JP5168766B2

JP5168766B2 - 歯列矯正ブラケット及びその製造方法

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Publication number: JP5168766B2
Application number: JP2005246135A
Authority: JP
Inventors: 孝次津久間; 徹津吉
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JP2006087915A

Description

本発明は高強度透光性セラミックスを用いた、美観と機能性に優れる歯列矯正ブラケットに関する。

従来、歯列矯正ブラケット材料として、ステンレス系金属、或いはポリカーボネート系プラスティックが用いられてきた。また、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物セラミックスも用いられている。ステンレス系は強度、加工性に優れているものの金属光沢を示すために、ブラケットとして歯列に装着した際目立ち、美観を損なうという欠点があった。この欠点を改善するという観点から透明プラスティック製ブラケットが用いられる場合がある。しかし、プラスティックは耐久性に劣り変色し、剛性が低いため矯正効果を十分発揮しにくいという欠点があった。

金属より美観に優れ、プラスティックの耐久劣化を克服するものとして、アルミナセラミックスからなるブラケットが開発されている。例えば、特許文献１には８５％ｗｔ以上のＡｌ_２Ｏ_３を含有するアルミナ質ブラケットが開示されており、アルミナ粉末を１５７５〜１６７５℃で焼結した、曲げ強度３３０ＭＰａをもつセラミックスが例示されている。

特許文献２には、高純度アルミナブラケットが開示されており、結晶粒子径が２〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍであり、曲げ強度が２８０ＭＰａ以上のアルミナセラミックスからなることが記載されている。また、製法として水素雰囲気中１７５０〜２０５０℃で焼結する方法、及びその焼結体を温度１７５０〜２０５０℃、圧力１００ＭＰａでＨＩＰ処理する方法が開示されている。

また、特許文献３にはアルミナを９９．９ｗｔ％以上含有する高純度アルミナブラケットが開示されており、実施例として、結晶粒子径が１．８〜３．０μｍであり、曲げ強度が５３０〜６４０ＭＰａを示すセラミックスが示されている。製法として、１３００〜１４００℃で常圧焼結し、次いで１４００〜１５５０℃、圧力５０ＭＰａ以上でＨＩＰ処理する方法が示されている。

更に、特許文献４には１．０μｍ以下の微細結晶粒からなるアルミナセラミックスブラケットが開示されており、曲げ強度６２０ＭＰａのセラミックスが例示されている。その製法として１２００〜１３００℃で焼結し、次いで１２００〜１３００℃でＨＩＰ処理する方法が示されている。

米国特許第４２１９６１７号明細書（特許請求の範囲）米国特許第４９５４０８０号明細書（特許請求の範囲）特開平３−１６８１４０号公報（特許請求の範囲）米国特許第６６４８６３８号明細書（特許請求の範囲、TABLE 1）

歯列矯正ブラケットに用いられるアルミナセラミックスには審美性を高めるため高い透光性が必要であり、さらに患者への違和感を軽減できるスリムな形状とするため高強度が必要とされる。特に近年、ブラケットの形状は複雑化しており、材料特性としてより高強度が必要とされている。しかしながら、従来のアルミナセラミックスブラケットは前述したように、曲げ強度７００ＭＰａ未満のアルミナから構成されており、この要求に十分答えるものではなかった。

本発明は高い透光性を損なうことなく、曲げ強度７００ＭＰａ以上の高強度アルミナセラミックスからなる歯列矯正ブラケットを提供することを目的とする。

本発明者等は歯列矯正ブラケットとして用いられるアルミナセラミックスの高強度化と透光性向上を同時に達成できる方法を見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の歯列矯正ブラケットはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を９９．５ｗｔ％以上含有するセラミックスであって波長５５０ｎｍの可視光に対する吸収散乱係数が２．８ｍｍ^−１以下、かつ曲げ強度が７００ＭＰａ以上である透光性セラミックスからなることを特徴とする歯列矯正ブラケットである。なお、本発明の歯列矯正ブラケットでは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を９９．５ｗｔ％以上含有するアルミナセラミックスの曲げ強度が９００ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。また、これらの透光性セラミックスの波長５５０ｎｍの可視光に対する分光立体角反射率は１５％以下であることが好ましく、さらに、これらの透光性セラミックスは平均結晶粒径１．０〜１．７μｍの結晶で構成されていることが好ましい。本発明の歯列矯正ブラケットを構成する透光性セラミックスは高強度であるため、歯列矯正ブラケットの形状をスリム化でき、アーチワイヤーを装着するスロット底面から歯と接着するベース面までの最短距離が０．６ｍｍ以下である形状を有する歯列矯正ブラケットが可能となる。すなわち、本発明の歯列矯正ブラケットは、波長５５０ｎｍの可視光に対する吸収散乱係数が２．８ｍｍ^−１以下であり、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を９９．５ｗｔ％以上含有する透光性セラミックスからなり、歯に接着するためのベース面とアーチワイヤーを装着するスロットとを少なくとも有する歯列矯正ブラケットであって、前記アーチワイヤーを装着するスロット底面から前記歯に接着するためのベース面までの最短距離が０．６ｍｍ以下であることを特徴とする歯列矯正ブラケットである。なお、該透光性セラミックスの波長５５０ｎｍの可視光に対する分光立体角反射率は１５％以下であることが好ましく、また、該透光性セラミックスは平均結晶粒径１．０〜１．７μｍの結晶で構成されていることが好ましい。

また、本発明の歯列矯正ブラケットの製造方法は、高純度アルミナ微粉末からなる成形体を１２００〜１３００℃で焼成し、相対密度９６〜９９．５％、平均結晶粒径１．０μｍ以下の結晶からなる焼結体とし、ついでこの焼結体を１２００〜１３５０℃、圧力５０ＭＰａ以上の条件下で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理することを特徴とする。このＨＩＰ処理においては、１２００〜１２７５℃の温度範囲で５０ＭＰａ以上の圧力下に保持し、ついで１２７５〜１３５０℃でさらに加圧保持する２ステップパターンとすることがより好ましい。なお、該ＨＩＰ処理において、１２００〜１２７５℃の温度範囲で５０ＭＰａ以上の圧力下に保持する第１ステップの保持時間は０．５時間以上であることが好ましい。また、１２７５〜１３５０℃で加圧保持する第２ステップにおいては、１２００〜１２７５℃の第１ステップにおける圧力よりもさらに高い圧力下に加圧保持することが好ましい。

粉末成形体の製造方法としては、例えば、高純度アルミナ微粉末に熱可塑性有機樹脂を添加し、混練した後、インジェクションモールディングにより所望のブラケット形状とし、樹脂を加熱除去して粉末成形体とするセラミックス射出成形法によることが好ましい。また、使用する高純度アルミナ微粉末としては、純度９９．９％以上、比表面積１０〜２０ｍ^２／ｇの高純度アルミナ微粉末を用いることが好ましい。

本発明を以下詳細に説明する。

本発明の歯列矯正ブラケットのアルミナ含有率は９９．５ｗｔ％以上であり、それを下回ると粒界に不純物が析出した構造のものとなり、それに基づく光散乱のために透光性が低下する。したがって、本発明の歯列矯正ブラケットを構成する透光性セラミックスは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を９９．９ｗｔ％以上含有するものであることが好ましく、９９．９６ｗｔ％以上含有するものであることがさらに好ましい。なお、透光性アルミナではＭｇＯ等添加物が異常粒成長を抑制する目的でしばしば添加されるが、本発明の透光性セラミックスにおいては、添加物は０．５ｗｔ％以下、好ましくは０〜０．１ｗｔ％、さらに好ましくは０．０４ｗｔ％未満に抑えるとよい。

本発明の歯列矯正ブラケットの平均結晶粒径は１．０〜１．７μｍの範囲であることが好ましい。平均結晶粒径が１．０μｍ未満では粒界散乱の増加による透光性の低下が起こり、吸収散乱係数２．８ｍｍ^−１以下、並びに分光立体角反射率１５％以下を維持することが困難となり、１．７μｍを超えると粒径増大効果による強度低下のため、曲げ強度７００ＭＰａ以上を維持することが困難となる。充分な透光性と強度を確保するために、燒結体の平均結晶粒径は、１．２〜１．７μｍであることがさらに好ましい。

本発明の歯列矯正ブラケットは、例えば、高純度アルミナ微粉末からなる成形体をあらかじめ相対密度９６〜９９．５％になるまで焼結し、それをＨＩＰ処理する方法で製造することができる。相対密度９６〜９９．５％、平均結晶粒径１．０μｍ以下の結晶からなる焼結体は、高純度アルミナ微粉末からなる成形体を１２００〜１３００℃で焼結して得ることができる。１２００〜１３００℃で９６％以上に緻密化させるには、原料である高純度アルミナ微粉末は純度９９．９％以上、比表面積１０〜２０ｍ^２／ｇをもつ粉末が好ましい。この高純度アルミナ微粉末は純度９９．９６％以上であることがさらに好ましい。

焼結の雰囲気としては、大気、酸素、真空、水素などいずれも適用できるが、大気中が最も簡便かつ工業的である。ＨＩＰ処理は１２００〜１３５０℃、５０ＭＰａ以上で行う。１２００℃未満では気孔消滅をもたらす圧力作用を十分なものとできず、所望の高強度の達成が困難となり、１３５０℃を超えると粒成長が起こりすぎ、強度低下が起こる。ＨＩＰ圧力媒体としては通常用いられるアルゴンガスが適用でき、それ以外の窒素、酸素なども用いることができる。圧力５０ＭＰａ未満では圧力不足で所望の高強度が得られない。圧力としては、１００〜２００ＭＰａが適当であり、２００ＭＰａを超えても何ら弊害をもたらさないと予想されるが、通常の装置では実現できないので工業的ではない。

さらに好ましいＨＩＰ処理方法は第１ステップとして１２５０〜１２７５℃の温度範囲で５０〜２００ＭＰａの圧力下に保持し、ついで第２ステップとして１２７５〜１３５０℃でさらに加圧保持する２ステップパターンとすることである。各ステップでの保持時間は０．５時間以上が好ましく、より好ましくは１〜２時間とするのがよい。本発明者等はＨＩＰ処理による強度向上が平均結晶粒径１．０μｍ未満の焼結体を粒成長させることなく、すなわち１２５０〜１２７５℃の温度範囲で処理したときのみ顕著に見られることを見出し、第１ステップを設定した。

平均結晶粒径が１．０μｍ未満の微細粒子は高圧下で超塑性流動を起こし、粒子が粒界すべりでスムーズに移動できるため、破壊源となる気孔が効率的に埋められ消滅するものと考えられる。一方、光透過性は結晶粒径が大きい程高くなる傾向を示し、少なくとも１．０μｍ以上にしなければ、所望の光透過性は得られない。これに基づき、１．０μｍ以上に粒成長させる第２ステップ、すなわち１２７５〜１３５０℃での保持を設定した。

２ステップパターンにより高強度と高い光透過性を同時に１回の処理で達成することができ、曲げ強度は、７００ＭＰａ以上はもとより、７５０MPa以上、さらに適切な条件下では９００ＭＰａ以上を確保することができる。

本発明の歯列矯正ブラケットに用いられる透光性セラミックスは波長５５０ｎｍの可視光に対する吸収散乱係数が２．８ｍｍ^−１以下の高い光透過性を有する。吸収散乱係数は通常測定される直線透過率から（１）式により求めた。

α・ｔ＝−ｌｎ（Ｔ／（１−Ｒ）^２）・・・（１）
α：吸収散乱係数（ｍｍ^−１）、ｔ：試料厚さ（ｍｍ）、Ｔ：直線透過率
Ｒ：反射率（波長５５０ｎｍの値として、０．０７７３を代入）
本発明の歯列矯正ブラケットに用いられる透光性セラミックスは、平均結晶粒径１．０〜１．７μｍを有する。平均結晶粒径は焼結体の研磨エッチング面の走査電子顕微鏡観察から測定される値であり、具体的には、Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，５２［８］４４３−６（１９６９）に記載されている方法に従い、（２）式により求めた。

Ｄ＝１．５６Ｌ・・・（２）
Ｄ：平均結晶粒径（μm）Ｌ：任意の直線を横切る粒子の平均長さ（μm）
Lの値は１００本以上の実測長さの平均値とした。

本発明の歯列矯正ブラケットに用いられる透光性セラミックスは分光立体角反射率１５％以下であることが好ましい。分光立体角反射率は表面、並びに内部粒界、内部気孔などの散乱源による反射光が多いほど大きくなり、内部粒界の多い粒径が小さな透光性アルミナ、内部気孔の多い透過率の低い透光性アルミナでは高くなる。分光立体角反射率が１５％以上になると、白濁、曇り等が認められるようになり、審美性に優れた透光性アルミナとはならない。

分光立体角反射率はＪＩＳＺ８７２２に記載されている方法ｂに従い測定した。一光路の分光測光器を用い、まず常用標準白色面を測定し、つぎに試料と常用標準白色面を置き換えて測定し、試料の分光立体角反射率を（３）式から求めた。

R(λ)＝Rw(λ)R' (λ)／Rw' (λ) ・・・（３）
R(λ)：試料の分光立体角反射率
R' (λ)：試料の各々の波長における出力目盛りの読み
Rw' (λ)：常用標準白色面の各々の波長における出力目盛りの読み
Rw(λ)：測定に用いる分光測光器と同形の装置によって目盛り定めをした常用標準白色面の分光立体角反射率
本発明の歯列矯正ブラケットに用いられる透光性セラミックスは曲げ強度７００ＭＰａ以上を有し、適切な製造条件下では７５０MPa以上、さらに適切な条件下では９００MPa以上を発現する。高強度アルミナを用いることにより歯列矯正ブラケットの形状をスリム化でき、アーチワイヤーを装着するスロット底面から歯と接着するベース面までの最短距離が０．６ｍｍ以下である歯列矯正ブラケットが可能となる。従来の透光性アルミナは曲げ強度３５０〜４００ＭＰａであり、スロット底面からベース面までの最短距離は通常１ｍｍ以上とする必要があった。その理由はスロットにアーチワイヤーを装着し、ねじり応力が作用した場合、スロット底面からベース面に向かって破壊するためである。本発明の薄型形状の歯列矯正ブラケットの一例（図１ａ）を通常形状の歯列矯正ブラケット（図１ｂ）と比較して図１に示す。患者に違和感を与えない高さの低い形状が可能になっていることがわかる。

曲げ強度はＪＩＳＲ１６０１「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」に基づいて測定された１０本の平均値である。

ブラケットの製品形状の一例を図１に示す。本発明のブラケットの成形には、インジェクションモールディング、スリップキャスティング、モールドプレス等が好適に適用できるが、インジェクションモールディングが本発明にかかるブラケットのような小型複雑形状の成形に特に適している。原料粉末と熱可塑性有機樹脂バインダーを混練したコンパウンドを加温したブラケット形状の金型に注入し、所望形状とした後、２００〜１０００℃で焼成しバインダーを除去した後焼結する。焼結は既述の方法に従う。インジェクションモールディングは機械加工を必要とせず、効率的であり、経済性に優れる。

本発明の歯列矯正ブラケットは、従来のものと比較して、２倍以上の曲げ強度を有しているため複雑形状としても破損することがなく、より金属製ブラケットの形状に近づいたスリムな形状とすることも可能となり、患者への違和感の軽減にも繋がる。高強度のみならず、透光性にも優れるため、審美性を与える。インジェクションモールディングにより、機械加工なしに複雑形状を実現でき、大量生産もできるため安価に製造できる。

以上の特長により、本発明によれば、従来の透光性アルミナブラケットでは実現できなかった審美性、機能性、経済性を兼備したブラケットを提供することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。
実施例１
純度９９．９９％、比表面積１４ｍ^２／ｇの高純度アルミナ微粉末を金型プレスとラバープレスを用い、プレートに成形した。それを電気炉に入れ、大気中、所定温度で所定時間保持して一次焼結体を得た。その焼結体密度と平均結晶粒径を測定した。結果を表１に示す。

次いで得られた一次焼結体をＨＩＰ装置に入れ、アルゴンガスを導入し所定の温度、圧力で処理した。得られた試料について、焼結体密度、平均結晶粒径、平均曲げ強度、吸収散乱係数及び分光立体角反射率を測定した。結果を表２に示す。平均結晶粒径を求めた走査電顕写真（試料：表２のＮｏ．３）を図２に示す。なお、表２中の「一次焼結体」の欄は、表１に示す試料ナンバーの一次焼結体をＨＩＰ処理したものであることを示す。

比較例１
一次焼結温度および／またはＨＩＰ処理温度を変えた以外は、実施例１と同様にして試料
を作成し、一次焼結体密度およびこの焼結体の平均結晶粒径並びにＨＩＰ処理体密度、こ
の処理体の平均結晶粒径、平均曲げ強度、吸収散乱係数、及び分光立体角反射率を測定し
た。結果を表３、表４に示す。平均曲げ強度、吸収散乱係数の両方或いはいずれかが本発
明の実施例より劣っていた。平均結晶粒径を求めた走査電顕写真（試料：表４のＮｏ．４
）を図３に示す。なお、表４中の「一次焼結体」の欄は、表３に示す試料ナンバーの一次
焼結体をＨＩＰ処理したものであることを示す。

実施例２
実施例１で用いた原料粉末５００ｇにワックス系熱可塑性樹脂１００ｇを添加し、加温した混練機で練り混ぜコンパウンドを調合した。コンパウンドを射出成形機により押し出し、プレート形状に成形した。成形体を９００℃まで加熱し脱脂した後、大気中１２５０℃、５時間焼結した。焼結体をＨＩＰ装置に入れ、アルゴンガスを導入し、所定の温度、圧力を２段階保持として処理した。すなわち、表５の第１ステップに記載した温度・圧力・時間で第１ステップの処理を行った後、引き続き第２ステップに記載した温度・圧力・時間で第２ステップの処理を行った。得られた試料について、焼結体密度、平均結晶粒径、平均曲げ強度、吸収散乱係数及び分光立体角反射率を測定した。結果を表５に示す。また、焼結体の一部をＩＣＰにより化学分析した結果、不純物としてＳｉ２０ｐｐｍ、Ｆｅ２０ｐｐｍ、Ｎａ１０ｐｐｍ、その他１０ｐｐｍが検出されただけでアルミナ含有量は９９．９wt%以上であった。

実施例３
実施例１で用いた原料粉末５００ｇにワックス系熱可塑性樹脂１００ｇを添加し、加温した混練機で練り混ぜコンパウンドを調合した。コンパウンドを射出成形機により押し出し、図１に示す通常形状のブラケット形状に成形した。成形体を９００℃まで加熱し脱脂した後、大気中１２７５℃、１時間焼結した。焼結体をＨＩＰ装置に入れ、アルゴンガスを導入し、所定の温度、圧力を２ステップスケジュールにして処理した。具体的には、表６に示すように、各々、表５の試料ナンバー３、４、５で用いたと同じＨＩＰ処理条件を用いて処理を行った。得られたブラケットは実施例２のサンプルと同様の透光性を示していた。このブラケットについて平均破壊モーメントを測定した。結果を表６に示す。

なお、破壊モーメントは固定されたブラケットのスロット部に超硬金属製バー（長さ７ｃｍ）を差し込み、片もち梁の状態とし曲げ荷重を印加したときの破壊荷重から計算し、１０点の平均値を平均破壊モーメントとした。

比較例２
実施例３と同様の方法でブラケット形状の脱脂成形体を作製し、大気中１４００℃、１時間焼結した一次焼結体をアルゴンガス圧１５０ＭＰａ、温度１４００〜１６００℃で１時間ＨＩＰ処理した。得られたブラケットの破壊モーメントを表７に示すが、実施例３より明らかに劣っていた。

本発明によれば、より金属製ブラケットの形状に近いスリムな形状とすることが可能となり、患者の感じる違和感を軽減可能な歯列矯正ブラケットを提供することができる。また、高強度のみならず、透光性にも優れるため、審美性の高い歯列矯正ブラケットとして好適に用いることができる。さらに、インジェクションモールディングにより、機械加工なしに複雑形状を実現でき、大量生産もできるため安価に製造することができ、従来の透光性セラミックスブラケットでは実現できなかった審美性、機能性、経済性を兼備した歯列矯正ブラケットを提供することができる。

本発明の歯列矯正ブラケットの形状の一例を示す図である。（ａ）薄型形状の歯列矯正ブラケット、（ｂ）通常形状の歯列矯正ブラケット本発明の透光性セラミックスの結晶粒径の一例を示す走査電顕写真である。比較例１で作製された透光性セラミックスの結晶粒径の一例を示す走査電顕写真である。

符号の説明

１：上面
２：側壁
３：スロット
４：ベース面

Claims

アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を９９．５ｗｔ％以上含有するセラミックスであって、波長５５０ｎｍの可視光に対する吸収散乱係数が２．７ｍｍ^−１以下、かつ平均曲げ強度が８１０ＭＰａ以上であり、平均結晶粒径１．１〜１．７μｍの結晶で構成されている透光性セラミックスからなることを特徴とする歯列矯正ブラケット。
透光性セラミックスの波長５５０ｎｍの可視光に対する分光立体角反射率が１５％以下であることを特徴とする請求項１記載の歯列矯正ブラケット。
歯に接着するためのベース面とアーチワイヤーを装着するスロットとを少なくとも有する歯列矯正ブラケットであって、前記アーチワイヤーを装着するスロット底面から前記歯に接着するためのベース面までの最短距離が０．６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯列矯正ブラケット。
高純度アルミナ微粉末からなる成形体を１２００〜１３００℃で焼成し、相対密度９６〜９９．５％、平均結晶粒径１．０μｍ以下の結晶からなる焼結体とし、ついでこの焼結体を１２００〜１３５０℃、圧力５０ＭＰａ以上の条件下で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理することを特徴とする歯列矯正ブラケットの製造方法であって、当該熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理において、１２００〜１２７５℃の温度範囲で５０ＭＰａ以上の圧力下に保持し、ついで１２７５〜１３５０℃でさらに加圧保持することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の歯列矯正ブラケットの製造方法。
熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理において、１２００〜１２７５℃の温度範囲で５０ＭＰａ以上の圧力下での保持時間が０．５時間以上であることを特徴とする請求項４記載の歯列矯正ブラケットの製造方法。
熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理において、１２００〜１２７５℃の温度範囲で５０ＭＰａ以上の圧力下に保持し、ついで１２７５〜１３５０℃で、前記１２００〜１２７５℃での保持における圧力よりもさらに高い圧力下に加圧保持することを特徴とする請求項４記載の歯列矯正ブラケットの製造方法。
純度９９．９％以上、比表面積１０〜２０ｍ^２／ｇの高純度アルミナ微粉末を用いることを特徴とする請求項４記載の歯列矯正ブラケットの製造方法。
高純度アルミナ微粉末に熱可塑性有機樹脂を添加し、混練した後、インジェクションモールディングにより所望形状とし、樹脂を加熱除去して粉末成形体とすることを特徴とする請求項４記載の歯列矯正ブラケットの製造方法。