3D-printen van monolithische zirkonia keramieken voor tandheelkundige restauraties

Ongeveer 60% van de indirecte tandheelkundige restauraties is gemaakt van ZrO2 keramiek vandaag de dag. Ze vertonen uitstekende mechanische eigenschappen (sterkte & taaiheid), zijn chemisch stabiel, zijn biocompatibel en hebben een zeer natuurlijke esthetiek. 3 mol% yttria-gestabiliseerd zirkoniumoxide (3Y-TZP) is het meest gebruikte type ZrO2 voor tandheelkundige restauraties. 3Y-TZP is een transformatievertaaid keramiek met een submicrometer microstructuur, met uitzonderlijke mechanische eigenschappen waardoor het gebruikt kan worden voor zowel anterieure als posterieure restauraties en vaste tandprothesen.

Momenteel worden ZrO2 tandheelkundige restauraties meestal geproduceerd door subtractieve productie (SM), met behulp van computer-aided design (CAD) en/of computer-aided manufacturing (CAM). Bij CAD/CAM-frezen wordt een klein, nauwkeurig freesgereedschap gebruikt om de restauratie te maken uit een partieel of volledig gesinterde ZrO2-blok. Na sinteren tot volledige densiteit worden deze restauraties gecoat met een gekleurde porseleinen laag en thermisch behandeld, waardoor een natuurlijke uitstraling ontstaat. Additieve productie (AM) is in opkomst als een nieuwe productietechniek, waarbij het onderdeel laag voor laag wordt opgebouwd met behulp van een grote verscheidenheid aan technologieën. In de afgelopen veertig jaar is AM enorm geëvolueerd en is het nu mogelijk om een breed scala aan materialen zoals polymeren, metalen en keramiek te maken. Hoewel het 3D-printen van keramiek nog in de kinderschoenen staat, wordt voorspeld dat het gebruik van additive manufacturing in de tandheelkunde één van de snelst groeiende industrieën zal zijn. AM maakt het mogelijk om van massaproductie naar snelle productie van op maat gemaakte producten te gaan. Het gebruik van AM voor tandheelkundige restauraties zal helpen om de typische problemen voor SM aan te pakken, zoals slijtage van de freesgereedschappen en een hoog materiaalverlies (tot 90\% afval), alsook het creëren van gradiënt gekleurde materialen en de mogelijkheid om specifieke complexe vormen met specifieke details te creëren die niet gemaakt kunnen worden door het conventioneel frezen van ZrO2. Het onderzoek in deze thesis richt zich op het produceren van monolietische volledig dense 3Y-TZP tandheelkundige restauraties met behulp van indirecte, slurry gebaseerde additieve fabricagetechnieken, d.w.z. digital light processen (DLP) en materiaal jetting (MJ). Het doel is om te bepalen of deze AM-technieken kunnen worden gebruikt om tandheelkundige restauraties te vervaardigen met dezelfde prestaties als conventioneel subtractief vervaardigd 3Y-TZP.

Het stereolithografisch toestel maakte gebruik van een digitale lichtprocessor om een volledige laag UV-uithardbare keramische slurry te polymeriseren om zo het keramische materiaal op een laagsgewijze manier te produceren. De juiste combinatie van monomeren, verdunningsmiddelen, keramisch poeder en dispergeermiddelen werd bepaald om een zelfgemaakte slurry te creëren die scheurvrije en zeer dense (99,8% TD) 3Y-TZP keramische materialen kon creëren. Van de onderzochte printparameters bleek het verminderen van de laagdikte van 30 naar 15 µm de mechanische prestatie van het gesinterde keramiek grotendeels te verbeteren. Het was mogelijk om complexe structuren te 3D-printen met nauwkeurige afmetingen en specifieke details, maar de oppervlakteruwheid was anisotroop. De buigsterkte langs de X(0°)-richting was lager dan bij conventioneel vervaardigd 3Y-TZP, maar binnen het bereik van waarden die in de literatuur worden vermeld voor additief vervaardigd 3Y-TZP.

De tweede onderzochte printtechnologie was materiaal jetting. Deze techniek staat ook bekend als inkt jetting, waarbij inktdruppels met daarin keramische deeltjes en een bindmiddel selectief vanuit spuitmonden druppelsgewijs op een bouwplatform worden gestort. De commerciële apparatuur en inkt maakten het mogelijk om 3Y-TZP-keramiek te printen met een laagdikte van 10,5 µm. De gesinterde 3Y-TZP was bijna volledig dens (99,7% TD), met zeer nauwkeurige afmetingen, maar de oppervlakteruwheid en mechanische eigenschappen waren sterk afhankelijk van de bouwrichting. De gunstigste oriëntatie was de oriëntatie in het vlak (X/0°), waardoor keramiek kon worden gemaakt met een biaxiale sterkte die vergelijkbaar is met die van subtractief vervaardigd 3Y-TZP.

Ten slotte werden maxillaire vierdelige vaste tandprothesen (FDP's) geproduceerd met behulp van MJ en drie verschillende soorten vat polymerisatie (zowel DLP als stereolithografie(SLA)-gebaseerde technologieën) en hun mechanische prestaties vergeleken met CAD/CAM-gefreesde FDP's. Hoewel het mogelijk was om bijna volledig dense en nauwkeurige FDP's te maken, gaf kwaliteitscontrole door middel van impulsexcitatie een hoge variëteit in de natuurlijke resonantiefrequenties van AM FDP's aan, terwijl SM FDP's meer consistentie vertoonden. De additief vervaardigde 3Y-TZP FDP's hadden een lagere breuksterkte in vergelijking met de FDP's geproduceerd via SM. Twee varianten van de vat polymerisatie geproduceerde FDP's vertoonden een iets hogere breuksterkte in vergelijking met MJ geproduceerde FDP's. Alle geproduceerde FDP's waren sterk genoeg om bijtkrachten te weerstaan en komen in aanmerking voor klinische toepassing.

Samengevat maakten beide onderzochte, indirecte, slurry gebaseerde additieve fabricagetechnieken zeer dense 3Y-TZP-tandrestauraties met nauwkeurige afmetingen. De gesinterde materialen hebben een anisotrope buigsterkte, en vertonen de hoogste sterkte wanneer ze loodrecht ten opzichte van hun laagsgewijze opbouwrichting worden getest.