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Zirconio

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Introduzione

La ceramica nell'arte dentaria moderna è sempre esistita (1900).
Allora si realizzavano inlay e denti unitari senza metallo cuocendo la ceramica su fogli di platino che poi venivano rimossi.
Negli anni '60 la metallo ceramica ha subito rimpiazzato questa tecnica perchè permetteva di realizzare corone ma sopratutto ponti estesi più resistenti alla flessione e di includere attacchi. Questa tecnologia ha avuto un successo che gli riconosciamo da 50 anni e resta ancora d'attualità.
Nonostante questo, malgrado i milioramenti fatti negli anni per questo procedimento, oggi non sono più sufficienti a soddisfare la domanda dei pazienti nel campo estetico e della biocompatibilità.
Sempre di più, nuove ceramiche con proprietà migliorate sono apparse permettendoci in certi casi di fare a meno dell'armatura metallica.
L'inizio di questa nuova era sembrava essere molto promettente, ma molti tentennamanti e precipitazioni ci hanno fatto conoscere qualche insuccesso e dubbio.
La zirconia entra nel mondo dentale all'inizio degli anni '90. La sua lavorazione eseguibile solo con Cad-Cam ha avuto ( come per ogni nuova tecnica) qualche problema in partenza, vuoi per problemi informatici, meccanici, di messa a punto dei materiali e per la mancanza di studi negli anni.
Oggi possiamo dire che l'ossido di zirconio si è imposto come materiale dell'avenire assieme al titanio e le vetro-resine.


Ossido di zirconio :
http://it.wikipedia.org/wiki/Zirconio

Nome

La "zirconia" (ZrO2) è più esattamente l'ossido dello zirconio metallico
Formula
Y-TZP = ossido di zirconio tetragonale policristallino stabilizzato con yttrio.
Forma
A temperatura ambiente è una sostanza cristallina polimorfa, bianca ed inodore.
Proprietà
Fino a 1170° C
presenta struttura cristallina monoclina.
Da 1170 °C a 2370 °C presenta struttura cristallina
tetragonale.
Oltre 2370 °C presenta struttura cristallina
cubica.
Il punto di fusione è 2680 °C.
Eccellenti proprità meccaniche a temperature elevate
Bassa conduttività termica a temperatura ambiente
Conduttore elettrico solo dai 1000°C
Grande durezza, buona resistenza all'usura, inerte chimicamente
Resistenza alla flessione circa 1320 MPa
Peso specifico ridotto
Stabilità dimensionale nelle cotture
Alto grado di traslucidità
Stabilità ionica e ottima biocompatibilità
Composizione chimica 3Y-TPZ-A
Diverse aziende del settore dentale propongono materiali a base di ossido di zirconio. Questi materiali sono chimicamente simili e consistono in policristalli tetragonali di zirconia trattati con ossido di ittrio al 3%. In molti casi, sono anche trattati con una minima concentrazione di allumina (<0,25 %) per prevenire la dispersione dell’ossido di ittrio. Questa combinazione assicura la sicurezza e la longevità dei restauri in Zirconia.


Altre Proprietà
Lo ZrO2 puro ha una struttura cristallina monoclina a temperatura ambiente e a temperature elevate presenta transizioni a tetragonale e cubico. L'espansione di volume causata dalla transizione da cubico a tetragonale a monoclina induce sforzi molto grandi e quindi lo ZrO2 tende a fessurarsi durante raffreddamenti bruschi.
Per ovviare a questo problema, vengono aggiunti ossidi di vario tipo per stabilizzare le fasi tetragonali e/o cubiche: ossido di magnesio (MgO), ossido dell'ittrio (YO) e ossido di calcio (CaO). Nel dentale viene usato maggiormente la formula Y-TZP che non è altro una stabilizzazione dell'ossido di zirconio con Yttrium (3%). In alcuni casi, la fase tetragonale può essere metastabile. Se le quantità della fase tetragonale metastabile è sufficiente, applicando uno sforzo si ha una concentrazione di sforzo all’apice della cricca che può indurre la transizione da fase tetragonale a monoclina, con l'espansione di volume collegata. Questa trasformazione di fase mette la cricca in compressione, ritardando la relativa propagazione ed aumentando la resistenza a frattura. Questo meccanismo estende l'affidabilità ed il corso della vita dei prodotti fatti con la zirconia stabilizzata. Un caso speciale della zirconia è quello della zirconia policristallina o di TZP tetragonale.

Parametri di processo per la Zirconia pre-sinterizzata che influiscono sulle prestazioni
Nonostante la zirconia sia chimicamente simile, una volta processata può mostrare caratteristiche meccaniche e ottiche diverse.
Lavorando con la Zirconia si possono sperimentare le differenze nella lavorabilità (es. fresatura a umido e a secco) e nella sinterizzazione.
In generale, sul mercato sono disponibili la zirconia presinterizzata e la zirconia HIP (pressione isostatica a caldo). La zirconia pre-sinterizzata viene fresata quando il materiale ha ancora una consistenza morbida, come il gesso. Per raggiungere la massima densità, il materiale viene nuovamente sinterizzato dopo la fresatura. Il materiale HIP viene fresato invece nello stato di completa sinterizzazione.
La tabella descrive le differenze della Zirconia pre-sinterizzata.
La preparazione dei pezzi grezzi pre-sinterizzati da parte del produttore differisce in funzione dell’origine della polvere di Zirconia e delle condizioni di pressatura e pre-sinterizzazione selezionate.



Lavorazione
La zirconia pre-sinterizzata viene preparata in tre fasi principali. La polvere di zirconia viene pressata e pre-sinterizzata e questo avviene normalmente presso il produttore.
La preparazione dei pezzi grezzi pre-sinterizzati da parte del produttore differisce in funzione dell’origine della polvere di Zirconia e delle condizioni di pressatura e pre-sinterizzazione selezionate.
1) Polvere:
Le polveri di zirconia disponibili possono avere dimensioni diverse dei grani, diverse distribuzioni delle dimensioni dei grani e diversi additivi (cioè, il legante per il passo di pressatura).
Gli additivi di ossido di Yttrio e Allumina possono essere distribuiti nel materiale in modi diversi, e cioè in modo omogeneo in tutto il materiale, o con una maggiore concentrazione di grani ai bordi ecc. La dimensione dei grani ha effetto sulla resistenza e sull’indurimento di trasformazione, una caratteristica meccanica fondamentale della Zirconia. Le variazioni nella distribuzione della dimensione dei grani influiscono sulla porosità e quindi sulla traslucenza del materiale. La distribuzione degli additivi può influenzare la stabilità idrotermica del materiale sinterizzato.
2) Condizioni di pressatura:
La polvere viene prima pressata, e il processo può essere eseguito con procedure diverse (cioè, isostaticamente o assialmente).
Le condizioni di pressatura vengono regolate al fine di ottenere un pezzo grezzo ottimizzato per la fase di pre-sinterizzazione.
La metodologia di pressatura influenza l’omogeneità e la densità di distribuzione del materiale e quindi l’adattamento marginale. Le condizioni di pressatura possono causare differenze nella resistenza, nella traslucenza e influire sulla temperatura finale di sinterizzazione della Zirconia.
3) Pre-sinterizzazione:
La polvere pressata di Zirconia viene quindi pre-sinterizzata in un forno, con un profilo di temperatura ottimizzato, per generare un pezzo grezzo con adeguata resistenza e fresabilità.
4) Colorazione:
Alcuni materiali a base di Zirconia possono essere colorati nello stato pre-sinterizzato immergendo cappette e strutture in un liquido colorante. Questo consente l’assorbimento degli agenti coloranti all’interno del materiale. La colorazione può essere ottenuta tramite pigmenti (grani), o agenti non pigmentati (ioni). E’ importante controllare l’effetto del liquido colorante sulle caratteristiche meccaniche dell’ossido di zirconio.

Pressatura isostatica
La pressione multi direzzionale viene esercitata tramite un mezzo fluido sul materiale polverizzato.
La tecnica è particolarmente indicata quando è necessario addensare grandi quantità di polvere per creare blocchi o giometrie voluminose. Di solito si addensa dapprima un pezzo pressato sovradimensionato, dal quale saranno ottenuti i singoli pezzi.

Pressatura monoassiale
Questa tecnica prevede l'introduzione della polvere in uno stampo di pressatura massiccio (utensile) e l'applicazione di pressione mediante un punzone superiore e uno inferiore in modo da ottenere un profilo finale del grezzo presinterizzato che non necessiti rifiniture.

Durabilità chimica
La durabilità è una delle più importanti proprietà chimiche richieste ai materiali dentali causa la presenza nel cavo orale di un ampio spettro di temperature, PH ed agenti chimici i quali possono attaccarli e nel tempo degradarli.Tra i vari materiali usati per protesi dentali, la ceramica è il più inerte e con il maggior grado di resistenza e durata come dimostrato dalle ricerche di Anusavice.

Applicazioni industriali
I tessuti umani tollerano facilmente questo metallo, che quindi è adatto per giunti e protesi artificiali impiantabili, nonché nella realizzazione di strutture per protesi dentarie.
Viene usato anche per produrre scambiatori di calore, leghe speciali e ( come
getter, ovvero come agente degasatore ) nelle valvole termoioniche e nelle lampadine a incandescenza.
Quando è in lega con il niobio, lo zirconio è superconduttore a basse temperature e si usa per costruire magneti superconduttori; è anche possibile che cavi di tale materiale vengano usati su larga scala nella produzione e nella distribuzione dell'energia elettrica.
La fase cubica di zirconia inoltre ha una conducibilità termica molto bassa, che ha condotto al relativo uso come rivestimento di barriera termica o a TBC in turbina e motori diesel per permettere il funzionamento a più alte temperature. È utilizzata come materiale refrattario, nell'isolamento, in abrasivi, in smalti ed in glasse di ceramica.L'ossido impuro di zirconio, lo zircone, è usato per fabbricare crogiuoli da laboratorio in grado di sopportare forti shock termici, per il rivestimento di fornaci in metallurgia e dall'industria del vetro e della ceramica come materiale refrattario.
La zirconia è inoltre un materiale dielettrico ad alto-K importante, che si sta studiando per le applicazioni come isolante in transistori in dispositivi nanoelettronici futuri.

Storia
Fu scoperto nel 1789 da Martin Heinrich Klaproth e isolato nel 1824 da Jons Jakob Berzelius.
L'analisi di Klaproth di uno zaffiro proveniente da Sri Lanka (allora Ceylon) rivelò che questo minerale conteneva un elemento ancora sconosciuto, che egli battezzò Zirkonertz.
Nel 1998 con i primi studi effettuati nella clinica odontoiatrica dell’universita’ di Zurigo vennero utilizzate delle corone e ponti in ossido di zirconio prodotte con il sistema DCM che dimostrarono da subito una elevata e straordinaria resistenza alla rottura.
Visto il suo elevato grado di
biocompatibilità e leggerezza sta divenendo oggi il materiale d’eccellenza nella realizzazione di restauri dentali di alta qualita’.Lo si può utilizzare in questo campo grazie alla innovativa tecnologia CAD/CAM fresando blocchi di ossido di zirconio presinterizzato ad uno stato di consistenza morbida e di buona lavorabilita’denominato Y-TZP.


Conclusioni
Tra i grandi pregi della Zirconia, in luogo delle altre leghe dentali, va menzionato il fattore estetico di certo non raggiungibile con i metalli, soprattutto in termini di traslucidità, è inoltre notevole la compatibilità biologica e la stabilità ionica, nonché il peso specifico ridotto.
L’utilizzo della ceramica in zirconia grazie alla tecnologia CAD/CAM ha portato grossi vantaggi alla realizzazione di protesi dentarie sempre più precise, più simili a quelle naturali e in grado di soddisfare le esigenze estetiche di ogni paziente.
L’utilizzo di questa ceramica in odontoiatria è quindi giustificato perché:
- da più di 35 anni è utilizzato in medicina
- è un materiale inerte se purificato
- la biocompatibilità della zirconia è ormai dimostrata a livello scientifico

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