Una revisione clinica e sperimentale dell’impiego di zirconia e disilicato di litio nelle riabilitazioni protesiche e una serie di consigli clinici validati dalla più recente letteratura scientifica per una selezione accurata e corretta delle ceramiche metal-free.

 

Roberto Sorrentino
Laureato con lode in Odontoiatria e Protesi dentaria nel 2002 presso l’Università Federico II di Napoli. Master scientifico culturale e Dottorato di ricerca internazionale (PhD) presso l’Università di Siena (2004-2006). Ricercatore RTD-B in Protesi e Odontoiatria digitale presso l’Università Federico II di Napoli. Abilitazione a professore ordinario e associato nel 2017. Tutor presso il Master internazionale in Protesi tenuto dall’Università di Siena in collaborazione con AIOP. Relatore a master di I e II livello. Coordinatore nazionale di un Progetto FIRB in merito a biomeccanica e biomimetica implanto-protesica. Autore di oltre 150 pubblicazioni e coautore di capitoli di libri. Ha ricevuto riconoscimenti a livello nazionale ed internazionale in ambito clinico e di ricerca.
Renato Leone
Laureato in Odontoiatria e Protesi dentaria nel 2009 presso la Seconda Università degli Studi di Napoli. Master scientifico in “Free-Hand Bonding in the Smile Frame” a Ginevra nel 2010, Master di 2 livello “Il Trattamento implanto-protesico” presso l’Università degli Studi di Siena nel 2014, Master di 2 livello “Disturbi respiratori ostruttivi in sonno” SIO-AIMS nel 2017. Nel 2012 è stato tirocinante presso il Reparto di protesi e conservativa della School of Dentistry, University of Texas a Houston Texas e ha svolto attività di ricerca presso il Dipartimento di Biotecnologie mediche dell’Università di Siena nel 2015 e presso il Laboratorio di Scienze dei materiali “Mateis”, Istituto Nazionale delle Scienze Applicate di Lione, nel 2016. Dottorato di Ricerca in Medicina clinica e sperimentale 29° ciclo presso il Dipartimento di Scienze mediche traslazionali Università Federico II di Napoli nel 2017.
Maria Irene Di Mauro
Laureanda in Odontoiatria e Protesi dentaria presso l’Università Federico II di Napoli. Ha già al proprio attivo lavori scientifici su riviste nazionali e internazionali.
Fernando Zarone
Laureato in Medicina e Chirurgia nel 1981 presso l’Università Federico II di Napoli e specializzato in Odontostomatologia nel 1984 presso lo stesso ateneo. Dal 2005 al 2012 è stato presidente del Corso di laurea in Igiene dentale presso l’Università Federico II di Napoli. Professore ordinario di Protesi dentaria, Implantoprotesi e Tecnologie protesiche e di laboratorio all’Università Federico II di Napoli, presso la cui AOU dirige il reparto di Protesi. Impegnato da anni nella ricerca sui nuovi materiali e tecnologie, ha al suo attivo oltre 150 pubblicazioni su riviste nazionali e internazionali. Relatore a congressi e corsi in Italia ed all’estero, è socio attivo della Digital Dentistry Society, dell’IAO (Italian Academy of Osseointegration) e di altre Società scientifiche.

Riassunto
Negli ultimi anni, lo sviluppo di tecnologie innovative e l’evoluzione di materiali da restauro sempre più performanti hanno aperto le porte a quella che viene definita odontoiatria digitale, in particolar modo nell’ambito della protesi dentaria.
L’implementazione nella pratica clinica quotidiana di tecnologie avanzate (CAD-CAM, laser sintering e melting, stampanti 3D) ha ricevuto un impulso sinergico dallo sviluppo dei materiali restaurativi di ultima generazione: ceramiche a elevata resistenza, compositi ibridi, tecnopolimeri e leghe metalliche a elevata precisione.
Tra questi, le ceramiche policristalline metal-free prodotte con tecnologia CAD-CAM come la zirconia e le ceramiche vetrose rinforzate come i silicati e i disilicati di litio offrono numerosi vantaggi, quali elevato potenziale estetico, ottimali proprietà ottiche, caratteristiche mecc
aniche molto performanti, eccellente precisione e accuratezza legate a tecnologie produttive di standard molto elevato. Tali miglioramenti hanno ampliato significativamente le opzioni cliniche nelle riabilitazioni protesiche sia su denti che su impianti. La presente monografia  offre una revisione clinica e sperimentale dell’impiego di zirconia e disilicato di litio nelle riabilitazioni protesiche e propone una serie di consigli clinici validati dalla più recente letteratura scientifica per una selezione accurata e corretta delle ceramiche metal-free.

 

L’introduzione di materiali esteticamente e meccanicamente performanti, sviluppatisi in parallelo alle nuove tecnologie produttive, ha determinato negli anni una profonda evoluzione dei paradigmi operativi protesici. L’evoluzione di software e hardware, infatti, ha elevato gli standard di precisione, estetica e affidabilità meccanica del metal-free a livelli molto elevati, consentendo l’impiego clinico su vasta scala di materiali come zirconia e disilicato di litio, che stanno sempre più consacrando la sostituzione del metallo nella realizzazione dei restauri indiretti.

Grazie a loro, i fondamentali protesici di minima invasività e riduzione degli spessori restaurativi si sono arricchiti di nuove, preziose potenzialità operative, come l’utilizzo del monolitico e la modellazione anatomica digitale che, oltre a consentire l’eliminazione della principale complicanza meccanica dei sistemi “bi-layer”, cioè il chipping della ceramica di rivestimento, hanno aperto la strada verso il “full-digital workflow”, che rappresenta il punto di partenza verso la semplificazione, la velocizzazione e la drastica riduzione dei costi in protesi fissa.

La zirconia, introdotta negli anni ’90, e il disilicato di litio, circa dieci anni dopo, rappresentano senz’altro i protagonisti della nuova generazione di materiali protesici, su cui è fortemente incentrata la ricerca internazionale. Questi materiali, il primo di natura policristallina, il secondo appartenente alle vetro-ceramiche mordenzabili, sono andati incontro, negli ultimi anni, a progressivi miglioramenti grazie a modificazioni delle tecnologie produttive, miranti, da un lato a renderli otticamente più versatili, come nel caso delle zirconie “traslucenti”, dall’altro a incrementarne le performances meccaniche, come nel caso dei silicati rinforzati con zirconia. Scopo di questo articolo è offrire una rapida, riassuntiva panoramica su questi materiali, che, evolvendosi anno dopo anno, propongono oggi alla filiera dentale sistemi restaurativi sempre più efficienti, con alta predicibilità dei risultati.

Disilicato di litio

Caratteristiche fisico-chimiche, proprietà ottiche e meccaniche

Negli ultimi anni, il disilicato di litio ha trovato ampio spazio nell’ambito della protesi fissa, grazie alle sue elevate proprietà estetiche, alla facilità di lavorazione e alle sue caratteristiche meccaniche1. È caratterizzato da una matrice vetrosa entro la quale sono immersi cristalli sottili e aghiformi di piccole dimensioni2; il core in disilicato può essere rivestito con ceramica a base di fluoroapatite, che conferisce traslucenza al restauro. La resistenza alla flessione (oltre 350 MPa) è più alta, se paragonata alle vecchie vetroceramiche a base di leucite3.

A causa della sua fragilità intrinseca, il disilicato di litio può risentire della fatica meccanica, andando incontro a fratture catastrofiche in caso di carichi ciclici concentrati in determinate aree di stress4,5,6.

Secondo studi in vitro, le corone in disilicato di litio prodotte con tecnologia CAD-CAM (Computer Aided Design-Computer Aided Manufacturing) dovebbero avere uno spessore di almeno 1,5 mm per sopportare i carichi occlusali nei settori posteriori4. Nella valutazione delle proprietà meccaniche e ottiche, il disilicato di litio prodotto con CAD-CAM (IPS e.max CAD, Ivoclar Vivadent, Lichtenstein) ha dimostrato il tasso di scolorimento più favorevole e una minore tendenza all’usura rispetto ai materiali compositi CAD-CAM, ai materiali ibridi e alle ceramiche a base di leucite7. Vari studi in vitro9,10 hanno, inoltre, evidenziato che corone in disilicato di litio monolitico e piccoli ponti, prodotti sia con tecnica CAD/CAM che pressati, sono più resistenti alla frattura rispetto ai restauri stratificati e la mancanza del materiale da rivestimento, estetico ma più fragile, consente un maggiore spessore di disilicato ad alta resistenza; ad ogni modo, la performance clinica dei piccoli ponti in disilicato di litio è influenzata da diversi fattori, compresa la morfologia della struttura e dei connettori.

Dal punto di vista del comportamento biologico, l’analisi delle colture di tessuto epiteliale umano dimostra che il disilicato di litio mostra un’elevata biocompatibilità, analogamente alla zirconia11. Di conseguenza, il disilicato di litio può essere considerato un materiale adatto per i restauri con margine intracrevicolare, a contatto diretto con i tessuti sulculari11,12.

Tecniche di produzione

Il disilicato di litio (Li2Si2O5) venne introdotto nel 1998, proponendo l’utilizzo di cores ottenuti da lingotti (Empress 2, Ivoclar Vivadent, Lichtenstein) con una tecnica di pressatura a caldo a 920°C. Il disilicato di litio è stato, più recentemente, riproposto in commercio in una forma caratterizzata da cristalli più piccoli e più uniformemente distribuiti, con conseguente miglioramento delle proprietà ottiche e meccaniche (IPS e.max Press, Ivoclar Vivadent, Lichtenstein)2.

Oltre che stratificato, il disilicato di litio può essere utilizzato come materiale monolitico, senza rivestimento ceramico, colorato in superficie.

In seguito, il materiale è stato proposto in blocchetti per metodica CAD-CAM chairside, nei quali è presente in forma solo parzialmente cristallizzata (IPS e.max CAD, Ivoclar Vivadent, Lichtenstein). Tali blocchetti, costituiti per il 40% da cristalli di metasilicato di litio (Li2SiO3) e per il resto da nuclei cristallizzati di disilicato di litio (Li2Si2O5), presentano durezza e resistenza alla flessione di moderata entità (resistenza alla flessione: circa 130 MPa); in questo modo, risultano più facilmente e rapidamente fresabili, riducendo al tempo stesso l’usura dei macchinari13. Dopo il fresaggio, la pressofusione (840°-850°C per 10 minuti) comporta la completa cristallizzazione del materiale e la trasformazione dei metasilicati in disilicato di litio14, con incremento della resistenza a flessione fino a 262 ± 88 MPa15 e della tenacità a frattura di 2,5 MPa m½14,16.
Il disilicato pressofuso presenta una resistenza alla flessione di 440 MPa e una tenacità a frattura più elevata (2,75 MPa m½ – IPS e.max Press), rispetto al disilicato fresato17.

Va detto anche che le cinetiche di cristallizzazione e la microstruttura del disilicato sono influenzate sensibilmente dai processi termici e meccanici; infatti, si osservano moduli di elasticità più elevati e maggiore durezza quando il disilicato è sottoposto a temperature più elevate (820-840°C) e per un tempo maggiore (14 minuti invece di 7)14.
Di recente, sono state introdotte nuove metodiche di lavorazione per procedure CAD-CAM: lo spark-plasma sintering (SPS), per esempio, determina una microstruttura del disilicato più densa, riducendo la quantità di quarzo/cristobalite e incrementando la quantità di metasilicato/disilicato di litio18.

Una nuova generazione di materiali metal-free è rappresentata dalle vetroceramiche ZLS (Zirconia-Lithium Silicate), in cui la matrice vetrosa viene rinforzata con cristalli di silicato di litio, 4-8 volte più piccoli e arrotondati rispetto a quelli di disilicato, ai quali viene aggiunta una componente di zirconia tetragonale (10% in peso) al fine di migliorarne le proprietà meccaniche19. Tali vetroceramiche sono indicate per restauri singoli, realizzati con sistema CAD/CAM (inlays, onlays, veneers e corone singole, anteriori e posteriori). Questi materiali, rispetto ai blocchetti di feldspatica, risultano più resistenti alla frattura, più agevolmente fresabili e lucidabili alla poltrona20; inoltre, mostrano elevata traslucenza e resistenza alla flessione21.

Caso clinico 1

 

Caso clinico 2

Trattamenti di superficie e cementazione

Uno studio recente ha valutato integrità strutturale del disilicato, presenza di chipping e usura degli strumenti diamantati a seguito di aggiustamenti occlusali, evidenziando che tali trattamenti di superficie possono causare microfratture intragranulari e intergranulari, risultanti in deformazioni plastiche e fratture22. Pertanto, il disilicato di litio è uno dei materiali più difficili da trattare, quando si parla di aggiustamenti alla poltrona23.

Essendo una vetroceramica, il disilicato di litio presenta il grande vantaggio di consentire la cementazione adesiva al substrato, migliorando in maniera significativa la performance clinica e la resistenza alla fatica24,25,26. Per le sue straordinarie proprietà ottiche, le caratteristiche meccaniche, la facilità di lavorazione e la possibilità di mordenzatura/adesione, questo materiale è rapidamente diventato tra i metal-free uno dei più popolari, in quasi ogni campo della protesi fissa, garantendo al tempo stesso un approccio minimamente invasivo.

Come le altre vetroceramiche, il disilicato di litio può essere riparato intraoralmente in caso di chipping con isolamento del campo operatorio mediante diga di gomma, mordenzatura con acido fluoridrico, seguita dalla silanizzazione e dall’applicazione di adesivi universali27,28. Sono stati anche studiati gli effetti dell’attrito del disilicato di litio sullo smalto dei denti naturali antagonisti, dimostrando che l’usura è meno marcata se il disilicato è monolitico e lucidato29-32. Inoltre, lo spazzolamento con dentifrici abrasivi ne riduce in modo significativo la lucentezza, aumentando la ruvidità, come accade in tutti i materiali metal-free, eccezion fatta per la zirconia33.

Indicazioni cliniche

L’indicazione principale per il materiale è data dai restauri singoli1. Diversi studi hanno valutato la resistenza alla fatica di corone singole e ponti, riportando dati favorevoli4-6.
Gehrt et al.34 hanno valutato la performance di 74 corone in disilicato di litio dopo 5 e 8 anni di funzione clinica: i tassi di sopravvivenza riportati erano rispettivamente 97,4% e 94,8%. Parallelamente, varie ricerche in vitro hanno dimostrato che il disilicato di litio può sopportare condizioni di stress elevato in corone posteriori35,36.

Più recentemente, studi retrospettivi con tempi di osservazione più lunghi hanno confermato bassi tassi di insuccesso ed elevate percentuali di sopravvivenza cumulative per le corone in disilicato di litio1,36-38. L’introduzione del monolitico, utilizzato principalmente nei settori posteriori, ha ridotto l’incidenza di fallimenti dovuti a chipping e fratture e, per quanto riguarda gli elementi singoli, offre un’ottima soluzione clinica1,27,34,39,40,41. Per quanto riguarda l’utilizzo di restauri supportati da impianti con abutment in titanio, in vitro il disilicato di litio ha, inoltre, mostrato una resistenza nettamente maggiore rispetto alle ceramiche feldspatiche42.

L’introduzione del monolitico, utilizzato principalmente nei settori posteriori, ha ridotto l’incidenza di fallimenti dovuti a chipping e fratture

La possibilità di utilizzare nella pratica quotidiana restauri monolitici a base di disilicato con ridotto spessore, caratterizzati da ottime proprietà meccaniche e che sfruttino un’efficiente adesione al substrato dentale, oggi consente anche l’impiego di inlays, onlays e table-tops nei siti posteriori, secondo un approccio minimamente invasivo. Alcuni studi hanno riportato alti tassi di sopravvivenza nell’impiego per un trattamento minimamente aggressivo delle lesioni estese nei denti posteriori, in particolare delle usure, con uno spessore minimo di 0,7-1,0 mm quando si utilizzino restauri occlusali non ritentivi a copertura totale, cementati in maniera adesiva1,43.

Per quanto riguarda i ponti, con un numero di elementi non superiore 3, l’indicazione dovrebbe essere limitata agli elementi anteriori o premolari1.
I dati clinici sono alquanto controversi; i tassi di sopravvivenza riportati per i ponti in disilicato stratificato per lo più non sono esaltanti, in particolare del 63% dopo 6 anni44 e del 50% a 2 anni45. In uno studio prospettico a 10 anni condotto su Empress 2, è stato rilevato un tasso di sopravvivenza del 71,4% dovuto a complicanze come discolorazioni marginali, sensibilità post-operatoria e recessioni gengivali46.
In uno studio prospettico a lungo termine, Kern et al.39 hanno evidenziato dopo 10 anni, in ponti di 3 unità in disilicato di litio monolitico pressato (IPS e.max Press), tassi di sopravvivenza dell’87,9% nei settori anteriori e 69,8% nei settori posteriori.

Anche per i Maryland bridges e per le protesi parziali fisse con elementi in estensione, interamente in ceramica, cementati con cementi resinosi, i risultati clinici sono molto incoraggianti, sebbene i dati siano piuttosto limitati a studi a breve e medio termine47,48. Sulaiman, Delgado & Donovan49 hanno analizzato i risultati clinici di restauri protesici in disilicato di litio pressato (corone, ponti, faccette, inlays e onlays), sia stratificati che monolitici, per un totale di 21.340 restauri, riportando, dopo 4 anni, le seguenti complicanze (fratture): 0,91% per corone in monolitico, 1,83% per corone stratificate, 4,55% per ponti monolitici, 1,53% per faccette, 1,01% per inlays/onlays monolitici. Qualche anno fa è stato proposto l’utilizzo di sovrastrutture in disilicato monolitico prodotte con metodica CAD-CAM e cementate in laboratorio su frameworks in zirconia, supportate da impianti, al fine di sfruttare la biocompatibilità delle strutture in zirconia e le favorevoli caratteristiche ottiche del disilicato, riducendo così il rischio di chipping, con risultati preliminari a medio termine incoraggianti1,50.

Infine, la letteratura evidenzia validi risultati a medio termine per il flusso di lavoro alla poltrona (chairside): dopo 4 anni, il tasso di sopravvivenza riportato è del 96,3% per corone e inlays in disilicato di litio, con bassa incidenza di complicanze di natura tecnica o biologica51.

Precisione marginale e adattamento interno

Diversi studi hanno valutato la precisione marginale di restauri in disilicato di litio, fabbricati a partire da tecniche di impronta convenzionali e digitali, riportando risultati controversi. Uno studio in vitro non ha riportato differenze statisticamente significative tra le due metodiche in termini di precisione marginale, riportando rispettivamente valori di gap pari a circa 89,8 e 112,3 μm52.

Diversamente, altri risultati di studi in vitro riportano che le corone singole in disilicato di litio pressate e fresate a partire da impronte digitali mostrano un adattamento interno con gli abutment migliore rispetto alle corone singole pressate a partire da impronte in polivinilsilossano, sia in termini di fit interno sia di precisione marginale53. Altre indagini, al contrario, dimostrano come la combinazione delle impronte in polivinilsilossano e delle tecniche di pressatura per corone singole produca adattamenti marginali più accurati, mentre la combinazione delle impronte digitali e delle corone singole in disilicato di litio pressate produrrebbe un peggiore adattamento interno54.

A oggi, va sottolineato come non sia possibile trarre conclusioni univoche circa l’adattamento marginale e interno dei restauri, essendo questi parametri significativamente influenzati da tutta una serie di variabili, dalla tecnica di impronta utilizzata, digitale o tradizionale, ai sistemi e materiali impiegati, dalla geometria di preparazione alle tecnologie produttive55.

In relazione alle diverse tecniche di fabbricazione, a oggi, la tecnica “hot pressed” sembra offrire risultati più vantaggiosi in termini di precisione marginale e performance meccanica rispetto ai blocchi pre-cristallizzati fresati con metodica CAD/CAM56,57,58, anche se ulteriori dati saranno necessari per definire questi aspetti.

Zirconia

Caratteristiche fisico-chimiche e proprietà meccaniche

Da un punto di vista classificativo, la zirconia (ZrO2) rientra nel gruppo delle ceramiche policristalline eterogenee a elevata resistenza ed è caratterizzata da ottime proprietà meccaniche (robustezza o “toughness” pari a 5-10 MPa√m, resistenza a flessione o “flexural strength” di 500-1.200 MPa, modulo di Young pari a 210 GPa) e buone proprietà ottiche59-62, ma non è suscettibile alle tradizionali procedure di mordenzatura acida63.

Dopo le procedure di rifinitura e lucidatura, la zirconia monolitica presenta il minor tasso di usura nei confronti della dentatura antagonista tra le varie ceramiche integrali

Sia in vitro che in vivo presenta eccellente biocompatibilità, ritenzione di placca inferiore al titanio e favorevole radiopacità, non è solubile in acqua e la suscettibilità a corrosione nell’ambiente intraorale è trascurabile59-62. Dopo le procedure di rifinitura e lucidatura, la zirconia monolitica presenta il minor tasso di usura nei confronti della dentatura antagonista tra le varie ceramiche integrali64.

Viene utilizzata in ambito odontoiatrico come ceramica integrale ma, da un punto di vista fisico-chimico, è un ossido metallico con proprietà ceramiche caratterizzato da polimorfismo e allotropia, ossia presente in natura in 3 differenti configurazioni cristalline: cubica (dal punto di fusione pari a 2.680°C a 2.370°C), tetragonale (da 2.370°C a 1.170°C) e monoclina (da 1.170°C a temperatura ambiente). I differenti allotropi presentano caratteristiche meccaniche e ottiche differenti che vengono sfruttate con varie indicazioni in ambito protesico59-62.

Caso clinico 3

Phase Transformation Toughening (PTT)

Tradizionalmente, la zirconia viene impiegata come materiale da restauro indiretto in forma tetragonale. Tuttavia, a temperatura ambiente e, in particolare, dopo il raffreddamento post-sinterizzazione, i cristalli tetragonali possono andare incontro a una trasformazione spontanea e irreversibile verso la più stabile forma monoclina; tale trasformazione prende il nome di irrobustimento da trasformazione di fase (Phase Transformation Toughening o PTT) e mostra in concomitanza un aumento del volume dei cristalli pari al 4-5% e la generazione di elevati stress compressivi all’interno del materiale.

La PTT viene sfruttata a livello tecnologico-protesico dal momento che rende possibile quella che è stata pubblicizzata come la capacità della zirconia di “autoripararsi” ma che è, in realtà, la possibilità di bloccare o, quanto meno, rallentare la progressione di micro-cracks e fratture all’interno del materiale. Infatti, a seguito di stress meccanici, termici o combinati, la zirconia è in grado di utilizzare l’energia assorbita per rompere parte dei legami atomici della struttura policristallina trasformandosi dalla forma tetragonale alla monoclina; il conseguente aumento volumetrico dei cristalli crea degli stress compressivi all’interno del materiale, e in particolare all’apice del micro-crack, limitando, ma non prevenendo, la propagazione delle fratture59-62,65,66.

Va sottolineato, tuttavia, che, a temperatura ambiente, tale trasformazione è irreversibile e localizzata, concentrata, cioè, a livello della zona sottoposta a stress (es. area di carico occlusale, zona di impatto traumatico, ecc): una volta espletata l’azione di limitazione di propagazione delle fratture, la zirconia, nella configurazione monoclina, non è più in grado di espandere ulteriormente il proprio volume generando i favorevoli stress compressivi di cui sopra59,66. Viceversa, riportando il materiale monoclino a temperature comprese tra 900°C e 1.000°C circa (per tempi limitati che variano in base alle specifiche caratteristiche merceologiche di ciascun produttore), la PTT diventa reversibile: mediante un processo definito “rigenerazione” o “annichilimento”, i cristalli monoclini possono essere riportati nella forma tetragonale, determinando il rilassamento degli stress compressivi interni al materiale59,65,66. A seguito della rigenerazione, tuttavia, la robustezza del materiale tende a ridursi e, da un punto di vista ottico, si può osservare una saturazione del croma; pertanto, il trattamento termico a elevata temperatura andrebbe impiegato con cautela e solo a seguito di procedure meccaniche potenzialmente aggressive (aggiustamento occlusale, polishing, ecc.)66,67.

Al fine di poter sfruttare le caratteristiche positive della PTT in sede intraorale, la zirconia in forma tetragonale e cubica viene stabilizzata a livello industriale con diversi ossidi, quali ittrio, magnesio, cerio e lantanio; le percentuali di tali ossidi possono variare in funzione della tecnica di lavorazione e dell’utilizzo clinico. Tali sostanze, definite “ossidi di stabilizzazione”, contribuiscono a mantenere la zirconia nella forma cristallina tetragonale anche a temperatura ambiente in uno stato termodinamicamente metastabile, prevenendo la trasformazione spontanea nei più stabili cristalli monoclini. Gli ossidi di stabilizzazione, tuttavia, possono andare perduti a seguito di traumi, modificazioni superficiali (es. aggiustamenti occlusali, rifinitura meccanica, ecc.) e invecchiamento del materiale59-62,65-67.

Low Temperature Degradation (LTD) e invecchiamento

Strettamente correlata alla PTT è la degradazione a bassa temperatura (“Low Temperature Degradation” o LTD) responsabile del cosiddetto “aging” o invecchiamento della zirconia.
A temperatura ambiente, il materiale va soggetto a una trasformazione spontanea e irreversibile verso la forma monoclina, anche in assenza di stress meccanici.

Tale fenomeno determina una riduzione delle proprietà meccaniche del materiale, fino alla possibile insorgenza di fratture spontanee59-62,65-69. La LTD è un fenomeno multifattoriale al quale concorrono svariate variabili, tra cui dimensione dei cristalli, temperatura, difetti di superficie, tecniche di fabbricazione, percentuale e distribuzione degli ossidi di stabilizzazione, stress meccanici e umidità; in particolare, gli ultimi due fattori possono accelerare l’invecchiamento del materiale59-62,65-69.

La zirconia tetragonale lascia trasparire circa il 25% della luce incidente e le sue caratteristiche vengono utilizzate per mascherare substrati particolarmente discromici

Benché l’aging sia considerato un fattore di rischio per i fallimenti meccanici, a oggi non sono state evidenziate correlazioni univoche tra tale fenomeno e le complicanze cliniche che interessano i restauri in zirconia. Ciò nonostante, la LTD può causare un peggioramento delle proprietà del materiale, contribuendo all’insorgenza di micro-fratture, riduzione della robustezza, usura aumentata, irruvidimento e accumulo di placca, fino al detrimento delle caratteristiche di superficie, con conseguente riduzione delle proprietà meccaniche ed estetiche della zirconia59-62,65-69.

Come dimostrato da un recente studio in vitro, gli attuali restauri in zirconia tetragonale monolitica sono soggetti a degradazione idrotermica (aging) anche per tempi relativamente brevi di invecchiamento; tuttavia, tale fenomeno non diminuisce significativamente le proprietà meccaniche del materiale tetragonale anche in presenza di ampie aree di trasformazione monoclina.

La ceramica vetrosa di rivestimento estetico (glaze) agisce come barriera protettiva nei confronti della degradazione idrotermica; tuttavia, alcune aree dei restauri, in particolare a livello marginale, possono presentare delle aree prive di tale rivestimento e risultare, conseguentemente, più suscettibili al fenomeno di invecchiamento66.

Proprietà ottiche

La zirconia è considerata tradizionalmente un materiale da restauro opaco e con proprietà ottiche ed estetiche meno accattivanti rispetto alle ceramiche vetrose. A seguito di transilluminazione, la zirconia tetragonale lascia trasparire circa il 25% della luce incidente e le sue caratteristiche vengono utilizzate per mascherare substrati particolarmente discromici (es. metallo, elementi dentali scuri)66,67,70-72.

Recentemente è stata introdotta in ambito restaurativo la zirconia a elevata traslucenza, composta per il 30-35% da cristalli cubici. Al di là delle migliorate proprietà ottiche, la presenza della fase cubica nella zirconia a elevata traslucenza determina la completa assenza di degradazione idrotermica (aging) di tale allotropo.

A fronte delle migliorate proprietà ottiche, tuttavia, la robustezza della zirconia traslucente risulta inferiore rispetto a quella tetragonale, con valori di resistenza a flessione variabili tra 500 e 900 MPa66,70-72. Come dimostrato in un recente studio, le ridotte proprietà meccaniche della zirconia traslucente sono dovute alle dimensioni e alla distribuzione dei cristalli: i granuli cubici, infatti, di dimensioni maggiori rispetto a quelli tetragonali, trattengono una quota maggiore di ossidi di stabilizzazione rendendo la fase tetragonale più suscettibile all’invecchiamento66.

Tecniche di produzione

A oggi la zirconia può essere lavorata solo mediante fresatura CAD-CAM (Computer Aided Design-Computer Aided Manufacturing) ma con due differenti tecniche produttive: il soft machining di zirconia pre-sinterizzata (grezza o allo stato verde) e l’hard machining di zirconia completamente sinterizzata; entrambe le tecniche possono essere realizzate sia in centri di fresaggio industriali che nei laboratori odontotecnici59-62,65,67.

Il soft machining rappresenta la tecnica di lavorazione più diffusa e prevede la fresatura di blocchi di zirconia pre-sinterizzata in forma di blocchetti o cialde creati partendo dalla compattazione isostatica a freddo di una miscela di polvere di zirconia, ossidi di stabilizzazione e agenti leganti (successivamente eliminati durante il processo di pre-sinterizzazione).
Tale tecnica rende la zirconia omogenea e facilmente fresabile, riducendo i tempi di lavorazione, l’usura dei macchinari e i difetti di superficie; inoltre, il soft machining crea porosità interne di dimensione trascurabile (20-30 nm).

Di contro, tuttavia, tale procedura prevede che la zirconia venga fresata con un sovradimensionamento pari a circa il 25% del volume finale del restauro e che andrà poi compensato durante la fase di sinterizzazione; di conseguenza, pur facilitando le procedure di fresaggio, il soft machining è più suscettibile a imprecisioni dimensionali, in particolare in presenza di geometrie restaurative complesse59-62,65,67. La lavorazione mediante hard machining, viceversa, prevede la fresatura di blocchi di zirconia già completamente sinterizzati a 1.400-1.500°C mediante pressatura ipostatica a caldo (Hot Isostatic Pressing o HIP).

Caso clinico 4

Se, da un lato, tale approccio garantisce una migliore stabilità dimensionale, non prevedendo alcun sovradimensionamento né sinterizzazione successiva alla fresatura, è pur vero che la lavorazione di blocchi completamente sinterizzati rende più lunga e indaginosa la produzione dei restauri, determinando, generalmente, costi maggiori legati a una più rapida usura dei macchinari di produzione nonché un aumentato rischio di difetti di superficie. Ne consegue che, a seguito di hard machining, i restauri possono presentare già in fase post-produttiva una certa quota di zirconia monoclina derivante dagli stress meccanici, dalla frizione delle punte lavoranti e dall’aumento di temperatura derivanti dalla lavorazione del materiale a elevata resistenza59-62,65,67.

La letteratura rimane controversa in merito a quale procedura di lavorazione offra i maggiori vantaggi. Il buon senso clinico suggerisce di selezionare la tecnica di produzione in base a una serie di valutazioni legate alle condizioni individuali del caso da trattare, analizzando attentamente forma, volume e complessità della geometria protesica e valutando i tempi e i costi dei processi di fresatura59-62,65,67.

Temperature elevate e tempi di sinterizzazione prolungati determinano la formazione di cristalli di zirconia più grandi e la dimensione di tali granuli influenza significativamente le proprietà meccaniche del materiale.

La dimensione critica dei cristalli è pari a circa 1 μm: al di sopra di tale diametro, la zirconia diventa spontaneamente più suscettibile alla PTT mentre al di sotto di 0,2 μm il fenomeno non si osserva e la robustezza del materiale diminuisce. Pertanto, le procedure di fabbricazione (in particolare, la sinterizzazione) influenzano significativamente le proprietà meccaniche e la stabilità della zirconia e devono essere attentamente controllate durante l’intero processo produttivo sia a livello industriale che nei laboratori odontotecnici66-71. A prescindere dal tipo di lavorazione, i blocchi di zirconia possono essere lavorati in colorazioni multistrato (multi-layer) contenenti ossidi metallici utilizzati come coloranti nella miscela delle cialde o possono essere pigmentati a seguito della fresatura mediante sali metallici applicati per infiltrazione.

La letteratura è concorde nel suggerire l’utilizzo della zirconia monolitica nei settori posteriori e nelle zone anteriori non visibili, limitando l’impiego di restauri stratificati alle sole aree a elevato impatto estetico

La letteratura è concorde nell’affermare che il processo di colorazione non influenza le proprietà meccaniche della zirconia tetragonale, mentre l’argomento è ancora controverso per quanto riguarda la fase cubica presente nei blocchi di materiale a elevata traslucenza59-62,65,67-69.

La zirconia può essere prodotta in forma monolitica o stratificata. Il materiale monolitico, privo, cioè, di ceramica di rivestimento, presenta un’estetica meno soddisfacente ma non può essere interessata in alcun modo dal fenomeno del “chipping”, ossia la frattura coesiva parcellare del rivestimento estetico in ceramica73-75.

Ad oggi, pertanto, la letteratura è concorde nel suggerire l’utilizzo della zirconia monolitica nei settori posteriori e nelle zone anteriori non visibili (es. superfici palatali e linguali), limitando l’impiego di restauri stratificati alle sole aree a elevato impatto estetico73-79. Lo spessore minimo dei restauri monolitici è pari a 0,5 mm73; viceversa, qualora si opti per restauri stratificati, lo spessore complessivo dei restauri deve restare nell’intervallo 1,0-1,5 mm73-79 e per la resistenza meccanica dei restauri è di fondamentale importanza impiegare ceramiche da rivestimento estetico dedicate alla zirconia e con coefficienti di espansione termica (CET) compatibili80.

Adattamento interno e precisione marginale

La precisione dei restauri in zirconia è influenzata da svariati fattori, tra cui la tecnica di produzione, la complessità della geometria restaurativa (es. caratteristiche di finitura marginale, lunghezza della travata, configurazione dei connettori, ecc.) e l’aging59,60,67,81.

La comparazione dei dati relativi alla precisione interna e marginale della zirconia risulta piuttosto difficoltosa considerata l’eterogeneità dei dati presenti in letteratura e le sostanziali differenze nella progettazione e nella valutazione degli studi sia clinici che di laboratorio59,60,67,81.

In sintesi, si può affermare che la precisione marginale dei restauri in zirconia sia superiore rispetto all’adattamento interno e ciò in virtù dell’ingombro delle punte lavoranti nella fresatura CAD-CAM e che i valori rientrino nell’intervallo di accettabilità clinica stabilito dalle specifiche dall’American Dental Association (ADA)59,60,67,81. I valori di gap marginale per le corone singole rientrano nel range 0-75 μm mentre le imprecisioni raggiungono i 140 μm nel caso di ponti ed aumentano proporzionalmente alla lunghezza delle travate59,60,67,81.

L’elevata resistenza strutturale e la stabilità della zirconia rendono il materiale adatto per la lavorazione marginale sia di restauri con geometria orizzontale sia per preparazioni a finire81.

Trattamenti di superficie e cementazione

Non contenendo matrice vetrosa, la zirconia è priva di silice e, come tale, non può trarre vantaggio dalle tradizionali procedure di mordenzata acida59,63.
Svariati pretrattamenti di superficie sono stati descritti in letteratura ma, a oggi, i risultati rimangono fortemente controversi82-90.

Sembra chiaro, tuttavia, che la creazione di ritenzioni micromeccaniche sulla superficie del materiale possa essere ottenuta mediante sabbiatura.
In letteratura sono stati riportati dati discordanti in merito agli effetti del trattamento meccanico delle superfici in zirconia: una sabbiatura troppo aggressiva (allumina da 250 μm a 0,4 MPa) può determinare la perdita degli ossidi di stabilizzazione con conseguente rischio di PTT spontanea e invecchiamento precoce del materiale; pertanto, sarebbe opportuno sabbiare le superfici con particelle di allumina da 110 μm a 0,2 MPa.

Tale trattamento risulta vantaggioso sulla zirconia parzialmente stabilizzata (Partially Stabilized Zirconia o PSZ) mentre sembra indebolire il materiale completamente stabilizzato (Fully Stabilized Zirconia o FSZ)82,83,85,87.
L’applicazione di agenti accoppianti come i silani può essere effettuata solo a seguito di trattamento tribochimico con particelle di allumina rivestite da silice o dopo aver infiltrato la superficie della zirconia con un sottile strato di ceramica vetrosa32,86-88; il secondo approccio, tuttavia, può determinare la creazione di spessori eccessivi e resta controversa l’efficacia dell’adesione all’interfaccia tra matrice vetrosa e reticolo policristallino85-88.

La combinazione di trattamenti meccanici e chimici della superficie in zirconia ha finora fornito i risultati più promettenti; a tal scopo, l’utilizzo di agenti promotori dell’adesione (primer) contenenti fosfati acidi (es. 10-MDP) può agire in sinergia con l’applicazione di silani e migliorare l’efficacia delle tecniche adesive sulla zirconia87-90.

Considerate le proprietà fisico-chimiche del materiale, in presenza di geometrie ritentive e restauri a copertura completa, i cementi di prima scelta sono i tradizionali cementi su base acquosa (es. vetro-ionomerici, fosfato di zinco) e i cementi ibridi (es. vetro-nionomerici modificati con resine).

Viceversa, in presenza di restauri parziali (per i quali, in condizioni cliniche standard, sono da preferire le ceramiche rinforzate a base vetrosa come il disilicato di litio), di geometrie scarsamente ritentive (es. monconi con altezza occluso-cervicale ridotta) o di carichi masticatori elevati, previo pretrattamento della superficie in zirconia come descritto in precedenza, è possibile utilizzare cementi resinosi tradizionali o semplificati (self-adhesive), in modo da ammortizzare i carichi occlusali e permettere alla resina di compensare eventuali micro-crack sulla superficie interna dei restauri85,87,89.

Indicazioni cliniche

La zirconia può essere impiegata sia su denti naturali che su impianti per la realizzazione di corone singole e ponti a corta e media travata fino a 5 elementi73,74,76-79,91.

Nel caso di ponti, la resistenza meccanica e il successo clinico sono strettamente correlati alla corretta progettazione delle strutture, garantendo connettori di dimensioni adeguate (minimo 9 mm2, 16 mm2 e 25 mm2 per ponti di 3, 4 e 5 elementi rispettivamente) e con raggi di curvatura ampi e arrotondati, a evitare angoli acuti che possano causare generare aree con pericolose concentrazioni di stress79.

Recentemente sono stati pubblicati studi clinici riguardanti restauri in zirconia a tutta arcata (full-arch) sia su denti che su impianti.
Benché i risultati a breve e medio termine siano confortanti e raggiungano il 94,8% in configurazione monolitica su impianti dopo 3 anni di funzione clinica74, va sottolineato che una recente revisione della letteratura ha riportato tassi di complicanze a 5 anni su denti e impianti pari rispettivamente al 27,6% e al 30,5%92.

Inoltre, i restauri con rivestimento ceramico (bilayer) presentano percentuali di successo a 5 anni inferiori rispetto ai restauri monolitici (60,4% vs 90,9%)93. Pertanto l’impiego di restauri in zirconia di tipo full-arch andrebbe sempre valutato con cautela e necessita di ulteriori studi clinici a lungo termine.

Considerata l’assenza di matrice vetrosa nella struttura policristallina, la zirconia non è suscettibile alle tradizionali procedure di mordenzatura acida e, pertanto, non può essere considerata un materiale di elezione per restauri di tipo adesivo (es. faccette, intarsi, ponti tipo Maryland)59,63.

La zirconia può essere impiegata per la fabbricazione di fixture e abutment implantari. In merito agli impianti, la letteratura presenta dati discordanti, a breve termine e per lo più di natura aneddotica.

Viceversa, l’impiego degli abutment risulta piuttosto validato, in particolar modo nei settori anteriori ad elevata valenza estetica, nei quali il colore della zirconia contribuisce a un aspetto più naturale dei tessuti molli periimplantari67,76,91,97. Un recente studio clinico retrospettivo ha evidenziato come le connessioni interne in sola zirconia siano molto più suscettibili a complicanze meccaniche (es. svitamenti, fratture) rispetto ai sistemi di connessione ibridi per incollaggio zirconia-titanio e che la distanza tra la connessione implanto-protesica e il piano occlusale possa generare momenti flettenti sfavorevoli per la prognosi a lungo termine dei restauri in ceramica integrale96.

Conclusioni

In conclusione, sia la zirconia che i disilicati rappresentano senz’altro i materiali protesici più innovativi degli ultimi 20 anni e, nell’ambito del metal-free, offrono potenzialità enormi sia per quanto riguarda la versatilità clinica che per la qualità dei risultati estetici e meccanici.

In ogni caso, la scelta dei materiali dovrà sempre essere preliminarmente programmata dal clinico, alla luce della conoscenza delle specifiche indicazioni, delle diverse tipologie e materiali utilizzati per la cementazione e delle particolari richieste funzionali dei restauri.

Ringraziamenti
Gli Autori ringraziano i laboratori Zuppardi, De Stefano e Mutone per la collaborazione odontotecnica.

 

 

The leaders of metal-free: zirconia and lithium disilicate. Features and clinical uses

Summary
In recent years, the development of innovative technologies and the evolution of increasingly performing restorative materials led to “digital dentistry”, especially in the field of dental prosthodontics.
The implementation of advanced technologies (CAD-CAM, laser sintering and melting, 3D printing) in daily clinical practice boosted by the development of the last generation restorative materials: high-resistance ceramics, hybrid composites, technopolymers and high-precision metal alloys. Among these, the metal-free polycrystalline ceramics produced with CAD-CAM technology such as zirconia and reinforced glass-ceramics (silicates and lithium disilicates) offer numerous advantages, such as high aesthetic potential, stunning optical properties, highly performing mechanical characteristics, excellent accuracy related to fabrication technologies of very high production standards. These improvements significantly expanded the clinical options in prosthodontics onto both teeth and implants.
The present paper offers a clinical and experimental review about the use of zirconia and lithium disilicate ceramics in prosthodontics and proposes a series of operative advices validated by up-to-date scientific literature for an accurate and proper selection of metal-free ceramic materials”.

Corrispondenza
zarone@unina.it

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