Influence of Thermocyling on Strength and Optical Stability of Zirconia Brackets

Abstract

Recent advancements in the composition, structure, and fabrication techniques of zirconia material have fueled an increasing interest in employing zirconia in the manufacture of orthodontic brackets, surpassing the constraints of conventional alumina ceramic brackets. However, the performance of orthodontic appliances fabricated by these novel zirconia variants remained unclear. This in vitro study evaluated the performance of zirconia brackets with varying yttria proportions in the manufacture of advanced orthodontic brackets. The fracture strength and optical properties of these zirconia brackets were investigated while considering the impact of aging, as they serve as intraoral fixed appliances. These properties were compared with those of commercial polycrystalline alumina brackets. Three experimental groups of zirconia brackets were fabricated using yttria-stabilized zirconia (YSZ) materials with different yttria proportions––3 mol% yttria (3Y-YSZ), 4 mol% yttria (4Y-YSZ), and 5 mol% yttria (5Y-YSZ) (Tosoh Ceramic, Japan). The control group consisted of a commercial polycrystalline alumina ceramic bracket (3M™ Clarity™ Advanced, MBT 0.022-inch slot). An artificial aging process was implemented through 20,000 cycles of thermocycling, simulating two years of clinical use within the oral cavity, aligning with the recognized average duration of orthodontic treatment. Fracture strength of bracket tie wings was examined through tensile tests conducted before and after thermocycling. Baseline optical properties, including color and translucency, were assessed, and optical stability was tested after thermocycling and immersion for seven days in various coloring agents. In this study, artificial aging appeared to have an insignificant effect on the fracture strength of the brackets. Among the groups, the 3Y-YSZ group presented the highest fracture strength of the bracket tie wing, followed by the control group (p<0.05). No significant difference in the fracture strength of the bracket tie wing was observed between the 4Y-YSZ and 5Y-YSZ groups. Despite exceeding other experimental groups in translucency, the 5Y-YSZ group remained inferior to the control group (p < 0.05). Overall, the zirconia brackets demonstrated favorable optical stability. Within the limitations of this study, zirconia brackets containing 3 to 5 mol% YSZ exhibited favorable stability in terms of fracture strength and optical characteristics. Notably, owing to its advantageous fracture strength resistance, the 3Y-YSZ variant showed remarkable potential as an advanced material for fabricating orthodontic brackets. 임상 교정 영역에서 심미적 브라켓의 주 재료인 알루미나 세라믹(alumina ceramic)의 물리적 단점을 개선하기 위해 지르코니아(zirconia)에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 지르코니아를 상용화된 브라켓의 형태로 제작했을 때의 강성이나 심미성에 대해서 연구가 미미한 상태이다. 본 연구는 다양한 이트리아(yttria) 비율로 제작한 교정용 지르코니아 브라켓의 물성과 색조 안정성을 평가하고자 하였다. 이러한 특성을 상용 다결정 알루미나 브라켓의 특성과 비교했다. 서로 다른 이트리아 비율(3 mol%, 4 mol% 및 5 mol%)을 갖는 이트리아 안정화 지르코니아 (yttria-stabilized zirconia, YSZ)를 이용하여, 다결정 알루미나 세라믹 30 브라켓을 대조군으로 역공학을 통해 세 가지 브라켓을 동일 형태로 제작하였다. 브라켓 윙의 파절강도는 열순환 전후의 인장시험을 통해 측정하였다. 구강내 약 2 년간의 노화를 재현하기 위해 20,000 주기의 열 순환 처리를 시행하였고 색상 및 투명도를 포함한 기본 광학 특성을 평가하고 열순환 및 다양한 착색제에 7 일 동안 담근 후 광학 안정성을 측정하였다. 파절강도에 있어서 열순환 전후의 유의한 차이는 관찰되지 않았다. 파절강도는 3Y-YSZ 그룹이 가장 높았고, 대조군이 그 뒤를 이었다(p<0.05). 투명도에서는 5Y- YSZ 군은 실험군 중 유의하게 우수하였으나 대조군에 비해 유의하게 낮았다(p<0.05). 본 연구의 한계 내에서 YSZ 를 3~5 mol% 함유한 지르코니아 브라켓은 파절강도와 광학적 특성 면에서 전반적으로 양호한 성능을 보였으며 특히 3Y-YSZ 의 물리적 특성은 교정용 브라켓 제작을 위한 재료로 적합할 것으로 사료된다.