The significance of brittle reaction layers in fusing of dental ceramics to titanium

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-6716-7
Title: The significance of brittle reaction layers in fusing of dental ceramics to titanium
Author: Saloniemi, Mikko
Contributor organization: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Institute of Dentistry
Department of Electronics, Faculty of Electronics, Communications and Automation, School of Science and Technology, Aalto University, Espoo, Finland
Helsingin yliopisto, lääketieteellinen tiedekunta, hammaslääketieteen laitos
Helsingfors universitet, medicinska fakulteten, institutionen för odontologi
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2010-12-17
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-6716-7
http://hdl.handle.net/10138/23795
Thesis level: Doctoral dissertation (monograph)
Abstract: This thesis comprises four intercomplementary parts that introduce new approaches to brittle reaction layers and mechanical compatibility of metalloceramic joints created when fusing dental ceramics to titanium. Several different methods including atomic layer deposition (ALD), sessile drop contact angle measurements, scanning acoustic microscopy (SAM), three-point bending (TPB, DIN 13 927 / ISO 9693), cross-section microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were employed. The first part investigates the effects of TiO2 layer structure and thickness on the joint strength of the titanium-metalloceramic system. Samples with all tested TiO2 thicknesses displayed good ceramics adhesion to Ti, and uniform TPB results. The fracture mode was independent of oxide layer thickness and structure. Cracking occurred deeper inside titanium, in the oxygen-rich Ti[O]x solid solution surface layer. During dental ceramics firing TiO2 layers dissociate and joints become brittle with increased dissolution of oxygen into metallic Ti and consequent reduction in the metal plasticity. To accomplish an ideal metalloceramic joint this needs to be resolved. The second part introduces photoinduced superhydrophilicity of TiO2. Test samples with ALD deposited anatase TiO2 films were produced. Samples were irradiated with UV light to induce superhydrophilicity of the surfaces through a cascade leading to increased amount of surface hydroxyl groups. Superhydrophilicity (contact angle ~0˚) was achieved within 2 minutes of UV radiation. Partial recovery of the contact angle was observed during the first 10 minutes after UV exposure. Total recovery was not observed within 24h storage. Photoinduced ultrahydrophilicity can be used to enhance wettability of titanium surfaces, an important factor in dental ceramics veneering processes. The third part addresses interlayers designed to restrain oxygen dissolution into Ti during dental ceramics fusing. The main requirements for an ideal interlayer material are proposed. Based on these criteria and systematic exclusion of possible interlayer materials silver (Ag) interlayers were chosen. TPB results were significantly better in when 5 μm Ag interlayers were used compared to only Al2O3-blasted samples. In samples with these Ag interlayers multiple cracks occurred inside dental ceramics, none inside Ti structure. Ag interlayers of 5 μm on Al2O3-blasted samples can be efficiently used to retard formation of the brittle oxygen-rich Ti[O]x layer, thus enhancing metalloceramic joint integrity. The most brittle component in metalloceramic joints with 5 μm Ag interlayers was bulk dental ceramics instead of Ti[O]x. The fourth part investigates the importance of mechanical interlocking. According to the results, the significance of mechanical interlocking achieved by conventional surface treatments can be questioned as long as the formation of the brittle layers (mainly oxygen-rich Ti[O]x) cannot be sufficiently controlled. In summary in contrast to former impressions of thick titanium oxide layers this thesis clearly demonstrates diffusion of oxygen from sintering atmosphere and SiO2 to Ti structures during dental ceramics firing and the following formation of brittle Ti[O]x solid solution as the most important factors predisposing joints between Ti and SiO2-based dental ceramics to low strength. This among other predisposing factors such as residual stresses created by the coefficient of thermal expansion mismatch between dental ceramics and Ti frameworks can be avoided with Ag interlayers.Titaani on ollut olennainen osa hammaslääketieteen materiaalivalikoimaa jo pitkään. Viimeaikainen tuotantotekninen kehitys, titaanin erinomainen korroosionkestävyys, biokompatibiliteetti, saatavuus ja edullisuus ovat tehneet titaanimetallokeramiasta varteenotettavan vaihtoehdon proteettisiin ratkaisuihin. Vaikka titaanisovelluksilla on lyhytkestoisissa kliinisissä seurantatutkimuksissa saatu tyydyttäviä, hyviä ja jopa erinomaisia tuloksia niin kestävyydessä kuin estetiikassakin, titaanimetallokeramiaan liittyy edelleen ratkaisemattomia ongelmia, jotka rajoittavat titaanin käyttöä. Merkittävin ongelma aiheutuu hammaskeraamien polttoprosesseissa liitoksiin muodostuvista hauraista reaktiokerroksista, jotka tekevät liitoksista titaanin ja keraamimateriaalin välillä verrattain heikkoja. Liitoslujuuden parantamiseksi on kehitetty lukuisia eri menetelmiä, mutta niiden vaikutus mekaanisten ominaisuuksien kannalta kriittisten reaktiokerrosten muodostumiseen on edelleen epäselvä. Koska titaanimetallokeramia on jo vakiintunut kliiniseen käyttöön, on hauraista reaktiokerroksista aiheutuvien ongelmien ratkaiseminen ja liitoslujuuden maksimoiminen ensiarvoisen tärkeää. Väitöskirjatyö antaa kaivattua informaatiota liitosten heikkouksien syistä ja mahdollisuuksista vaikuttaa liitosten kestävyyteen. Työssä osoitetaan, että liitosten haurauden syy on mekaanisesti heikko reaktiokerros ja siinä erityisesti kiinteä happirikas Ti[O]x-kerros, joka muodostuu polttouunien sisäilmasta ja SiO2:sta/keraamista peräisin olevan hapen ja titaanin välisessä liukenemisreaktiossa. Vaikka alueella riittää edelleen paljon tutkittavaa, liitoksen erityisominaisuuksien tunteminen voi mahdollistaa titaanimetallokeramiamenetelmien entistä luotettavamman ja kestävämmän soveltamisen, siten että titaanin merkittävimpiä materiaalietuja voidaan täysipainoisesti hyödyntää myös metallokeraamisissa ratkaisuissa. Tämä lisää entisestään edullisen titaanin käyttömahdollisuuksia hammaslääketieteellisessä protetiikassa vähentäen proteettisen hoidon kustannuksia niin potilaiden kuin hoitavan tahon osalta.
Subject: hammaslääketiede (materiaalitiede ja protetiikka)
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
thesigni.pdf 4.138Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record