Титан - материал для современной стоматологии

В настоящее время титан занял свое достойное место в ряду современных материалов. У этого материала интересная история, принесшая за собой много открытий, которым он обязан своему сегодняшнему успеху, достигнутому в очень короткое время. Сегодня титан успешно применяется в автомобиле- и авиастроении, везде, где необходима эффективная защита от коррозии, и конечно в медицине.

При росте аллергических реакций на различные металлы и сплавы металлов, применяемых в медицине и стоматологии, титан рассматривается как решающая альтернатива. Благодаря замечательной биосовместимости и невероятной стабильности титана, этот металл обратил на себя внимание ортопедии. Сегодня из титана изготавливаются тазобедренные и коленные протезы, различные иглы и винты. Также корпуса для сердечных стимуляторов и слуховых аппаратов тоже из титана.

Высокая биосовместимость обусловлена способностью титана в доли секунды образовывать на своей поверхности защитный оксидный слой, благодаря которому он не коррозирует и не отдает свободные ионы металла, которые способны вокруг имплантанта или протеза вызывать патологические процессы. На сегодняшний день титан дает нам возможность использования только одного металла в полости рта. Мы можем изготовить практически любые конструкции. Не происходит никаких электрохимических реакций между различными частями протезов, а окружающие протез ткани остаются свободными от ионов металла.

Вкладки и накладки, цельнолитые и облицованные коронки мосты, бюгельные протезы цельнолитые базисы полных съемных протезов, комбинированные протезы и протезирование на имплантатах (включая сами имплантаты) - вот спектр применения титана, о котором не мечтали и самые большие оптимисты.

Влияние титана на современную стоматологию так всеобъемлюще, что даже скептически настроенные коллеги справедливо отдают должное его особенностям, внимательно следя за его развитием, особенно в современной имплантологии. Поэтому мы сегодня посвящаем эту статью вопросам литья титана и его обработки в условиях зуботехнической лаборатории.



Важная информация

• Титан – это не сплав – это чистый химический элемент, металл
• Порядковый номер в периодической системе 22
• Титан обладает способностью, находясь в организме, долгое время оставаться инертным
• В зубопротезной технике используется чистый титан в четырех градациях (от Т1 до Т4)
• Твердость в зависимости от градации, от 140 до 250 ед., КТР 9,6х10^(-6) К^(-1)
• Для керамических облицовок требуется специальная керамика
• Точка плавления 1668 С, высокая реакционная способность
• Использование специальных литейных установок и паковочных масс
• Плотность 4,51 г/см²
• Примерно в четыре раза меньшая плотность, а значит и вес, по отношению к золоту, дает пациентам повышенный комфорт во время пользования зубными протезами
• Незначительная теплопроводность
• Возможность избежать восприимчивости к раздражению твердых и мягких тканей
• Биологическая совместимость, устойчивость к коррозии
• Титан образует на поверхности необратимый пассивный слой с керамическим характером, который отвечает за биосовместимость
• Нейтральный вкус не вызывает неприятных вкусовых ощущений; отсутствие привкуса металла во рту, как при использовании некоторых сплавов
• Титан прозрачен для рентгеновских лучей, что делает возможным, например, легко обнаружить вторичный кариес у зуба, покрытого коронкой, или в зуботехнических целях - рентген-контроль отлитых изделий на предмет литьевых раковин (рис. 1 и 2)

Все эти достоинства делают возможным и нужным применение титана в современной стоматологии.

Рисунок 1		Рисунок 2

История применения титана в медицине

В медицине первые опыты по применению титана начались в 40-х годах с вживления в мягкие ткани животных цилиндриков из титана, которое протекало без реакции со стороны организма. В стоматологии применение титана началось с использования этого металла в своих исследовательских работах профессором Бренемарком в 1956 году. Пока титан утверждал себя в зубной импланталогии, параллельно росло желание использовать этот металл так же и в индивидуальном протезировании. Первые эксперименты литья титана в зуботехнической области были произведены доктором Ватерстраатом в 1977 году. Тепловое преобразование формы титана в зуботехнических целях стало возможным с применением литейной установки для литья титана японской фирмы Охара с 1981 года. Методы холодной обработки титана например, фрезерная обработка - изготовление имплантатов или фрезерование каркасов коронок или мостовидных протезов путем так называемых CAD/CAM технологий не влечет за собой особых сложностей. Проблемы присутствуют при горячем изменении формы металла, т.е. в литье. Нам интересен этот процесс во-первых, не очень высокой себестоимостью по отношению к еще развивающимся CAD/CAM технологиям, а во-вторых, как единственный на сегодняшний день способ изготовления каркасов бюгельных протезов.



Литье титана

Как мы уже отметили высокая реакционная способность титана, высокая точка плавления, низкая плотность требуют специальную литейную установку и паковочную массу. В данное время на рынке известны три системы, которые считаются лучшими, для литья титана. Это система Рематитан фирмы Дентаурум (Германия), система Биотан фирмы Шутц-дентал (Германия) и система японской фирмы Морита. Сегодня мы подробно познакомимся с Рематитан - литейной системой. Во-первых, потому, что на наш взгляд это лучшая система, которая позволяет добиться литья очень высокого и стабильного качества, во-вторых, мы имеем практически 5-летний опыт работы.

Что подразумевается под системой для литья титана?

В первую очередь, это литейная установка Рематитан-Аутокаст или Аутокаст-Универсал. Литейные установки Аутокаст основаны на принципе плавки титана в защитной среде аргона на медном тигле посредством вольтовой дуги, точно также в промышленности сплавляют титановую губку для получения чистого титана. Заливка металла в кювету происходит при помощи вакуума в литейной камере и повышенного давления аргона в плавильной - во время опрокидывания тигля. Внешний вид и принцип функционирования установки показаны на
рис. 3 и 4.

В начале процесса обе камеры плавильная (вверху) и литейная (внизу) промываются аргоном, затем из обеих камер эвакуируется смесь воздуха и аргона, после чего плавильная камера заполняется аргоном, а в литейной образуется вакуум. Включается вольтова дуга и начинается процесс плавления титана. После прохождения определенного времени резко опрокидывается плавильный тигель и металл всасывается в находящуюся в вакууме форму, собственный вес, а также повышающееся давление аргона на этот момент также способствуют его загонке. Этот принцип дает возможность получать хорошие, плотные отливки из чистого титана.

Следующим компонентом литейной системы является паковочная масса. Так как в расплавленном состоянии реакционная способность титана очень высока, то он требует специальных паковочных масс, которые изготавливаются на основе оксидов алюминия и магнезии, которые в свою очередь позволяют снизить реакционный слой титана до минимума. Дентаурум предлагает несколько таких масс, например Рематитан Плюс - паковочная масса для отливки бюгельных протезов, паковочные массы Рематитан Ультра и Тринелл для отливки коронок и мостов (рис. 5, 6). Тринелл, к примеру, - это новое поколение паковочных масс для титана. Первая в мире скоростная паковочная масса для титана, которая позволяет значительно экономить время и дает очень чистую поверхность металла, практически без реакционного слоя.

Рисунок 3		Рисунок 4

Рисунок 5		Рисунок 6

Титан - литейный металл

Тритан 1 и Рематитан М. Химическая чистота минимум 99,5%. Титан 1 - это титан град 1, пригоден для всех видов работ, очень низкое содержание кислорода в металле. Рематитан М - по прочности относится к титану град 4, значительно повышенный предел прочности и эластичность, делают возможным применение в кламмерных бюгельных протезах и для мостовидных работ большой протяженности.



Что нужно знать при работе с титаном?

Особенности моделирования

Изготавливаемый для облицовки керамикой каркас должен иметь уменьшенную анатомическую форму зуба. Внутренняя поддержка керамики каркасом очень важна, кроме того, для благоприятного теплообмена между керамикой и металлом во время обжига обязательно наличие или охладительных ребрышек (рис. 7), или гирлянды. На мостовидных протезах большой протяженности наличие гирлянды обязательно также в целях упрочнения каркаса. Толщина колпачков должна быть не ниже 0,4 - 0,5 мм. Каркасы бюгельных протезов моделируются также несколько толще по отношению к каркасам из хром-кобальтовых сплавов.

Штифтование

Правильное штифтование (установка литников и создание литниковой системы), также как и правильное расположение в кювете, играет огромную роль и производится строго по правилам, предложенным фирмой-производителем литейных установок. Фирма Дентаурум предлагает следующие требования к литейной системе Рематитан. Для коронок и мостов использование только специального литьевого конуса, который позволяет оптимально направлять металл к отливаемому объекту. Высота входного литникового канала от конуса до питающей балки 10 мм при его диаметре 4 - 5 мм. Диаметр питающей балки 4 мм. Подводные литниковые каналы к отливаемому объекту диаметром 3 мм и высотой также не более 3 мм. Очень важно: подводные каналы не должны располагаться напротив входного литникового канала (Рис. 8 и 9), в противном случае очень высока возможность возникновения газовых пор. Все соединения должны быть очень гладкими, без острых углов и т.д., чтобы максимально снизить возникающую во время заливки металла турбулентность, которая приводит к образованию газовых пор. Литниковая система для бюгельных протезов, а особенно для цельнолитых базисов полных съемных протезов, также отлична от литниковых систем, которые мы применяем для отливки бюгельных протезов из хром-кобальтовых сплавов.

Литье

Во всех трех упомянутых выше литейных установках работает двухкамерный принцип. Титан плавится в плавильной камере в среде аргона на медном тигле при помощи вольтовой дуги, и посредством вакуума или давления аргона загоняется в форму. Отличительными являются способ загонки металла и система штифтования, которые и влияют на количество ошибок во время литья.

Альфа-слой

Посредством реакции и диффузии газообразных и твердых элементов (кислород, углерод, силициум и др.) из атмосферы плавильной камеры и паковочной массы, происходит образование реакционной зоны и более твердой поверхности титана. Это изменение твердости зависит от веществ, из которых изготовлена паковочная масса и обусловленных реакций с жидким титаном.
Поверхностный слой, или альфированный слой, настолько хрупкий и загрязненный, что во время предварительной обработки титана, особенно под облицовку керамикой, должен быть полностью удален.

Изменение кристаллической структуры

Для зуботехнического применения переход титана при температуре 882,5 С из одного кристаллического состояния в другое имеет очень большое значение. Титан переходит при этой температуре из альфа-титана с гексагональной кристаллической решеткой в бетта-титан с кубической. Что влечет за собой не только изменение его физических параметров, но и увеличение на 17% его объема.
По этой причине также необходимо использование специальных керамик, температура обжига которых должна находиться ниже 880 С.

Пассивный слой

При комнатной температуре у титана очень сильное стремление образовывать с кислородом воздуха мгновенно тонкий защитный оксидный слой, который защищает его в дальнейшем от коррозии и обуславливает хорошую переносимость титана организмом. Пассивный слой имеет способность самостоятельно регенерироваться. Этот слой на различных этапах работы с титаном должен гарантироваться. После пескоструйной обработки, перед чисткой каркаса паром, необходимо оставить каркас минимум 5 мин. пассивироваться. Только что отполированный протез должен пассивироваться не менее 10-15 минут, в противном случае нет гарантии хорошего блеска готовой работы.

Рисунок 7		Рисунок 8		Рисунок 9

Требования к обработке, соответствующие материалу

Физические свойства, фазы оксидации и изменение кристаллической решетки должны учитываться при обработке титана.
Правильная обработка может успешно производиться только специальными фрезами для титана со специальной крестообразной насечкой (рис. 10)

Уменьшенный угол рабочей поверхности дает возможность оптимально снимать достаточно мягкий металл с одновременно хорошим охлаждением инструмента. Обработка титана должна производится без сильного давления на инструмент.

При неправильном инструменте или сильном нажиме возможны локальные перегревы металла, сопровождаемые сильным образованием оксида и изменением кристаллической решетки. Визуально на обрабатываемом объекте происходит изменение цвета и слегка грубеет поверхность. В этих местах не будет необходимого сцепления с керамикой (возможность появления трещин и сколов), если это не облицовываемые участки, то дальнейшая обработка и полировка будет также не соответствовать предъявляемым требованиям.

Фрезы для титана должны храниться отдельно от других инструментов. Они должны регулярно очищаться пароструйным аппаратом и щеточками из стекловолокна от остатков титана.

Использование при обработке титана различных карборундовых дисков и камней или алмазных головок сильно загрязняет поверхность титана, что в дальнейшем также приводит к трещинам и сколам в керамике. Поэтому использование вышеперечисленных инструментов пригодно только для обработки, например, каркасов бюгельных протезов, а использование алмазных головок следует полностью исключить. Шлифовка и дальнейшая полировка открытых участков титана возможна только при помощи адаптированных для титана шлифовальных резинок и полировочных паст. Многие фирмы, занимающиеся производством вращающихся инструментов, выпускают на данный момент достаточный ассортимент фрез и шлифовальных резинок для титана. Я, например, в своей повседневной работе использую обрабатывающие инструменты фирмы Дентаурум.

Подходящие для титана параметры обработки:
— Низкая скорость вращении наконечника - макс. 15 000 об/мин;
— Низкое давление на инструмент;
— Периодическая обработка;
— Обработка каркаса только в одном направлении;
— Избегать острых углов и напусков металла;
— При шлифовке и полировке использовать только подходящие шлифовальные резинки и полировочные пасты;
— Периодическая чистка фрез пароструйным аппаратом и кисточкой из стекловолокна.

Рисунок 10

Пескоструйная обработка титана

Пескоструйная обработка перед нанесением бондингового слоя при керамическом покрытии, также как и при облицовке композитными материалами, должна соответствовать следующим требованиям:
— Чистый, только одноразовый оксид алюминия.
— Максимальная величина зерна песка 150 мкм, оптимально 110 - 125 мкм.
— Максимальное давление из карандаша 2 бара.
— Направление потока песка под прямым углом к поверхности.
После обработки необходимо оставить обработанный объект на 5 - 10 мин. пассивироваться, после чего произвести чистку поверхности паром.
Оксидный обжиг или похожие процедуры при работе с титаном полностью исключаются. Использование кислот или травление также полностью исключено.
Во второй части нашей статьи, которая выйдет в одном из ближайших номеров, мы рассмотрим аспекты титан-керамических облицовок, облицовок композитными материалами, возможности изготовления кламмерных и комбинированных бюгельных протезов из титана.



Александр Модестов, зубной техник-мастер, демонстратор фирм Dentaurum и Esprident (Германия)

Публикация в журнале «Зубной техник» 3-2003