歯科用CAD/CAMフルコンツアージルコニアセラミックスの強度限界損傷と欠陥

Strength-limiting damage and defects of dental CAD/CAM full-contour zirconia ceramics.

抄録

目的:

本研究は、CAM粉砕・焼結（AS）試験片の4点曲げ強度を、臨床表面状態をシミュレートするためにチェアサイド研磨システムを用いたハイポリッシュ（HP）試験片の4点曲げ強度と比較することを目的とした。

OBJECTIVE: This study aimed to compare the four-point flexural strength of CAM-milled and sintered (as-sintered, AS) specimens with those of high-polished (HP) specimens using chairside polishing systems to simulate clinical surface conditions.

方法:

曲げ試験片を作製するために、3つの高透明度群（5Y）を含む様々なイットリア含有率（3、4、5mol%）の7つのフルコンツアージルコニアCAM/CAMブランクを選択した。曲げ棒試験片（2.0×4.0×25.0mm）は，それぞれのジルコニア・ブランク（98mmφ，高さ10～14mm）を用いて，STLファイルと歯科用CAM装置を用いて作製した．1つのジルコニア・パックから12本の棒状試験片を加工し，各グループから合計24本の試験片を作製した．焼結前の棒状試験片は、歯科用ジルコニア炉を用い、説明書に従って1530～1550℃で2時間焼結した。すべての焼結体は、焼結体（AS）群と高研磨（HP）群（n=12）に分けられた。HPグループは、3段階研磨システムを用いて試料の片面を研磨し、最後にダイヤモンド研磨で仕上げた。洗浄と乾燥の後、すべての試料の曲げ強さを、内側/外側スパン10/20mmの1/4点試験構成からなる完全関節式4点曲げ治具を用いて測定した。AS群とHP群間の統計的差はワイブル分析で行った。ジルコニア試験片の破断面をフィールド・エミッションSEMとEDSを用いて観察し、破断起点を検出した。

METHODS: Seven full-contour zirconia CAM/CAM blanks with various yttria contents (3, 4, 5 mol%) including three high-translucent groups (5Y) were selected to prepare flexural specimens. The bend bar specimens (2.0 × 4.0 × 25.0 mm) were fabricated by using STL file and dental CAM machine with the respective zirconia blanks (98 mm ϕ and 10-14 mm in height). Twelve bar specimens were machined from one zirconia puck and a total of 24 specimens were prepared from each group. The pre-sintered bar specimens were sintered by using a dental zirconia furnace at 1530-1550 °C for 2 h according to the instructions. All sintered specimens were divided into two groups: as-sintered (AS) group and high-polished (HP) groups (n = 12). HP groups were subjected to polishing one surface of specimens using a three-step polishing system and finally finished with diamond polishing. After cleaning and drying, the flexural strength of all specimens was determined by a fully articulating four-point flexure fixture consisting of a 1/4-point test configuration with an inner/outer span of 10/20 mm. Statistical differences between AS and HP groups were conducted with Weibull analysis. The fractured surfaces of zirconia specimens were observed using a field emission SEM and EDS to detect failure origins.

結果:

AS曲げ強さの平均値はHP曲げ強さよりも有意に低かった。しかし、HP群の信頼性を示すワイブル弾性率は、AS群と比較して有意ではなかったが、全般的に低下していた。AS試験片の破断の多くは外在的なCAMミリング欠陥に起因するものであったが、HP試験片は気孔、大粒クラスター、介在物、コーナーに位置する臨界欠陥を含む内在的な表面欠陥あるいは体積欠陥に起因するものであった。2つの高透過性（5Y）ジルコニア・グループは研磨後の強度と信頼性に影響を受けなかったが、1つの5Yジルコニアは強度を著しく向上させたが、信頼性を著しく低下させた。

RESULTS: The mean AS flexural strength values were significantly lower than those of HP counterparts. However, Weibull moduli expressing the reliability of HP groups were generally decreased although not significantly in comparison to their AS. The fracture of the AS specimens mostly originated from extrinsic CAM-milling defects, while the HP specimens were fractured from intrinsic subsurface or volume defects including pores, large grain clusters, inclusions, and corner-located critical flaws. Two high-translucent (5Y) zirconia groups were not affected in their strength and reliability after polishing, whereas one 5Y zirconia significantly increased its strength but significantly lowered its reliability.

意義:

歯科用CAD/CAMジルコニアセラミックスのフルコンツアー修復における曲げ強度と信頼性を評価する際には、外因性および内因性の強度制限欠陥を考慮すべきである。本研究で試験した材料については、歯科用ジルコニア補綴物の生存率に影響する強度および信頼性を制御する欠陥集団を減少させるために、焼結後の表面仕上げを含め、より最適化されたブランクの加工および焼結前ジルコニアブランクのミリングプロトコルを開発すべきである。

SIGNIFICANCE: The extrinsic and intrinsic strength-limiting defects should be considered in evaluating the flexural strength and reliability of dental CAD/CAM zirconia ceramics for full-contour restorations. For the materials tested in this study, more optimized processing of blanks and milling protocols of pre-sintered zirconia blanks should be developed including post-sintering surface finishing to reduce the flaw population regulating strength and reliability which will affect the survivability of dental zirconia prostheses.