Mục tiêu:
1. Thảo luận được lịch sử phát triển của hợp kim nha khoa.
2. Trình bày được những đòi hỏi của hợp kim nha khoa.
3. Liệt kê và mô tả sơ lược được các công nghệ tạo mẫu kim loại.
4. Trình bày được sự phát triển của các phân loại và phân biệt hợp kim đúc nha khoa.
5. Liệt kê được các hợp kim đúc rất quý, quý và thường trong các ứng dụng nha khoa.
1. Đại cương và lịch sử:
Các kim loại có thể chia làm hai nhóm: Có sắt (ferrous) và không có sắt (nonferrous).
-Kim loại có sắt gồm sắt, các loại thép.
-Kim loại không sắt gồm: Các kim loại quý (noble metals), các kim loại thường (base metals), các kim loại nhẹ (light metals).
Kim loại quý gồm vàng, nhóm platinum (gồm platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium và osmium). Chúng được đặc trưng bởi tính bền vững về hóa học đối với sự oxy hóa, kháng ăn mòn và đổi màu. Các hợp kim quý thường được gọi là quý kim (precious metal) vì giá cả của nó. Mặc dù bạc (silver) cũng là một quý kim, nhưng không phải là kim loại quý trong nha khoa vì kém đề kháng với ăn mòn và đổi màu. Các kim loại nhẹ như titanium, đặc trưng bởi khối lượng riêng thấp, các kim loại thường bao gồm nickel, cobalt… và các kim loại nặng khác.
Hầu hết kim loại dùng trong nha khoa là dưới dạng hợp kim (alloys). Hợp kim có nhiều ưu điểm so với các kim loại nguyên chất về đặc tính cơ học và lý học do được chế tạo để đạt đến tối ưu từ những kim loại thành phần.
Thí dụ: Vàng nguyên chất mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng, nhưng không đáp ứng được đòi hỏi để làm mão (chụp) hoặc cầu răng, nếu thêm 10% đồng vào vàng, sẽ tạo thành một hợp kim có độ bền kéo và độ cứng tăng gấp bốn lần.
1.1. Sơ lược lịch sử:
Lịch sử hợp kim đúc nha khoa chịu ảnh hưởng của ba yếu tố: Những thay đổi công nghệ làm phục hình, các tiến bộ về luyện kim và những thay đổi về giá cả của kim loại quý từ 1968.
Năm 1907, Taggart trình bày tại tập đoàn nha khoa New York (New York Odontological Group) về thực hiện inlay đúc, đây là báo cáo đầu tiên về áp dụng kỹ thuật đúc thay thế sáp (lost wax technique) trong nha khoa. Kỹ thuật này mau chóng được áp dụng cho cả onlay, mão, cầu, hàm khung. Sau đó, vì vàng nguyên chất không đủ đáp ứng về tính chất vật lý, các hợp kim của vàng (có thêm đồng, bạc, platinum) vốn dùng làm trang sức được sử dụng trong nha khoa. Từ năm 1948, các hợp kim quý nha khoa đã trở thành một phân nhóm riêng, với những công thức mới, khuynh hướng vật liệu bị đổi màu được khắc phục, vì bạc đã được thay thế bằng palladium.
Khoảng những năm 30 của thế kỷ XX, hợp kim thường để làm hàm tháo lắp được giới thiệu. Từ đó, cả nikel-chromium lẫn cobalt-chromium ngày càng trở nên phổ biến so với hợp kim vàng tuýp IV vốn được dùng cho loại hàm giả này. Những ưu điểm nổi bật của hợp kim thường là nhẹ, đặc tính cơ học tốt và giá thành rẻ, vì vậy các loại hợp kim thường đã ngày càng thay thế hợp kim quý để làm phục hình kim loại.
Cuối những năm 50, một bước đột phá đã diễn ra trong công nghệ nha khoa, ảnh hưởng sâu sắc đến việc chế tạo các phục hồi. Đó là sự thành công trong việc làm mặt dán sứ trên kim loại. Cho đến trước thời điểm đó, hệ số dãn nở nhiệt của các hợp kim vàng cao hơn hẳn sứ, làm cho không thể đạt được sự dán giữa hai cấu trúc này. Người ta nhận thấy thêm cả platinum và palladium vào vàng, sẽ làm giảm hệ số dãn nở nhiệt, đủ để kết dính vật lý hai cấu trúc. Một cách tình cờ, nhiệt độ
nóng chảy của hợp kim cũng tăng lên đủ để cho phép nung (thiêu kết) sứ trên hợp kim quý ở 1400ºC (1900ºF) mà không làm biến dạng kim loại.
Thành công của các hợp kim thường để làm hàm khung hướng đến việc chế tạo những hợp kim mới cho những ứng dụng khác trong nha khoa phục hồi. Nhưng đến những năm 70, và nhất là từ 1978, khi giá vàng tăng cao, vấn đề mới thực sự thu hút.
Do sự phong phú của các loại hợp kim với các thành phần khác nhau cho những ứng dụng đa dạng, việc phân loại các hệ thống trở nên khó khăn, cần có sự uyển chuyển để bao gồm những vật liệu mới hoặc những thay đổi đối với vật liệu đang có. Vì vậy, các phân loại được thường xuyên xem xét lại (xem phần phân loại).
1.2. Những đòi hỏi của hợp kim đúc nha khoa:
Hợp kim đúc nha khoa được dùng trong labo để làm inlay, onlay, mão (chụp), cầu, các phục hình cố định kim loại - sứ, kim loại - nhựa, chốt ống tủy, hàm khung…Hợp kim cần đáp ứng được các đòi hỏi chung như sau:
1. Phải có tính tương hợp sinh học, không tạo ra độc chất gây nguy hiểm hoặc gây dị ứng đối với người sử dụng và với bệnh nhân.
2. Phục hình phải có tính kháng ăn mòn và không bị thay đổi trong môi trường miệng.
3. Các đặc tính lý học và cơ học, như tính dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy, hệ số giãn nở vì nhiệt, độ bền… cần được đáp ứng, thoả mãn các giá trị tối thiểu và thay đổi theo những đòi hỏi khác nhau của các ứng dụng phục hình.
4. Phải không có những đòi hỏi quá đáng trong sử dụng, cần đạt được tính khả thi đối với đòi hỏi về trình độ chuyên môn thông thường của kỹ thuật viên cũng như bác sĩ.
5. Các kim loại, hợp kim và vật liệu đi kèm phải đầy đủ, không đắt quá.
6. Riêng đối với gia công trong labo, hợp kim cần dễ nấu chảy, dễ đúc, dễ hàn, dễ đánh bóng, ít co, không phản ứng với vật liệu làm khuôn đúc, kháng mòn, không bị lún khi nung sứ.
1.3. Công nghệ tạo mẫu kim loại:
Các phục hình toàn kim loại có thể được thực hiện trực tiếp trên miệng: Trám bằng vàng lá và amalgam. Một loại vật liệu nhồi nén liên kim loại khác (intermetallic compound) cũng đã được nghiên cứu phát triển bởi Viện quốc gia tiêu chuẩn và công nghệ Hoa kỳ (National Institute of Standards and Technology) để thay thế amalgam nhưng chưa được triển khai trong thực hành.
Công nghệ đúc: Các loại phục hình kim loại: inlay, onlay, mão (chụp), cầu, các phục hình cố định kim loại - sứ, kim loại - nhựa, chốt ống tủy… đã được thực hiện bằng phương pháp đúc từ một thế kỷ qua. Hợp kim vàng đã chứng tỏ có ưu thế về độ cứng và độ bền so với các vật liệu phục hồi khác. Phục hình sứ - kim loại được làm với sườn (lõi) kim loại đúc (alloy casting coping) cũng chứng tỏ sự bền vững và thẩm mỹ.
Đối với sườn kim loại được sử dụng làm nền cho sứ, công nghệ lá kim loại (metal foil) cũng được sử dụng thay cho sườn đúc. Các lớp lá kim loại được ép nóng (swage) trên đai và xử lý nhiệt trên lửa gas để làm tăng độ bền trước khi đắp sứ. Quá trình này tuy tránh được việc phải tạo mẫu sáp nhưng phải tạo khuôn chịu lửa (refractory mold), nấu chảy và đúc kim loại vào khuôn, cũng cần nhiều thời gian để ép nóng và chỉnh sửa sườn kim loại. Hơn nữa, bề mặt các lớp kim loại để đắp sáp còn có những vùng tích tụ ứng suất (stress concentration areas) có thể làm giảm độ bền của phục hình. Tuy vậy, kỹ thuật này cho phép tạo những lõi kim loại có độ dày chỉ khoảng 100 àm hoặc mỏng hơn, do đú cú thể giỳp tiết kiệm mụ răng và tăng độ dày của lớp sứ, nhờ đó tăng tính thẩm mỹ.
Công nghệ CAD-CAM được sử dụng trong nha khoa để thiết kế (computer- aided designing) kích thước và hình dáng của phục hồi, và chế tạo (computer-aided machining) phục hồi bằng sứ từ các khối sứ (ceramic block) hoặc các chi tiết kim loại khó đúc: Titanium và hợp kim titanium.
Công nghệ mài: Trong phương pháp này, người ta không dùng công nghệ đúc để thực hiện mão toàn kim loại hoặc sườn kim loại. Quá trình mài bản sao (copy milling process) gồm tạo mặt ngoài và lấy bỏ phần lõi để tạo bề mặt bên trong căn cứ theo bề mặt của die chính đã được ghi lại trong computer.
Tuy vậy, phương pháp nấu chảy và đúc hợp kim vẫn là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất cho các quá trình làm việc ngoài miệng. Phương pháp đúc cổ điển gồm việc tạo một khoảng trống do mẫu sáp đã được lấy đi, thay thế bằng hợp kim. Mẫu sáp được tạo trên mẫu hàm được đổ từ dấu trong miệng, sau đó được bao lại bằng vật liệu tạo khuôn (mold material) gọi là bột đúc hay bột bao (investment).
Bột đúc là hỗn hợp của nước, silica và chất gắn (binder) gồm thạch cao (calcium sulphate hemihydrate), magnesium ammonium phosphate, ethyl silicate. Sau khi vữa bột đúc (investment slurry) cứng, sáp được đốt cháy khỏi khuôn đúc, kim loại nóng chảy được đúc vào khoảng trống trong khuôn đúc dưới áp lực hoặc lực ly tâm.
Nhiều lưu ý về kỹ thuật được đưa ra, phụ thuộc vào hiểu biết về hợp kim.
Trong khoảng 20 năm trở lại đây, đã có nhiều tiến bộ trong lĩnh vực này. Do có nhiều loại hợp kim khác nhau, bác sĩ cần biết lựa chọn cho những chỉ định khác nhau: nhựa - kim loại, sứ - kim loại, toàn kim loại… kỹ thuật viên cũng cần hiểu biết hơn về các loại hợp kim, vì nhiều bác sĩ không rõ lợi ích cũng như bất lợi của các hệ thống hợp kim trong các ứng dụng cụ thể khác nhau. Như vậy, sự liên hệ giữa bác sĩ và kỹ thuật viên là điều quan trọng cho sự lựa chọn.
2. Phân loại và thuật ngữ:
2.1. Các phân loại hợp kim trong nha khoa:
2.1.1. Năm 1932:
Ban vật liệu nha khoa tại văn phòng quốc gia về tiêu chuẩn Hoa kỳ (dental materials group at National Bureau of Standards) đã phân loại đại thể thành bốn tuýp theo độ cứng và chỉ áp dụng cho hợp kim vàng.
Tuýp I: Mềm, vickers hardness number (VHN) từ 50 – 90.
Tuýp II: Trung bình, VHN từ 90 – 120.
Tuýp III: Cứng, VHN từ 120 – 150.
Tuýp IV: Rất cứng, VHN ≥ 150.
Trong nửa cuối thế kỷ XX, nhiều hợp kim thường đã phát triển, thay thế cho hợp kim quí ở nhiều lãnh vực. Hầu hết hàm khung cũng như các phục hồi mão, cầu...được làm từ hợp kim thường.
2.1.2. Năm 1984:
ADA đưa ra một phân loại đơn giản dựa trên cơ sở thành phần kim loại quý đối với hợp kim nha khoa, gồm ba loại:
Hợp kim rất quý (high noble: HN);
Hợp kim quý (noble: N);
Hợp kim thường (predominantly base metal: PB);
Phân loại hợp kim nha khoa theo thành phần kim loại quý cần để ước lượng giá của phục hồi, cần cho bác sĩ, kỹ thuật viên, bệnh nhân và cơ quan bảo hiểm (bảng 20-1).
TABLE 20-1. Phân loại hợp kim nha khoa của ADA 1984 (Alloy Classification of the American Dental Association (1984))
Tuýp hợp kim Tổng lượng kim loại quý trong thành phần (theo khối lượng)
Rất quý (HN)
Quý (N) Thường (PB)
≥ 40 wt% Au & 60 wt% nguyên tố kim loại quý (Au + Ir + Os + Pd + Rh + Ru)
≥ 25 wt% nguyên tố kim loại quý
≤ 25 wt% nguyên tố kim loại quý
Từ “hợp kim bán quý” (precious, semipreciuos) không nên dùng vì không chính xác. Các kỹ thuật viên thường dùng từ “bán quý” để chỉ các hợp kim có nền là palladium hoặc bạc. Các hợp kim có >50% khối lượng paladium, bao gồm Pd- Ag, Pd-Cu, Pd-Co, Pd-Ga-Ag, Pd-Au, Pd-Au-Ag được gọi là quý. Từ quý cũng được dùng cho hợp kim Ag-Pd nếu chứa >25% palladium và các kim loại quý khác.
Các hợp kim rất quý và quý thường được đóng gói và tính giá theo các lô 1, 2 hoặc 20 dwt (pennyweight).
2.1.3. Từ 1989:
Phân loại vẫn gồm bốn tuýp đã đưa thêm tất cả các hợp kim đúc đáp ứng đòi hỏi các test về độc tính, đổi màu, giới hạn chảy dẻo, phần trăm dãn dài.
Tuýp I: Mềm, cho những phục hồi ít chịu lực: Inlay.
Tuýp II: Trung bình, phục hồi chịu lực trung bình: Onlay.
Tuýp III: Cứng, cho những phục hồi chịu lực: Onlay, mão, các cầu ngắn.
Tuýp IV: Rất cứng, cho những phục hồi chịu lực cao: Chốt ống tủy, mão veneer mỏng, cầu dài, khung.
Theo phân loại 4 tuýp của ADA năm 1989, 4 tuýp hợp kim để làm phục hồi toàn kim loại và mặt dán nhựa được sắp xếp, dựa theo đặc tính (chứ không theo thành phần) như sau:
Tuýp I: Mềm, VHN từ 50 - 90, cho những phục hồi ít chịu lực: Inlay.
Tuýp II: Trung bình, VHN từ 90 - 120, phục hồi chịu lực trung bình: Onlay, móo ắ dày, cựi răng, pontic, móo đầy.
Tuýp III: Cứng, VHN từ 120 - 150 cho những phục hồi chịu lực cao: Onlay, mão, các cầu ngắn, mão mỏng, các pontic và cùi nhỏ, nền hàm.
Tuýp IV: Rất cứng, VHN ≥ 150 cho những phục hồi chịu lực rất cao: Chốt ống tủy, mão veneer mỏng, cầu dài, khung và các thanh ngang của khung.
Loại I và II thường còn được gọi là “hợp kim inlay”, loại III và IV còn được gọi là “hợp kim mão và cầu”.
2.1.4. Năm 2003:
Hội đồng khoa học của ADA đã xem xét lại sự phân loại, bao gồm thêm titanium như một mục riêng trong nha khoa. Titanium là một trong những kim loại có tính tương hợp sinh học cao nhất trong các ứng dụng nha khoa và có ứng dụng rộng với đặc tính tương tự kim loại quý.
Ngoài các phân loại chính thức nêu trên, còn cần chú ý hai cách phân biệt sau:
2.2. Phân biệt hợp kim nha khoa:
Do có nhiều loại hệ thống hợp kim để lựa chọn, cần phải xem xét theo chỉ định áp dụng và thành phần của hợp kim.
2.2.1Phân biệt loại các hợp kim theo chỉ định:
Bảng 20-3 liệt kê các loại hợp kim theo chỉ định áp dụng đối với mão toàn kim loại, kim loại - sứ và hàm khung. Cần chú ý là hợp kim dùng cho phục hình sứ - kim loại có thể dùng cho toàn kim loại nhưng không phải là ngược lại. Nguyên nhân chính là do hợp kim không thể tạo một lớp oxid mỏng và ổn định để liên kết
với sứ, độ nóng chảy có thể thấp nên gây biến dạng lún hoặc bị chảy ở nhiệt độ thiêu kết (nung) sứ, độ dãn nở nhiệt cũng không tương thích với sứ.
Bảng 20-3. Phân loại hợp kim để làm phục hình toàn kim loại, sứ - kim loại, hàm khung (Classification of Alloys for All-Metal Restorations, Metal-Ceramic
Restorations, and Frameworks for Removable Partial Dentures).
Typ hợp kim Toàn kim loại Kim loại - sứ Hàm khung Rất quý
Quý
Thường
Au-Ag-Cu-Pd Hợp kim cho sứ - kim loại
Ag-Pd-Au-Cu Ag-Pd
Hợp kim cho sứ - kim loại
Ti nguyên chất Ti-Al-V
Ni-Cr-Mo-Be Ni-Cr-Mo Co-Cr-Mo Co-Cr-W Al-đồng thiếc
Au-Pt-Pd
Au-Pd-Ag (5-12 wt%
Ag)
Au-Pd-Ag (>12 wt%
Ag) Au-Pd
Pd-Au Pd-Au-Ag Pd-Ag Pd-Cu Pd-Co Pd-Ga-Ag
Ti nguyên chất Ti-Al-V
Ni-Cr-Mo-Be Ni-Cr-Mo Co-Cr-Mo Co-Cr-W
Au-Ag-Cu- Pd
Ag-Pd-Au- Cu
Ag-Pd
Ti nguyên chất
Ti-Al-V Ni-Cr-Mo-Be Ni-Cr-Mo Co-Cr-Mo Co-Cr-W
2.2.2. Phân biệt hợp kim bằng các nguyên tố chính:
Khi phân biệt hợp kim theo thành phần, người ta xếp theo trình tự giảm dần, từ thành phần chiếm nhiều nhất rồi đến các thành phần khác. Các bảng 20-3, 20-7 và 20-8 sắp xếp theo trình tự này. Ngoại lệ cho sự sắp xếp là khi có thành phần ảnh hưởng nhiều đến đặc tính hoặc ảnh hưởng đến tính tương hợp sinh học của vật liệu hoặc cả hai.
2.3. Các kim loại quí dùng trong hợp kim nha khoa:
Trên bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có tám kim loại quý: Vàng, các kim loại nhóm platinum (platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, osmium) và bạc. Tuy vậy, trong môi trường miệng, bạc khá hoạt động nên không được coi là kim loại quý. Các kim loại quý thường được dùng trong hợp kim làm inlay, onlay, mão, cầu, sứ - kim loại. Chúng là những hợp kim ít bị đổi màu và ăn mòn. Từ “kim loại quý” chỉ có nghĩa tương đối. Trong số bảy kim loại quý, chỉ có vàng, palladium và platinum đóng vai trò quan trọng trong các hợp kim nha khoa.
Karat và Fineness:
Karat (carat) dùng để chỉ phần của vàng nguyên chất có trong 24 phần của một hợp kim. Thí dụ: Vàng 24 karat là vàng nguyên chất, vàng 22 karat là hợp kim chứa 22 phần vàng nguyên chất và 2 phần kim loại khác.
Fineness dùng để mô tả hợp kim có vàng bằng số phần vàng trên 1000. Thí dụ:
vàng nguyên chất có fineness 1000, hợp kim 650 chứa 65% vàng. Như vậy, thang đo fineness chính là bằng 10 lần của thang đo %. Trong thí dụ trên, 650 fine alloy có 65% vàng nguyên chất.
Trong thực tế, fineness được coi là thực tế hơn karat, nhưng nói chung, không được dùng phổ biến trong hợp kim nha khoa. Bảng 20-4 trình bày phân loại hợp kim vàng theo karat và fineness.
Bảng 20-4. Các hợp kim vàng phân loại theo karat và fineness (Gold alloys commonly use karat and fineness classifications)
% khối lượng vàng Karat Fineness
100 24 1000
75 18 750
58 14 583
42 10 420
2.4.