コアベニアされた歯科用セラミック構造物の熱誘発性破壊

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Acta Biomater.2013 Sep;9(9):8394-402. S1742-7061(13)00242-0. doi: 10.1016/j.actbio.2013.05.009.Epub 2013-05-16.

コアベニアされた歯科用セラミック構造物の熱誘発性破壊

Thermally induced fracture for core-veneered dental ceramic structures.

Zhongpu Zhang
Massimiliano Guazzato
Tanapon Sornsuwan
Susanne S Scherrer
Chaiy Rungsiyakull
Wei Li
Michael V Swain
Qing Li

PMID: 23684764 DOI: 10.1016/j.actbio.2013.05.009.

抄録

歯科用セラミックスの効果的で信頼性の高い臨床使用には、臨界条件下での破壊挙動の詳細な解析が必要である。本研究では、ジルコニアコアセラミック構造物の磁器単板の破壊特性をよりよく理解するために、製造の冷却段階における熱誘起割れを拡張有限要素法（XFEM）を用いて研究しています。本研究では、まず、冷却の過渡熱解析を行い、温度分布を決定する。次に、時間依存の温度場をXFEMモデルにインポートして粘弾性熱力学解析を行い、異なる時間ステップで熱的に誘起される損傷や割れを予測します。温度依存の材料特性は、過渡熱解析と熱力学解析の両方で使用されます。本論文では、3つの典型的なセラミック構造、すなわち、2層構造の球体、スクワットシリンダー、1:2または1:1の厚さ比の歯科用クラウンを検討した。XFEMによる破壊パターンは、臨床観察や走査型電子顕微鏡による特性評価から得られたin vitro実験結果とよく一致していた。本研究では、これらの異なる二層構造のセラミックを高速冷却すると熱破壊が起こり、冷却速度（熱伝達率の観点から）がき裂の発生と進展に重要な役割を果たすことが明らかになった。異なる冷却速度を検討することで、異なる構造体の破壊の熱伝達率閾値が決定され、臨床的に明確な意味を持つことが明らかになった。

Effective and reliable clinical uses of dental ceramics necessitate an insightful analysis of the fracture behaviour under critical conditions. To better understand failure characteristics of porcelain veneered to zirconia core ceramic structures, thermally induced cracking during the cooling phase of fabrication is studied here by using the extended finite element method (XFEM). In this study, a transient thermal analysis of cooling is conducted first to determine the temperature distributions. The time-dependent temperature field is then imported to the XFEM model for viscoelastic thermomechanical analysis, which predicts thermally induced damage and cracking at different time steps. Temperature-dependent material properties are used in both transient thermal and thermomechanical analyses. Three typical ceramic structures are considered in this paper, namely bi-layered spheres, squat cylinders and dental crowns with thickness ratios of either 1:2 or 1:1. The XFEM fracture patterns exhibit good agreement with clinical observation and the in vitro experimental results obtained from scanning electron microscopy characterization. The study reveals that fast cooling can lead to thermal fracture of these different bi-layered ceramic structures, and cooling rate (in terms of heat transfer coefficient) plays a critical role in crack initiation and propagation. By exploring different cooling rates, the heat transfer coefficient thresholds of fracture are determined for different structures, which are of clear clinical implication.