Clear Dental Bracket from Monocrystalline Alumina Ceramic

Banyak alasan orang menggunakan kawat gigi. Ada yang ingin memperindah giginya, ada yang memang harus menggunakannya untuk alasan medis, ada juga yang sekedar ikut-ikutan tren. Jenis kawat gigi pun beragam, ada yang terbuat dari logam titanium atau stainless steel, polimer komposit, dan keramik. Penggunaan polimer komposit sebagai bracket kawat gigi kurang dilirik karena sifat mekanisnya yang lebih rendah dari gigi sehingga waktu pemakaian menjadi lebih lama dan mudah tergerus. Sedangkan logam, sampai sekarang banyak digunakan karena sifatnya yang kuat dan kaku. Namun, sayangnya logam mudah bereaksi dengan sistem imun pengguna yang sensitif terhadap logam dan secara estetika kurang disukai. Untuk menyiasatinya, biasanya ditaruh material plastik warna-warni yang bisa diganti ke dalam bracket logam. Tetapi cara ini tidak disukai orang-orang dewasa. Sekarang ini, penggunaan bracket keramik lebih disukai, karena selain sifat dan kemampuannya setara dengan logam, ia juga memiliki nilai estetika tinggi dengan sifat translusen-nya yang membuat pemakainya tak terlihat seperti memakai kawat gigi. Kelebihan bracket yang terbuat dari keramik (clear bracket or braces) dibanding logam diataranya adalah sebagai berikut:

·      Estetika.

·      Biokompatibilitas yang sangat baik.

·      Ketahanan korosi.

·      Stabilitas terhadap lingkungan (inert)

·      Tidak beracun (stail secara kimia)

·      Ketahanan staining dan diskolorisasi (akibat porositas rendah)

Pada awalnya, clear bracket dikembangkan oleh NASA Advanced Ceramic Reasearch untuk melindungi antena pada mesin misil pendeteksi panas. Kemudian sebuah perusahaan bernama Ceradyne, yang sedang meneliti jenis bracket agar memiliki nilai estetika tinggi, tertarik dan mencobanya menjadi kawat gigi. Ternyata sifat mekanis material tersebut tak kalah dari logam dan mulailah dikomersilkan sebagai clear bracket.

Bracket kawat gigi jenis ini, selain bisa tak terlihat juga bisa dibuat berwarna-warni, tergantung jenis keramik yang dipakai. Material utama pembuat bracket jenis ini merupakan keramik mutakhir yang mempunyai sifat transparan dan atau translusen. Transparan berarti tembus pandang yang tidak menghambat pandangan untuk melihat benda dibelakangnya. Sedangkan translusen, lebih berarti tembus sinar tapi kita tidak bisa melihat benda yang berada di belakang benda translusen.

Clear bracket umumnya terbuat dari alumunium oksida, yaitu translucent polycristalline alumina (TPA), dan monocrystalline alumina (monocrystalline saphire). Perbedaan mendasar adalah pada sifat optisnya. Monocrystalline alumina bersifat lebih translusen sedangkan polycrystalline alumina lebih berwarna putih seperti gigi. Material lain yang sedang dikembangkan adalah zirconium bracket.

Policrystalline Alumina Bracket

Dibuat dengan mencampur binder yang sesuai dengan partikel alumunium oksida (0,3m) ke dalam sebuah cetakan berbentuk bracket. Campuran lalu di-sintering pada temperatur > 1800^oC untuk menghilangkan binder. Untuk memotong bagian lubang tempat archwire, digunakan alat potong intan. Perlakuan panas kemudian diberikan untuk menghilangkan tegangan akibat proses potong dan menghilangkan cacat permukaan yang mungkin terjadi saat proses manufaktur.

Proses sintering menghasilkan mikrostruktur polycrystalline alumina dengan banyak butas butir dan sedikit sifat translusen. Ketika melewati keramik polycrystalline alumina, tidak semua cahaya yang datang akan diteruskan. Sebab, ada perbedaan indeks refraksi akibat perbedaan arah kristalografi pada butir-butir dan ada proses penghamburan di batas butir.

Sifat optis dan kekuatan pada material ini berbanding terbalik. Semakin besar ukuran butir, akan semakin besar sifat translusen material. Akan tetapi, bila ukuran butir melebihi 30m material ini akan kehilangan kekuatannya. Oleh karena itu, perlakuan panas setelah permesinan harus dikontrol dengan hati-hati untuk mencegah tumbuhnya butir yang akan menurunkan sifat mekanis material. Segala bentuk cacat pada batas butir atau sisa partikel sintering, walau hanya sebesar 0,001%, bisa menjadi tempat inisiasi retak saat diberi beban atau tegangan.

Monocrystalline Alumina Bracket

Langkah pertama dalam membuat monocrystalline atau single-crystal alumina adalah mendinginkan lelehan alumunium oksida kemurnian tinggi secara terkontrol setelah dipanaskan ke temperatur >2100^oC. Hasilnya berupa bulk single-crystal alumina dalam bentuk rod atau batang, kemudian di bentuk menjadi bentuk bracket menggunakan alat potong intan, Nd:YAG laser, atau ultrasonic. Proses pemotongan sangat sulit karena mikrostruktur single kristal membuat material ini memiliki kekerasan paling tinggi ketiga diantara material-material yang ada. Monocrystalline alumina bracket juga diberi perlakuan panas untuk menghilangkan kotoran atau cacat di permukaan dan tegangan akibat proses permesinan.

Cacat atau defect pada keramik monocrystalline alumina jauh lebih sedikit dibanding pada pollycrystalline alumina.  Begitu juga dengan sifat optisnya, single-crystal alumina memiliki sifat translusen yang sangat baik. Hal ini disebabkan oleh ketidakhadiran batas butir yang mengurangi efek penghamburan. Walaupun, ada sedikit sifat birefringence (dua indeks refraktif berbeda yang terjadi pada material anisotropi) akibat variasi indeks refraksi yang berbeda untuk arah kristalografi berbeda.

Perbandingan sifat mekanis antara pollycrystalline alumina dengan monocrystalline alumina bisa dilihat pada Tabel 1. Ketika sudah ada inisiasi retak, tegangan yang diberikan akan lebih mudah menginisiasi penjalaran retak pada material monocrystalline alumina. Pada pollycrystalline alumina, perambatan retak terlihat acak sepanjang batas butir (intergranular).  Gambar 3 merupakan hasil SEM yang memperlihatkan bentuk patahan kedua material. Kekuatan kedua material ini bisa ditingkatkan dengan menghilangkan segala bentuk pengotor atau cacat permuakaan yang bisa menjadi penyebab konsentrasi tegangan dan tempat inisiasi retak. Mengurangi ukuran butir juga bisa meningkatkan kekuatan dari material polycrystalline alumina.

Zyrconium Bracket

Selain polycrystalline alumina dan monocrystalline alumina, material lain yang menjajikan adalah pollycrystalline zirconia yang memiliki fracture toughness lebih baik dibandingkan pollycrystalline alumina. Akan tetapi, zyrconium bracket ternyata belum bisa mengalahkan alumina oksida dalam hal warna, opasitas, dan koefisien friksi. Polycrystalline zirconium bracket dibuat dengan metode impression molding yang diikuti dengan hot isotactic pressing (HIP). Yttrium oxide-partially stabilezed zirconia (YPSZ) diperoleh dalam bentuk bulk dengan men-sintering (tanpa tekanan, hingga 95% berat jenis teoritis) campuran serbuk zirconia sangat halus (0,2m) dan 5% yttrium oksida. Hasilnya adalah mikrostruktur poikristralin dengan besar butir rata-rata 0,5m. Proses HIP kemudian dilakukan untuk menghilangkan porositas yang masih ada tanpa terjadi pertumbuhan butir yang berarti. Tabel 2 memperlihatkan perbandingan sifat TPA dengan YPSZ dalam bentuk bulk.

Walaupun sebenarnya ceramic bracket lebih baik dan sudah banyak penggunanya, pamornya memang kalah jika dibandingkan dengan metal bracket. Alasan utama mungkin adalah harga material ceramic bracket yang mahal, dan belum semua dokter bisa melakukan pemasangan clear bracket ini. Selain itu, masalah utama yang terus dicoba untuk diatasi adalah kekerasan ceramic bracket, yang 9 x lebih tinggi dari stainless steel bracket, bisa menggerus permukaan gigi bila terjadi kontak secara ekstensif. Untuk itu, maka base (bagian yang menempel pada gigi) ceramic, dilapisi dengan adhesif resin (silane  atau polycarbonate laminate) yang juga akan membentuk ikatan dengan enamel gigi.