Η κεραμική από ζιρκόνια μεταμορφώνει τη βιοϊατρική με πρωτοποριακές εφαρμογές

Στον τομέα της βιοϊατρικής μηχανικής, η ζήτηση για υλικά υψηλών επιδόσεων και βιοσυμβατά συνεχίζει να αυξάνεται. These materials must not only possess physicochemical properties similar to human tissues but also withstand complex physiological environments while maintaining functional integrity over extended periodsΗ κεραμική ζιρκόνια, ένα προηγμένο υλικό που συνδυάζει την αντοχή του μετάλλου με την αισθητική του δοντιού, έχει αναδειχθεί ως ένα απαραίτητο υλικό στην ορθοπεδική, την οδοντιατρική και συναφείς τομείς.

Το διοξείδιο του ζιρκόνιου (ZrO2), που συνήθως ονομάζεται ζιρκόνιο, είναι ένα κρυσταλλικό οξείδιο του ζιρκόνιου που αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό ανόργανο μη μεταλλικό υλικό.Η εξέχουσα θέση του στις βιοϊατρικές εφαρμογές οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στις μοναδικές φυσικοχημικές του ιδιότητες, προσφέροντας τόσο μηχανική αντοχή συγκρίσιμη με τα μέταλλα όσο και φυσικό χρώμα σαν δόντι.

Το ζιρκόνιο υπάρχει σε τρεις διακριτές κρυσταλλικές δομές:

• Μονοκλινική (M):Σταθερό σε θερμοκρασία δωματίου έως 1170°C, χαρακτηρίζεται από χαμηλή συμμετρία και σημαντική ανισοτροπία των παραμέτρων πλέγματος.
• Τετραγωνική (T):Σταθερό μεταξύ 1170 °C και 2370 °C, παρουσιάζει υψηλότερη συμμετρία και μειωμένη ανισιοτροπία πλέγματος.
• Κουβικό (C):Σταθερό πάνω από 2370 °C, διαθέτει την υψηλότερη συμμετρία με ισοτροπικές παράμετροι πλέγματος.

Κατά τη διάρκεια της ψύξης, το ζιρκόνιο υφίσταται μετασχηματισμό φάσης από κυβικό σε μονοκλινικό, συνοδευόμενο από επέκταση όγκου 3-5%, η οποία μπορεί να προκαλέσει εσωτερικές πιέσεις που οδηγούν σε βλάβη του υλικού.Μέθοδοι σταθεροποίησης με χρήση οξειδίων μετάλλων (MgO), CaO ή Y2O3) αναστέλλουν αυτές τις μετασχηματισμούς.Οι σταθεροποιημένοι με ιττρία τετραγωνικοί πολυκρυστάλλοι ζιρκονίου (Y-TZP) κυριαρχούν επί του παρόντος στις βιοϊατρικές εφαρμογές λόγω των βέλτιστων μηχανικών ιδιοτήτων και της βιοσυμβατότητας τους.

Η θεωρία Garvie του 1975 εξηγεί τις εξαιρετικές μηχανικές επιδόσεις του ζιρκονίου μέσω μετασχηματισμού φάσης που προκαλείται από άγχος.Οι μεταστατικές τετραγωνικές φάσεις μετατρέπονται σε μονοκλινικές υπό πίεση (eΗ ατμόσφαιρα της σχισμής της σχισμής μπορεί να μειωθεί με τη λήψη του μέτρου της σχισμής.

Το ζιρκόνιο παρουσιάζει μηχανικές ιδιότητες που ανταγωνίζονται τον ανοξείδωτο χάλυβα:

• Δυνατότητα τράβηξης: 900-1200 MPa
• Δυνατότητα συμπίεσης: ~ 2000 MPa
• Υψηλή αντοχή σε κατάγματα
• Εξαιρετική αντοχή στην κόπωση (αντέχει ~ 50 δισεκατομμύρια κύκλους σε 28 kN)

Οι συνθήκες της επιφάνειας επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση.Η υδροθερμική γήρανση σε υγρό περιβάλλον προκαλεί υποβάθμιση της αντοχής μέσω της εξάντλησης του Y2O3 στα όρια του κόκκουΗ τριβή της επιφάνειας μειώνει επίσης την αντοχή με την εισαγωγή μικροσκέψεων.

• Ενισχυμένη πυκνότητα
• Αντιγηραντικές πρόσθετες ύλες (π.χ. πυρίτιο)
• Προστατευτικές επικάλυψεις

Από την πρώτη ιατρική χρήση του το 1969 για αντικαταστάσεις ισχίου, το ζιρκόνιο έχει δείξει εξαιρετική βιοσυμβατότητα τόσο σε in vivo (εμφυτεύματα μηριαίου ισχίου πιθήκων) όσο και σε in vitro μελέτες.

• Καμία κυτταροτοξικότητα
• Καμία μεταλλαξιογόνος επίδραση (λιγότερες μεταλλάξεις ινομυκλαστίων από τα καρκινογόνια κατώτατα όρια)

Το ζιρκόνιο προκαλεί ήπια φλεγμονή από το τιτάνιο, με μελέτες να δείχνουν:

• Μειωμένη φλεγμονώδης διείσδυση
• Μικρότερη μικροαγγειακή πυκνότητα
• Μειωμένη έκφραση VEGF
• Μειωμένη συσσώρευση βακτηριακών υποπροϊόντων

Οι επιφανειακές τροποποιήσεις με υδροξιαπατίτη ή οστικές μορφογενετικές πρωτεΐνες ενισχύουν περαιτέρω την ενσωμάτωση των οστών.

Το υλικό υποστηρίζει την προσκόλληση και την επούλωση των κυττάρων των μαλακών ιστών, καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές με επαφή με βλεννογόνο.

• Προθεσμία ισχίου/γόνατος (βελτιωμένη αντοχή στην φθορά σε σύγκριση με εναλλακτικές μέταλλο/κεραμική)
• Στροφές/πλακέτες οστών (υψηλή αντοχή για τη στερέωση των καταγμάτων)

Πλεονεκτήματα έναντι των μεταλλικο-κεραμικών αποκαταστάσεων:

• Αισθητική: Φυσική διαφανεια, σαν δόντι
• Βιοσυμβατότητα: Μειωμένο ερεθισμό των ούλων
• Δυνατότητα: Αντιστέκεται στις δυνάμεις της μάσησης

Ειδικές χρήσεις περιλαμβάνουν στεφάνια, γέφυρες, στήλες εμφυτεύματος, φένερ και ορθοδοντικά στηρίγματα.

• Νανοζιρκόνιο (υψηλότερη αντοχή/σκληρότητα)
• Ζιρκόνιο κλίσης (βελτιωμένη κατανομή ιδιοτήτων)
• Πορώδες ζιρκόνιο (βελτιωμένη ενσωμάτωση κυττάρων/αγγείων)

Τεχνικές για την ενίσχυση της βιοδραστικότητας:

• Βιοδραστικές επικάλυψεις (υδροξυαπατίτη, BMP)
• Επεξεργασία της επιφάνειας
• Εμφύτευση ιόντων

Ενεργοποίηση ειδικών εμφυτευμάτων για ασθενείς μέσω:

• Έκταση υλικού
• Φωτοπολυμερισμός VAT
• Σύντηξη σε στρώμα σκόνης

Συνεργατικοί συνδυασμοί με:

• Βιοενεργά γυαλιά (οστεοοδηγία)
• Βιοκεραμικά (βελτιωμένη βιοενέργεια)
• Πολυμερή (βελτιωμένη ευελιξία)

Η κεραμική από ζιρκόνια αντιπροσωπεύει ένα μετασχηματιστικό βιοϋλικό με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, βιοσυμβατότητα και αισθητικές ιδιότητες.Οι συνεχιζόμενες εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών και στις τεχνολογίες παραγωγής υπόσχονται να επεκτείνουν τις κλινικές εφαρμογές του, βελτιώνοντας τελικά τα αποτελέσματα των ασθενών σε ορθοπεδικούς και οδοντιατρικούς κλάδους.