Suomen Hammaslääkärilehti

Zirkonia hammaslääketieteessä 20 vuotta – mitä olemme oppineet?

Suomen Hammaslääkärilehti
2019;1(26):34-41
Jenni Hjerppe ja Per Vult von Steyern

Yttriumoksidilla stabiloitu tetragonaalinen polykristallinen zirkoniumdioksidi – josta käytetään nimitystä yttriumstabiloitu zirkonia, Y-TZP tai zirkonia – on kestävä hammaskeraamimateriaali, jonka bioyhteensopivuus on poikkeuksellisen hyvä. Näiden ominaisuuksien ansiosta se soveltuu erinomaisesti käytettäväksi suuontelossa. Ns. ensimmäisen sukupolven zirkoniaa on käytetty runkomateriaalina hammaskantoisissa kruunuissa ja kiinteissä siltarakenteissa. Näiden rakenteiden selviytymisluvut ovat suuret, mutta niiden ongelmana on ollut päällepolttoposliinin alttius lohkeamiselle. Tämä on johtanut posliininkerrostustekniikoiden kehitykseen sekä kannustanut tutkijoita kehittämään uusia läpikuultavampia zirkoniamateriaaleja, joita voidaan käyttää joko monoliittisina rakenteina ilman päällepolttoposliinia tai runkorakenteina, joissa vain labiaalifasadit kerrostetaan posliinilla.

Tässä artikkelissa tarkastellaan eri zirkoniamateriaalien ominaisuuksia ja joitakin niiden kliinisiä käyttöaiheita.

Pyrkimys esteettisempiin proteettisiin rakenteisiin innoitti alun perin yhdistelmämateriaalien kehitystä. Ideana oli, että kestävä ja luja runkomateriaali toimii esteettisen posliinin tukena. Kiinteiden hammasproteettisten materiaalien kultaisena standardina pidettiin pitkään varta vasten tähän tarkoitukseen kehitettyjä, runsaasti kultaa sisältäviä lejeerinkejä ja niiden kanssa yhteensopivia päällepolttoposliineja. Nämä metallokeraamiset rakenteet otettiin käyttöön 1950-luvun lopulla, ja ne olivat pitkään kiinteässä protetiikassa yleisimmin käytettyjä materiaaleja. Ajan mittaan on ilmennyt kuitenkin yhä enemmän tarvetta entistä esteettisemmille materiaaleille, jotka olisivat lisäksi edullisempia ja metallittomia (1).

Kehitystyön tuloksena syntyivät tiiviiksi sintratut oksidikeraamit, kuten alumiinioksidi – Al2O3, jota kutsutaan usein nimellä alumina – sekä myöhemmin yttriumoksidistabiloitu tetragonaalinen polykristallinen zirkoniumdioksidi, josta käytetään nimeä yttriumstabiloitu zirkonia, Y-TZP tai zirkonia. 1990-luvulla yleisimmin käytetty oksidikeraami oli alumina. Sitä hyödynnettiin joko lasi-infiltroituna hybridikeraamina tai tiiviiksi sintrattuna, kummassakin tapauksessa yhdessä päällepolttoposliinin kanssa. Näistä materiaaleista valmistettujen kruunujen käytöstä saadut kliiniset tulokset olivat lupaavia, mutta tutkimusten mukaan hammassiltarakenteissa käytetyn aluminan lujuus ja vahvuus olivat jokseenkin rajalliset (2).

Ensimmäisen sukupolven zirkoniapohjaisia materiaaleja on käytetty 1990-luvun puolivälistä saakka, ja tulokset osoittavat, että ne soveltuvat käytettäväksi lähes kaikentyyppisissä kiinteissä proteettisissa rakenteissa – sekä hammas- että implanttikantoisissa –, kunhan rakenteen mittasuhteet ovat riittävät. Näistä materiaaleista tehtyjen rakenteiden selviytymisluvut ovat korkeat, mutta niiden ongelmana on ollut posliinifasadien alttius lohkeamiselle (ns. chip-off fractures) (3). Kruunujen ja siltojen runkorakenteissa zirkonian mekaanisten ominaisuuksien on joka tapauksessa todettu olevan aluminaa paremmat, ja zirkoniaa käytetäänkin tätä nykyä hammasprotetiikassa rutiininomaisesti (4).

Zirkoniapohjaisten rakenteiden kehittely on viimeisten kymmenen vuoden aikana keskittynyt kahteen päälinjaan. Yksi tutkimussuuntaus selvittää, miten ensimmäisen sukupolven zirkonian pinnalle saataisiin kerrostettua posliinia ilman, että siihen syntyy haitallisia jäännösjännitteitä; tämä vähentäisi posliinifasadien lohkeamisriskiä. Toisessa tutkimuslinjassa on pyritty kehittämään zirkoniamateriaaleja, jotka vastaisivat optisilta ominaisuuksiltaan entistä enemmän luonnonhammasta, mikä mahdollistaisi monoliittisten zirkoniarakenteiden käytön. Tällöin voitaisiin siis valmistaa esteettisesti hyväksyttäviä monoliittisia rakenteita, joiden päälle ei tarvittaisi suhteellisen haurasta posliinifasadia: samassa materiaalissa yhdistyisivät lujuus ja riittävän hyvät optiset ominaisuudet. Zirkonian läpikuultavuutta voidaan lisätä ja valonsirontaa vähentää muuttamalla materiaalin mikrorakennetta. Samalla zirkonian ainutlaatuiset mekaaniset ominaisuudet kuitenkin pyritään säilyttämään muuttumattomina (5).

Nykyisin on saatavana useita erilaisia zirkoniamateriaaleja. Materiaalien mekaaniset ja optiset ominaisuudet eroavat toisistaan siinä määrin, että kliinikon on tärkeää pystyä erottamaan ne päättäessään, mitä materiaalia käyttää missäkin tilanteessa. Tämän artikkelin tarkoitus onkin antaa lisätietoa eri zirkoniamateriaalien ominaisuuksista ja kliinisistä käyttöaiheista.

Stabiloidun zirkonian ominaisuudet

Zirkonia on polymorfinen materiaali, joka voi esiintyä lämpötilasta riippuen kolmena erilaisena kidefaasina: mono- kliinisenä (m, < 1 170 ºC), tetragonaalisena (t, 1 170–2 370 ºC) ja kuutiollisena (c, > 2 370 ºC). Valmistusprosessin aikana zirkoniarakenteita sintrataan eli tiivistyspoltetaan reilusti yli 1 170 asteen lämpötilassa, minkä seurauksena materiaalin rakenne muuttuu tetragonaaliseksi. Rakenteiden jäähtymisen aikana, lämpötilan laskiessa alle 1 170 asteen, tapahtuu zirkoniarakeissa faasimuutos, jossa tetragonaalinen kiderakenne muuttuu monokliiniseksi. Monokliinisen rakeen tilavuus on 3–5 prosenttia tetragonaalisen rakeen tilavuutta suurempi, ja tästä syystä kappale laajenee. Samalla materiaaliin jää runsaasti jännitteitä, joten se on hyvin haurasta ja altista spontaaneille murtumille. Zirkoniarakeet ovat mikroskooppisia, ja niiden koko vaihtelee valmistusmenetelmästä riippuen 0,2:n ja 0,8 µm:n välillä (6).

Jotta zirkonia ei jäähtymisen aikana muuttuisi monokliiniseksi, siihen lisätään pieniä määriä (2–3 mooliprosenttia) stabiloivia oksideja, esim. yttriumoksidia (Y2O3, yttria). Tällöin zirkonia pysyy tetragonaalisessa muodossa myös huoneenlämpötilassa (7). Suotuisat mekaaniset ominaisuudet saavutetaan hyödyntämällä stabiloivia oksideja prosessissa, josta käytetään englanninkielistä nimitystä transformation toughening. Kun materiaalin pintaan syntyy murtuma, sillä on taipumus kasvaa ja edetä materiaalin sisällä. Paikalliset jännitteet murtuman kärjen alueella saavat aikaan zirkoniarakeiden t–m-faasimuutoksen. Tämä johtaa murtuman kärjessä olevien rakeiden laajentumiseen 3–5 prosentilla, mistä seuraa paikallinen puristusjännitys. Murtuman eteneminen edellyttää, että kuormittavat voimat onnistuvat neutraloimaan puristusjännityksen murtuman kärjen alueella, ennen kuin paikallista vetojännitystä voi muodostua. Toisin sanoen puristusjännitys ehkäisee halkeaman etenemistä, ja sen eteneminen edellyttäisi kuormituksen lisääntymistä (7) (kuva 1 «»3).

Zirkonian on todettu soveltuvan erinomaisesti suuontelossa käytettäväksi. Se on kemiallisesti hyvin stabiili ja sen lämmönjohtavuus on erittäin pieni (7). In vitro- ja in vivo -tutkimuksissa on osoitettu, että bakteerien kiinnittyminen ja kolonisaatio materiaalin pinnalle on suhteellisen vähäistä, ja kemiallisesti zirkonia muistuttaa läheisesti titaanioksidia (8–10). Ensimmäisen sukupolven zirkoniamateriaalien mekaaniset ominaisuudet ovat hammasproteettista käyttöä ajatellen suotuisammat kuin minkään muun keraamimateriaalin. Sekä sen taivutuslujuus (800– 1 500 MPa) että murtositkeys (9,4–11,5 MPa m1/2) ovat erinomaiset (7, 11, 12) (taulukko «»2). Murtositkeys kuvaa keraamimateriaalin kykyä vastustaa murtumaa ja sitä, miten murtumat etenevät materiaalissa. Murtositkeys saattaakin auttaa arvioimaan, miten hyvin materiaali kestää kuormitusta ja millainen on sen kliininen pitkäaikaisennuste.

In vitro -tutkimuksissa on havaittu, että zirkonian pinnalla faasimuutos tetragonaalisesta monokliiniseen saattaa tapahtua myös ympäristötekijöiden, kuten veden, ruumiinnesteiden – esim. syljen – ja erityisesti kuuman vesihöyryn (autoklavoinnin) vaikutuksesta (13, 14). Chevalier työryhmineen osoitti, että kosteassa ympäristössä zirkonian pinnan tetragonaaliset rakeet voivat muuttua monokliinisiksi. Koska monokliiniset rakeet ovat kooltaan 3–5 prosenttia suurempia kuin tetragonaaliset, äkillinen laajeneminen saa pinnan turpoamaan. Tämä mahdollistaa veden pääsyn rakeiden väliin, jolloin syntyy mikro- ja makromurtumia (14). Ilmiö tunnetaan englanniksi nimellä low temperature degradation eli materiaalin vanheneminen veden vaikutuksesta, ja aluksi siitä arveltiin olevan haittaa suussa käytettäville zirkoniarakenteille. 7–10 vuotta kestäneissä kliinisissä seurantatutkimuksissa ei kuitenkaan ole havaittu juuri lainkaan merkkejä zirkonian vanhenemisesta, ja zirkoniarunkojen selviytymisluvut ovat olleet erinomaiset (3, 15). Myös zirkoniarakenteen mekaaninen kuormitus esimerkiksi hionnan tai muun pintakäsittelyn seurauksena voi aiheuttaa materiaalin pinnalla spontaaneja t–m-faasimuutoksia (16).

Ensimmäisen sukupolven zirkonia on rakenteeltaan säännöllinen polykristalli ilman amorfista faasia eli lasia. Tässä suhteessa se on mikrorakenteeltaan erilainen kuin lasikeraamit ja samalla mekaanisesti kestävämpi. Sen optiset ominaisuudet, kuten korkea pintaheijastavuus, pieni läpikuultavuus ja voimakas valonsirontaominaisuus, tekevät zirkoniasta opaakin näköisen. On kuitenkin hyvä muistaa, ettei ensimmäisen sukupolven zirkonia ole täysin opaakkia, mutta sen optiset ominaisuudet eivät ole optimaaliset silloin, kun tavoitteena on hammasta jäljittelevä ulkonäkö (17).

Zirkonian tiiviin kiteisen rakenteen vuoksi sitä ei voi etsata hydrofluorihapolla, eikä sidoslujuus ole yhtä vahva kuin hydrofluorihapolla etsatun posliinin tai lujitetun lasikeraamin (18). Kliinisissä tutkimuksissa tyypillisiä zirkoniarakenteisiin liittyviä komplikaatioita ovat retention menetys eli sementtisauman pettäminen ja sekundaarikaries (19, 20). Yhtenä syynä näihin ongelmiin voikin olla sidoksen heikkous, erityisesti kun tiedetään, että zirkonian pitkäkestoinen vesisäilytys heikentää sidosta (21). Muut retention menetyksen taustalla olevat syyt saattavat liittyä materiaalin pintaominaisuuksiin, epätarkkuuteen jyrsintäprosesseissa tai sementin valintaan. Zirkoniaa voidaan jyrsiä joko ennen sintrausta (ns. pehmeä jyrsintä) tai sintratussa muodossa (kova jyrsintä, esim. Hot Isostatic Pressing, HIP zirconia). Jyrsinnän lopputuloksena – erityisesti, jos kappale jyrsitään sintrattuna – on usein kiiltävä pinta, jonka pinnankarheusarvot ovat matalat. Koska materiaali on hyvin inerttiä, kemialliset reaktiot sidosmateriaalien ja sementtien kanssa ovat epätodennäköisiä. Tämä on haitallista mikromekaanisen retention syntymisen kannalta. Mikäli zirkoniarakenteiden jyrsintä tehdään 3-akselisella jyrsimellä tai tulevan rakenteen geometria ei mahdollista tarkkaa jyrsintää – jolloin porakompensaatio on tarpeen –, voi kruunun muodon avulla saavutettava vanne-efekti tai sementtisauman paksuus olla riittämätön ja rakenne siten altis irtoamiselle (22). Lopuksi on syytä mainita, että sinkkifosfaattisementin käyttöä zirkonian sementoinnissa ei voi enää suositella. Sinkkifosfaattisementillä on tiettyjä ominaisuuksia – hauraus, vesiliukoisuus ja heikko kiinnittyvyys –, joiden vuoksi se ei sovellu käytettäväksi varsinkaan yllä kuvatun kaltaisissa tilanteissa, joissa myös makromekaaninen retentio on heikentynyt. Tämä on vahvistettu Larsonin työryhmineen toteuttamassa tutkimuksessa (23). Kern työryhmineen (24) on kuvannut zirkonian sidostamismenetelmän, jota käsitellään tämän artikkelisarjan toisessa julkaisussa, samoin kuin muita käyttökelpoisia sidostamismenetelmiä.

Päällepolttoposliinin lohkeaminen

Huonojen optisten ominaisuuksiensa ja veden vaikutuksesta tapahtuvan materiaalin vanhenemisen riskin takia zirkonia otettiin aluksi käyttöön vain runkomateriaalina, joka tuli pinnoittaa päällepolttoposliinilla esteettisesti hyväksyttävän lopputuloksen saavuttamiseksi. Kliinisissä tutkimuksissa posliinin lohkeaminen osoittautui kuitenkin zirkoniarunkoisten rakenteiden yleisimmäksi tekniseksi komplikaatioksi. Aiemmissa tutkimuksissa lohkeamisia on raportoitu 15–32 prosentissa tapauksista 9–10 vuoden seurannassa (3, 25).

Lohkeamisongelmaa on pyritty ratkaisemaan monin eri tavoin. Anatomista rungon muotoilua on pidetty avaintekijänä, joka varmistaa riittävän tuen päällepolttoposliinikerrokselle. Näin on ajateltu paitsi zirkoniarunkoisten rakenteiden, myös muiden posliinilla pinnoitettujen proteesirakenteiden – esimerkiksi metallokeraamisten – kohdalla. Varhaiset CAD/CAM-tekniikalla valmistetut rakenteet eivät aina kuitenkaan täyttäneet tätä vaatimusta, koska moniin CAD-ohjelmistoihin liittyi teknisiä rajoituksia. CAD-tekniikkaa käytettäessä vastapurentaa ei aina voitu ottaa huomioon. Hammasteknikon piti tällöin arvioida, kuinka paljon tilaa posliinille tulee jättää, jolloin posliinikerroksesta saattoi tulla liian paksu ja se jäi vaille riittävää tukea (26). Hiljattain julkaistu tutkimus vahvisti, että posliinikerroksen paksuus vaikuttaa merkittävästi sen lohkeamisherkkyyteen: päällepolttoposliinien mekaanisen kestävyyden osoitettiin laskevan lähes 50 prosenttia, kun posliinikerroksen paksuus lisääntyi yhdestä kahteen millimetriin. Samalla tutkimus osoitti, että zirkoniakruunun anatominen muoto on tärkeä lohkeamia ehkäisevä tekijä (27).

Toinen syy lohkeamisiin on zirkonian erittäin heikko lämmönjohtokyky. Kun posliini on poltettu zirkonian päälle, se jäähtyy vain pinnan suunnasta, ei kruunun rungon puolelta – toisin kuin metallirunkoisissa kruunuissa, joiden lämmönjohtavuus on hyvä. Zirkoniarunko siis eristää posliinin, koska lämpöä ei haihdu rakenteen rungon kautta vaan pelkästään posliinin pinnalta. Posliinin ulkopinta jäähtyy ensin ja on jo kovettunut, kun posliinin alemmat kerrokset kutistuvat edelleen jatkuvan jähmettymisvaiheen aikana. Huoneenlämmössä posliinin pintakerroksen alle jää jäännösjännitteitä. Myöhemmin pureskelutoiminnan yhteydessä syntyvä leikkausjännitys saa pinnan alla aikaan halkeamia, jotka johtavat pintamateriaalin lohkeamiseen (28). Tuoreessa tutkimuksessa osoitettiin, että mitä paksumpi proteettisen rakenteen zirkoniarunko on, sitä suurempi on jäännösjännitteiden ja lohkeamien riski (29). Näin ollen lohkeamisia saattaisi vähentää se, että posliinin polton yhteydessä käytettäisiin hitaita jäähdytysmenetelmiä. Muita tehokkaita keinoja voisivat olla zirkonian ja päällepolttoposliinin lämpölaajenemiskerrointen parempi yhteensovittaminen sekä posliinipinnan huolellinen kiillotus tilanteissa, joissa purentakontakteja on hiottu (27, 30–32).

Läpikuultavat ja erittäin läpikuultavat zirkoniat

Posliinin lohkeamisesta johtuvat kliiniset ongelmat ovat kannustaneet tutkijoita kehittämään entistä läpikuultavampia zirkoniamateriaaleja, joita voidaan käyttää monoliittisina rakenteina joko ilman päällepolttoposliinia tai siten, että vain labiaaliset fasadit pinnoitetaan. Lopullinen esteettinen tulos voidaan saavuttaa materiaalin läpikuultavuuden, zirkonian värjäyksen – joka voidaan tehdä joko infiltraationesteillä tai zirkoniajauheväreillä – sekä pinnan karakterisoivan lasituksen avulla. Zirkoniamateriaalin läpikuultavuus riippuu sen paksuudesta, raekoosta, faasijakaumasta sekä mahdollisessa värjäyksessä käytettävien väripigmenttien tummuudesta (33). Riittävän läpikuultavuuden saavuttamiseksi materiaaliin voitaisiin lisätä myös lasia, mutta tällöin kyseessä ei enää ole zirkoniamateriaali käsitteen perinteisessä merkityksessä.

Läpikuultavuuden aikaansaaminen

Kun valo osuu materiaalin pintaan, osa siitä heijastuu takaisin ja osa tunkeutuu materiaalin sisään. Osa materiaaliin tunkeutuvasta valosta imeytyy siihen, osa taas siroaa rakeiden rajapinnoilta tai kulkeutuu materiaalin läpi. Zirkonian läpikuultavuutta voidaan lisätä pidentämällä sintrausaikaa ja/tai nostamalla sintrauslämpötilaa, mikä kasvattaa raekokoa (6, 33). Raekoon kasvaessa rakeiden rajapintojen määrä vähenee, ja koska valon siroaminen tapahtuu juuri rakeiden rajapinnoilla, samalla myös se vähenee. Siroaminen levittää valoa hajanaisesti takaisin materiaalin pinnalle, mikä saa sen näyttämään lähes valkoiselta ja läpikuultamattomalta. Sen sijaan jos valtaosa valosta pääsee kulkemaan materiaalin läpi, näyttää materiaali läpikuultavammalta.

Toinen tapa tuottaa läpikuultavampaa zirkoniaa on lisätä siihen enemmän stabiloivia oksideja (Y2O3) – enintään 8 mol %. Tällöin sintrausprosessissa muodostuu täysin stabiloitua zirkoniaa, jossa kuutiollisen kidefaasin osuus on tavallista suurempi ja materiaali on läpikuultavampaa. Kuutiolliset rakeet sisältävät kuitenkin runsaasti yttriumia eikä niitä ympäröivissä tetragonaalisissa rakeissa ole riittävästi stabiloivia oksideja, minkä vuoksi rakeet ovat epästabiileja ja alttiita t–m-faasimuutoksille (34). Tästä syystä täysin stabiloitujen zirkoniamateriaalien mekaaniset ominaisuudet ovat heikommat. Hiljattain toteutetussa in vitro -tutkimuksessa Sulaiman työryhmineen osoitti, että täysin stabiloidun zirkonian taivutuslujuus oli 734 MPa, kun taas osittain yttriumstabiloidun zirkonian taivutuslujuudeksi mitattiin 1 108 MPa (35). Tällä hetkellä kehitteillä on nanokristallizirkonia, joka saattaa olla tulevaisuuden vastaus sekä kestävyyden että läpikuultavuuden vaatimuksiin (6). Kun materiaalin raekokoa pienennetään nanometritasolle, saavutetaan suuri läpikuultavuus, koska valo kulkee paljolti suoraan materiaalin läpi.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että läpikuultavien zirkoniamateriaalien optiset ominaisuudet ovat paremmat kuin ensimmäisen sukupolven zirkonialla, joita käytettiin proteettisten rakenteiden runkomateriaaleina (36). Zirkonian läpikuultavuus ei kuitenkaan vieläkään ole samalla tasolla kuin kiilteen ja dentiinin (37) tai litiumdisilikaattilujitetun lasikeraamin (38). Eri tuotemerkkien mekaanisten ja optisten ominaisuuksien välillä on jonkin verran eroja (taulukko «»2).

Kliiniset käyttöaiheet

Zirkoniaa voidaan käyttää hammas- ja implanttikiinnitteisten kruunujen ja siltarakenteiden runkomateriaalina, joko posliinilla pinnoitettuina tai monoliittisina rakenteina (kuva 2 «»4). On kuitenkin syytä huomata, että uusista läpikuultavista ja erittäin läpikuultavista zirkoniamateriaaleista valmistettujen siltojen käyttöaiheet ovat rajalliset: monien uusien läpikuultavien materiaalien taivutuslujuus ja murtositkeys on pieni. On esitetty, että materiaalin taivutuslujuuden on oltava vähintään 800 MPa ja murtositkeyden 3,5 MPa m1/2, jotta sitä voidaan suositella käytettäväksi taka-alueen siltarakenteissa (ISO 6872) (39). Näin ollen erittäin läpikuultavaa zirkonia tulisikin mahdollisesti käyttää vain pienissä, enintään kolme yksikköä sisältävissä etualueen silloissa ja yksittäisissä kruunuissa alueilla, joihin kohdistuu vain kohtalaista purentarasitusta. Hammaskantoisten rakenteiden kliinisiä tuloksia tarkastellaan lähemmin toisessa tämän artikkelisarjan julkaisussa.

Zirkoniaa käytetään materiaalina myös implanttiabutmenteissa eli -jatkeissa, jotka kiinnitetään implanttiin joko suoraan tai sementoidun titaaniaihion avulla. Kunnes kliinisten tutkimusten tulokset toisin osoittavat, implanttijatkeissa tulisi kuitenkin – edellä kerrotuista syistä – käyttää vain ensimmäisen sukupolven zirkoniamateriaaleja, joiden lujuus ja kestävyys ovat riittävät.

Titaaniin verrattuna zirkonia-abutmenttien etuna on niiden vaalea väri. Tummat titaanijatkeet voivat kuultaa implanttia ympäröivän pehmytkudoksen läpi, mikä aiheuttaa esteettisiä ongelmia erityisesti potilailla, joilla pehmytkudoksen biotyyppi on ohut. Zirkonia-abutmenttien kuormankantokyvyn on osoitettu olevan 412 N–624 N (40, 41), joka näyttäisi olevan riittävä ottaen huomioon etualueen maksimaaliset purentavoimat. Zembicin ja työryhmän toteuttamassa kliinisessä tutkimuksessa ulkoiseen implantti-abutmenttiliitokseen kiinnitettyjen zirkonia-abutmenttien kumulatiivinen onnistumisprosentti oli yhdentoista vuoden seurannassa 96,3 (42). Liitostyyppi vaikuttaa implanttien päälle kiinnitettävien zirkoniarakenteiden kliiniseen kestävyyteen. Retrospektiivisessä kliinisessä monikeskustutkimuksessa havaittiin merkittävä ero zirkonia-abutmenttien kestävyydessä sen mukaan, oliko implantin liitostyyppi ulkoinen (99,7 %) vai sisäinen (93,1 %). Rakenteiden seuranta-aika oli tässä tutkimuksessa keskimäärin 6 vuotta (43).

Monoliittisia implanttikiinnitteisiä zirkoniarakenteita koskevaa kliinistä näyttöä on olemassa vain niukasti. Hiljattain julkaistussa systemaattisessa katsauksessa osoitettiin, että monoliittinen zirkonia näyttäisi toimivan hyvin koko hammaskaaren kattavissa implanttikiinnitteisissä siltarakenteissa: lyhyen aikavälin kumulatiivinen selviytymisluku oli 96,8 % (44). Lisätutkimukset ja pidemmät seuranta-ajat ovat kuitenkin tarpeen, jotta näiden tulosten paikkaansapitävyys voidaan vahvistaa ja saadaan tietoa myös lyhyempien implanttikiinnitteisten siltojen kestävyydestä. Monoliittisten zirkoniarakenteiden labiaalipinnan fasadit voidaan kerrostaa posliinilla, mutta myös näihin posliinikerroksiin voi tulla lohkeamia (45). Tätä ongelmaa on pyritty ratkaisemaan erilaisilla rungon muotoiluilla, kuten ulottamalla zirkonia inkisaalikärjen yli (46).

Zirkonia implanttimateriaalina

Vuosien saatossa zirkonia on esitelty myös hammasimplanttimateriaalina. In vitro- ja in vivo -tutkimukset ovat osoittaneet, että implanteissa käytettävän zirkonian osseointegraatio, solumetabolia ja pehmytkudosvaste ovat toivotunlaiset (47, 48). Laboratorio-olosuhteissa yksiosaisten, abutmentin sisältävien zirkoniaimplanttien kuormankantokyvyn on osoitettu olevan hyvä (49). Hiljattain toteutetussa prospektiivisessa monikeskustutkimuksessa todettiin, että yksiosaisiin zirkoniaimplantteihin kiinnitettyjen yksittäisten kruunujen ja kolmen yksikön siltojen selviytymisluku oli suuri (98,5 %) ja marginaalinen luukato oli vähäistä kolmen vuoden käytön jälkeen (50). Näitä rakenteita ei kuitenkaan vielä suositella kliiniseen käyttöön, koska näyttöä pitkäaikaisen käytön tuloksista ei ole.

Kuluminen

Kun monoliittiset zirkoniamateriaalit otettiin käyttöön, yhtenä huolenaiheena oli vastapurijan mahdollinen kuluminen, sillä zirkonia on kova materiaali. Tuoreet tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että lasitepintainen monoliittinen zirkonia aiheuttaa vastapurijan kiillepintaan samankaltaista kulumaa kuin muutkin keraamiset materiaalit (51, 52). Kulumista tutkivissa in vitro -simulaatiotesteissä on itse asiassa todettu, että pintakovuudeltaan alhaisemmat keraamit – kuten lasikeraamit – kuluttavat vastapurijan kiillettä enemmän kuin kovat, koska alhaisemman pintakovuuden omaavien keraamien pinnan karheus lisääntyy käytön myötä. Monoliittisen zirkonian hyvin kiillotettu pinta aiheuttaa vähemmän kulumista, koska sen pinnankarheus on pienempi (52). Myös kulumistapa on erilainen, sillä lasittamattomilla zirkoniapinnoilla on taipumusta kiillottua käytössä, jolloin vastapurijaan kohdistuu vähemmän hankausta. Lasikeraami ja posliini taas muuttuvat ajan mittaan karheammiksi.

Sekä kliinisissä että laboratoriotutkimuksissa on saatu näyttöä, jonka mukaan implanttikiinnitteinen zirkoniarunko voi aiheuttaa titaanisten vastinkappaleiden eli implantin jatkeiden ja olkapäiden kulumista, jos zirkoniarunko kiinnitetään ruuveilla suoraan implanttiin tai abutmenttiin ja ruuvikiinnitys pääsee löystymään (53–55). Tämän vuoksi implanttikiinnitteisten zirkoniarakenteiden kiinnitysruuvien vääntömomentti on syytä tarkistaa säännöllisesti.

Implantin titaaniosien kulumista voidaan ehkäistä kiinnittämällä zirkoniarakenne joko sementoimalla tai mekaanisesti titaaniaihioon. Laboratoriotutkimuksissa titaaniaihiopohjaisten zirkoniakruunujen mekaaninen kestävyys on todettu paremmaksi pelkästään zirkoniasta valmistettuihin abutmentteihin verrattuna (55–57). Näistä rakenteista on jonkin verran kliinistä näyttöä, ja tulokset ovat lupaavia (43, 58). Heikoin lenkki voi olla resiinisementtiliitos titaaniaihion ja zirkonia-abutmentin tai -kruunun välissä.

Johtopäätökset

Zirkoniamateriaalien kehitys kahden viimeksi kuluneen vuosikymmenen aikana voidaan tiivistää seuraaviin johtopäätöksiin:

Ensimmäisen sukupolven zirkoniamateriaaleja voidaan tänä päivänä käyttää luottavaisin mielin monissa kliinisissä tilanteissa. Aiemmin ilmenneet lohkeamisongelmat on mahdollisesti saatu ratkaistua, mutta täysi varmuus asiasta edellyttää vielä lisätutkimuksia.

Hiljattain kehitetyt läpikuultavat ja hyvin läpikuultavat zirkoniamateriaalit ovat lupaavia, mutta niistä ei vielä ole saatavilla pitkäaikaisia seurantatutkimustuloksia. Tällä hetkellä vaikuttaa siltä, että esteettisten ominaisuuksien parantuessa mekaaniset ominaisuudet ovat heikentyneet. On myös syytä ottaa huomioon, että markkinoilta löytyy useiden eri valmistajien läpikuultavia ja erittäin läpikuultavia materiaaleja, joissa on käytetty erilaisia tekniikoita läpikuultavuuden aikaansaamiseksi. Sen vuoksi kliinikon tulisi aina noudattaa materiaalin valinnassa erityistä huolellisuutta ja käyttää ainoastaan hyvin tuntemiaan materiaaleja.

Zirconia as a dental biomaterial

Yttrium oxide stabilized tetragonal zirconium-dioxide polycrystal (referred to as yttria-stabilized zirconia, Y-TZP or briefly zirconia) is a durable dental ceramic material that has exceptional biocompatibility. These properties make it an excellent material for use in the oral cavity. Zirconia was first introduced as a framework material (first generation) for tooth-supported single crowns and fixed dental prostheses (FDPs). The survival rates of these constructions are high, and the only drawback has been the exposition to superficial porcelain chipping, so called chip-off fractures. This was leading to a learning curve in veneering techniques, as well as development of new more translucent zirconia materials that can be used as monolithic structures without veneering porcelain or cut-back structures where only the labial facades are veneered.

The purpose of this article is to enlighten the material properties of different zirconia materials, as well as some clinical indications.

Jenni Hjerppe, HLT, EHL
Turun yliopisto, hammasprotetiikan oppiaine / Helsingin ja Uudenmaan sairaanhoitopiiri
jenni.hjerppe@utu.fi
Per Vult von Steyern, DDS, Odont dr/PhD,
Professor and head, Department of Materials Science and Technology, Faculty of Odontology, Malmö university, Malmö, Sweden.
Käännös: Anna Vuolteenaho

Kirjallisuutta

  1. Kelly JR, Nishimura I, Campbell SD. Ceramics in dentistry: historical roots and current perspectives. J Prosthet Dent 1996; 75(1): 18–32.
  2. Vult von Steyern P, Jönsson O, Nilner K. Five-year evaluation of posterior all-ceramic three-unit (In-Ceram) FPDs. Int J Prosthodont 2001; 14(4): 379–84.
  3. Sax C, Hämmerle CH, Sailer I. 10-year clinical outcomes of fixed dental prostheses with zirconia frameworks. Int J Comput Dent 2011; 14(3): 183–202.
  4. Kelly JR, Benetti P. Ceramic materials in dentistry: historical evolution and current practice. Aust Dent J 2011; 56 Suppl 1: 84–96.
  5. Johansson C, Kmet G, Rivera J, Larsson C, Vult Von Steyern P. Fracture strength of monolithic all-ceramic crowns made of high translucent yttrium oxide-stabilized zirconium dioxide compared to porcelain-veneered crowns and lithium disilicate crowns. Acta Odontol Scand 2014; 72(2): 145–53.
  6. Zhang Y. Making yttria-stabilized tetragonal zirconia translucent. Dent Mater 2014; 30(10): 1195–203.
  7. Piconi C, Maccauro G. Zirconia as a ceramic biomaterial. Biomaterials 1999; 20(1): 1–25.
  8. Nascimento CD, Pita MS, Fernandes FH, Pedrazzi V, de Albuquerque Junior RF, Ribeiro RF. Bacterial adhesion on the titanium and zirconia abutment surfaces. Clin Oral Implants Res 2014; 25(3): 337–43.
  9. Salihoglu U, Boynuegri D, Engin D, Duman AN, Gokalp P, Balos K. Bacterial adhesion and colonization differences between zirconium oxide and titanium alloys: an in vivo human study. Int J Oral Maxillofac Implants 2011; 26(1): 101–7.
  10. Rimondini L, Cerroni L, Carrassi A, Torricelli P. Bacterial colonization of zirconia ceramic surfaces: an in vitro and in vivo study. Int J Oral Maxillofac Implants 2002; 17(6): 793–8.
  11. Hjerppe J, Vallittu PK, Fröberg K, Lassila LVJ. Effect of sintering time on biaxial strength of zirconium dioxide. Dent Mater 2009; 25(2): 166–71.
  12. Tinschert J, Natt G, Mohrbotter N, Spiekermann H, Schulze KA. Lifetime of alumina- and zirconia ceramics used for crown and bridge restorations. J Biomed Mater Res B Appl Biomater 2007; 80(2): 317–21.
  13. Swab JJ. Low temperature degradation of Y-TZP materials. J Mater Sci 1991; 26(24): 6706–14.
  14. Chevalier J, Cales B, Drouin JM. Low-temperature aging of Y-TZP ceramics. J Am Ceram Soc 1999; 82(8): 2150–4.
  15. Lops D, Mosca D, Casentini P, Ghisolfi M, Romeo E. Prognosis of zirconia ceramic fixed partial dentures: a 7-year prospective study. Int J Prosthodont 2012; 25(1): 21–3.
  16. Kosmac T, Oblak C, Jevnikar P, Funduk N, Marion L. Strength and reliability of surface treated Y-TZP dental ceramics. J Biomed Mater Res 2000; 53(4): 304–13.
  17. Shaymaa S, Elsaka SE. Optical and Mechanical Properties of Newly Developed Monolithic Multilayer Zirconia. J Prosthodont 2017. doi: 10.1111/jopr.12730. (Julkaistu verkossa).
  18. Papia E, Larsson C, du Toit M, Vult von Steyern P. Bonding between oxide ceramics and adhesive cement systems: a systematic review. J Biomed Mater Res B Appl Biomater 2014; 102(2): 395–413.
  19. Sailer I, Makarov NA, Thoma DS, Zwahlen M, Pjetursson BE. All-ceramic or metal-ceramic tooth-supported fixed dental prostheses (FDPs)? A systematic review of the survival and complication rates. Part I: Single crowns (SCs). Dent Mater 2015; 31(6): 603–23.
  20. Pjetursson BE, Sailer I, Makarov NA, Zwahlen M, Thoma DS. All-ceramic or metal-ceramic tooth-supported fixed dental prostheses (FDPs)? A systematic review of the survival and complication rates. Part II: Multiple-unit FDPs. Dent Mater 2015; 31(6): 624–39.
  21. Heikkinen TT, Matinlinna JP, Vallittu PK, Lassila LV. Long term water storage deteriorates bonding of composite resin to alumina and zirconia. Short communication. Open Dent J 2013 ;7: 123–5.
  22. Örtorp A, Jönsson D, Mouhsen A, Vult von Steyern P. The fit of cobalt-chromium three-unit fixed dental prostheses fabricated with four different techniques: a comparative in vitro study. Dent Mater 2011; 27(4): 356–63.
  23. Le M, Papia E, Larsson C. The clinical success of tooth- and implant-supported zirconia-based fixed dental prostheses. A systematic review. J Oral Rehabil 2015;42(6): 467–80.
  24. Kern M. Bonding to oxide ceramics – laboratory testing versus clinical outcome. Dent Mater 2015; 31(1): 8–14.
  25. Koenig V, Vanheusden AJ, Le Goff SO, Mainjot AK. Clinical risk factors related to failures with zirconia-based restorations: An up to 9-year retrospective study. J Dent 2013; 41(12): 1164–74.
  26. Vult von Steyern P, Carlson P, Nilner K. All-ceramic fixed partial dentures designed according to the DC-Zirkon technique. A 2-year clinical study. J Oral Rehabil 2005; 32(3): 180–7.
  27. Bakitian F, Seweryniak P, Papia E, Larsson C, Vult von Steyern P. Fracture strength of veneered translucent zirconium dioxide crowns with different porcelain thicknesses. Acta Biomater Odontol Scand 2017; 3(1): 74–83.
  28. Paula VG, Lorenzoni FC, Bonfante EA, Silva NR, Thompson VP, Bonfante G. Slow cooling protocol improves fatigue life of zirconia crowns. Dent Mater 2015; 31(2): 77–87.
  29. Tang YL, Kim JH, Shim JS, Kim S. The effect of different cooling rates and coping thicknesses on the failure load of zirconia-ceramic crowns after fatigue loading. J Adv Prosthodont 2017; 9(3): 152–8.
  30. Sailer I, Gottnerb J, Kanelb S, Hämmerle CH. Randomized controlled clinical trial of zirconia-ceramic and metal-ceramic posterior fixed dental prostheses: a 3-year follow-up. Int J Prosthodont 2009; 22(6): 553–60.
  31. Larsson C, El Madhoun S, Wennerberg A, Vult von Steyern P. Fracture strength of yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals crowns with different desing: an in vitro study. Clin Oral Implants Res 2012; 23(7): 820–26.
  32. Miyazaki T, Nakamura T, Matsumura H, Ban S, Kobayashi T. Current status of zirconia restoration. J Prosthodont Res 2013; 57(4): 236–61.
  33. Denry I, Kelly JR. Emerging ceramic-based materials for dentistry. J Dent Res 2014; 93(12): 1235–42.
  34. Chevalier J, Deville S, Münch E, Jullian R, Lair F. Critical effect of cubic phase on aging in 3mol% yttria-stabilized zirconia ceramics for hip replacement prosthesis. Biomaterials 2004; 25(24): 5539–45.
  35. Sulaiman TA, Abdulmajeed AA, Donovan TE, Vallittu PK, Närhi TO, Lassila LV. The effect of staining and vacuum sintering on optical and mechanical properties of partially and fully stabilized monolithic zirconia. Dent Mater J 2015; 34(5): 605–10.
  36. Stawarczyk B, Frevert K, Ender A, Roos M, Sener B, Wimmer T. Comparison of four monolithic zirconia materials with conventional ones: contrast ratio, grain size, four-point flexural strength and two-body wear. J Mech Behav Biomed Mater 2016; 59: 128–38.
  37. Sulaiman TA, Abdulmajeed AA, Donovan TE, Ritter AV, Vallittu PK, Närhi TO. ym. Optical properties and light irradiance of monolithic zirconia at variable thicknesses. Dent Mater 2015; 31(10): 1180–7.
  38. Harianawala HH, Kheur MG, Apte SK, Kale BB, Sethi TS, Kheur SM. Comparative analysis of transmittance for different types of commercially available zirconia and lithium disilicate materials. J Adv Prosthodont 2014; 6(6): 456–61.
  39. International Organization for Standardization. ISO 6872: 2015(E): Dentistry – Ceramic materials. Berliini: ISO; 2015.
  40. Hjerppe J, Lassila LV, Rakkolainen T, Närhi T, Vallittu PK. Load-bearing capacity of custom-made versus prefabricated commercially available zirconia abutments. Int J Oral Maxillofac Implants 2011; 26(1): 132–8.
  41. Adatia ND, Bayne SC, Cooper LF, Thompson JY. Fracture resistance of yttria-stabilized zirconia dental implant abutments. J Prosthodont 2009; 18(1): 17–22.
  42. Zembic A, Philipp AO, Hämmerle CH, Wohlwend A, Sailer I. Eleven-year follow-up of a prospective study of zirconia implant abutments supporting single all-ceramic crowns in anterior and premolar regions. Clin Implant Dent Relat Res 2015; 17 Suppl 2: e417–26.
  43. Fabbri G, Fradeani M, Dellificorelli G, De Lorenzi M, Zarone F, Sorrentino R. Clinical evaluation of the influence of connection type and restoration height on the reliability of zirconia abutments: a retrospective study on 965 abutments with a mean 6-year follow-up. Int J Periodontics Restorative Dent 2017; 37(1): 19–31.
  44. Abdulmajeed AA, Lim KG, Närhi TO, Cooper LF. Complete-arch implant-supported monolithic zirconia fixed dental prostheses: A systematic review. J Prosthet Dent 2016; 115(6): 672–7.
  45. Venezia P, Torsello F, Cavalcanti R, D’Amato S. Retrospective analysis of 26 complete-arch implant-supported monolithic zirconia prostheses with feldspathic porcelain veneering limited to the facial surface. J Prosthet Dent 2015; 114(4): 506–12.
  46. Bakitian F, Seweryniak P, Papia E, Larsson C, Vult von Steyern P. Effect of different semi-monolithic designs on fracture resistance and fracture mode of translucent and high translucent zirconia crowns. Clin Cosmet Investig Dent 2018; 10: 51–60.
  47. Depprich R, Zipprich H, Ommerborn M, Mahn E, Lammers L, Handschel J. ym. Osseointegration of zirconia implants: an SEM observation of the bone-implant interface. Head Face Med 2008; 4: 25.
  48. Cionca N, Hashim D, Mombelli A. Zirconia dental implants: where are we now, and where are we heading? Periodontol 2000 2017; 73(1): 241–58.
  49. Sanon C, Chevalier J, Douillard T, Kohal RJ, Coelho PG, Hjerppe J. ym. Low temperature degradation and reliability of one-piece ceramic oral implants with porous surface. Dent Mater 2013; 29(4): 389–97.
  50. Balmer M, Spies BC, Vach K, Kohal RJ, Hämmerle CHF, Jung RE. Three-year analysis of zirconia implants used for single-tooth replacement and three-unit fixed dental prostheses: A prospective multicenter study. Clin Oral Implants Res 2018; 29(3): 290–9.
  51. Stober T, Bermejo JL, Schwindling FS, Schmitter M. Clinical assessment of enamel wear caused by monolithic zirconia crowns. J Oral Rehabil 2016; 43(8): 621–9.
  52. Amer R, Kürklü D, Johnston W. Effect of simulated mastication on the surface roughness of three ceramic systems. J Prosthet Dent 2015; 114(2): 260–5.
  53. Chang JS, Ji W, Choi CH, Kim S. Catastrophic failure of a monolithic zirconia prosthesis. J Prosthet Dent 2015; 113(2): 86–90.
  54. Taylor TD, Klotz MW, Lawton RA. Titanium tattooing associated with zirconia implant abutments: a clinical report of two cases. Int J Oral Maxillofac Implants 2014; 29(4): 958–60.
  55. Kim JS, Raigrodski AJ, Flinn BD, Rubenstein JE, Chung KH, Mancl LA. In vitro assessment of three types of zirconia implant abutments under static load. J Prosthet Dent 2013; 109(4): 255–63.
  56. Elsayed A, Wille S, Al-Akhali M, Kern M. Comparison of fracture strength and failure mode of different ceramic implant abutments. J Prosthet Dent 2017; 117(4): 499–506.
  57. Truninger TC, Stawarczyk B, Leutert CR, Sailer TR, Hämmerle CH, Sailer I. Bending moments of zirconia and titanium abutments with internal and external implant-abutment connections after aging and chewing simulation. Clin Oral Impl Res 2012; 23(1): 12–8.
  58. Worni A, Kolgeci L, Rentsch-Kollar A, Katsoulis J, Mericske-Stern R. Zirconia-based screw-retained prostheses supported by implants: a retrospective study on technical complications and failures. Clin Implant Dent Relat Res 2015; 17(6): 1073–81.