TITLE: History of CAD/CAM design – part 2. Overview of selected materials dedicated to the CAD/CAM technology. Design of a full-contour crown made of zirconium dioxide

STRESZCZENIE: W artykule przedstawiono przegląd wybranych materiałów przeznaczonych dla systemu CAD/CAM z podziałem na ich zastosowanie. Opisano proces wykonawstwa projektu korony pełnoceramicznej na ząb stały pierwszy trzonowy górny prawy w systemie CAD. Niniejsza praca stanowi część drugą artykułu
przedstawiającego historię technologii CAD/CAM od jej początków do czasów współczesnych.

SŁOWA KLUCZOWE: technologia CAD/CAM, materiały CAM, frezowanie, drukowanie 3D, projektowanie 3D

SUMMARY: The article presents an overview of selected materials dedicated to the CAD/CAMv technology, which are classified according to their use. The process of designing an all-ceramic crown for a permanent first upper right molar in the CAD system is described. This paper is the second part of the article presenting the history of the CAD/ CAM technology from its origins to modern times.

KEYWORDS: CAD/CAM technology, materials for CAM, milling, grinding, 3D printing, 3D design

W związku z postępem technologii cyfrowych nastąpił rozwój i rozszerzenie materiałów stosowanych w laboratorium techniki dentystycznej. Stworzyło to nowe możliwości zastosowania materiałów oraz ich obróbki.

Studenci technik dentystycznych, członkowie Studenckiego Koła Naukowego przy Zakładzie Technik Dentystycznych i Zaburzeń Czynnościowych Narządu Żucia Gdańskiego Uniwersytety Medycznego przystąpili
do projektu mającego na celu przedstawienie wybranych materiałów dedykowanych dla uzupełnień protetycznych CAD/CAM dostępnych na rynku stomatologicznym. Uczestnicy Koła Naukowego dodatkowo
wykonali projekt CAD korony pełnokonturowej w uczelnianej pracowni projektowej uzupełnień protetycznych CAD.

W technologii CAM istnieją trzy możliwości wykonania pracy protetycznej: frezowanie, drukowanie oraz wykorzystanie technologii spieku (ang. direct metal laser sintering). Wymienione technologie zostały szczegółowo opisane w pierwszej części artykułu, natomiast poniżej zostaną przedstawione produkty pozwalające stworzyć szeroki wachlarz uzupełnień protetycznych przy wykorzystaniu CAM.

Największy wybór materiałów jest dostępny w technologii CAM dla techniki frezowania. Materiały do frezowania występują w postaci prefabrykowanych bloczków, dysków o różnej grubości oraz składzie dostosowanym do potrzeb wykonywanej pracy.

Popularnym materiałem jest ceramika, która opiera się swym składem na bazie: ceramiki skaleniowej, ceramiki hybrydowej, ceramiki szklanej i ceramiki hybrydowej. Różnią się one składem chemicznym, sposobem otrzymywania oraz strukturą. Wszystkie materiały ceramiczne są odporne na wpływ środowiska
chemicznego, obojętne chemicznie wobec środowisk mocno kwasowych oraz zasadowych, a także wyróżniają się wysoką estetyką. Znajdują szerokie zastosowanie w protetyce stomatologicznej w wytwarzaniu uzupełnień stałych (1).

Wybierając poszczególne rodzaje ceramik, należy wziąć pod uwagę zastosowanie materiału.

Jednym z dostępnych produktów do frezowania są bloczki stworzone na bazie ceramiki skaleniowej. Porcelana skaleniowa składa się z mieszaniny kwarcu, skaleni – krzemianów glinowo-potasowych i gliniano-sodowych (2). Charakteryzuje się bardzo dobrą estetyką, barwą zbliżoną do naturalnych kolorów zębów. Jest biokompatybilna i lekka. Dla technologii CAD/CAM występuje w trzech formach barwienia: monochromatyczne (jednobarwne), polichromatyczne (wielobarwne) oraz polichromatyczne ze zintegrowaną warstwą 3D. Ze względu na właściwość ceramiki skaleniowej, jaką jest mała wytrzymałość na zginanie i kruchość, bloczki stosuje się do małych rekonstrukcji estetycznych, takich jak: wkłady, nakłady, półkorony, mosty, korony i licówki w odcinku przednim.

Kolejnym materiałem stworzonym na potrzeby systemu CAM jest ceramika szklana. Na rynku jest dostępna na bazie dwukrzemianu litu oraz z dodatkiem tlenku cyrkonu.

Bloczki z ceramiki szklanej na bazie dwukrzemianu litu, do których zaliczamy bloczki IPS e.max CAD (fot. 1),
są dostępne w trzech różnych stopniach nieprzezierności. Należą do nich nieprzezierne bloczki MO dla metody nakładania warstw oraz przezierne bloczki LT i HT do stosowania metodą chairside (malowanie). Stopień przezierności należy dobrać w zależności od wymagań klinicznych (kolor kikuta, pożądany kolor zęba)
danego przypadku (3).

Bloczki ceramiki szklanej wzmacniane tlenkiem cyrkonu posiadają zwiększoną wytrzymałość na wysokie
temperatury, odporność na ściskanie i ścieranie. Dzięki zintegrowanej przezierności, opalescencji i fluorescencji posiadają wysoki poziom estetyczny w gotowej pracy protetycznej. Zalicza się je do grupy
materiałów szklano-ceramicznych. Na rynku są dostępne bloczki w dwóch stopniach przezierności, np.
Suprinity PC (fot. 2) wykorzystywane do uzupełnień takich jak korony w odcinkach bocznych oraz w odcinkach
przednich, dla koron na implantach, licówek oraz wkładów i nakładów.

Następnym materiałem dostępnym do systemu CAM jest ceramika hybrydowa (fot. 3). Składa się ze spieczonej siatki macierzystej, w której materiał polimerowy wypełnia wolne przestrzenie. Materiał ceramiki
hybrydowej to podwójnie usieciowana struktura ceramiczno-polimerowa w 86% z części ceramicznej i 14% organicznej części polimerów. Ceramika hybrydowa wykazuje wysoką elastyczność w porównaniu z tradycyjnymi ceramikami wykorzystywanymi w dentystyce (4). Na rynku są dostępne bloczki monochromatyczne i multichromatyczne w trzech stopniach przezierności. Tego typu materiał wykorzystuje
się do wykonania koron w odcinkach bocznych, rekonstrukcji powierzchni żujących, koron, licówek,
koron na implantach. Produkt jest dostępny w postaci bloczków oraz krążków.

Kolejnym z materiałów posiadających szerokie zastosowanie w technologii CAD/CAM jest dwutlenek cyrkonu. Jest on biokompatybilny, charakteryzuje się niską adhezją bakterii oraz pozwala uzyskać wysoką estetykę ze względu na półprzezierność i przepuszczalność światła. Cechą charakterystyczną ZrO₂ jest duży stopień jasności. Czysto chemiczny cyrkon jest bardzo jasny i biały, ale można nadać mu kolor barwnikami organicznymi (fot. 4a). W zależności od systemu dwutlenek cyrkonu jest proponowany przez firmy
w wielu odcieniach mono- lub multichromatycznych w czterech stopniach przezierności. Występuje również
jako półfabrykat w postaci krążków i bloczków do systemu CAD/CAM o swoistym barwieniu warstwowym
na całej powierzchni prefabrykatu, pożądanym przy wykonawstwie uzupełnień pełnocyrkonowych (fot. 4b)    (5, 6).

Oprócz materiałów do długoczasowego użytkowania w jamie ustnej pacjenta stworzono produkty tymczasowe na tak zwane prowizorium w oczekiwaniu na docelową pracę. Przykładem takiego materiału jest kompozyt np. CAD-TEMP, z wysoce usieciowanego polimeru akrylowego z mikrowypełniaczem do wykonania prowizoriów na okres do 3 lat. Innym powszechnie znanym materiałem tymczasowym jest PMMA (polimetakrylan metylu) dla prac nieprzekraczającychczasu użytkowania powyżej 12 miesięcy. Oba materiały są dostępne w postaci dysków oraz bloczków dostosowanych wielkością w zależności od wielkości uzupełnienia protetycznego do wykonawstwa tymczasowych koron i mostów. Są dostępne w różnej kolorystyce.

W związku z dużym zainteresowaniem technologią zaczęto tworzyć bloczki do technologii frezowania
z innych materiałów, takich jak: wosk, acetal i stopy metali do frezowania.

W technologii CAD/CAM jest używany wosk syntetyczny z wysoką temperaturą topnienia, który spala się bezresztkowo. Jest dostępny w krążkach o różnej średnicy, grubości i twardości. Wykorzystuje się go do wykonywania inlay, onlay, koron i mostów. Konstrukcje wykonane z tego materiału mogą być przetwarzane w docelowe uzupełnienia techniką odlewania i tłoczenia.

Kolejnym materiałem, kompatybilnym z systemem CAD/CAM, z którego można wykonać szereg uzupełnień
protetycznych, jest acetal. Jest on tworzywem termoplastycznym zbudowanym z polioksymetylenu powstającego w wyniku polimeryzacji formaldehydu.

Żywica acetalowa odznacza się: niskim przewodnictwem cieplnym, dobrą wytrzymałością mechaniczną oraz niskim ciężarem właściwym. Co bardzo ważne, materiał ten nie wykazuje właściwości abrazyjnych elementów retencyjnych względem tkanek zęba, a wykonane uzupełnienia są lekkie, elastyczne i sprężyste. Z krążków acetalowych można wyfrezować protezy ruchome. Materiał ten znajduje również swoje zastosowanie w wykonawstwie: szyn nagryzowych, ochraniaczy na zęby, szyn wybielających oraz nakładek typu snap-on. Z acetalu można również wykonać tymczasowe korony i mosty oraz wkłady koronowo-korzeniowe (7).

Stopami metali wykorzystywanymi do frezowania w technologii CAD/CAM oraz spieku laserowego są stopy chromowo-kobaltowe oraz stopy tytanu. Chrom zapewnia odporność na matowienie i korozję, kobalt zwiększa moduł elastyczności, a także wytrzymałość i twardość. Tytan jest doskonale biokompatybilny w porównaniu z innymi metalami nieszlachetnymi. Posiada niski współczynnik przewodnictwa cieplnego, dzięki czemu zapobiega przegrzaniu miazgi. Uzupełnienia wykonane ze stopów tytanu są sztywne i twarde, a niska gęstość sprawia, że są lekkie. Są one także odporne na korozję (8). Oba wymienione stopy umożliwiają wykonanie protez szkieletowych, belek oraz podbudowy pod korony i mosty licowanych ceramiką.

W zależności od techniki wytwarzania stopy metali mogą występować w różnych postaciach. W technologii
frezowania używa się dysków o różnych średnicach i grubościach. W technice spieku laserowego wykorzystuje się stopy metali w formie proszku.

W związku z tak dynamicznym rozwojem technologii CAD/CAM zaczęto poszukiwać alternatywy dla tradycyjnej metody odlewania modeli gipsowych (fot. 5). Z czasem zaczęto drukować modele z żywic dentystycznych przy pomocy drukarek 3D, które służą również do wydruków uzupełnień protetycznych, np.: koron, mostów, szyn oraz protez ruchomych.

Druk 3D staje się standardem w nowoczesnej pracowni techniki dentystycznej, ponieważ charakteryzuje
się krótszym czasem pracy w porównaniu do metod tradycyjnych, zapewnia doskonałe odwzorowanie modeli oraz zaprojektowanych prac, co ogranicza ryzyko błędu, a w przypadku jego wystąpienia – szybką korektę. Materiałem dentystycznym wykorzystywanym do druku 3D jest przede wszystkim żywica.

Obecnie na rynku dentystycznym są wykorzystywane dwie technologie drukarek do formowania żywic: SLA (ang. stereolitography), która jest technologią addytywną wymagająca żywic z oznaczeniem laser. Drugą jest DLP (ang. digital light processing), która opiera się na utwardzeniu żywicy z sygnaturą UV DLP poprzez światło projektora. Należy również zwrócić uwagę, czy dany producent drukarki 3D nie wymaga do użytku żywicy własnej produkcji.

Żywice przeznaczone do drukarek SLA oraz DLP mają szerokie zastosowanie. Służą do produkcji modeli
protetycznych, ortodontycznych. Żywice dentystyczne mogą być wykorzystane do wytworzenia niestandardowych łyżek wyciskowych bądź elastycznych masek dziąsłowych nakładanych na model. Ponadto producenci oferują wydruk koron protetycznych pełnokonturowych tymczasowych, jak i stałych, licówek oraz trzypunktowych mostów protetycznych. Natomiast w celu ułatwienia produkcji prac lanych można wykorzystać
żywice przeznaczone do bezresztkowego wypalenia. Producenci oferują również inne biokompatybilne materiały, które np. w tym przypadku umożliwią produkcję protez całkowitych i częściowych. Żywice dodatkowo umożliwiają druk: przezroczystych nakładek okluzyjnych, szyn zgryzowych, szablonów chirurgicznych oraz pozycjonerów zamków ortodontycznych.

Produkty różnią się ceną oraz dopasowaniem do poszczególnych modeli drukarek 3D. Należy również pamiętać, aby po każdym druku oczyścić wydrukowany projekt poprzez umieszczenie go w specjalnym roztworze – np. izopropanolu, rozpuszczającym resztki żywicy. Producenci żywic posiadają w swojej ofercie dedykowane środki czyszczące wraz z zaprojektowanym przez siebie urządzeniem czyszczącym (9).

Po zapoznaniu się z technologią CAD/CAM i dedykowanymi dla niej materiałami dostępnymi na rynku studenci Koła Naukowego Technik Dentystycznych przy Zakładzie Technik Dentystycznych i Zaburzeń Czynnościowych Narządu Żucia wykonali projekt CAD zęba 16 z dwutlenku cyrkonu w technice frezowania.

W ramach projektu wykonano modele szczęki i żuchwy, używając gipsu klasy 4 dedykowanego technologii CAD/CAM. Wykonano separację segmentu, na którym zaplanowano projektowanie pracy. Gotowe modele umieszczono w skanerze laboratoryjnym i rozpoczęto dwuetapowy proces skanowania (fot. 6). Pierwszym etapem było zeskanowanie oddzielnie modeli szczęki i żuchwy, a następnie w zwarciu nawykowym. Drugim etapem było zeskanowanie segmentu modelu, na którym później zaprojektowano koronę pełnokonturową. Następnie sprawdzono dokładność dopasowania poprzez nałożenie skanów na siebie (fot. 7). Po ich zaakceptowaniu przystąpiono do projektowania w systemie CAD 3Shape Dental System™ korony na ząb 16.

W pierwszym kroku ustalono tor wprowadzania, czyli określono kierunek, w którym przyszła korona będzie wprowadzona na filar oszlifowanego zęba (fot. 8). Kierunek toru wprowadzania można ustalić precyzyjnie oraz zweryfikować obszar podcięć dla wyznaczonego toru wprowadzania. Na tym etapie należy pamiętać, aby obszar powyżej krawędzi preparacji nie nale ał do żadnego obszaru podcięcia, ponieważ uniemożliwi to wykonanie odpowiedniego zasięgu korony w dalszych etapach pracy.

Kolejnym etapem w projektowaniu CAM było naniesienie (wyznaczenie) granicy preparacji (fot. 9). Precyzyjnie
określony zasięg preparacji jest jednym z najważniejszych procesów, ponieważ to on ma wpływ na szczelność i dobre dopasowanie modelowanej korony.

Następnym elementem w projekcie było modelowanie oraz nadanie odpowiedniego kształtu poszczególnych
powierzchni zęba 16. Za pomocą dostępnych narzędzi dokonano skalowania, przemieszczania i obrotu do odpowiedniej pozycji korony. Model można obrócić po włączeniu i przeciągnięciu jednego z wyświetlanych punktów, natomiast widoczne strzałki wskazują kierunek orientacji (fot. 10).

Po ustaleniu położenia korony nadano kształt poszczególnym guzkom i ukształtowano powierzchnią korony. Funkcja „Morfing” umożliwia przeciąganie jego określonych części, a wyświetlająca się siatka zmienia kolor i położenie w zależności od kierunku widzenia oraz wskazuje amplitudę przeprowadzanej procedury (fot. 11).

W ostatnim etapie modelowania korony za pomocą narzędzia „Nóż do wosku” doprecyzowano kształt projektowanej korony poprzez dodanie, odjęcie materiału oraz jej wygładzenie. Za pomocą odpowiednich
suwaków można określić promień i poziom działania noża, tym samym określając ilość dodanego lub
odjętego materiału. W celu weryfikacji wykonanego projektu dokonano pomiaru grubości korony oraz sprawdzenia odległości do przeciwległych zębów w zgryzie (fot. 12). Po zaprojektowaniu korony w celu weryfikacji prawidłowej okluzji umieszczono całość pracy w wirtualnym artykulatorze i podano analizie (fot. 13). Tak wykonaną koronę na ząb 16 przesłano do centrum frezowania CAM (fot. 14).

Zakończenie

Materiały wykorzystywane w protetyce stomatologicznej różnią się składem, wyglądem, wytrzymałością
na pękanie i zginanie, twardością, temperaturą topnienia, zastosowaniem oraz ceną. Oprogramowanie projektowe CAD oraz CAM z pomocą frezowania, druku lub technologii spieku pozwala stworzyć estetyczne
i precyzyjne odbudowy uzębienia. Precyzyjne metody wytwarzania prac protetycznych są obecnie oparte
na nowoczesnych technologiach komputerowych, co zostało opisane artykule. Zastosowanie systemu CAD/CAM w protetyce skutkuje nie tylko zmianą samej technologii wykonywania uzupełnień protetycznych,
ale niesie ze sobą nową jakość w stomatologii.

Piśmiennictwo dostępne na dentalmaster.pl.

Fot. 1. Korona frezowana – ceramika szklana IPS e.max CAD

Fot. 2. Korona frezowana – ceramika szklana Suprinity PC

Fot. 3. Korona frezowana – ceramika hybrydowa Enamic

Fot. 4a. Dwutlenek cyrkonu przed procesem synteryzacji

Fot. 4b. Dwutlenek cyrkonu po procesie synteryzacji

Fot. 5. Modele drukowane z żywicy NextDent

Fot. 6. Skanowanie modelu

Fot. 7. Skan modeli – obraz 3D

Fot. 8. Wyznaczenie toru wprowadzania korony

Fot. 9. Wyznaczenie granicy preparacji

Fot. 10. Ustalenie położenia zęba 16

Fot. 11. Nadanie kształtu korony (funkcja Morfing)

Fot. 12. Pomiar grubości korony i odległości od przeciwzgryzu

Fot. 13. Wirtualny artykulator

Fot. 14. Gotowa korona protetyczna na ząb 16 zaprojektowana w CAD