JP4510462B2 - 多結晶透光性アルミナ系セラミック材料 - Google Patents
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Description
本発明のセラミック材料は、透光性多結晶性材料である。「セラミック」は、無機非金属材料を指し、「結晶性」は、原末X線回折スキャンにかけると結晶性回折ピークを示し、実質的にガラスを含まない材料を指す。多結晶性材料は、粒界で結合した複数のランダム指向性結晶を有する。セラミック材料は、少なくとも99%の理論密度を有する少なくとも99%の多結晶性セラミックを含むことが好ましい。
ダイプレス、スラリーキャスティング、射出成形、押出し加工、およびラピッドプロトタイピングを含む、本発明のセラミック材料を成形する種々の方法を使用しうる。得られた材料は、最終の所望形状、または、例えば、さらなる加工または倣いフライス削りにかけられるミルブランクの形でありうる。これらの工程は、セラミック材料の製造におけるその使用で公知である。
本発明の歯科用ミルブランクは、円筒形、棒、立方体、多面体、卵形、および平面を含めて、任意の所望の形状またはサイズで製造されうる。この点で、ミルブランクは、さらなる成形工程にかけられて所望の生成物が得られる物品である。これは、ミルブランクのセラミック材料が完全にち密化(好ましくは約99.5%を超える)された後に起こりうるが、セラミック材料が、低い密度段階(例えば、完全密度の約96〜98%)、またはバインダーの有無によるグリーン段階、または低い密度段階にある場合に起こりうる。ミルブランクのセラミック材料が、グリーンステージ、または成形(例えば、カービング)中に完全密度の96〜98%にある場合は、得られた生成物は通常、上述されたさらなるち密化にかけられる。
硬度
実施例の材料の平均微小硬度は、装着樹脂(「エポキシド(EPOXIDE)」の商品名で、ビューラー社、イリノイ州レークブラフ(Buehler Ltd.,Lake Bluff,IL)から入手可能)で加工セラミック部品を装着することによって測定された。より具体的には、材料は、直径3.18cm(1.25インチ)、高さ1.9cm(0.75インチ)の樹脂の円筒で確保された。装着試料はインペリアル ダイアモンド ラップ フィルム(「IMPERIAL DIAMOND LAPPING FILM」の商品名で、3M社、ミネソタ州セントポール(3M Company,St.Paul,MN)から入手)を用いてつや出しされ、0.5マイクロメートルのダイアモンドフィルムを用いた最終つや出しステップにより試料のつや出し断面が得られた。
幅2.5mm×厚さ1.5mm×長さ12.0mmであり、面取り0.15±0.05mm×45°である試験片が、チャンド ケア テクニカル セラミクス、マサチューセッツ州ウースター(Chand Kare Technical Ceramics,Worcester,MA)によって機械加工された。試験片を試験前に24時間、37℃で蒸留水中に浸漬した。10.0mmのスパンで3点ビーム曲げ試験構成を使用した。クロスヘッドの試験速度は0.75mm/分であった。インストロン(Instron)4505試験フレーム(インストロン社、マサチューセッツ州カントン(Instron Corporation,Canton,MA)を使用した。たわみ強度の結果を、最小、最大、および平均のたわみ強度の値としてMPaの単位で報告した。平均強度の値は、5回の測定値の平均である。
材料の透光性を量的に評価するために、2つの平行フラット面、厚さ1.0±0.03mm、および12〜15mmの種々の直径を有するセラミック円板の調製を、円板を2500rpmの速度、およびビューラー アイソメット(Buehler Isomet)2000精密ソー(Precision Saw)(ビューラー社、イリノイ州レークブラフ(Buehler Co.,Lake Bluff,IL)、ならびにビューラーシリーズ(Buehler Series)15−LCダイアモンドウェファリングブレード(15.24cm、#11−4276)を用いた1000グラムの負荷で切断することによって行った。両方の表面(円板の前と後ろ)は、それらを後方と前方に10回、約7.6cmの経路にわたり、600グリットのサンドペーパー(3Mウェットオアドライ(Wetordry)Tri−M−Ite、#438Q、3M社、ミネソタ州セントポール(3M Company,St.Paul,MN)に沿って通すことによって均一にされた。蒸留水を潤滑剤として用い、試料円板を洗浄した。
小さな試験試料、例えば、歯列矯正器のサイズの透光性を、公開された標準の方法、「食品と接触する材料および物品:セラミック物品の透光性の試験方法」、DIN EN 1184、1997年8月の修正である以下の方法に従い量的に測定した。小さな試験試料、例えば、セラミック歯列矯正器をエタノールで洗浄し、無水窒素流中で乾燥させた。乾燥試料を約40nmのAu/Pdでスパッタコーティングし、ビューラー・ツーパートエポキシ(Buehler−Two Part Epoxy)(ビューラー社、イリノイ州レークブラフ(Buehler Co.,Lake Bluff,IL))を用いて2.54cmフェノール環に装着した。試料の装着方向には特別の注意を払い、確実に試料の代表的な断面が生成されるようにし、かつ非アルミナ材料(ガラスフリット被覆剤など)が区分工程中に除去されるようにした。マウントにより室温での一夜硬化が可能であった。硬化マウントは、ストルアーズ アクタム(Struers Accutom)−50高速ダイアモンドソーで約1.5〜5mmの幅に区分された。
アルミナ試験試料の平均粒径を走査電子顕微鏡(SEM)像から測定した。走査前に、試料を装着し、硬度試験用の上記のとおりつや出しした。つや出しの後、試料を装着媒体から除去し、洗浄し、1分間、80℃で、過飽和ホウ砂(ホウ酸ナトリウム)水溶液中に浸漬した。次いで、ホウ酸ナトリウム溶液でコーティングされた試料を5℃/分で900℃に加熱し、気流下に30分間、900℃で浸した。ホウ砂溶液をアルミナと反応させ、つや出し表面粒界でガラスを形成した。冷却と同時に、つや出し面を1分間、煮沸12%HCl酸溶液中でエッチングし、得られたガラスを取出した。この手順は、既存の微細構造を変化させうる高温のサーマルエッチングを行うことなく試料の粒子構造を示すために行われた。
アルミナ粉末
出発アルミナ(Al2O3)粉末を大明化学工業株式会社(日本、東京)から入手し、TM−DARと示した。粉末は、公称組成99.99重量%のAl2O3を有し、残部は以下の金属/酸化物の不純物で構成されていることがメーカーによって報告された。すなわち、Na(5ppm)、K(1ppm)、Fe(4ppm)、Ca(1ppm)、Mg(1ppm)、およびSi(2ppm)。この粉末の公称表面積は、14.8m2/gであり、平均粒径は0.18μm(メーカーのデータ)であった。
初期アルミナ粉末処理
受取ったTM−DARアルミナ粉末を脱凝集し、以下のとおりその後の加工用に調製した。粉末を蒸留水(約42重量%の粉末と同等量)およびクエン酸水素アンモニウム粉末(シグマ−アルドリッチ ケミカル カンパニー、ミズーリ州セントルイス(Sigma−Aldrich Chemical Company,St.Louis,MO))(約0.45重量%の粉末と同等量)をポリエチレン瓶中で混合した。瓶を室温の超音波水浴中に配置し、粉末スラリーを2時間、超音波処理した。超音波処理後、水酸化アンモニウム(アルファ エーサー、マサチューセッツ州ワードヒル(Alfa Aesar,Ward Hill,MA))を約0.3%重量%の粉末と同等量で添加し、溶液のpHを上昇させた。次いで、結果として生じるスラリーをさらにデュラマックス(DURAMAX)B−1000バインダー、ローム アンド ハース カンパニー、ペンシルベニア州フィラデルフィア(Rohm and Haas Company,Philadelphia,PA)によって製造されたアクリル樹脂を添加することによって噴霧乾燥用に調製した。バインダー(約9.7重量%の粉末と同等量)を添加する前に、バインダーを約2部に蒸留水で希釈し、1部のバインダーにした。次に、ユニオン カーバイド、コネチカット州ダンベリー(Union Carbide,Danbury,CT)製の可塑剤、カーボワックス ポリエチレングリコール(Carbowax Polyethylene Glycol)400を、約1.1重量%の粉末と同等量でスラリーに添加した。カーボワックス(Carbowax)400を粉末バインダースラリーに添加する前に、カーボワックス(Carbowax)400を約4.5部の蒸留水で希釈し、1部のカーボワックス(Carbowax)400とした。その結果生じるスラリーを磁気攪拌棒で混合し、噴霧乾燥し(ブチ ミニ噴霧ドライヤー(Buchi Mini Spray Dryer)B−191、ブリンクマン インストルメンツ、ニューヨーク州ウェストベリー(Brinkman Instruments,Westbury,NY)から入手、入口温度=195℃、出口温度=100℃)、その後の加工用の微細な流通粉末を得た。
流通アルミナ粉末を、直径16.6mmの金型、および約310MPaの加圧を用いることによって10.25gの円筒形ペレットに一軸プレスした。(プレスは、カーバー ラボラトリー プレス(Carver Laboratory Press)、モデルM(カーバー社、インディアナ州ワバッシュ(Carver,Inc.,Wabash,IN))から入手した)。次いで、結果として生じるペレットを約170MPaで冷間等方圧プレスした(CIPed)(モデル#IP4−22−60、オートクレーブ エンジニアズ、ペンシルベニア州エリー(Autoclave Engineers,Erie,PA)。
冷間等方圧プレスした(CIPed)ペレット(または他の形状のセラミック部分)を690℃で、1時間、空気中で燃焼させ、添加された有機成分を除去し、分散をおよび噴霧乾燥を促進した。(690℃へのランプ速度は約1℃/分であった。690℃で、1時間の浸漬後、炉出力を遮断し、炉をそれ自体の速度で冷却した。)バインダー燃焼の後、セラミック部分は通常、58%を超える「グリーン」(非焼結)密度を有した(3.98g/cm3の理論密度に基づく)。
バインダー燃焼加工の後、セラミック部分を20℃/分のランプおよび冷却速度で2時間、空気中で、1235℃で焼結した。この常圧焼結法は通常、約3.83g/cm3の密度、その理論密度の約96%を有するセラミック部分を生成した。完全密度の約96%で、これらのセラミック部分は明るい白色であり、不透明の外観であった。また、セラミック部分は工程のこの時点で密閉気孔に達したが、これはアルキメデス(Archimedes)密度法によって測定されるその乾燥重量および飽和重量のほぼ同等値によって示された。密閉気孔に達すると、焼結セラミック部分は、カプセル封入なしに熱間等方圧プレスされる(HIPed)能力があった。
焼結セラミック部分は、207MPaのアルゴン加圧、および1200℃より低温で20℃/分、1200℃より高温で13℃/分の加熱ランプ速度で65分間、1275℃で熱間等方圧プレスされた(HIPed)。冷却速度は約25℃/分であった。その結果生じるセラミック部分(実施例1の透光性アルミナ)は、約3.98g/cm3の最終密度を有し(原子充填の考察に基づき実質的にその理論密度の100%)、透光性の外観であった。実施例1の透光性の量的評価を図2に示されているとおり行い、印刷テキストは材料の厚さ1mmの円板を通じて容易に読み取れることを示した。実施例1のアルミナの平均粒径は、本明細書中で示された試験方法によって測定され、0.8μmであることが測定された。実施例1のアルミナの走査電子顕微鏡(SEM)像(2,000倍)は図3に示されている。実施例1のアルミナの硬度は、本明細書中で示された試験方法によって測定され、22.1±0.5GPaであることがわかった。
TM−DARアルミナ粉末を、焼結ペレット(またはセラミック部分)が1375℃(実施例1における1275℃と比較)で30分間(実施例1における65分と比較)熱間等方圧プレスされた(HIPed)ことを除き、実施例1について記載されているとおり加工した。その結果生じるセラミック部分(実施例2の透光性アルミナ)は、約3.99g/cm3の最終密度を有し(その理論密度であると考えられた値の100%をわずかに超える)、透光性の外観であり、見かけ上、実施例1のアルミナと同等の透光性であった。実施例2のアルミナの平均粒径は、本明細書中で示された試験方法によって測定され、0.9μmであることが測定された。走査電子顕微鏡像(2,000倍)は図4に示されている。実施例2のアルミナの硬度は、本明細書中で示された試験方法によって測定され、21.7±0.7GPaであることがわかった。
大量の多結晶透光性アルミナを調製し、確実に全部分が均一に加工されるために、以下の修正工程を用いた。
比較例Aは、セラダイン社、カリフォルニア州コスタメサ(Ceradyne,Inc.,Costa Mesa,CA)から入手可能な透光性アルミナであり、トランスター(TRANSTAR)の商品名で販売されている。トランスター(TRANSTAR)セラミックの粒径は、本明細書中で示された試験方法により測定され、30.0ミクロンであることがわかった。トランスター(TRANSTAR)セラミックの硬度は、本明細書中で示された試験方法により測定され、19.7±0.8GPaであることがわかった。比較例Aの走査電子顕微鏡像(2,000倍)が図5に示されている。
比較例Bは不透明(アイボリー色)アルミナであり、商品名「998」でベスビウス マクダネル、ペンシルベニア州ビーバーフォールス(Vesuvius McDanel,Beaver Falls,PA)から入手可能である。
比較例Cは、セラダイン社(Ceradyne,Inc.)から入手可能な透光性アルミナであり、「セラダイン(CERADYNE)TPA」の商品名で販売されている。この材料は、歯列矯正器の3Mクラリティ(CLARITY)ライン(3Mユニテック、カリフォルニア州モンロビア)(3M Unitek,Monrovia,CA)を製造するために使用されている。
比較例Dは、クラス ワン オルトドンティックス、テキサス州ラボック(Class One Orthodontics,Lubbock,TX)から「コンツアー(CONTOUR)セラミックブラケッツ(Ceramic Brackets)」の商品名で入手可能である。
比較例Eは、市販の透光性アルミナ歯列矯正器であり、TPオルトドンティックス社、インディアナ州ラポルテ(TP Orthodontics,Inc,LaPorte,IN)から「MXi」の商品名で入手可能である。
本発明の細粒透光性アルミナ材料を他の市販のアルミナと比較するために、以下に概要を示した特徴づけを完了した。この作業は、本発明の透光性アルミナを粗粒および細粒透光性アルミナおよび粗粒不透明アルミナと比較したものである。
たわみ強度を本明細書中で記載された試験方法により測定し、実施例1および比較例AとBの試験結果を表1に報告する。
セラミック試料の透光性を量的に評価するために、コントラスト比を本明細書中で記載された試験方法により測定し、実施例3、比較例AとBの試験結果を表2に報告する。
硬度および粒径を本明細書中で記載された試験方法により測定し、実施例3、比較例C、および2つのブラケット試料(比較例DおよびE)の結果が表3に報告されている。SEM像(2,500倍および10,000倍)の実施例を用いて実施例3の平均粒径が測定され、比較例C、比較例D、および比較例Eの試料が図6aおよび6b、図7(2500倍のみ)、図8aおよび8b、図9aおよび9bにそれぞれ示されている。
透光性は、本明細書中で記載された試験方法「小試料の透光性(湿気透過率)」により測定され、実施例3、および比較例C、D、およびEの結果が表の形(表4)およびグラフの形(図10)で報告されている。
Claims (14)
- 平均粒径が1.0ミクロン以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である多結晶透光性酸化アルミニウムセラミック材料を含む歯科用ミルブランクであって、10m2/gより大きい表面積を有する酸化アルミニウム粉末が用いられ、不活性ガス下熱間等方圧プレスによって形成されるミルブランク。
- 前記セラミック材料の研磨面の10%以下の粒子が、1.0ミクロンより大きい最大径を有する、請求項1に記載の歯科用ミルブランク。
- 前記セラミック材料が、約550nmで少なくとも約40%の湿気透過率を有する、請求項1に記載の歯科用ミルブランク。
- 約475nm〜約650nmの範囲にわたるセラミック材料の湿気透過率曲線が、約70%T−nmより大きい累積面積を有する、請求項1に記載の歯科用ミルブランク。
- 前記セラミック材料が、少なくとも約400MPaのたわみ強度を有する、請求項1に記載の歯科用ミルブランク。
- 前記セラミック材料が、約0.5重量%までの酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化カルシウム、またはそれらの組合せを含む、請求項1に記載の歯科用ミルブランク。
- 平均粒径が1.0ミクロン以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である多結晶透光性酸化アルミニウムセラミック材料を含む歯科用ミルブランクであって、10m2/gより大きい表面積を有する酸化アルミニウム粉末が用いられ、不活性ガス下熱間等方圧プレスによって形成されるミルブランクと、
前記ミルブランクの使用説明書と、
を含むキット。 - 結合剤、ミリング潤滑剤、口腔環境における使用に適した調色組成物、印象材料、器具、歯科用複合材、歯科用陶材、研磨剤、およびそれらの組合せからなる群から選択される成分をさらに含む、請求項7に記載のキット。
- 粒径が1.0ミクロン以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である多結晶透光性酸化アルミニウムセラミック材料を製造するための方法であって、該方法が、
10m2/gより大きい表面積を有する酸化アルミニウム粉末を提供するステップと、
前記粉末を所望の形状を有する物品へ形成するステップと、
前記成形品を焼結し、密閉気孔を有する焼結物品を得るステップと、
前記焼結物品を不活性ガス下熱間等方圧プレスにかけ、さらにち密化し、粒径が1.0ミクロン以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である、多結晶透光性酸化アルミニウムセラミック材料を含むち密化物品を形成するステップと、
を含む方法。 - 義歯を製造するための方法であって、
粒径が1.0ミクロン以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である、多結晶透光性酸化アルミニウムセラミック材料を含む歯科用ミルブランクであって、10m2/gより大きい表面積を有する酸化アルミニウム粉末が用いられ、不活性ガス下熱間等方圧プレスによって形成されるミルブランクを提供するステップと、
CAD/CAMフライス装置を用いて前記ミルブランクを所望の形状にカービングするステップと、
を含む方法。 - 酸化アルミニウム粉末が14m2/gより大きい表面積を有する請求項1〜6のいずれかに記載の歯科用ミルブランク。
- 酸化アルミニウム粉末が14m2/gより大きい表面積を有する請求項7または8に記載のキット。
- 酸化アルミニウム粉末が14m2/gより大きい表面積を有する請求項9に記載の多結晶透光性酸化アルミニウムセラミック材料を製造するための方法。
- 酸化アルミニウム粉末が14m2/gより大きい表面積を有する請求項10に記載の義歯を製造するための方法。
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