氧化鋯牙材染色技術

 

刊登日期:2019/2/5
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陶瓷的呈色與摻雜元素相關,透過溶解於陶瓷基體中的元素離子、細微顆粒或晶體,對光線特定波長之選擇性吸收,所表現出的視覺效果,因此可以藉由離子的選擇,使陶瓷體呈現出不同的顏色;且其光學性質也與微結構高度相關,如透光度、透明度和色澤等。為建立牙冠/牙橋產品相關研發製造之技術基礎,除針對氧化鋯進行染色,還需要對牙材摻雜材料、製程、微結構特性與染色系統進行匹配研究。此技術基礎在未來能夠進行延伸,建立氧化鋯染色系統資料庫與色劑地圖,不只提供國內牙材供應商的材料自主能力,還能擴大技術應用至各種染色的氧化鋯產品,如人造寶石、陶瓷刀具、耐磨錶殼、手機保護殼等。
 
本文將從以下大綱,從氧化鋯牙材染色技術的產業需求及匹配技術開始介紹,最後說明工研院於氧化鋯牙材染色現階段的研究。
‧氧化鋯牙材染色技術產業需求
 1.「五加二計畫」驅動下世代產業
 2. 陶瓷牙材逐漸替代傳統假牙
 3. 氧化鋯基底冠需染色以接近天然牙色
 4. 藉由製程技術研發開啟國內牙材自主供應鏈之契機
‧氧化鋯牙材染色系統匹配技術
‧工研院於氧化鋯牙材染色之初步可行性研究成果
 1. 氧化鋯齒盤製程技術
 2. 後著色(外染色)可行性
 3. 預著色(內混色)可行性
 4. 關鍵問題與後續工作規劃
 5. 目前工研院進行中之研究
 
【內文精選】
氧化鋯牙材染色技術產業需求
3. 氧化鋯基底冠需染色以接近天然牙色
氧化鋯(Zirconia)全瓷冠系統是現在最熱門的產品。二氧化鋯最大的特點在於承受壓力時,如果產生裂痕,四方晶系會轉變成單斜晶系,轉變過程中,會產生3~5%的體積膨脹,而膨脹的體積正好可以阻擋裂痕的繼續延伸(Crack Propagation),這種過程稱為「轉變韌化」(Transformation Toughening)。正因為具有這種特性,使其強度高於其他全瓷牙冠的材料。此外,氧化鋯生物相容性佳,跟鈦(Titanium)金屬相比,更不容易沾附細菌,抗腐蝕性佳。而且X光片呈現不透光性(Radiopacity),有助於辨別再發性齲齒。然而氧化鋯的缺點在於透明度相當低,因此之前只適用於口內美觀要求不高的區域,例如後牙部分。
 
目前在數位牙科的贗復領域中,絕大部分是以數位切削(電腦輔助設計與製造(CAD/CAM))瓷塊或瓷盤的方式來製作假牙。目前CAD/CAM技術趨勢中,逐漸朝向預著色的瓷塊發展,此種方式中,使用預著色的瓷塊直接進行切削,燒結後即為成品(圖二)。若有特殊需求,也可經過外染或上釉過程再進行彈性調整。
 
圖二、預著色後加工成型再進行燒結
圖二、預著色後加工成型再進行燒結
 
4. 藉由製程技術研發開啟國內牙材自主供應鏈之契機
全球人口高齡化及口腔健康意識抬頭的驅動下,全球牙科醫材市場將逐年成長。2016年全球牙科醫材市場規模約281億美元,2021年可成長至368億美元,換算2016至2021年的年複合成長率(CAGR)為5.6%,其中又以人工植牙市場的發展最為快速,而配合植牙所需之人工牙冠也為一主力發展產品。目前國外各家廠商推出了相當多不同的瓷塊/瓷盤產品,為了能夠達到貼近天然牙色的需求,有些商用瓷塊出廠時已先進行預著色,也有些會有搭配瓷塊的染色劑供技師或醫師進行彈性的染色需求,此種搭配CAD/CAM之瓷塊與染色相關技術在國外已相當成熟。為提供國內優質且平價化之牙材,國內已有公司投入氧化鋯齒盤製程技術,針對CAD/CAM全瓷瓷塊製造,如長欣生技、光弘生醫科技、棕茂科技等。目前工研院也與長欣生技進行染色匹配技術開發中。工研院與台灣產業於本材料開發之SWOT分析如表一所示。
 
表一、工研院與台灣產業開發氧化鋯牙材之SWOT分析
表一、工研院與台灣產業開發氧化鋯牙材之SWOT分析
 
氧化鋯牙材染色系統匹配技術
在牙材染色技術中,如何在達到美觀、自然透光的情形下同時達成好的機械性質,為此技術最重要的需求。目前常使用的顏色座標,有分別以L*代表亮度(黑0∼白100)、a*(紅+∼綠-)、b*(黃+∼藍-)代表彩度的三度空間CIE Lab Color Space 1976(圖三)。牙醫與牙技師用來匹配假牙色的比色板與中國人的天然牙色度分布範圍如表二所示,經由計算可得出色差ΔE,若ΔE >3.7即為顏色不匹配。
 
國內/外產品之牙冠技術發展趨勢,逐漸由只強調仿自然透光度、染色效果或是強度的單一要求,轉移至對牙色、強度、透明度兼具的綜合需求上。進行牙材染色系統匹配的研究中,不只是單純色度須符合天然牙色的需求,最重要的是還需要維持氧化鋯的機械強度優勢。國外大型醫材廠商皆針對兼具高透度和強度的方向進行研發(圖四),而藉由材料的選擇、製程的優化可以進行陶瓷微結構的控制,以進一步達到染色品質與機械性質的最適化。相關的專利布局,以3M公司為具有最多的專利比例(圖五);Tosoh公司有研發出光穿透度>25%、抗折強度>500 MPa的氧化鋯塊材技術。然而各牙材大廠在專利布局上...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:劉子瑜/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」386期,更多資料請見下方附檔。

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