Zirconia-Based Ceramics

Zirconia hay zirconium dioxide ($ZrO_2$) là một oxit tinh thể màu trắng của kim loại zirconium có độ dẫn nhiệt cực thấp, bằng khoảng 20% so với alumin ($Al_2O_3$). Zirconia trơ về mặt hóa học và chống ăn mòn cao, đồng thời thể hiện các đặc tính cơ và điện độc đáo khiến vật liệu này trở nên cực kỳ hữu ích trong các ứng dụng như chất cách nhiệt, cảm biến oxy và pin nhiên liệu.

Việc sử dụng zirconia đầu tiên cho mục đích y tế được thực hiện vào năm 1969 trong chỉnh hình như một vật liệu mới cho chỏm xương đùi để thay thế toàn bộ khớp háng. Zirconia đã được sử dụng trong nha khoa làm mão răng và cầu răng từ năm 2004 nhờ sự phát triển của hệ thống CAD-CAM.

Lưu ý: Zirconia nha khoa không nên nhầm lẫn với zirconia cubic hoặc zircon. Zircon là một loại đá quý tự nhiên trên nền silicat zirconium ($ZrSiO_4$), và zirconia cubic là một dạng tinh thể lập phương của zirconia. Cả zircon và zirconia cubic đều được sử dụng làm chất mô phỏng kim cương (đá nhân tạo).

Bột $ZrO_2$ nguyên chất có cấu trúc tinh thể monoclinic (đơn tà) ở nhiệt độ phòng và chuyển thành tetragonal (tứ giác) trong khoảng từ 1167 đến 2367°C, và sau đó là zirconia cubic (lập phương) ở nhiệt độ trên 2367°C. Sự chuyển đổi từ pha tetragonal sang pha monoclinic khi làm nguội dẫn đến sự gia tăng thể tích từ 3% đến 5% (Hình 10-13), tạo ra các vết nứt nhỏ trong các mẫu zirconia, làm giảm sức mạnh và độ bền dẻo.

Trong điều kiện này, zirconia nguyên chất sẽ không thể ứng dụng cho phục hình. Tuy nhiên, việc bổ sung một số oxit kim loại vào zirconia đã được tìm thấy để giữ cho pha tetragonal không chuyển thành pha monoclinic khi zirconia nguội về nhiệt độ phòng, ngăn chặn sự phát triển của các vết nứt nhỏ và bảo toàn các tính chất cơ học. Quá trình này được gọi là doping (pha tạp). Các loại oxit bao gồm magie (MgO), vôi (CaO), yttria ($Y_2O_3$) và ceria ($Ce_2O_3$). Zirconia pha oxit được gọi là Zirconia ổn định (Stabilized Zirconia).

Stabilized Zirconia (Zirconia ổn định)

Chất ổn định phổ biến nhất cho các ứng dụng nha khoa là Yttria ($Y_2O_3$) với lượng từ 3 đến 5 mol%. Ở nồng độ đó, zirconia pha oxit được gọi là zirconia ổn định một phần (PSZ) hoặc zirconia đa tinh thể tetragonal (TZP), tùy thuộc vào cấu trúc vi mô.

PSZ bao gồm các hạt tetragonal metastable (bán bền) có kích thước nano đã kết tủa trong ma trận pha lập phương. Các tinh thể này cho phép thiêu kết để tạo thành một cấu trúc có mật độ cao được gọi là TZP, với mỗi tinh thể đơn lẻ gần như 100% là các tinh thể metastable tetragonal ổn định ở nhiệt độ phòng.

Thông thường, vật liệu được nhận biết bằng số lượng chất ổn định trước chữ viết tắt của chất ổn định, và sau đó là loại cấu trúc vi mô. Do đó 3Y-TZP là đa tinh thể zirconia tetragonal 3 mol% $Y_2O_3$ và 5Y-PSZ có 5 mol% $Y_2O_3$ zirconia ổn định một phần.

Độ cứng chắc cao được phát hiện có tương quan với hàm lượng pha tetragonal cao, trong khi số lượng pha monoclinic cao dẫn đến độ cứng thấp. Độ bền gãy của zirconia monoclinic là 2.1 $MPa \cdot m^{1/2}$, trong khi của 3Y-TZP là khoảng 8 đến 10.3 $MPa \cdot m^{1/2}$. Sự cải thiện này được xác định là do hiện tượng biến đổi tetragonal thành monoclinic (Transformation Toughening).

Transformation Toughening (Cơ chế dẻo bền chuyển pha)

Pha tetragonal được giữ lại ở trạng thái bán bền (metastable) ở nhiệt độ phòng bởi ứng suất bên trong. Khi có một vết nứt bắt đầu lan truyền trong cấu trúc zirconia, năng lượng từ vết nứt sẽ kích hoạt các hạt tetragonal metastable ở ngay đỉnh vết nứt chuyển đổi thành pha monoclinic ổn định.

Trong quá trình chuyển pha này, các tinh thể $ZrO_2$ giãn nở 3% thể tích, do đó ép chặt vết nứt và đặt vết nứt dưới trạng thái ứng suất nén (Hình 10-14). Sự tiến triển của vết nứt bị khóa lại và ngăn cản hoàn toàn. Hiện tượng này làm tăng khả năng chống đứt gãy của phục hình zirconia và được gọi là transformation toughening (dẻo bền chuyển pha). Do cơ chế thông minh này, zirconia ổn định bằng yttria đôi khi được gọi là thép sứ (ceramic steel).

Hình 10-14 & 10-15: Cơ chế dẻo bền chuyển pha. Khi vết nứt xuất hiện, tinh thể tetragonal chuyển thành monoclinic và phình to ra, ép chặt vết nứt lại.

Năng lượng tác động lên bề mặt bằng cách mài (dùng mũi khoan kim cương) cũng kích hoạt sự chuyển đổi pha từ tetragonal sang monoclinic. Tuy nhiên, việc mài quá nhiều bằng các dụng cụ mài thô có thể tạo ra các vết nứt sâu vượt quá khả năng chịu đựng của ứng suất nén cục bộ, làm suy yếu vật liệu.

Zirconia nguyên khối (Monolithic Zirconia)

Một cách tiếp cận để giảm tính nhạy gãy (mẻ sứ) của các phục hình sứ đắp (PFZ) là chỉ sử dụng vật liệu Zirconia nguyên khối để làm toàn bộ phục hình. Mặc dù khả năng chống gãy của mão nguyên khối là đặc biệt cao, nhiều người lo ngại nó sẽ làm mòn răng đối diện. Các nghiên cứu lâm sàng đã xác nhận rằng zirconia nguyên khối được đánh bóng đúng cách không gây ra sự mài mòn quá mức của lớp men đối diện (thậm chí ít mòn hơn so với sứ nướng bóng).

Nhược điểm của zirconia nguyên khối là khó điều chỉnh khớp cắn, khó cắt bỏ mão bị lỗi và đặc biệt là tính chất đục (thiếu trong suốt) của vật liệu.

Để bù đắp sự thiếu trong suốt, các nhà sản xuất đã tăng hàm lượng yttria (tạo ra 4Y-PSZ và 5Y-PSZ). Việc này làm tăng lượng pha Cubic (lập phương) và kích thước hạt lớn hơn, giúp ánh sáng xuyên qua tốt hơn, cải thiện đáng kể tính thẩm mỹ. Tuy nhiên, sự đánh đổi là việc giảm thể tích pha tetragonal dẫn đến cơ chế transformation toughening kém hơn, làm giảm độ bền đứt gãy. Zirconia độ trong cao (High Translucent) có độ bền giảm xuống tương đương với Lithium Disilicate (Emax) và thường chỉ được chỉ định cho mão đơn hoặc cầu răng ngắn phía trước.

Bám dính vào mô (Tương hợp sinh học)

Để thực sự hiểu được khả năng tương thích sinh học của zirconia, cần phải xem xét các mô quanh implant và cách chúng tương tác với vật liệu phục hình.

Nguyên bào sợi vs Tế bào biểu mô

Trong nha khoa, thường có sự nhầm lẫn khi cho rằng Zirconia tốt vì nó giúp các nguyên bào sợi (fibroblasts) bám dính tốt. Thực tế, mô liên kết (chứa nguyên bào sợi) chỉ tiếp xúc trực tiếp với Abutment Titan ở sát mào xương (Hình 18-19a).

Ở phần cổ abutment và phần phục hình Zirconia dưới nướu, tế bào biểu mô (epithelial cells) mới là thành phần tiếp xúc trực tiếp. Hàng rào bảo vệ đầu tiên khỏi vi khuẩn là biểu mô kết nối, không phải nguyên bào sợi (Hình 18-19b và 18-19c).

Bằng chứng mô học từ Giáo sư Eric Rompen cho thấy: Trên bề mặt Zirconia nằm dưới nướu, chỉ có các tế bào biểu mô bám vào, không tìm thấy nguyên bào sợi nào (Hình 18-20). Biểu mô sắp xếp các nguyên bào sợi ở phía dưới, giữ chúng tránh xa bề mặt Zirconia.

Điều này giải thích tại sao zirconia được đánh bóng cực láng lại tạo ra phản ứng tốt với mô quanh implant. Các tế bào biểu mô rất thích bề mặt nhẵn bóng; bề mặt càng mịn, tế bào càng tăng sinh và bám dính tốt. Ngoài ra, năng lượng bề mặt thấp của zirconia ngăn cản sự bám dính của vi khuẩn, dẫn đến mức độ viêm thấp và mô thích ứng tuyệt vời.

Các tế bào biểu mô bám dính vào zirconia thông qua cấu trúc giống như hemidesmosome, nhưng chúng lại bám dính rất kém hoặc không bám với sứ nướng bóng (sứ đắp). Điều này khẳng định một nguyên tắc quan trọng: Không bao giờ được sử dụng sứ đắp (veneer ceramic) cho phần phục hình nằm dưới nướu của Implant. Toàn bộ phần dưới nướu phải là Zirconia nguyên khối được đánh bóng láng.

Sự gắn kết biểu mô cũng giải thích hiện tượng chảy máu đôi khi được quan sát thấy sau khi tháo phục hình Abutment Zirconia (Hình 18-21). Biểu mô bám rất chặt vào Zirconia, đôi khi còn chặt hơn cả sự liên kết giữa biểu mô và mô liên kết bên dưới. Khi tháo phục hình, biểu mô bị xé rách khỏi mô liên kết (vốn rất giàu mạch máu), dẫn đến chảy máu. Điều này là minh chứng rõ ràng nhất cho khả năng tương hợp sinh học tuyệt vời của Zirconia.

Giải thích cho việc bám dính biểu mô

Các kết quả lâm sàng thuận lợi với zirconia có liên quan đến hai yếu tố: khả năng tế bào biểu mô bám chặt vào zirconia được đánh bóng và đặc tính năng lượng bề mặt thấp giúp ngăn ngừa tích tụ mảng bám vi khuẩn.

Các tế bào biểu mô có cấu trúc hemidesmosome tiết ra các protein hoạt động giống như một chất keo (lớp basal lamina) để dán chặt màng tế bào vào bề mặt Zirconia (Hình 18-23).

Một số nghiên cứu quan sát thấy sự phát triển của các tế bào biểu mô và tỷ lệ kết dính cao hơn trên bề mặt nhẵn so với bề mặt nhám. Tế bào biểu mô bám và di chuyển hiệu quả hơn trên bề mặt trơn láng. Điều này hoàn toàn đúng với Zirconia – bề mặt Zirconia càng được đánh bóng mịn, biểu mô càng bám dính tốt hơn, tạo ra một "Seal" (nút chặn) niêm mạc vững chắc bảo vệ Implant khỏi vi khuẩn.

Nguồn tham khảo:

1. Shen, C., Rawls, H. R., Esquivel-Upshaw, J. F., Anusavice, K. J., Phillips, R. W., & Skinner, E. W. (2022). Phillips’ Science of Dental Materials. Elsevier.
2. Linkevičius, T., Puišys, A., Andrijauskas, R., & Ostrowska-Suliborska, B. (2020). Zero Bone Loss Concepts. Quintessence Publishing Co. Inc.