomvandling från t m fas. Likaså bekräftades det att en ökning av tid i processen förstärker omvandlingen i riktning mot bulkmaterialet [14,15]. Resultaten i föreliggande studie visar en höjning i hållfasthet mellan kontrollgruppen (K-ZS 734,48 MPa) och gruppen LTD-ZS (794,27 MPa). Denna skillnad var dock inte statistisk signifikant. Eftersom LTD är beroende av temperatur, tid och en fuktig miljö, bör det visa en viss fasomvandling på materialets yta och en kraftig degradation av materialets hållfasthet efter längre tid och högre temperatur [6]. Deville et al 2005, menar att det går att upptäcka materialförändringar även efter en kort tid av artificiellt åldrande av Y-TZP, med hjälp av rätt utrusning [15]. Utifrån detta kan man misstänka att den korta autoklaveringstiden som provkropparna utsattes för har påverkat materialet med en fasomvandling som inledningsvis ökar böjhållfatheten men efter en längre tid ger en sänkning av böjhållfastheten. Mellan grupperna, K-ZS och LTD-ZH fanns det en statistisk signifikant skillnad där LTD-ZH (1099,59 MPa) hade högre böjhållfasthet(p=0,027). Det fanns ingen skillnad mellan kontrollgruppen (K-ZH 1100,94 MPa) och LTD-ZH. Den försumbara skillnaden kan bero på att ett material som har framställts med HIP-tekniken är mer homogent och har en stabil struktur vilket inte påverkas vid så låg temperatur och kort tid. Det är svårt att etablera något samband mellan densiteten, och LTD på grund av att testen i föreliggande studie gjordes på få antal provkroppar och under en kort tid. Om man hade utökat tiden och höjt temperaturen vid autoklaveringen hade det troligtvis påverkat resultatet och större skillnader mellan grupperna hade uppmärksammats [15]. 13

15 Utifrån hypotesen att Y-TZP som har framställs med HIP-tekniken respektive CIP-tekniken påverkar materialets böjhållfasthet kan det konstateras, trots det låga antalet provkroppar, att det finns ett samband mellan de olika pressteknikerna och deras böjhållfasthet. Frakturtyperna delades in i två grupper enligt ISO-standard, typ Ax och By. Av samtliga provkroppar var det 87,5% (14 st) som visade frakturtyp Ax och 12,5% av typ By (2 st). Enlig ISO-standard ska de inre och yttre valsarna vara rörliga för att kunna rulla och på så sätt avlägsna eventuell friktion som kan uppstå vid testet [22]. Testanordningen (valsarna) i denna studie satt fast när böjhållfasthetstesten utfördes. Valsarna var inte rörliga för att avlägsna friktionen. Detta kan förklara varför 14 st provkroppar frakturerade i anslutning till eller direkt under den ena belastningsvalsen. En annan anledning kan vara att provkropparna inte var helt plana eller parallella på belastningsytorna. Detta kan bland annat bero på den skeva klingan. Frakturtypen Ax är dock typisk för 4-punksböjhållfasthetstest [18]. 14

16 Slutsats Utifrån de begränsningar som finns i föreliggande studie kan följande slutsatser dras; Det fanns en skillnad mellan YTZP som framställts genom CIP- respektive HIPtekniken beträffande densitet samt böjhållfasthet där Y-TZP som framställts genom HIP-tekniken hade högre densitet och uppvisade högre böjhållfasthetsvärden, med eller utan articifiellt åldrande. Lågtemperatursdegraderingen påverkade materialgruppen Kavo-ZS (försintrade) med en höjning av böjhållfastheten efter LTD. Det blev ingen förändring för Kavo-ZH (fullsintrade). 15

17 Slutord Stort tack för allt stöd. Evaggelia Papia, Universitetsadjunkt, Odontologiska fakulteten, Enheten för Dentala Teknologi, Håkan Fransson, Ingenjör, Avdelningen för Odontologisk Teknologi. Victor Zalazar, Servicetekniker, Serviceenheten. Personal på Avdelningen för Oral Patologi 16

18 Referenslista 1. Hjerppe J, Vallittu PK, Fröberg K, Lassila L.V. Effect of sintering time on biaxial strength of zirconium dioxide. Dent Mater. 2009; 25(2): Covacci V, Bruzzese N, Maccauro G, Andreassi C, Ricci GA, Piconi C, Marmo E, Burger W, Cittadini A. In vitro evaluation of the mutagenic and carcinogenic power of high purity zirconia ceramic. Biomaterials. 1999; 20(4): Kelly JR, Denry I. Stabilized zirconia as a structural ceramic: an overview. Dent Mater. 2008; 24(3): Wagner W. C. and Chu T. M. Biaxial flexural strength and indentation fracture toughness of three new dental core ceramics. The Journal of Prosthetic Dentistry. 1996; 76(2): Per Vult von Steyern. Helkeramiska broar: studier av aluminiumoxid- och zirkoniumdioxidbaserade keramiska system. Tandläkartidningen 2005; 97(15): Papanagiotou HP, Morgano SM, Giordano RA, Pober R. In vitro evaluation of lowtemperature aging effects and finishing procedures on the flexural strength and structural stability of Y-TZP dental ceramics. J Prosthet Dent. 2006; 96(3): Denry I, Kelly JR. State of the art of zirconia for dental applications. Dent Mater. 2008; 24(3): Chevalier J. What future for zirconia as a biomaterial? Biomaterials. 2006; 27(4): Kenneth J. Anusavice, Phillips' Science of Dental Materials. 11: e upplaga, USA, Sato T. and Shimada M. Control of the tetragonal-to-monoclinic phase transformation of yttria partially stabilized zirconia in hot water. 1985; 20 (11): Piconi C, Maccauro G. Zirconia as ceramic biomaterial. Biomaterials. 1999; 20: Muñoz-Saldaña J, Balmori-Ramírez H, D. Jaramillo-Vigueras, Iga T, Schneider G.A. Mechanical properties and low-temperature aging of tetragonal zirconia polycrystals processed by hot isostatic pressing. J. Mater. Res Oct; 18(10): Swab J. J. Low temperature degradation of Y-TZP materials. Journal of Materials Science. 1991; 26: Deville S, Chevalier J, Gremillard L. Influence of surface finish and residual stresses on the ageing sensitivity of biomedical grade zirconia. Biomaterials. 2006; 27(10):

19 15. Deville S, Gremillard L, Chevalier J, Fantozzi G. A critical comparison of methods for the determination of the aging sensitivity in biomedical grade yttria-stabilized zirconia. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2005; 72(2): Xin Guo, Jiaqing He. Hydrothermal degradation of cubic zirconia. Acta Materialia. 2003; 51(17): Fracture resistance of different Zirconia three-unit posterior all-ceramic Fixed Partial Dentures. Aus der Universitätsklinik für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Abteilung Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik. 18. Richerson DW. Modern Ceramic engineering. Properties, Processing and Use in Design. 3: e upplaga. USA, Reiterer M, Kraft T, Janosovits U, Riedel H. Finite element simulation of cold isostatic pressing and sintering of SiC components. Journal of the American Ceramic Society. 2006; 89(10): Kim J.Y, Okamoto S, Uchida N, Uematsu K. Hot isostatic pressing of Y-TZP powder compacts. Journal of Materials Science : Bocanegra-Bernal M.H. Review Hot Isostatic Pressing (HIP) technology and its applications to metals and ceramics. Journal of Materials Science : Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) Test method for flexural strength of monolithic ceramics at room temperature. ISO/DIS International Organization for standardization.geneva. 23. Kavo Everest. 1 EC safety data sheet in accordance with Directive 2001/58/EC. 24. Carlström E. Keramguiden. Svenska Keraminstitutet, Göteborg Sundh A, Molin M, Sjögren G. Fracture resistance of yttrium oxide partially-stabilized zirconia all-ceramic bridges after veneering and mechanical fatigue testing. Dent Mater. 2005; 21(5): Chevalier J, Cales B, Drouin JM. Low-temperature aging of Y-TZP ceramics. J Am Ceram Soc 1999; 82: Ardlin B.I. Transformation-toughened zirconia for dental inlays, crowns and bridges: chemical stability and effect of low-temperature aging on flexural strength and surface structure. Dent Mater 2002; 18: Maca K, Trunec M.and Dobsak P. Bulk Zirconia Nanoceramics Prepared by Cold Isostatic Pressning abd Pressureless Sintering. Rev.Adv.Mater.Sci. 2005; (10):

20 29. Guazzato M, Quach L, Albakry M, Swain MV. Influence of surface and heat treatments on the flexural strength of Y-TZP dental ceramic. J Dent. 2005; 33(1): Kosmac T, Oblak C, Jevnikar P, Funduk N, Marion L. Strength and reliability of surface treated Y-TZP dental ceramics.j Biomed Mater Res. 2000; 53 (4): Akimov G. Ya, Timchenko V.M, Vasil'ev A.D, Chaika É.V. and Samelyuk A.V. Effect of CIP on the strength of ceramics produced from ZrO mol. % Y 2 O 3 powder. Refractories and Industrial Ceramics. 1999; 40 (9-10): Grant KL, Rawlings RD, Sweeney R. Effect of HIPping, stress and surface finish on the environmental degradation of Y-TZP ceramics. J Mater Sci Mater Med. 2001; 12(6): C. -T. Li. A simplified method for capturing primary fracture surfaces for fractographic analysis. Journal of Materials Science Letters. 1990; (9)