Evaluación del daño por contacto en porcelana feldespática sobre circona dental

Abstract

Los materiales cerámicos son ampliamente utilizados en las restauraciones dentales como implantes y prótesis debido a sus excelentes propiedades mecánicas y estéticas y a su buena interacción con el ambiente fisiológico en que actúan. La circona recubierta con porcelana dental feldespática está siendo cada vez más utilizada en restauraciones dentales. La circona se recomienda como material base, debido a su alta resistencia, tenacidad de fractura y fácil mecanizado en estado pre-sinterizado. La porcelana dental feldespática se usa como recubrimiento debido a su apariencia en color y translucidez que, en combinación con la circona, permiten obtener implantes dentales muy similares al diente natural. Sin embargo, por la fragilidad de estas porcelanas, se han reportado fallas prematuras cuando se exponen a ambientes húmedos bajo cargas de contacto como en las funciones orales. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis ha sido evaluar el comportamiento mecánico de la porcelana feldespática sobre circona dental (3Y-TZP) bajo solicitaciones de contacto, con el fin de entender los fallos observados en servicio y proponer cambios en el material para mejorar la resistencia de contacto. Los ensayos de contacto monotónico mostraron que el primer daño crítico en formarse fue la grieta anillo y a medida que se aumentaron las cargas de contacto se generaron grietas multianillo en la superficie. La caracterización mediante reconstrucción tomográfica de las grietas permitió observar la forma cónica de las grietas de contacto. Estas grietas bajo cargas altas de contacto fueron difíciles de reconstruir ya que estaban contenidas al interior del recubrimiento, sin embargo no alcanzaron la interfase con el sustrato de circona. La reconstrucción tomográfica asistida por FIB de la huella de nanoindentación con punta cubo, mostró que la trayectoria de la grieta se vio alterada en la vecindad de las partículas de leucita debido a los esfuerzos residuales de compresión, causando una deflexión en ésta. A partir de los ensayos de contacto estático y cíclico en aire y saliva artificial se observó que la corrosión bajo tensión es el mecanismo principal que conduce a la degradación, sin embargo, la fatiga mecánica esta también contribuyendo al agrietamiento del material. De la información obtenida de la literatura, se estimó el tiempo promedio hasta el fallo de las prótesis del contacto realista diente-prótesis, encontrándose que este tiempo oscila entre 1 y 4 años, lo cual coincide con datos clínicos reportados. Estos resultados muestran que el bruxismo es la principal causa de daño de las prótesis. Finalmente, con el interés de mejorar la respuesta mecánica de la porcelana, se realizaron adiciones de polvos de 3Y-TZP y SiO2 en diferentes porcentajes para generar segundas fases y por tanto, nuevas formulaciones porcelánicas. Con la adición de partículas de 3Y-TZP a la porcelana se consiguió aumentar la tenacidad de fractura y mejorar la resistencia al contacto. Sin embargo, para algunas formulaciones la transparencia se vio afectada. Por tanto, la adición de 1% de 3Y-TZP resultó ser la mejor combinación en apariencia estética y respuesta mecánica. Las partículas de SiO2 no afectaron la apariencia estética de la porcelana, de igual manera, tampoco mejoraron las propiedades mecánicas.

Ceramics materials are widely used in dental restorations as implants and prosthetics because their excellent mechanical and aesthetic properties and its good interaction with the physiological environment in which are exposed. Zirconia with feldspathic dental porcelain is being increasingly used as dental restoration. Zirconia is recommended as a framework material due to its high strength, fracture toughness and easy machinability in a pre-sintered state. Feldspathic dental porcelain is used as veneering due to its appearance in color and translucency, which, in combination with zirconia, allows obtaining dental implants similar to the natural tooth. However, due to the brittleness of these porcelains, premature failures are reported when subjected to moisture environments under contact loads, as in oral functions. The main objective of this thesis is to evaluate the mechanical behavior of feldspathic porcelain dental on zirconia (3Y-TZP) under contact solicitations, in order to understand the service failures observed and propose changes in the material to improve contact resistance. Monotonic tests showed that the critical damage first was ring crack and as the increased contact loads multiring cracks were generated on the surface. The characterization by tomographic reconstruction of cracks allowed to observe the conical shape of the contact cracks. These cracks under high contact loads were difficult to reconstruct since they were contained within the coating, but did not reach the interface with the zirconia substrate. FIB assisted tomographic reconstruction of cube corner nanoindentation imprints show that the crack path was altered in the vicinity of leucite particles due to compressive residual stresses, causing a deflection of the crack. From static and cyclic contact testing in air and artificial saliva, it was observed that stress corrosion cracking is the primary mechanism that leads to degradation, however, mechanical fatigue also contributes to produce cracking in the material. From information collected from the literature, the average time to failure of the prosthesis under realistic conditions was estimated, with time spans from 1 to 4 years, consistent with the reported clinical data. This result show that bruxism is a major cause of damage of the prosthesis Finally, with the aim of improving the mechanical response of porcelain, 3Y-TZP and SiO2 powders additions in different percentages were performed to generate second phases and therefore new porcelains formulations. With the addition of 3Y-TZP particles it was possible to increase the fracture toughness and improve the contact resistance. However, the translucency in some porcelains was affected. The addition of 1% of 3Y-TZP gave the best combination in aesthetic appearance and mechanical response. SiO2 particles did not affect the aesthetics of the porcelain and did not improve the mechanical properties.