Универсальный медицинский титан и его назначение в стоматологии

Современная стоматология представляет собой одну из сфер, обеспечивающих запрос на поиск и изучение свойств новых материалов для изготовления инструментов и конструкций (штифтов, имплантатов, коронок и протезов на имплантатах), работающих в одной из наиболее агрессивных сред, к которым относится ротовая полость человека.

К наиболее перспективным составам, обеспечивающим необходимую прочность при одновременной стойкости к действию коррозии, специалисты относят титан и сплавы на его основе.

Статья посвящена описанию специфики использования, выбора метода и материалов для получения титановых сплавов с заданными характеристиками, используемых для изготовления стоматологических конструкций и инструментов.

Преимущественные характеристики материала

Сложность получения титана из руды способом литья состоит в высокой температуре плавления этого элемента в состоянии без примесей и склонность материала к вступлению в реакции с кислородом и формовочной смесью.

Кроме этого важную роль имеет выбор оптимального способа производства, критериями которого является наличие возможности производства конструкций различной формы при соблюдении точности формы, минимальных отходах сырья и затратах труда рабочих.

Часть специалистов считает, что сравнительные преимущества титановых сплавов, например, меньший вес и высокая износостойкость позволяют использовать его в качестве замены золоту, поскольку сплавы на его основе имеют в несколько раз меньшую плотность, что обеспечивает удобство ношения протезов.

Однако чаще этот материал рекомендуют применять в качестве альтернативы имплантатам, изготавливаемым из нержавеющей стали аустенитного типа.

Несмотря на распространенное мнение о дороговизне изделий из сплава, имплантаты, ортопедические и стоматологические конструкции, изготовленные из титана, имеют в несколько раз меньшую стоимость по сравнению с другими высококачественными материалами.

К числу сравнительных преимуществ, обуславливающих выбор сплава для изготовления стоматологических конструкций, специалисты относят:

• Хорошие пропорции материала по соотношению пластичности и прочности, обеспечиваемые структурой высокопрочных и конструкционных соединений на основе титана.
• Образование на поверхности обработанной заготовки при ее контакте с воздухом тонкого слоя, обладающего инертными свойствами и способностью самостоятельного восстановления при повреждении.
• Способность обеспечивать хорошие эстетические и прочностные характеристики при контакте с фарфором и цементами композиционных разновидностей.
• Легкость демонтажа коронки при необходимости проведения терапевтических или реставрационных мероприятий.
• Стопроцентная инертность, исключающая возможность появления аллергической реакции тканей ротовой полости на такие элементы, как хром и никель, входящие в состав оснований, изготавливаемых из других металлов.
• Отсутствие способности к намагничиванию, что позволяет установившим их пациентам проходить КТ и МРТ обследования без устранения имплантатов или протезов.
• Низкие показатели электропроводности, позволяющие без демонтажа изделий проводить назначенную врачом физиотерапию.
• Низкий удельный вес, обеспечивающий облегчение массы готовых протезов и удобство их использования пациентом.
• Уникальные возможности применения коронок на основе состава при наличии у пациента патологий, носящих необратимый характер, например гипоплазии и аплазии зубной эмали.
• Термодинамическая устойчивость при работе в среде, имеющей кислотность на уровне физиологических величин pH.
• Высокая технологичность материала, которая обуславливает легкость его механической обработки путем резания, шлифования, сверления или фрезерования.
• Небольшая масса и толщина (при использовании тонколистового материала толщиной 0,3–0,7 мм) при обеспечении требуемых показателей жесткости.
• Отсутствие воздействия на вкусовые характеристики пищи и дикцию, характерных для протезов из других сплавов.
• Возможность точного воспроизведения рельефа подготовленного под установку терапевтических элементов участка ротовой полости, недостижимая при использовании литых заготовок на основе других веществ и пластмассы.
• Легкость привыкания пациента к посторонним конструкциям, монтируемым в ротовую полость.
• Отсутствие аллергического, токсического или термоизолирующего эффекта, присущего изделиям, основа которых изготавливается из пластмассы.
• Наличие способности к остеоинтеграции, суть которой состоит в том, что вещества, входящие в состав искусственного имплантата без осложнений соединяются с тканями и костями ротовой полости.

Материал отличается потерей биосовместимости при температурном воздействии на протезы, изготовленные методом литья. Эти недостатки ограничивают использование сплава для изготовления основы коронок из металлокерамики.

Учитывая эстетические характеристики сплава, некоторые стоматологи рекомендуют устанавливать коронки из титана не на передние единицы, а на жевательные элементы.

Другая часть специалистов считает лучшим вариантом использование сплава для изготовления основы конструкций, обладающих прочностью и свойством биологической инертности в сочетании с обработкой керамикой, обеспечивающей хорошие эстетические характеристики изделия.

Виды и ценные свойства

Особенностью химических элементов является возможность существования в виде одной или нескольких модификаций, отличающихся между собой не только по строению, но и по характеристикам.

Химики утверждают, что переход из одной аллотропной формы в другую происходит при фиксированной температуре.

Добавляемые в состав сплава легирующие компоненты:

• обеспечивают особые свойства готового изделия;
• имеют различное проявление в зависимости от того, в какой модификации используются в данный момент;
• обладают способностью изменять температурный показатель аллотропного перехода.

Так при увеличении содержания в сплаве азота, кислорода и алюминия, расширяется область существования α модификации, цирконий и олово не изменяют температуру перехода, а такие элементы, как олово, никель, железо и марганец оказывают влияние на прочность изделий β модификации.

Использование изделий на основе титана рекомендуется для устранения трещин, сколов, восстановления целостности, эстетики и функциональной способности жевательных моляров, уменьшении толщины стенок зубов при развитии кариеса, защиту от уменьшения высоты при изнашивании.

Правильный подбор легирующих веществ позволяет получить сплав, обладающий высокими показателями износостойкости, надежности и прочности.

Для производства обычно используется никелид титана или пористая разновидность этого химического элемента.

• Известны марки титана (1–4), причем разновидность №1 имеет наибольшую пластичность и наименьшую прочность при 20°C, №2 представляет собой одну из основных разновидностей, используемых при промышленном производстве имплантатов.
• Другим вариантом для изготовления имплантатов является использование специально разработанного состава с добавлением к основному компоненту 6% алюминия и 4% ванадия.

Приведенные выше марки титана, не обеспечивают модуля упругости изготавливаемых конструкций, что в свою очередь оказывает негативное влияние на процесс реабилитации тканей при использовании для изготовления ортопедических протезов.

Кроме этого, указанные  сплавы характеризуются низкой стойкостью к износу и прочностью для использования их с целью изготовления восстанавливающих конструкций.

Поиск и разработка новых составов должен решить противоречие между уменьшением прочности при снижении модуля упругости, необходимого для минимального отличия между показателями сплава и кости, что представляет собой достаточно сложную задачу.

Благодаря своим свойствам, такие сплавы заняли свою нишу и используются для изготовления надежных, хорошо приживающихся опорных конструкций протезов несъёмного и съемного типа.

Среди легированных разновидностей сплава, специалисты различают:

1. Марку ВТ5 (при получении способом литья содержит в конце маркировки букву Л), используемую для изготовления коронок путем литья, основы шинирующих, бюгельных и мостовидных протезов.

   Единственным легирующим компонентом этого состава является алюминий, добавление которого увеличивает удельную прочность, модуль упругости и жаропрочность готового изделия.

   Однако, перечисленные характеристики оказывают негативное влияние на пластичность вещества, что обуславливает необходимость предварительного нагрева перед механической обработкой или использования фасонных отливок.

2. Марку ВТ6 используют для производства имплантатов, в сплав помимо алюминия добавляется ванадий, обеспечивающий не только прочность, но и пластичность состава.

Перечисленные разновидности титановых соединений с добавлением дополнительных веществ или без них обеспечивает использование материала для изготовления широкого спектра стоматологических конструкций и инструментов, используемых дантистами.

Техника обработки

Температурные режимы аллотропических переходов, компоненты, входящие в состав сплава, физические свойства и параметры изменения кристаллической решетки должны учитываться при выборе режима и параметров обработки титановых соединений.

Для исключения ухудшения характеристик материала, специалисты советуют при обработке титана придерживаться следующих рекомендаций:

• Использовать для обработки состава фрезы, имеющие насечку крестообразной формы.
• Необходимо обеспечить регулярную очистку фрез от отходов обработки титана, выполняемую при помощи щеток из стекловолокна и пароструйного аппарата.
• Обработку изделий из титана необходимо проводить, исключив приложение к ним избыточных усилий, поскольку в этом случае увеличивается вероятность перегрева инструмента с дальнейшим изменением параметров кристаллической решетки.
• Использовать заточку рабочей поверхности с уменьшенным углом, что позволяет при одновременном охлаждении достаточно легко устранять лишние слои стружки с заготовки.
• Исключить обработку состава с использованием алмазных головок, камней и дисков из карборунда, поскольку в этом случае происходит сильное загрязнение поверхности, что в дальнейшем с высокой вероятностью приведет к появлению сколов и трещин в керамике.
• Обеспечить шлифовку и полировку открытых поверхностей изделия при помощи специальных паст и шлифовальных головок из резины.

Не меньшее значение для получения качественных изделий из сплава имеют, используемые при его обработке, технологические режимы:

• Необходимо исключить образование напусков металла и формирования острых углов, являющихся местами концентрации напряжений.
• Обработку основания конструкций необходимо проводить, используя перемещение инструмента в одном направлении.
• Частота вращения наконечника обрабатывающего инструмента не должна превышать 1500 об/мин.
• Перед покрытием поверхности бондинговым слоем должна проводиться пескоструйная обработка, которая, как и при проведении облицовки, материалами композитного типа предусматривает использование песка с оптимальной величиной частиц 110–125 нм при этом. Воздействие должно проводиться перпендикулярно к обрабатываемой поверхности под давлением не выше 2 атм.
• Обеспечить выдержку изделия после обработки на 5–10 мин, необходимых для пассивирования, по истечении указанного времени следует выполнить чистку поверхности с использованием пара.
• Исключить такие методы воздействия на сплавы, как травление или обработка титана кислотой.

Открывающиеся при создании новых материалов возможности, тесно связаны с необходимостью правильной обработки поверхности изделий из титана, обеспечивающих свойства готовой конструкции.

Методики изготовления конструкций

Выбор рационального способа производства протезов осложняется тем, что некоторые виды конструкций, например, бюгельные можно получить только путем литья.

А учитывая то, что титан обладает низкой плотностью, высока активность плавления вещества происходит при высоких температурах и требует использования специальной сложной технологии, специалисты пытаются найти альтернативу этому способу.

Однако перед изготовлением протезов, ортопед проводит осмотр ротовой полости пациента для определения степени деструктивных процессов и проводит санацию.

В дальнейшем выполняется препарирование, суть которого состоит в снятии при помощи специального устройства нескольких миллиметров верхней поверхности зубной эмали.

Простые техники изготовления расширяют диапазон точности конструкции, поскольку имеют возможность доработки, однако, в этом варианте увеличивается стоимость услуги для больного, поскольку увеличивается количество необходимых посещений стоматолога.

Литьевой метод

Наиболее популярная установка для производства протезов из титана Аутокаст работает по принципу, аналогичному, используемому в промышленности методу получения чистого вещества путем расплавления губки.

Перед началом процесса, установка, состоящая из верхней и нижней камеры, очищаются при помощи аргона, после удаления остатков смеси воздуха с аргоном, происходит заполнение этим веществом верхней полости, при этом в нижней части создается вакуум.

После включения вольтовой дуги в тигле из меди происходит плавление материала, по истечению некоторого времени техник производит резкое опрокидывание тигля, в результате чего расплавленный металл под действием собственного веса и давления аргона всасывается в форму, расположенную в нижней камере с вакуумом.

Штамповка

Для производства штампованного изделия практикуется изготовление предварительного и окончательного штампа из металла, выполняемого путем моделирования параметров зуба и изготовления восковой и гипсовой формы поверхности зуба для воссоздания анатомической структуры объекта.

После этого выполняется выбор гильзы из титана, имеющей необходимые размеры, параметром которой является то, что выбранная заготовка должна обеспечивать посадку с натягом до середины поверхности зуба.

После отжига на пуансонах при помощи специальной наковальни, изделию придается приблизительная форма окончательного образца.

После этого снова проводится отжиг для снятия наклепа, образующегося при упрочнении металла под воздействием ударов молотка.

После этого, на подготовленный окончательный штампик, надевается гильза, в которую несколькими ударами молотка внедряется наполнитель из свинца, обеспечивающий плотную обжимку гильзы по штампику.

Специалисты отмечают, что методы горячей штамповки и ковки позволяют получать конструкции, имеющие сложную форму поверхности, например зубы.

Пластичная формовка

Как штамповка, так и литье представляют собой достаточно затратные, и с точки зрения вложений труда, и с точки зрения вложения капитала, способы производства. Его удешевление возможно за счет использования метода сверхпластичной формовки.

Суть способа состоит в том, что при достижении определенной температуры, мелкие зерна металла приобретают свойства жидкой смолы.

Этот метод дает возможность изготовления за счет удлинения тонколистовой заготовки из титана деталей сложной формы, имеющих небольшую толщину.

Перед производством протеза на титановой основе выполняется обследование пациента, снятие анатомических слепков и производство модели из гипса, имеющего высокую прочность.

Система cad/cam

Технология, основанная на автоматизации процесса разработки и производства, позволяет создавать абатменты для имплантатов, мостовидные протезы различной длины, временные, постоянные и телескопические коронки на зубы.

Для изготовления изделия требуется:

• получение гипсового слепка ротовой полости, на основании которой создается модель челюсти больного;
• замер цифровых данных, получаемых путем сканирования для последующего создания трехмерного образца изделия;
• интеграция, полученных при сканировании данных в систему CAD, позволяющую создавать компьютерные модели мостов, коронок и протезов для дальнейшего изготовления на станке с программным управлением;
• детальная проработка полученных моделей для создания точных образцов, заменяемых в ротовой полости элементов;
• передача полученных данных в систему САМ, управляющую программным обеспечением станка и изготовление детали на ЧПУ.

3Д печать

Этот метод характеризуется тем, что при уменьшении стоимости изделия и низких отходах сырья, она позволяет создавать сложные объекты полой формы, сочетает возможность уменьшения веса при сохранении прочности конструкции.

Суть метода 3Д печати состоит в том, что на подготовленную подложку производится послойное нанесение титанового порошка, измельченного до микроскопических размеров с последующим воздействием на нанесенный слой микросварки.

После нанесения следующего уровня, технология предусматривает микросварку не только верхней поверхности, но и температурную обработку лазером между слоями изделия.

В видео специалист отвечает на вопрос: почему для замещения зубов используют титановые импланты.

Выводы

Титан и сплавы на его основе широко используются для производства инструментов и изделий, используемых в терапевтической стоматологии.

Помимо присущих материалу сравнительных преимуществ, для получения особых свойств, технологи используют легирующие вещества.

Стоимость изделия в существенной мере зависит от способа его производства, среди которых наиболее перспективным специалисты называют метод 3Д печати.