Alumina-keramiek: het geprefereerde biokeramische materiaal voor het herstel en de regeneratie van botweefsel
Keramiek wordt gebruikt als biomateriaal om defecten in tanden en botten te vullen, bottransplantaten, fracturen of prothesen in botten te bevestigen en ziek weefsel te vervangen. Biokeramiek wordt veel gebruikt in de medische sector vanwege de uitstekende eigenschappen, zoals hoge sterkte, slijtvastheid, hogere druk- en buigsterkte en hoge biocompatibiliteit.Biokeramiek ontstond voor het eerst in de 19e eeuw. In die tijd werd een soort absorbeerbaar keramiek – gips – gebruikt in experimenten en klinische praktijken, wat de interesse van wetenschappers in biokeramiek enorm stimuleerde. Van begin tot midden 20e eeuw verwerkte de Amerikaanse wetenschapper Talbert granulaire keramische materialen (aluminakeramiek) tot prothesen en implanteerde deze in de dijbenen van volwassen honden, wat uiteindelijk tot succes leidde. Aluminakeramiek trok ook de aandacht van veel wetenschappelijke onderzoekers.
①Alumina keramiek
Het concept van aluminiumoxidekeramiek omvat een breed scala. Naast zuiver aluminiumoxidekeramiek kan elk keramisch materiaal met een aluminiumoxidegehalte van 45% of meer aluminiumoxidekeramiek worden genoemd. Aluminiumoxidekeramiek bevat veel homogene en heterogene kristallen, maar momenteel worden alleen α-Al2O3 en γ-Al2O3 gebruikt. Door hun verschillende kristalstructuren hebben ze verschillende eigenschappen. α-Al2O3, ook wel korund genoemd, is de belangrijkste kristallijne fase van aluminiumoxidekeramiek, met een hoge mechanische sterkte, hoge temperatuurbestendigheid en corrosiebestendigheid.
Algemeen wordt aangenomen dat producten met een aluminiumoxidegehalte van meer dan 99,9% een hoge zuiverheidsgraad hebben. Hoge zuiverheidsgraad aluminiumoxide heeft uitstekende eigenschappen zoals een hoog smeltpunt, hoge hardheid, hoge elektrische weerstand, uitstekende katalytische prestaties, goede mechanische eigenschappen, slijtvastheid, corrosiebestendigheid, isolatie en hittebestendigheid.Het gebruik van polykristallen van hoogzuiver aluminiumoxide als biofunctioneel materiaal in het menselijk lichaam begon in 1969. Er zijn twee soorten fijn aluminiumoxide met een hoge zuiverheidsgraad die in de medische technologie worden gebruikt: monokristallen en gesinterde polykristallen. Monokristallijn aluminiumoxide heeft een hoge sterkte en goede slijtvastheid en kan na verwerking worden verwerkt tot fractuurfixatoren, kunstmatige tandwortels, enz. Polykristallijn aluminiumoxide, gekenmerkt door een hoge sterkte, kan worden gebruikt bij de productie van gewrichten, kunstmatige tandwortels, kunstmatige botten, kunstmatige heupgewrichten met dubbele cup, enz.
②Toepassing van aluminiumoxidekeramiek in kunstmatige gewrichten
In 1972 rapporteerde Boutin onder andere over de vervaardiging van menselijke heupgewrichten uit aluminiumoxidekeramiek en de klinische toepassingen ervan. In 1977 ontwikkelden Shikata et al. een heupprothese bestaande uit een femurkop van aluminiumoxidekeramiek gecombineerd met een acetabulum van hoogmoleculair polyethyleen. In 1982 keurde de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) formeel de klinische toepassing in de Verenigde Staten goed van kunstmatige heupgewrichten bestaande uit Al₂O₃ keramische kogels, acetabula en CoCrMo-legeringsstelen.
Hoogzuivere aluminiumoxidekeramiek heeft een zeer lage wrijvingscoëfficiënt, een hoge hardheid en een goede bevochtigbaarheid, waardoor het zeer geschikt is voor gebruik als wrijvingsoppervlakken. Volgens de regelgeving van de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) mag alleen hoogzuiver aluminiumoxide worden gebruikt in de medische sector, en mogen onzuiverheden die glasachtige korrelgrensfasen kunnen vormen (zoals siliciumdioxide, metaalsilicaten en alkalimetaaloxiden) minder dan 0,1 gew.% bedragen. Dit komt doordat de afbraak van dergelijke onzuiverheden kan leiden tot de vorming van spanningsconcentratiegebieden, waar scheuren zullen ontstaan. Studies hebben aangetoond dat door de selectie van geschikte sinterparameters (temperatuur, tijd, verwarmings-/afkoelsnelheid) en dopingadditieven (zoals magnesiumoxide, zirkoonoxide en chroomoxide), de korrelgrootte en porositeit van aluminiumoxide kunnen worden gecontroleerd, wat de taaiheid en breuksterkte van aluminiumoxide effectief kan verbeteren.
Composieten gevormd uit zirkonia en aluminiumoxide worden zirkonia-gehard alumina (ZTA) of alumina-gehard zirkonia (ATZ) genoemd en spelen ook een belangrijke rol in materialen voor kunstmatige gewrichten. Deze twee composieten zijn specifiek afhankelijk van het gehalte aan hoofdcomponenten. Ze combineren het taaiheidsvermogen van zirkonia met de geringe gevoeligheid van aluminiumoxide voor degradatie in biologische vloeistoffen bij lage temperaturen. Afhankelijk van de ontwerpvereisten van het materiaal kan ATZ worden gekozen wanneer een hoge breuktaaiheid moet worden benadrukt, terwijl ZTA kan worden gebruikt wanneer hardheid moet worden benadrukt. Momenteel zijn er onvoldoende klinische gegevens om aan te tonen dat het dragende oppervlak van ZTA-gewrichten grotere voordelen biedt op het gebied van slijtvastheid. Studies hebben aangetoond dat de toepassing van ZTA en op zirkonia gebaseerd gehard alumina (ZPTA) in gewrichtschirurgie veel groter is dan die van ATZ.
③ Toepassing van aluminiumoxidekeramiek bij orale restauraties
Alumina-keramiek is doorschijnend en heeft een kleur die overeenkomt met die van natuurlijke tanden, maar is licht toxisch. De lage thermische geleidbaarheid van alumina-keramiek is aanzienlijk, wat de stimulatie van koude en warme etensresten in de tandpulpa vermindert. Zirkoniumkeramiek heeft een opmerkelijke slijtvastheid, corrosiebestendigheid en hoge temperatuurbestendigheid, met een kleur die lijkt op die van natuurlijke tanden, waardoor het geschikt is voor tandheelkundige restauraties en een hoge sterkte heeft. Afhankelijk van de verschillen in de fasesamenstelling en het productieproces van alumina-keramiek, kan de alumina-keramiek die wordt gebruikt voor volledig keramische restauraties worden onderverdeeld in de volgende categorieën:
(1) Glasgeïnfiltreerde aluminiumoxidekeramiek
Glasinfiltratie, waarvan de volledige naam de slip-casting glasinfiltratiemethode is. Alumina, als matrixmateriaal, heeft een poreuze structuur en het lanthaan-borium-siliciumglas met kleurstoffen infiltreert erin. Na de vorming heeft het een microstructuur waarin aluminakristalfasen en glaskristalfasen in elkaar overvloeien. Glasgeïnfiltreerd aluminakeramiek heeft een hoge mechanische sterkte, met een buigsterkte van 250-600 MPa en een breuktaaiheid van 3-4 MPa·m¹/². Een representatief product is de basiskroon van het In-Ceram Alumina-systeem van Vita (een Duits bedrijf), tevens het eerste volledig keramische restauratiesysteem dat in staat is om driedelige bruggen in het posterieure tandgebied te vervaardigen.
(2) Hoogzuivere, dichte, gesinterde, volledig aluminiumoxidekeramiek
Aluminiumoxidepoeder, samengesteld uit aluminiumoxide met een zuiverheid tot 99,9%, wordt onder extreem hoge druk (droogpersen) tot een groen materiaal geperst en vervolgens gesinterd. De drukvormmethode geeft aluminiumoxidekeramiek een hoge dichtheid en lage porositeit. Dit keramische materiaal kan een buigsterkte van 500-700 MPa en een breuktaaiheid van 5-6 MPa·m¹/² bereiken, waardoor het klinisch kan worden gebruikt als brugconstructie in het achterste tandgebied.
(3) Glasgeïnfiltreerde zirkonia-verharde aluminiumoxidekeramiek
Dit type keramiek wordt gevormd door 35% gedeeltelijk gestabiliseerd zirkoniumoxide toe te voegen aan glasgeïnfiltreerd aluminiumoxidekeramiekpoeder. Na de vorming is een gelijkmatig verdeelde tetragonale fase van zirkoniumoxide in het materiaal te zien. Het is tevens het keramiekmateriaal met de hoogste sterkte in de aluminiumoxidekeramiekserie. Vanwege de geringe translucentie van met zirkoniumoxide gehard aluminiumoxidekeramiek worden ze over het algemeen klinisch gebruikt voor de restauratie van posterieure tanden waar de esthetische eisen niet hoog zijn.