Technologia projektowania i wytwarzania metalowych podbudów pod korony dentystyczne przez selektywne przetapianie laserem proszku stopu Ti13Zr13Nb

 

Projekt dofinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu TANGO

Nr projektu TANGO1/266396/NCBR/2015

Akronim TEMPO

 

Kierunki rozwoju biomateriałów i implantów - nadzieje i zagrożenia - prezentacja
Laboratorium protetyczne - prezentacja
Kongres Naukowy Zespołu PGV - prezentacja
O drukawaniu na PG - lista publikacji

 

Projekt realizowany jest wspólnie przez zespół Politechniki Gdańskiej (prof. Andrzej Zieliński – lider projektu, dr Tomasz Seramak - kierownik merytoryczny projektu, mgr Katarzyna Zasińska – pracownik naukowy, mgr Beata Szczęsna-Raczkowska) oraz firmy Laboratorium Protetyczne Jerzy Andryskowski (Jerzy Andryskowski i Mariusz Motyl). Projekt dofinansowany jest w ramach 1 edycji programu TANGO na kwotę ponad 800 tys. zł.

Pierwszą nowością projektu jest zastosowanie techniki addycyjnej do wytwarzania podbudów. Technika selektywnego przetapiania laserem zastosowana w projekcie jest wykorzystywana w medycynie wciąż jeszcze w niewielkim stopniu, głównie do wytwarzania implantów ze stopu tytanu, przede wszystkim trzonów implantu stawu biodrowego. Podstawowym problemem w otrzymywaniu implantów metalowych metodami addycyjnymi, zwanymi także metodami inżynierii odwrotnej, jest wytrzymałość materiału, determinowana przez procesy topienia, krzepnięcia i adhezji składników stopu.

Nowością drugą jest materiał na podbudowy. Podbudowy protetyczne wykonuje się zazwyczaj ze stopu Co-Cr lub porcelany z tlenku cyrkonu (cyrkoni). W projekcie proponowane są do tego celu stopy tytanu, jako kilkukrotnie tańsze od cyrkoniowych, jak też lżejsza i bardziej biozgodna od stopu Co-Cr alternatywa materiałowa. Spośród wielu możliwych stopów wybrano do badań stop Ti-13Zr-13Nb z kilku powodów: nie zawiera potencjalnie toksycznych pierwiastków, ma moduł Younga zbliżony do kości, dobre właściwości mechaniczne, certyfikat medyczny. Daje się on także otrzymać w formie spieku z proszków metali.

Podstawową wadą stopów tytanu na podbudowy protetyczne jest ich barwa metaliczna, widoczna spod porcelanowej korony. W projekcie problem ten zostaje wyeliminowany, co stanowi kolejna innowację procesową, przez wytworzenie  na powierzchni warstwę tlenkowej nanorurkowej, o programowanej za pomocą grubości warstwy barwie, metodą elektrochemicznego utleniania w roztworach kwaśnych w obecności fluorków.

Obecny projekt bazuje na poprzednio realizowanym, w ramach programu ERA-NET MATERA w latach 2009-2012, projekcie „Porowaty kompozytowy stop tytanu o wysokiej odporności na korozję, biozgodności i bioaktywności”. Głównym celem ówczesnego projektu było określenie możliwości wytwarzania implantów ze  stopu Ti-13Zr-13Nb o dowolnie kształtowanej budowie wewnętrznej, w tym projektowanym stopniu porowatości i średnicy porów. Jako metodę spiekania zastosowano w tym przypadku metalurgię proszków bez i z porogenem. Wykazano, że stop Ti13Zr13Nb może być otrzymany metodą przetapiania proszku przy właściwych parametrach prasowania i spiekania, zaś jego budowa i skład całkowicie odpowiadają wymaganiom odnośnie materiałów na implanty obciążone mechanicznie, ortopedyczne i stomatologiczne. Metalurgia proszków okazała się jednak technologią dość skomplikowaną, stąd w dalszych pracach badawczych postanowiono zastąpić ją metodą szybkiego prototypowania przez selektywne przetapianie proszku wiązką lasera.

Celem użytkowym obecnego projektu stał się rozwój nowatorskich technologii i procedur projektowania oraz wytwarzania podbudów metalowych ze stopu tytanu, stosowanych na korony stomatologiczne porcelanowe. Wytwarzanie podbudów dentystycznych pod korony jest standardowym zabiegiem w wykonywaniu implantów i mostów. Podbudowy z ceramiki cyrkoniowej są wprawdzie bardziej estetyczne, ale kilkukrotnie droższe i niosą potencjalne ryzyko kruchego pękania. Podbudowy metalowe wytwarzane ze stopu Co-Cr wymagają z kolei precyzyjnego frezowania i dalszej mechanicznej obróbki bardzo twardego materiału. Przewidziano nie tylko zastosowanie stopu tytanu, ale  także projektowanie z zastosowaniem skanera punktowego i następnie wytwarzanie, na bazie wizualizacji 3D, podbudowy metodą szybkiego prototypowania przez selektywne przetapianie laserem proszku stopu.

Celem użytkowym projektu jest określenie i opisanie wszystkich elementów procedur i wartości parametrów procesu oraz kontroli jakości wyrobów w oparciu o opisaną wyżej technologię. W szczególności określone zostaną takie elementy z zakresu badań stosowanych, jak: opracowanie metodologii złożonej ze skanowania miejsca podbudowy oraz przygotowania oryginalnych plików roboczych do maszyny do selektywnego przetapiania laserem, jak też ocena wpływu parametrów przetapiania na wymiary podbudowy, stan powierzchni i właściwości mechaniczne elementu. Dotychczas nie proponowano stosowania tytanu medycznego lub stopu tytanu do wytwarzania tych ważnych konstrukcyjnie elementów, nie użyto także techniki selektywnego przetapiania laserem do wytwarzania podbudów ani implantów, a więc projekt stanowi innowacyjne podejście do bardziej biozgodnego i tańszego sposobu mocowania koron dentystycznych.

Celem końcowym projektu jest zaprojektowanie schematu technologicznego, w tym miejsc wykonywania poszczególnych operacji technologicznych, opakowania i transportu, kontroli wewnętrznej oraz kosztochłonności procesu w oparciu o standardową metodologię i standardowe koszty jednostkowe. Weryfikacja osiągania założonych celi dokonywana będzie przez wybraną firmę, Usługi Protetyczne Jerzy Andryskowski w Gdańsku-Oliwie.

W ramach fazy koncepcyjnej  stworzono koncepcję wykorzystania gospodarczego uzyskanych wyników prac badawczych na możliwie jak najszerszą skalę. Wykonano analizę SWOT pokazując takie istotne mocne punkty uzasadniające projekt, jak stan uzębienia Polaków w ogromnej mierze wymagający korekt stomatologicznych i wysoki koszt dotychczasowych podbudów ze stopu Co-Cr, istnienie Zespołu Biomateriałów na Wydziale Mechanicznym od wielu lat z sukcesem rozwiązującego problemy implantów przenoszących obciążenia i wdrażającego innowacyjne rozwiązania, jak też Laboratorium Biomateriałów kierowanego przez dr Seramaka w Centrum Zaawansowanych Technologii na Politechnice Gdańskiej wyposażonego w stanowisko do selektywnego przetapiania laserem proszków metali, wreszcie też firm zainteresowanych wdrażaniem innowacyjnych rozwiązań cenowo bardziej korzystnych takich. Wykonano analizę ryzyka, uwzględniającą w szczególności wysoki koszt nowych rozwiązań i istnienie dużej konkurencyjności zespołów naukowych w skali Polski i Europy. Wykonano analizy rynkowe diagnozujące zapotrzebowanie na rozwiązanie będące przedmiotem  projektu. Opracowano założenia strategii marketingu nowych rozwiązań. Podjęto działania mające na celu zabezpieczenie praw do ochrony własności intelektualnej wyników badań.

Partnerem przemysłowym jest wymieniona firma Laboratorium Protetyczne Jerzy Andryskowski. Laboratorium powstało w 1991 roku i jest jednym z liderów w zakresie wykonywania wysokospecjalistycznych odbudów protetycznych, a także największą tego typu firmą w regionie Pomorza Gdańskiego. Firma od lat z sukcesem współpracuje z gabinetami stomatologicznymi z kraju, jak i z zagranicy. Laboratorium posiada dużą wiedzę oraz urządzenia niezbędne w procesie wykonywania odbudów protetycznych, w tym w szczególności przy wykorzystaniu technologii CAD/CAM.

Czas realizacji projektu w fazie B+R to okres 18 miesięcy. Projekt składa się z pięciu zadań planowanych w ramach badań przemysłowych i rozwojowych. Każdorazowo obiekty badań wykonywane będą ze stopu Ti13Zr13Nb oraz porównawczo ze stopu Co-Cr.

Pierwsze zadanie w tej fazie to Charakteryzacja umiejscowienia podbudów i zaprojektowanie ich kształtu. Obejmie ono wykonanie skanowania wybranych zębów oraz zaprojektowanie przestrzennego kształtu podbudów, zarówno dla przypadków podbudów pod korony na istniejących zębach, jak i na implantach. W zadaniu tym niezbędne będzie zakupienie skanera oraz oprogramowania do projektowania i zagnieżdżania plików.

Drugie zadanie to Przygotowanie materiałów i sprzętu. W zadaniu tym do procesu selektywnego przetapiania laserem zostanie wykorzystana maszyna typu Realizer II umiejscowiona w Laboratorium Biomateriałów w Centrum Zaawansowanych Technologii Politechniki Gdańskiej, do której zostanie dokupione sito elektrostatyczne do precyzyjnego selekcjonowania frakcji proszków. Przygotowane zostaną modele robocze, dokonana zostanie digitalizacja modeli poprzez skanowanie zewnątrzustne, nastąpi projektowanie podbudów przy pomocy oprogramowania CAD, modelowanie wirtualnego uzupełnienia, testowanie dostępnych programów komputerowych (w tym w szczególności oprogramowania CAD do projektowania podbudów oraz programów do zagnieżdżania plików i przesyła do maszyny spiekającej).

Zadanie trzecie to Wykonanie podbudów ze stopu tytanu metodą selektywnego przetapiania laserem oraz ze stopu kobaltu metodą frezowania.  W ramach tego zadania wykonane zostaną także prace rozwojowe na utlenianiem elektrochemicznym podbudów w celu wzrostu odporności na korozję i zmiany barwy metalu. Dokonana zostanie kontrola jakości otrzymanej podbudowy (sprawdzenie stopnia dopasowania podbudowy, stopnia szczelności brzeżnej, jakości otrzymanej struktury), testowanie sposobów wstępnej obróbki otrzymanych spieków, obróbka podbudów  i przygotowanie do napalania ceramiki, testowanie sposobów oksydacji i piaskowania, porównywanie spieków z Ti13Zr13Nb z podbudowami otrzymanymi ze stopu  Cr-Co.

Zadanie czwarte to Ocena powierzchni, kształtu i właściwości mechanicznych podbudów, w tym pomiary właściwości mechanicznych oraz na tej podstawie optymalizacja procesu wytwarzania podbudów ze stopu tytanu. Zadanie obejmie testowanie różnego rodzaju ceramik w celu wyboru odpowiedniego składu wymaganego do napalania na podbudowach ze stopu Ti13Zr13Nb, testowanie czasów i sposobów oksydacji, testowanie sposobów barwienia i nakładania porcelany na podbudowy ze stopu Ti13Zr13Nb, sprawdzanie pasywności otrzymanych spieków, porównywanie kosmetyki otrzymanych koron i mostów.

Zadanie piąte to Ocena technologiczności procesu, spełniania warunków kryterialnych i kosztów wytwarzania. W toku zadania opracowane zostaną procedury wytwarzania wraz z kartami technologicznymi dla proponowanego nowego procesu otrzymywania podbudów ze stopu tytanu łącznie z ich projektowaniem i kontrolą techniczną. Określone zostaną warunki kryterialne i wartości niezbędne dla uznania podbudowy za wykonaną zgodnie z założeniami, w tym kształt i wymiary w przestrzeni, wielkość szczeliny między podbudową i koroną, odporność korozyjna,  celowość stosowania operacji utleniania i wytwarzania powłoki fosforanowej. Dokonana zostanie analiza kosztów wytwarzania przy założeniu produkcji o wolumenie ustalonym na podstawie realnych zapotrzebowani i uwzględnieniu wykonywania podbudów na sprzęcie Laboratorium Biomateriałów.

Warto podkreślić nowoczesność i innowacyjność proponowanych rozwiązań w kontekście aktualnego stanu wiedzy w obszarze dotyczącym projektu w skali kraju i w skali globalnej. Wg danych Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego statystyczny Polak po 35. roku życia nie ma aż 11 zębów, a co czwarty 65-latek w ogóle nie ma uzębienia. Brak choćby jednego zęba to nie tylko kwestia wyglądu, wymowy i komfortu życia, ale również skutki bardzo groźne dla zdrowia - kondycji pozostałych zębów, stawów żuchwowych czy głowy i kręgosłupa. Z tego powodu w  wielu krajach UE, brak jednego zęba traktowany jest już jak poważne schorzenie wymagające natychmiastowej interwencji. Nieuzupełniane braki mogą powodować przesunięcia pozostałych zębów i związaną z tym zmianę zgryzu skutkującą często przeciążaniem innych zębów, czego objawem są starte lub pęknięte zęby przednie. Często pacjenci zgłaszający się do gabinetów z pojedynczymi już brakami w uzębieniu uskarżają się na bóle głowy, kręgosłupa, seplenią lub mają problemy żołądkowe, gdyż tylko odpowiednio przygotowany pokarm ulega wchłanianiu. Zdecydowaną większość tych problemów jest w stanie rozwiązać nowoczesna protetyka. Jedną z metod wykorzystywanych w procesie rehabilitacji protetycznej pacjentów jest zastąpienie brakującego uzębienia koronami i mostami na podbudowie metalowej licowanymi porcelaną bądź kompozytem. Obecnie najczęściej stosowaną metodą wykonywania metalowej podbudowy jest znana już w starożytności metoda odlewnicza tzw. metoda wosku traconego polegająca na przygotowaniu woskowego prototypu. Wykonanie tak niewielkich wymiarowo elementów, jakimi są uzupełnienia protetyczne, wymaga staranności i precyzji na każdym etapie pracy, począwszy od modelu woskowego, który musi mieć odpowiednią grubość, kształt i szczelność brzeżną, poprzez dobór odpowiedniej proporcji proszku i płynu przy rozrabianiu masy formierskiej, a na sposobie wygrzewania i chłodzenia form skończywszy. Metoda ta jest pracochłonna i narażona na wiele błędów, m.in. naprężenia, odciągnięcia, pęcherze i zanieczyszczenia odlewnicze.

Dzięki zastosowaniu technologii CAD-CAM w technice dentystycznej polegającej na przeniesieniu sytuacji z jamy ustnej do świata wirtualnego przy pomocy skanowania wewnątrz lub zewnątrzustnego, w ciągu ostatnich 15 lat pojawiły się bardziej dokładne sposoby wykonywania podbudów metalowych m.in. metody subtrakcyjne i metody addycyjne. Do metod polegających na odejmowaniu materiału zalicza się np. frezowanie, czyli wycinanie uzupełnienia z bloku materiału przy pomocy narzędzi obrotowych. Pozwala ono na uzyskanie podbudów o bardzo dużej precyzji, jednakże ze względu na długi czas frezowania oraz zużycie dużej ilości materiałów i narzędzi, otrzymywane w ten sposób podbudowy są stosunkowo drogie. Drugą  możliwością wykonywania podbudów pod korony i mosty, które można licować tradycyjnymi ceramikami, jest addycyjna metoda selektywnego przetapiania laserem. Wykonane przy zastosowaniu tej technologii podbudowy charakteryzują się idealną powierzchnią i strukturą wewnętrzną oraz wysokimi właściwościami mechanicznymi. Najważniejsza cechą podbudowy produkowanej tą metodą jest jej dobre dopasowanie i szczelność przyszyjkowa, a także fakt, iż nie wymaga ona dopasowywania na modelu. Technologia ta została zaprezentowana po raz pierwszy w branży stomatologicznej w 2001 r., nie jest jednak zbyt rozpowszechniona ze względu na stosunkowo wysoki koszt wytworzenia spowodowany tym, iż jedynym materiałem z jakiego wykonuje się obecnie tego typu uzupełnienia protetyczne, jest stop kobalt-chrom. Ekonomiczną alternatywą dla zastosowania techniki SLM w technice dentystycznej jest wykorzystanie tańszego materiału w postaci stopu Ti13Zr13Nb o równie dobrych właściwościach mechanicznych i lepszej biozgodności. Stop tytanu dotychczas stosowany, Ti6Al4V, był wielokrotnie testowany w procesie wykonywania odbudów protetycznych ze względu na swoją wysoką biozgodność tkankową, jednakże ze względu na skomplikowany i drogi proces obróbki frezowaniem nie jest obecnie często stosowany w technice dentystycznej. Z dostępnych badań wynika, iż zastosowanie technologii SLM pozwala na skrócenie czasu wykonywania podbudowy średnio o 60%, co biorąc pod uwagę dodatkową możliwość zastosowania stopu Ti13Zr13Nb, tańszego od Co-Cr, znacząco przyczyni się do rozpowszechnienia i urynkowienia wyników niniejszego projektu. Dodatkowo powstałe w wyniku niniejszego projektu podbudowy, ze względu na wykorzystany materiał, charakteryzować będzie mniejsze ryzyko wystąpienia niepożądanych reakcji biologicznych takich, jak alergie czy reakcje toksyczne, co także będzie miało pozytywny wpływ na zastosowanie wyników w praktyce i przyczyni się do powstania popytu na nowe podbudowy wśród większości laboratoriów protetycznych w kraju, jak i za granicą.