CN1433294A - 牙科用陶瓷材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种牙科陶瓷,这种陶瓷的烧结体的成分为90wt%以上的羟基磷灰石(HA;Ca5(PO4)3OH),它可用简单的方法制造,耐久性好,若烧结体为各向异性的,则光学性质类似天然物质。

Description

牙科用陶瓷材料及其制造方法
本发明涉及牙科用陶瓷材料,特别涉及补牙和镶牙用陶瓷材料。本发明还涉及制造这种牙科用陶瓷的方法以及使用的原料。
很久以来,人们就知道人和动物牙齿法郎质基本上是由羟基磷灰石(HA;Ca5(PO4)3OH)构成的。有人研制出各种方法来制造适合于牙科应用的尤其是嵌体或假牙合成的羟基磷灰石。
有人提出具有各式各样添加物的羟基磷灰石作为假牙陶瓷。例如在德国专利DE 3935062中就曾有人建议在羟基磷灰石内加入易溶的磷酸钙,如三斜磷钙石或水镁石。
从德国专利DE 19614016中荻悉,在羟基磷灰石沉淀之前的水相中添加了二磷酸盐或多磷酸盐。在最终产品中同样地给羟基磷灰石混入了磷酸三钙。
最新的技术观点,也是众所周知的美国专利US 4,097,935中提出主要以纯的羟基磷灰石作为牙科陶瓷。美国专利公开的羟基磷灰石陶瓷的物理性质是各向异性的,特别是在光学上不是双折射的。
按照上述技术观点来说,所有假牙陶瓷都是共同的,即它们都具有生物相容性,而且在其化学性质上一般在口腔中都有极大的稳定性。然而其缺点则是这些陶瓷物质是不透明的。因此,在纯的状态下它们表现为纯白的,使人联想到白垩的未精制状态以及白瓷器在擦亮时的状态。这些材料的染色可能性极其有限。原来类似天然的牙齿颜色是达到不到的。
所以,本发明的目的是创造一种假牙陶瓷,一种制造假牙陶瓷的方法以及牙科用的原料,它除了天然牙齿法郎质的基本性质以外,还近似于未来光学的天然牙齿的法郎质。
这个目的是通过具有权利要求1的特征部分描述的一种陶瓷而得到解决的。该目的还通过具有权利要求7的特征部分描述的一种方法来解决的。
因为烧结体是各向异性的,所以构成烧结体的晶体的光栅网络面按优选极化方向取向。使烧结体的内部反射变小。由于这个缘故,烧结体本身在一定程度上是透明的,这使其近似于天然的牙齿法郎质。
尤其是在可见光的范围内的折射率是各向异性的时候,而且烧结体又是显示双折射的时候,烧结体的光学性质就处于优先的范围之内。同时,当折射率之差为Δn≥110-4之际,特别是当Δn≥110-3时会出现一种特殊的天然的外观。在这样的双折射中,位于牙齿法郎质下面的牙齿颜色的材料的颜色乃是决定性的。那就是说,它们肯定能调整而超过位于其下的粘合剂的颜色。首先,烧结体在相关的X-射线衍射上是各向异性的,此时由于结构的关系,反射强度也被烧结体中的优选极化方向所改变。这样一种各向异性是一个优点,因为,借此可以避免产生一个对形成双折射(如通过散射而形成充满空气的椭圆形的空腔)有利的基于结构反应的固有双折射。为此光学性质得到改善。最后,如果各向异性取向一个已知的轴,如一个圆柱陶瓷体的对称轴的话,也是有好处的。这样烧结体的性质,如有关力学上的加工也肯定会得到改善。
烧结体的磷酸三钙(TCP)和/或另一种难溶的磷酸盐的含量为≤4wt%时是有益的。这同样可促进微小的暗度以及物质在口腔内的稳定性。
因为按照本发明的方法所拟定的Ca/P的原子比例在1.66和1.68之间,所以,光学上有效的散射中心数量在烧结体中很小,这也降低了暗度。按照本发明的方法,沉淀的磷酸盐化合物主要为化学计算上的羟基磷灰石是有利的。
生料体的压制首先是用200巴至10000巴的内压进行的,尤其是在800巴至1,500巴的范围内。在后一种情况下,由于烧结体的光学性质和制造方法的经济可行性而产生一个良好的关系。压制主要是在圆柱状生料中沿轴的方向进行的。另外,如果用压杵在轴的方向上进行压制,则光学性质可以继续得到改善,这时压杵围绕着共轴而转动。
除此以外,该目的还利用一种牙齿陶瓷达到,该陶瓷是按照权利要求书中第7-11项所述的一种方法制造出来的。
如果若干微晶呈小棒状,长度为10纳米至1000纳米,而且厚度在5纳米和500纳米之间,则可用微晶的羟基磷灰石作牙科用原料,制作出具有预期性质的牙科陶瓷。
最后,该目的是按照权利要求书中第13项关于制造牙科陶瓷来治疗牙科疾病的描述,应用一种晶体羟基磷灰石来达到的。
下面是本发明的三个实例,现参见附图表进行综合描述。它们是:
表1:按照实例1而沉淀的磷酸钙在X-射线衍射图上的射线的半幅度;
表2:按照实例1的烧结体在X-射线衍射照片上的反射强度;
表3:按照实例2的烧结体在X-射线衍射照片上的反射强度;
图1:磨碎了的实例1的沉淀产物经放大30,000倍时的照片;
图2:磨碎了的实例2的沉淀产物经放大30,000倍时的照片;以及
图3:磨碎了的实例3的沉淀产物经放大30,000倍时的照片。
实施例1
在1公升的重蒸馏水(18MΩ/cm)中,溶入753g Ca(NO3)2·4H2O。从中取出250ml,并掺入44g NH3(32wt%)。在1公升的重蒸馏水(18MΩ/cm)中溶入17.33g(NH4)2HPO4。从中取出750ml,并掺入8.8g NH3(32wt%)。所有的化学药剂均为当年的纯度。在1.1公升的重蒸馏水的样品内,加入3ml Ca溶液和8.8g NH3(32wt%),并加热到70℃。
在大约5ml体积的一个外部反应器皿中进行反应,渗透约200ml/秒,搅拌速度为400/秒,高剪力,常温。以0.33ml/秒的速率滴入样品内。再以0.77ml/秒的速率将磷酸盐溶液倾入外部反应器皿中。
反应结束后,将沉淀在室温下的母液中静置18小时,然后用室温的重蒸留水在含有硝酸盐<5ppm的洗液中冲洗。过滤后,在210℃下干燥,则可获得14.12g的沉淀。
沉淀一种具有磷灰石的光栅结构的磷酸钙。不论是湿化学研究还是X-射线衍射光并在加热超过900℃后就能显示出在化学计算上的羟基磷灰石。
沉淀物是由分布相当疏松的针状颗粒组成的,长约150纳米,厚50纳米,如图1所示。(002)-反射的线路幅度在X-射线衍射图上明显小于网络平面的反射,该网络平行于C轴,请参见表1。
为了进一步加工,将沉淀在玛脑研体内粉碎成<250微米的颗粒,在2400巴的压力下轴向进行压制,然后在下列暂时的温度范围内进行烧结:室温至400℃:13℃/分;固定温度400℃:60分钟;400℃至850:10℃/分;固定温度850℃:120分钟;850℃至1195℃:3℃/分;固定温度1195℃:60分钟;冷却至室温:大约1.5℃/分。
生料体显示出一种固有的双折射,Δn=(2.0±0.5)×10-3,以“快轴”垂直于压制的方向。
通过烧结,我们获得一个密度为3.15g/cm3的透明物体。双折射被定在Δn=(0.82±0.11)×10-3,以C轴垂直于压制的方向。X-射线衍射图上显示烧结体为纯的羟基磷灰石。各向异性也在X-射线衍射照片上辩认出来。反射的强度列于表2。相对强度是当时射线所测量的强度在(211)晶面的-反射的强度的百分数。在“各向同性”的间隔中,标出了按照JCPDS的粉末样品的反射的相对强度。在“位置”间隔中,标出了相应的网络平面相对于C轴的大致取向。
实施例2
在1公升的重蒸馏水(18MΩ/cm)中,溶入153g Ca(NO3)2·4H2O。从中取出250ml,并掺入44g NH3(32wt%)。在1公升的重蒸馏水(18MΩ/cm)中,溶入17.33g(NH4)2HPO4。从中取出750ml,并掺入8.8g NH3(32wt%)。所有的化学药剂均为当年的纯度。在1.1公升的重蒸馏水的样品内,加入3ml Ca溶液和8.8g NH3(32wt%),并加热到75℃。
在大约5ml体积的一个外部反应器皿中进行反应,渗透约78ml/秒,搅拌速度为160/秒,常温。时间为16分钟。用大约0.32ml/秒的速率,将Ca-溶液滴入样品内。再以0.63ml/秒的速率将磷酸盐溶液倾入外部反应器皿内。
反应结束后,在室温下将沉淀静置18小时,然后用室温的重蒸留水在含有硝酸盐<5ppm的洗液中冲洗。过滤后,在210℃下干燥,则可获得产量13.25g的沉淀。沉淀相当松动,由结晶的针状物组成,其长约250纳米,厚50纳米,请参见图2。
为了进一步加工,将沉淀在玛脑研钵内粉碎成<250微米的小颗粒,在800巴的压力下轴向进行压制,然后在下列暂时的温度范围内进行烧结:室温至400℃:13℃/分;固定温度850℃:60分钟;400℃至850:10℃/分;固定温度850℃:120分钟;850℃至1195℃:3℃/分;固定温度1195℃:60分钟;冷却至室温:大约1.5℃/分。
生料显示出一种固有的双折射,Δn=(1.4±0.7)×10-3,以“快轴”垂直于压制的方向。烧结的结果是密度为3.14g/cm3的透明物体。双折射被定在Δn=(1.2±0.1)×10-3,以C轴垂直于压制的方向。X-射线衍射图上显示烧结体为纯的羟基磷灰石。各向异性也在X-射线衍射照片上辩认出来。反射的强度列于表3。相对强度说明了当时射线所测量的强度在(211)晶面的-反射的强度的百分数。在“各向同性”的间隔中,标出了按照JCPDS的粉末样品的反射的相对强度。在“位置”间隔中,标出了相应的网络平面相对于C轴的大致取向。
实施例3
在1公升的重蒸馏水(18MΩ/cm)中,溶入153g Ca(NO3)2·4H2O。从中取出250ml,并掺入44g NH3(32wt%)。在1公升的重蒸馏水(18MΩ/cm)中,溶入17.33g (NH4)2HPO4。从中取出750ml,并掺入8.8g NH3(32wt%)。所有的化学药剂均为化学纯度。在1.1公升的重蒸馏水的样品内,加入3ml Ca溶液和8.8g NH3(32wt%),并加热到80℃。反应在大约5ml体积的一个外部反应器皿中进行,渗透约为78ml/秒,搅拌速度在常温下为160/秒,以大约0.33ml/秒的速率,将Ca溶液滴入样品内。再以0.83ml/秒的速率,将磷酸盐溶液倾入外部反应器皿中。
反应结束后,在60℃下将沉淀物(经过100/分的搅拌)在母液中静置18小时,然后以室温下的重蒸留水在含有硝酸盐<20ppm的洗液中冲洗。过滤后,在210℃下干燥,则可获得产量大约14g的沉淀物。沉淀物是由长长的针状结晶组成的,其长度在150纳米和400纳米之间,其厚度则在50纳米和120纳米之间,请参见图3。
为了进一步加工,将沉淀物在玛脑研钵内粉碎成<250微米的小颗粒,在800巴的压力下轴向进行压制,然后在下列暂时的温度范围内进行烧结:室温至400℃:13℃/分;固定温度400℃:60分钟;400℃至850:10℃/分;固定温度850℃:120分钟;850℃至1195℃:3℃/分;固定温度1195℃:60分钟;冷却至室温:大约1.5℃/分。
烧结的结果是密度为3.14g/cm3的透明物体。双折射被定在Δn=(1.1±0.2)×10-3,以C轴垂直于压制的方向。X-射线衍射图上显示烧结体为纯的羟基磷灰石。
根据三个实施例,单独微晶的小棒状形态是可以用光栅电子显微镜或X射线衍射来证明的。图1是按照实例1的规定而沉淀的磷酸钙经放大30,000倍的光栅电子显微镜图像。个别颗粒在这里表现为长长的微晶,大小约为150纳米×50纳米。X射线衍射图所表明的沉淀微晶的针状特性比较明显。表1列出3按照实施例1而沉淀的磷酸钙的沉淀线路的半值幅度。因素2周围的较小的(002)-反射线路的幅度显示出微晶的针状形态,共网络平面垂直C轴,而对(200)-反射来说,其网络平面则平行于C轴。
此后烧结而成的假牙在光学上是类似天然的,并且在口腔中是稳定的。这表现在相关的去矿质作用和再矿质作用,几乎都象天然的牙齿法郎质。
  按2*Θ的射线半幅值
    反射     例1
  (002)   0.156
  (102)   0.223
  (111)   0.242
  (200)   0.334
  (202)   0.408
  (211)   0.431
  (310)   0.491
  (210)   0.384
  (301)   0.912
  (300)   0.601
  (212)   0.596
        表1
晶面 射线幅度 视色亮度 中间视色亮度 各向同性的   位置
  (002)   0.084   9.69   7   40   ⊥
  (112)   0.092   42.97   32   60   倾斜的
  (200)   0.049   8.26   6   10   ||
  (210)   0.054   29.87   22   17   ||
  (211)   0.062   135.44   100   100
  (300)   0.066   128.97   95   60   ||
  (310)   0.075   49.38   37   20   ||
                                       表2
  晶面   射线幅度   视色亮度 中间视色亮度 各向同性的   位置
  (002)   0.051   7.09   5   40   ⊥
  (112)   0.061   26.36   18   60   倾斜的
  (200)   0.046   9.08   6   10   ||
  (210)   0.087   53.65   37   17   ||
  (211)   0.063   145.71   100   100
  (300)   0.065   142.64   98   60   ||
  (310)   0.071   65.52   45   20   ||
                                          表3

Claims (13)

1.占90wt%以上的羟基磷灰石(HA;Ca5(PO4)3OH)的牙科用陶瓷,其特征在于,该陶瓷是各向异性的。
2.根据权利要求1所述的牙科用陶瓷,其特征在于,在可见光的范围内所射率为各向异性的,特别是生料和/或烧结体都显示出双折射。
3.根据上述权利要求之一的牙科用陶瓷,其特征在于,折射率之差为Δn≥1×10-4,特别是Δn≥2×10-3
4.根据上述权利要求之一的牙科用陶瓷,其特征在于,有关X射线衍射的烧结体是各向异性的,这时反射的强度按照结构效应的种类来说是通过烧结体内的优选极化方向而变化的。
5.根据上述权利要求之一的牙科用陶瓷,其特征在于,各向异性的方向垂直于一个已知的轴。
6.根据上述权利要求之一的牙科用陶瓷,其特征在于,磷酸三钙(TCP;Ca3(PO4)2)和/或另一种难溶的磷酸盐的含量小于或等于4wt%。
7.制造一种牙科用陶瓷的方法,其步骤如下:
沉淀物至少是一种磷酸钙化合物,这是一种水状或者有机水状的溶液形成的沉淀物;
沉淀可能是经过冲洗、干燥,也可能是经过粉碎;沉淀物被压制成生料体;
将生料体烧制;
其特征在于,Ca/P原子的比例在1.66和1.68之间。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,磷酸钙化合物基本上是化学上计算的羟基磷灰石(HA)。
9.根据上述权利要求之一的方法,其特征在于,生料体的压制是用200巴至10000巴特别是800巴至1500巴的内压进行的。
10.根据上述权利要求之一的方法,其特征在于,压制是在一个轴的方向上进行的。
11.根据上述权利要求之一的方法,其特征在于,压制是用一个压力杵沿着轴的方向进行的,这时压力杵是绕着其轴旋转的。
12.按照上述权利要求7至第11中之一项的方法制造的牙科用陶瓷。
13.作牙科用原料的结晶的羟基磷灰石,其特征在于,结晶是小棒状的,长度为70纳米至1000纳米,而厚度则在7纳米和500纳米之间。
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