Bond strength enhancement of metal-ceramic dental restorations by FGM design

Abstract

The CoCrMo alloy obtained by casting and hot pressing was assessed in terms of microstructure, corrosion resistance, hardness and metal-ceramic bond strength. The casted alloy exhibited a dendritic microstructure whereas the hot pressed alloy exhibited a globular microstructure. The hot pressed alloy revealed higher hardness due to a finer microstructure. The finer microstructure was also regarded for the enhanced corrosion resistance of hot pressed alloys over casted alloy. No significant differences were found in metal-ceramic bond strength between the two types of processing techniques. The preoxidation heat treatment, performed in CoCrMoSi dental alloy, significantly (p<0.05) affected the metal-ceramic bond strength. Non-preoxidized specimens exhibited higher metal-ceramic bond strength than preoxidized/ground ones. The lower bond strength results observed in preoxidized/ground specimens were originated by the presence of oxide remnants on their metal surface after grinding and by the higher oxide thickness formed at the metal-ceramic interface. All preoxidized specimens exhibited adhesive failure type while non-preoxidized presented both adhesive and mixed failure types. Preoxidation heat treatment revealed a detrimental effect on the adhesion of CoCrMoSi-porcelain composites for dental restorations. Several metal/ceramic composites were used as interlayers aiming at the improvement of the bond strength between metal and ceramic, following a FGM approach. Two types of alloys were tested, namely a high-noble alloy and a CoCrMo alloy. Both alloys showed significant (p<0.05) improvements in the metal-ceramic bond strength when using a graded transition provided by the metal/ceramic composite interlayer. The metal particles of the composite interlayer acted as a reinforcing phase that increased the fracture strength of the composite interlayer and improved the strength of the metal-interlayer-ceramic system. The bond strength improvements, relative to conventional PFM technique, proved to be in excess of 140%. The newly developed FGM approach for dental metal-ceramic dental restorations was also evaluated in terms of its performance under thermo-mechanical fatigue conditions. These new functionally graded restorations showed significantly (p<0.05) higher performance under fatigue conditions relative to conventional PFM restorations. The bond strength results showed that the presence of a composite interlayer at the interface significantly (p<0.05) improves the adhesion between the two materials under fatigue conditions, relative to those found in conventional PFM technique. The reduction of the properties mismatch at the metal-ceramic interface of the functionally graded restorations was considered to be the main cause for the bond strength improvements after fatigue tests. Improvements in the range of 210% were observed for the most severe testing conditions. In the end of this work, a preliminary test comprising the manufacture of a graded metal-ceramic dental restorations in real crows were conducted. The restorations were fabricated using the hot pressing technology currently available in dental prosthetic laboratories. This process produced crowns with a good quality of the bond between metal and ceramic. Moreover, no geometric restraints or others were observed to the restorations’ proceedings

Os restauros dentários metalocerâmicos são muito usados em prótese dentária devido às suas boas propriedades estéticas, mas sobretudo devido às suas elevadas taxas de sucesso clínico comparativamente com outros sistemas de restauro. Contudo, apesar de menos frequentes, também eles apresentam falhas clínicas a médio e longo prazo que fazem com que o paciente regresse à cadeira do dentista, causando intervenções desconfortáveis e gastos desnecessários de dinheiro. Assim, esta tese prende-se com o desenvolvimento de novos sistemas metal-cerâmico para restauro dentário recorrendo ao conceito dos materiais com gradiente funcional de propriedades (FGMs) tendo em vista o aumento da durabilidade e da taxa de sucesso clínico deste tipo de restauro. Esta tese também se debruçou sobre o estudo de variáveis que afetam o resistência da ligação metal-cerâmico. As variáveis alvo de estudo foram: a prensagem a quente, o tratamento superficial, o tipo de processamento das substruturas metálicas e o tratamento de pré-oxidação. A técnica de prensagem a quente revelou uma influência significativa (p<0.05) na resistência mecânica da ligação metal-cerâmico, dando origem a compósitos com resistências de ligação significativamente (p<0.05) maiores do que os mesmos obtidos pelo processo convencional de porcelana fundida sobre o metal, para ligas de ouro e de CoCrMo. A prensagem a quente também introduziu uma melhoria significativa (p<0.05) na resistência ao corte da porcelana, relativamente ao processo convencional de cozimento da porcelana em vácuo. A quase completa ausência de defeitos, como poros, na interface metal-cerâmico e na própria porcelana estiveram na base das melhorias da ligação metal-cerâmico e da coesão da porcelana, respetivamente. A adesão entre o metal e o cerâmico foi também avaliada para diferentes tratamentos tipos de ligas metálicas, uma liga de alto teor de ouro e uma liga de CoCrMo. Ambas as ligas mostraram melhorias significativas (p<0.05) na resistência da ligação metalcerâmico com o uso de uma transição gradual entre o metal e o cerâmico, por meio de uma intercamada de compósito metal/cerâmico. As partículas metálicas da intercamada atuaram como uma fase de reforço da matriz cerâmica, aumentando a resistência à fratura do compósito da intercamada e aumentando a resistência do sistemas metal-intercamada-cerâmico. A melhoria da resistência da ligação conseguida com o uso de uma intercamada, relativamente à ligação metal-cerâmico convencional, ascendeu a 140%. Os novos restauros dentários desenvolvidos com base no conceito de materiais com gradiente funcional de propriedades foram avaliados em termos do seu desempenho em condições de fadiga termo-mecânica, simulando as condições clínicas. A resistência da ligação destes novos restauros após fadiga térmica e mecânica foi significativamente (p<0.05) maior que a verificada para os restauros convencionais. A transição gradual de propriedades entre o metal e o cerâmico por via da introdução da intercamada de compósito na interface metal-cerâmico foi responsável pela melhoria do desempenho dos novos restauros dentários nos testes de fadiga. Com este novo sistema foram observadas melhorias na resistência da ligação metal-cerâmico, após fadiga, da ordem dos 210%. No final do trabalho foi feito um teste preliminar de execução de um restauro dentário metalocerâmico em coroas reais, aplicando o conceito da intercamada de compósito na interface entre o metal e o cerâmico. O processo foi executado com recurso à tecnologia atual de prensagem da cerâmica a quente e resultou numa boa qualidade da ligação metal-cerâmico. Não se verificou nenhuma restrição geométrica ou outras ao procedimento de restauro.