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ZIRCOMANIA : du rêve à la réalitéDr Catherine HO VAN TRUC - Dr Jean PERISSE

sDepuis une vingtaine d’ années, les prothèses den-

taires ont évolué vers des infrastructures non métal-

liques, pour des raisons d’ esthétisme et de biocompati-

bilité. Ces technologies modernes font l’ objet de

nombreuses présentations auprès des professionnels de

santé et des patients. Dans cette synthèse de la littéra-

ture scientifique, nous faisons le bilan des connaissances

actuelles (non exhaustives) sur la zircone pour démêler

le vrai du faux. Après quelques généralités, nous étudie-

rons la constitution et les protocoles de fabrication de la

zircone.

AVANT D’ENTRER DANS LE VIF DU SUJET,QUELQUES MOTS SUR LA MATIÈRE : QU’ENTEND-ON SOUS LE TERME ZIRCONE ?

La Zircone (Zr) est un minéral du groupe des silicates.

Une transformation chimique dite de « brulage » est

nécessaire pour obtenir une céramique à partir de l’ élé-

ment métallique d’ origine, le zirconium. Sous l’ effet

d’ une chaleur intense se produit une oxydation et le

zirconium se transforme en dioxyde de zirconium.

Différents procédés de fabrication vont donner au zirco-

nium les caractéristiques nécessaires à son utilisation en

chirurgie dentaire.

La Zircone peut présenter des structures atomiques plus

ou moins stables qu’ il est donc nécessaire de stabiliser

artificiellement. Lors de son réchauffement, on distingue

différentes phases (phase monoclinique jusqu’ à

1170°C, phase tétragonale entre 1170°C et 2370°C et

phase cubique au-delà). Seule la phase tétragonale per-

met d’ obtenir des propriétés mécaniques intéressantes.

Il apparaî t nécessaire de stabiliser la zircone dans cette

phase grâce à l’ apport d’ oxydes stabilisants, notam-

ment l’ oxyde d’ Yttrium dans une proportion de 5,5%

du poids. On parlera alors de zircone yttriée partielle-

ment stabilisée.

QUELLE ZIRCONE UTILISE-T-ON EN CHIRURGIE

DENTAIRE ?En chirurgie dentaire, on utilise principalement le tétra-

gonal zirconia polycrystal (Y2O3) ou 3Y-TZP.

L’ incorporation de molécules d’ yttrium à 3 mol%

assure la stabilité de ce matériau. La neutralité élec-

trique est achevée par la création de molécules d’ oxy-

gène libre.

Il existe par ailleurs trois autres types de Zircone plus

fragiles dont la porosité limite l’ utilisation : la ZTA ou

glass-infiltrated zirconia-toughened alumina, obtenue

par moulage ou usinage, commercialisée sous la

marque Incéram-Zirconia®; la Mg-PSZ ou partially sta-

bilized zirconia, stabilisée par le magnésium et commer-

cialisée pour les restaurations dentaires sous la marque

Derzin-M®; le CeO ou oxyde de Cérium, peu répandu ;

et enfin la Zircone multiphasique dérivée de poly-

mères obtenue par décomposition thermo-oxydative des

silicones.

LES PROTOCOLES DE FABRICATION DE LA

ZIRCONE PAR LES LABORATOIRES SONT FONDA-MENTAUX POUR L’OPTIMISATION DE SES PRO-PRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES.

Commençons par la poudre d’ origine. Pour sa fabrica-

tion, la matière première utilisée est le sable zirconifère

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purifié par différentes décompositions chimiques et ther-

miques jusqu’ à l’ obtention de 93,6% d’ oxydes de

zirconium. Il existe plusieurs zones géographiques dans

le monde pour l’ extraction de la matière première et

chaque fabriquant choisit la provenance de son maté-

riau. L’ Afrique du Sud produit le meilleur sable zirconi-

fère. Les propriétés intrinsèques de la poudre, différentes

suivant son origine, conditionnent la taille des cristaux et

par conséquent sa stabilisation. Il est important de maî -

triser l’ origine, les propriétés et la traçabilité de la

poudre et des blocs utilisés, car les propriétés méca-

niques dépendent de la répartition granulométrique des

grains et de la température de frittage.

DE L’IMPORTANCE DU FRITTAGE.Le frittage est une opération effectuée dans la métallur-

gie des poudres pour réaliser par chauffage une agglo-

mération des produits traités afin de leur donner une

cohésion et une rigidité suffisante. Une vitrification pré-

paratoire incomplète de certains matériaux en céra-

mique, en émaillerie, permet d’ accélérer le processus

de fusion.

Le frittage, sa température et sa durée conditionnent la

taille des grains et jouent un rôle essentiel dans l’ obten-

tion des caractéristiques optimales de la zircone. Plus les

grains sont gros (≥1 μm) et moins la matière est stable.

Plus la durée et la température de frittage augmentent,

plus la taille des grains sera petite. (Les grains doivent

être inférieurs à 6μm)

Une validation initiale de ces paramètres est nécessaire

pour optimiser les propriétés du matériau obtenu. Pour

une même poudre, ces paramètres peuvent changer

d’ un four à l’ autre ou suivant la position dans le four.

Un suivi de ces paramètres est indispensable pour une

bonne reproductibilité. La non validation de ces procé-

dés peut amoindrir les propriétés physico-chimiques de

la zircone. Des normes indiquant clairement ces proto-

coles de mesure existent.

PRÉPARATION DES BLOCS AVANT FRITTAGE

Pour mettre en forme la poudre avant le frittage, les

fabr icants de blocs de zircon uti l isent des

poudres de zircon stabilisée avec de l’ yttrium et ato-

misée avec des dispersants, des plastifiants et des liants.

Une pression est appliquée afin d’ éliminer tout espace

entre les grains dans le but de densifier au maximum le

matériau cru. On obtiendra alors un bloc homogène,

dense, sans défaut et présentant une bonne cohésion.

Un pré frittage à 1000°C lui confère une solidité permet-

tant un usinage aisé avec des outils appropriés.

DEUX TYPES DE FRITTAGE SONT POSSIBLES.Le frittage naturel est réalisé dans un four en milieu

atmosphérique à une température variant de 1350° à

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Protocole de fabrication d’une armature zircone d’un bridgeimplanto-porté total maxillaire : rôle du Chirurgien Dentiste, duProthésiste dentaire et du Laboratoire

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1500°C. La plupart des systèmes de fabrication de

pièces prothétiques en zircone ont recours aujourd’ hui

à ce type de frittage. Par ailleurs, le frittage sous pres-

sion HIP est réalisé uniquement pour des pièces deman-

dant de très grands coefficients de sécurité, en augmen-

tant la densité de la zircone par diminution des porosités

internes. Mais d’ un point de vue strictement écono-

mique, il est difficile d’ envisager raisonnablement

d’ usiner dans la masse, un bloc ayant subit un traite-

ment HIP.

L’ usinage des pièces prothétiques est généralement

effectué avant frittage car moins onéreux et beaucoup

plus rapide, il use moins les machines.

Pour bien comprendre le processus de fabrication

d’ une armature Zircone, voici un schéma qui résume

les différentes étapes.

QUELQUES COMMENTAIRES SUR LE SCHÉMA.Le Maî tre Modèle est fabriqué par le prothésiste, à par-

tir de l’ empreinte du maxillaire du patient. C’ est la

base sur laquelle le prothésiste effectuera son travail. Il

est préférable d’ utiliser un plâtre à faible expansion

thermique pour la validation de la clé en plâtre.

Des maquettes en cires ou en résine sont ensuite réali-

sées en laboratoire selon la conception du prothésiste et

sous son contrôle. Elles sont ensuite scannées. Une

maquette virtuelle est conçue sur laquelle l’ opérateur

dessine l’ infrastructure en utilisant un logiciel de

conception CAD.

La pièce scannée est analysée par le logiciel qui calcule

le trajet de l’ outil pour la découper dans le bloc de zir-

cone en tenant compte d’ une augmentation de volume

de 22%, pour compenser le retrait au frittage.

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L’ usinage peut se faire chez le prothésiste ou dans un

centre d’ usinage. La machine d’ usinage débite la

pièce en suivant le trajet déterminé lors de la modélisa-

tion. Dans le cas d’ un usinage manuel, le prothésiste

devra posséder une grande expérience pour maî triser

les températures induites.

Les maquettes usinées sont frittées à une températurede 1500°C. Certains systèmes proposent des selsd’ oxydes pour colorer la zircone par immersion avantfrittage. Nous nous orientons vers des poudres teintéeslors de l’ atomisation. Les infrastructures coloréesoffrent en effet de meilleurs résultats esthétiques etmécaniques.

Les pièces sont ensuite contrôlées visuellement par res-suage : on applique un liquide fluorescent révélé parune lumière UV qui s’ infiltre dans le moindre inter-stice.

Les infrastructures sont enfin recouvertes par une strati-fication de céramique cosmétique pour obtenir laforme et l’ esthétique finale. Pour optimiser la résis-tance de la céramique, cette stratification doit être laplus homothétique possible. Pour augmenter la résis-tance du collage entre l’ armature zircone et lematériau esthétique, certains prothésistes recom-mandent la technique « washbrank » qui consiste àappliquer une fine couche de céramique à base fusion.Ce problème de collage de la céramique sur la zirconeet la faible température de cuisson de la céramique,expliquent les cas de fractures ou de décollements decéramiques par plaques verticales.

L’UTILISATION DE LA ZIRCONE RENOUVELLE LE

TRAVAIL DE LABORATOIRE. Mais le protocole théra-peutique clinique n’ est en rien modifié pour le chirur-gien dentiste. Cependant chaque étape doit être vali-dée par des radios retro alvéolaires prises dans l’ axede l’ implant pour contrôler le vissage des transferts,de la clé, de l’ occlusion et de l’ armature.

LA CONCEPTION D’ARMATURES ASSISTÉE PAR

ORDINATEUR OU CFAO : COMMENT ÇA

MARCHE ?

Il existe plusieurs logiciels conçus par différents labora-toires. Ces logiciels proposent diverses fonctions selonla marque. Mais tous sont basés sur le même proto-cole. Voici en quelques mots une description des fonc-tions les plus importantes pour la fabrication d’ unearmature zircone fiable. Tout d’ abord une étape descannage dont la précision dépend du scanner et dunombre de ses axes, de trois à cinq (mais peu de fabri-cants possèdent un scanner à cinq axes). Certainsparamétrages diffèrent suivant les logiciels : détermina-tion manuelle ou automatique des limites ; recherchede l’ axe d’ insertion (bien que la plupart des logi-ciels proposent une recherche automatique de cet axe,l’ œil de l’ expert reste souvent la meilleure solution) ;

réglages de l’ espaceur avec ou sans compensa-tion puis réglage de l’ épaisseur de chape (chaquematériau comporte une épaisseur minimum pourgarantir les propriétés physiques du travail. Certainslogiciels proposent un calcul automatique de cetteépaisseur en fonction du matériau, mais d’ autreslogiciels n’ ont pas cette fonctionnalité).

VOICI QUATRE OPTIONS PARTICULIÈREMENT

INTÉRESSANTES DES LOGICIELS.

Tout d’ abord la déformation manuelle de l’ homo-thétie ou du Wax-Up virtuel (Wax-up : mise en formevirtuelle de la pièce finie (généralement en cire), pourdonner visuellement un aperçu du résultat espéré).Une fois l’ armature construite virtuellement par lelogiciel ou le wax-up virtuel, on peut les modifiermanuellement par addition ou soustraction, la lisser,la modifier par traction...L’ option Pontic de bridge consiste à choisir dans unebibliothèque de dents celles qui semblent les mieuxadaptées et les modifier par la suite. Mais on ne peutfaire que de simples modifications de diamètre, deposition, de lissage à la jonction …L’ option Connecteurs de bridge consiste à choisirdans une bibliothèque celui qui semble le mieuxapproprié, ensuite modifiable.Enfin la Modification en fin de parcours permet demodifier les critères de conception suivant le matériauprévu sans réfection du design en fin de travail, grâceau recalcul automatique par le logiciel. Cette optionest très importante, notamment si l’ on fait réaliser letravail par un opérateur, dont on doit vérifier laconception avant de passer en production.

UNE RÉVOLUTION À VENIR GRÂCE AU LASER?

Depuis quelques années, des procédés de frittagelaser sont testés. Le matériau est solidarisé grain pargrain par chauffage laser. Ce procédé ouvre degrandes perspectives comme la réalisation de piècesavec des vides à l’ intérieur, mais il reste à l’ étudepour la zircone.

La fabrication de la zircone demande degrandes précautions et une minutie dans lesprocédés sans lesquels la solidité du matériauest altérée. La traçabilité de l’origine de lapoudre, mais aussi des adjuvants, la défini-tion transparente des conditions de frittagesont un gage de qualité. Ces informations doi-vent être portées à la connaissance des pro-thésistes et des chirurgiens dentistes prescrip-teurs. Pour compléter cette étude, un prochainarticle détaillera les propriétés mécaniques etphysico-chimiques de la zircone.

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