JP4429017B2 - 歯科矯正装置 - Google Patents
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Description
本発明のセラミック材料は、半透明の多結晶質材料である。「セラミック」は、無機非金属材料のことを言い、「結晶」は、塊状粉末(bulk powder)X線回折走査を経たとき、結晶質回折ピークを示し、本質的にガラスを含まない材料のことを言う。多結晶質材料は、粒界で接合している、不規則な向きに並んだ多数の結晶を有する。セラミック材料は、理論密度の少なくとも99%を有する多結晶セラミックを少なくとも99%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、押出しプロセス、およびラピッド・プロトタイピングなどの、本発明の歯科矯正装置を作製するのに使用されるセラミック材料を成形する様々な方法を採用してもよい。得られる材料は、最終的な所望の形状とすることができるか、又は、一部、例えば、更に機械加工を経る装置(「プレフォーム」)の形態とすることができる。これらのプロセスは、セラミック材料を作製するのに使用することが周知である。
「歯科矯正装置」の用語は、本明細書では、歯に取付けることを意図され、アーチワイヤ、スプリング、弾性体、又は、力を加える他の構成要素からその歯に矯正力を伝達するのに使用される任意のデバイスを含む広い意味で使用される。好適な装置の例には、ブラケット(自己結さつブラケットを含める)、バッカルチューブ、クリートおよびボタンなどが挙げられる。「アーチワイヤスロット」の用語は、アーチワイヤを受入れる、又はアーチワイヤと連結する任意の構造体を指すのに広く使用される。
硬さ
実施例の材料の平均微小硬さは、取付け用樹脂(イリノイ州レイクブラフ、ビューラー社(Buehler Ltd.,Lake Bluff,IL)から「エポキシド(EPOXIDE)」の商標で入手される)の中に加工済みセラミック部品を取付けることにより測定した。更に具体的には、材料は、直径3.18cm(1.25インチ)、高さ1.9cm(0.75インチ)の円筒状の樹脂の中に固定された。取付けたサンプルを、ダイヤモンドラップ仕上げフィルム(ミネソタ州セントポール、3M社(3M Company,St.Paul,MN)から「インペリアル・ダイヤモンド・ラッピング・フィルム(IMPERIAL DIAMOND LAPPING FILM)」の商標で入手される)を使用して研磨し、最終研磨ステップでは、0.5マイクロメートルのダイヤモンドフィルムを使用して、サンプルの研磨断面が得られた。
幅2.5mm×厚さ1.5mm×長さ12.0mmで、0.15±0.05mm×45°のチャンファを有する試験片を、マサチューセッツ州ウスター、チャンド・カリ・テクニカル・セラミックス(Chand Kare Technical Ceramics,Worcester,MA)で機械加工した。試験片を、試験前に24時間、37℃の蒸留水に浸漬した。10.0mmの間隔を有する3点曲げ試験の配置を採用した。クロスヘッド試験速度は、0.75mm/分であった。インストロン(Instron)4505試験フレーム(マサチューセッツ州カントン、インストロン社(Instron Corporation,Canton,MA))を利用した。曲げ強さの結果をMPaの単位で、最小、最大、および平均の強さの値として報告した。平均の強さの値は、5回の測定値の平均である。
材料の半透明性を定量的に評価するため、ビューラー・アイソメット2000プレシジョン・ソー(Buehler Isomet 2000 Precision Saw)(イリノイ州レイクブラフ、ビューラー社(Buehler Co,Lake Bluff,IL))およびビューラー・シリーズ(Buehler Series)15−LCダイヤモンド・ウエハ加工用ブレード(15.24cm、#11−4276)を使用して、2500rpmの速度および1000グラムの荷重で切削ディスクを用いて、2つの平行で平坦な表面、1.0±0.03mmの厚さ、および12〜15mmの範囲の様々な直径を有するセラミックディスクを準備した。600グリットのサンドペーパー(3M、ウェットオアドライTri−M−Ite、#438Q、ミネソタ州セントポール、3M社(3M Company,St.Paul,MN))に沿って約7.6cmの経路上を、両方の表面(ディスクの前面および背面)を前後に10回通過させることにより、それらを一様にした。潤滑剤として、およびサンプルディスクをすすぐために蒸留水を使用した。
小さい、例えば、歯科矯正用ブラケットの大きさの試験サンプルの半透明度を、公開されている標準的方法、「食物と接触する材料および物品、セラミック物品の半透明度の試験方法(“Materials and Articles in Contact with Foodstuffs:Test Methods for Translucency of Ceramic Articles”)」DIN−EN1184(1997年8月)の変更形態である、以下の方法に従って定量的に測定した。小さい試験サンプル、例えば、セラミック歯科矯正用ブラケットをエタノールで清浄にし、無水窒素気流中で乾燥させた。乾燥したサンプルを約40nmのAu/Pdでスパッタリングコーティングし、ビューラー・ツー・パート・エポキシ(Buehler−Two Part Epoxy)(イリノイ州レイクブラフ、ビューラー社(Buehler Ltd.,Lake Bluff,IL))を使用して、2.54cmのフェノール製の環の中に取付けた。確実に、サンプルの典型的な断面が作り出され、且つ、非アルミナ材料(ガラスフリットコーティングなど)が全て切断プロセス中に除去されるように、サンプルを取付ける向きに特に注意を払った。取付台を室温で一晩硬化させた。硬化した取付台をストルーアズ・アカスタム(Struers Accustom)−50高速ダイヤモンドソーで約1.5〜5mmの間の幅に切断した。
アルミナ試験サンプルの平均粒度は、走査型電子顕微鏡(SEM)の画像から決定された。走査の前に、硬さ試験のため、前述のようにサンプルを取付け、研磨した。研磨に続いて、サンプルを取付媒体から取外し、清浄にし、80℃の過飽和ホウ砂(ホウ酸ナトリウム)水溶液中に1分間浸漬した。次いで、ホウ酸ナトリウム溶液でコーティングしたサンプルを、5℃/分で900℃に加熱し、900℃で30分間気流中で均熱した。ホウ砂溶液は、アルミナと反応し、研磨された表面の粒界でガラスを形成した。冷却時に、研磨された表面を沸騰する12%のHCl酸溶液中で1分間エッチングし、生じたガラスを除去した。この手順は、高温熱エッチングを行うことなく、サンプルの結晶粒構造を現出することに役立ったが、高温熱エッチングを行えば、存在する微小構造が変化した可能性があった。
アルミナ粉体
出発アルミナ(Al2O3)粉体は、日本、東京の大明化学工業株式会社から入手され、TM−DARと称された。粉体は、製造業者によってAl2O3が99.99重量%の基準組成(nominal composition)を有し、残部は次の金属/酸化物の不純物、即ち、Na(5ppm)、K(1ppm)、Fe(4ppm)、Ca(1ppm)、Mg(1ppm)、およびSi(2ppm)から構成されると報告された。この粉体の基準表面積(nominal surface area)は、14.8m2/gであり、平均粒度は0.18μm(製造業者のデータ)であった。
初期アルミナ粉体処理
受け取られたTM−DARアルミナ粉体を解凝集し、後で加工するため以下のように調製した。この粉体を(粉体の約42重量%に等しい量の)蒸留水、(粉体の約0.45重量%に等しい量の)クエン酸水素アンモニウム粉体(ミズーリ州セントルイス、シグマ・オールドリッチ・ケミカル社(Sigma−Aldrich Chemical Company,St.Louis,MO))とポリエチレン瓶中で混合した。この瓶を室温の超音波水浴に入れ、粉体スラリーを2時間超音波処理した。音波処理に続いて、水酸化アンモニウム(マサチューセッツ州ウォードヒル、アルファ・エーサー(Alpha Aesar,Ward Hill,MA))を粉体の約0.3重量%に等しい量で添加して、溶液のpHを上げた。次いで、得られるスラリーを、ローム・アンド・ハース社(Rohm and Haas Company)(ペンシルバニア州フィラデルフィア(Philadelphia,PA))により製造されるアクリル樹脂、デュラマックス(DURAMAX)B−1000バインダを添加することによって、更に噴霧乾燥の準備をした。(粉体の約9.7重量%に等しい量の)バインダを添加する前に、バインダ1部に対して蒸留水約2部でバインダを希釈した。次に、ユニオンカーバイド(Union Carbide)(コネチカット州ダンバリー(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400を粉体の約1.1重量%に等しい量で、スラリーに添加した。カーボワックス(Carbowax)400を粉体−バインダスラリーに添加する前に、カーボワックス(Carbowax)400が1部に対して蒸留水約4.5部でカーボワックス(Carbowax)400を希釈した。得られるスラリーを磁器撹拌棒で混合して、噴霧乾燥し(ニューヨーク州ウエストベリー、ブリンクマン・インスツルメンツ(Brinkman Instruments,Westbury,NY)から入手される、ブチ・ミニ・スプレー・ドライヤー(Buchi Mini Spray Dryer)B−191、入口温度=195℃、出口温度=100℃)、更に加工するのに好適な微細で自由流動性の粉体が製造される。
直径16.6mmのダイおよび約310MPaの加圧力を使用して、自由流動性アルミナ粉体を一軸方向にプレスし、10.25gの円筒状ペレットにした。(プレスは、インディアナ州ウォバッシュ、カーバー社(Carver,Inc., Wabash,IN)から得られる、カーバー・ラボラトリー・プレス、モデルM(Carver Laboratoty Press,Model M)であった。)次いで、得られるペレットを約170MPaで冷間静水圧プレス(CIP処理)した(ペンシルバニア州エリー、オートクレーブ・エンジニア(Autoclave Engineers,Erie,PA)、モデル#IP4−22−60)。
CIP処理したペレット(又は他の形状のセラミック部品)を690℃の空気中で1時間、脱バインダを行い、分散および噴霧乾燥を容易にするために添加した有機成分を除去した。(690℃までの昇温速度は、約1℃/分であった。690℃で1時間均熱した後、炉の電力を停止し、炉を自然な速度で冷却する。)脱バインダの後、セラミック部品は、典型的には、(3.98g/cm3の理論密度を基準にして)58%を超える「グリーン」(未焼結)密度を有した。
脱バインダ加工の後、セラミック部品を1235℃、空気中で2時間焼結し、昇温および冷却速度は20℃/分であった。この常圧焼結プロセスによって、典型的には、密度が約3.83g/cm3、即ちその理論密度の約96%のセラミック部品が製造された。最大密度の約96%で、これらのセラミック部品は、外観が明るい白色で不透明であった。更に、セラミック部品は、それらの乾燥重量、およびアルキメデス密度法(Archimedes density technique)によって決定される場合の飽和重量が等値に近いことによって示されるように、プロセスのこの時点で密閉気孔率に達した。密閉気孔率が達成されると、焼結したセラミック部品は、被包化なしで、熱間静水圧プレス(HIP処理)することができた。
焼結したセラミック部品を1275℃で65分間、207MPaのアルゴン加圧力、1200℃未満で20℃/分、1200℃より高温では13℃/分の昇温速度でHIP処理した。冷却速度は約25℃/分であった。得られるセラミック部品(実施例1半透明アルミナ)の最終密度は、約3.98g/cm3(原子のパッキングの考慮に基づいて、本質的にその理論密度の100%)であり、外観が半透明であった。実施例1の半透明性の定量的な評価は、図2に示されるように行われたが、これは、印刷されたテキストを厚さ1mmのディスク状の材料を通して読むことができるかを実証する。実施例1のアルミナの平均粒度は、本明細書に記載の試験方法に従って測定され、0.8μmであると決定された。実施例1のアルミナの走査型電子顕微鏡(SEM)画像(2000×)を図3に示す。実施例1のアルミナの硬さは、本明細書に記載の試験方法に従って測定され、22.1±0.5GPaであることが分かった。
焼結したペレット(又はセラミック部品)を(実施例1の1275℃に対して)1375℃で、(実施例1の65分に対して)30分間、HIP処理したこと以外、実施例1に記載のようにTM−DARアルミナ粉体を加工した。得られるセラミック部品(実施例2半透明アルミナ)の最終密度は、約3.99g/cm3(その理論密度と考えられるものの100%より僅かに大きい)であり、外観が半透明で、視覚的に実施例1のアルミナに類似の半透明性を有するように見える。実施例2のアルミナの平均粒度は、本明細書に記載の試験方法に従って測定され、0.9μmであると決定された。走査型電子顕微鏡画像(2000×)を図4に示す。実施例2のアルミナの硬さは、本明細書に記載の試験方法に従って測定され、21.7±0.7GPaであることが分かった。
更に多量の半透明の多結晶アルミナを調製し、確実に、全部品が均一に加工されるようにするため、以下の変更プロセスを採用した。
比較例Aは、カリフォルニア州コスタメサ、セラダイン社(Ceradyne,Inc.,Costa Mesa,CA)から入手可能で、トランスター(TRANSTAR)の商標で販売される半透明のアルミナである。トランスター(TRANSTAR)セラミックの粒度は、本発明に記載の試験方法に従って測定され、30.0ミクロンであることが分かった。トランスター(TRANSTAR)セラミックの硬さは、本発明に記載の試験方法に従って測定され、19.7±0.8GPaであることが分かった。比較例Aの走査型電子顕微鏡画像(2000×)を図5に示す。
比較例Bは、ペンシルバニア州ビーバーフォール、ベスビアス・マクダネル(Vesuvius McDanel,Beaver Falls,PA)から「998」の商標で入手可能な、不透明(象牙色)のアルミナである。
比較例Cは、セラダイン社(Ceradyne,Inc.,)から入手可能で、「セラダイン(CERADYNE)TPA」の商標で販売される半透明のアルミナである。この材料は、3Mクラリティ(CLARITY)・ラインの歯科矯正用ブラケット(カリフォルニア州モンロビア、3Mユニテック(3M Unitek,Monrovia,CA))の製造に使用される。
比較例Dは、テキサス州ラボック、クラス・ワン・オルソドンティクス(Class One Orthodontics,Lubbock,TX)から「コンツアー・セラミック・ブラケット(CONTOUR Ceramic Brackets)」の商標で入手可能な、市販の半透明アルミナ歯科矯正用ブラケットである。
比較例Eは、インディアナ州ラポルテ、TPオルソドンティクス(TP Orthodontics,LaPorte,IN)から「MXi」の商標で入手可能な、市販の半透明アルミナ歯科矯正用ブラケットである。
本発明の微細粒化半透明アルミナ材料を、他の市販のアルミナと比較するため、以下に概要を述べる特性評価を完了した。この作業では、本発明の半透明アルミナを、粗粒化された、又は微細粒化された半透明アルミナの両方、並びに粗粒化された不透明アルミナと比較した。
本明細書に記載の試験方法に従って曲げ強さを測定し、実施例1並びに比較例AおよびBの試験結果を表1に報告する。
セラミックサンプルの半透明性を定量的に評価するため、本明細書に記載の試験方法に従ってコントラスト比を測定し、実施例3並びに比較例AおよびBの試験結果を表2に報告する。
本明細書に記載の試験方法に従って硬さおよび粒度を決定し、実施例3、比較例C、および2つのブラケットサンプル(比較例DおよびE)の結果を表3に報告する。実施例3、比較例C、比較例Dおよび比較例Eサンプルの平均粒度を決定するのに使用したSEM画像(2,500×および10,000×)の例を、それぞれ、図6aおよび6b、図7(2,500×のみ)、図8aおよび8b、および図9aおよび9bに示す。
半透明性は、本明細書に記載される試験方法「小さいサンプルの半透明性(湿潤透明度)」に従って決定され、実施例3、並びに、比較例C、DおよびEに関する結果を表の形態(表4)で、並びにグラフの形態(図10)で報告する。
Claims (6)
- 平均粒度が1.0μm以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である、半透明の多結晶酸化アルミニウムセラミック材料を含む、歯科矯正ブラケット。
- 粒度が1.0μm以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である半透明の多結晶酸化アルミニウムセラミック材料を含む、歯科矯正ブラケット又はブラケットプレフォームを作製する方法であって、
酸化アルミニウム粉体を提供する工程、
前記粉体を所望の形状を有する物品に形成する工程、
前記成形物品を焼結し、密閉気孔を有する焼結物品を得る工程、および
前記焼結物品を熱間静水圧プレスして更に密度を高め、粒度が1.0μm以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である半透明の多結晶酸化アルミニウムセラミック材料を含む、歯科矯正ブラケット又はブラケットプレフォームを形成する工程、
を含む、方法。 - 前記酸化アルミニウム粉体が10m2/gより大きい表面積を有する、請求項2に記載の方法。
- 前記酸化アルミニウム粉体が14m2/gより大きい表面積を有する、請求項2に記載の方法。
- 前記粉体を所望の形状を有する物品に形成する工程が、インジェクション成形法、押し出し法、又はラピッド・プロトタイピング法である、請求項2に記載の方法。
- 粒度が1.0μm以下であり、コントラスト比の値が約0.7未満である半透明の多結晶酸化アルミニウムセラミック材料を含む、歯科矯正ブラケット又はブラケットプレフォームを作製する方法であって、
酸化アルミニウム粉体を提供する工程、
インジェクション成形法、押し出し法、又はラピッド・プロトタイピング法を用いて前記粉体を所望の形状を有する物品に形成する工程、
前記成形物品を焼結し、密閉気孔を有する焼結物品を得る工程を含む、歯科矯正ブラケット又はブラケットプレフォームを作製する方法。
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