Keramik Zirconia Mengubah Biomedicine Dengan Aplikasi Terobosan

Dalam bidang rekayasa biomedis, permintaan untuk bahan biocompatible berkinerja tinggi terus meningkat. These materials must not only possess physicochemical properties similar to human tissues but also withstand complex physiological environments while maintaining functional integrity over extended periodsKeramik zirconia, bahan canggih yang menggabungkan kekuatan seperti logam dengan estetika seperti gigi, telah muncul sebagai bahan yang sangat diperlukan dalam ortopedi, kedokteran gigi, dan bidang terkait.

Zirconium dioksida (ZrO2), biasa disebut zirconia, adalah kristal oksida zirconium yang merupakan bahan anorganik non-logam penting.Keunggulan dalam aplikasi biomedis sebagian besar berasal dari sifat fisik-kimia yang unik, menawarkan kekuatan mekanik yang sebanding dengan logam dan pewarnaan seperti gigi alami.

Zirconia ada dalam tiga struktur kristal yang berbeda:

• Monoklinik (M):Stabil pada suhu kamar hingga 1170 °C, ditandai dengan simetri rendah dan anisotropy parameter kisi yang signifikan.
• Tetragonal (T):Stabil antara 1170 °C dan 2370 °C, menunjukkan simetri yang lebih tinggi dan anisotropy kisi yang berkurang.
• Kubik (C):Stabil di atas 2370 °C, memiliki simetri tertinggi dengan parameter kisi isotropik.

Selama pendinginan, zirconia mengalami transformasi fase dari kubik menjadi monoklinik, disertai dengan ekspansi volume 3-5% yang dapat menyebabkan ketegangan internal yang menyebabkan kegagalan material.Metode stabilisasi menggunakan logam oksida (MgO), CaO, atau Y2O3) menghambat transformasi ini.Polikristal zirkonia tetragonal Yttria-stabil (Y-TZP) saat ini mendominasi aplikasi biomedis karena sifat mekanik dan biokompatibilitas yang optimal.

Teori Garvie tahun 1975 menjelaskan kinerja mekanik zirconia yang luar biasa melalui transformasi fase yang disebabkan oleh stres.fase tetragonal metastabil berubah menjadi monoklinik di bawah tekanan (e(misalnya, pada ujung retakan), menghasilkan tegangan kompresi yang menghambat penyebaran retakan, sebuah fenomena yang disebut pengerasan transformasi.

Zirconia menunjukkan sifat mekanik yang menyaingi stainless steel:

• Kekuatan tarik: 900-1200 MPa
• Kekuatan kompresi: ~2000 MPa
• Ketahanan fraktur yang tinggi
• Ketahanan kelelahan yang sangat baik (tahan ~ 50 miliar siklus pada 28 kN)

Kondisi permukaan secara signifikan mempengaruhi kinerja. Kerontokan dan cacat mengurangi kekuatan, sementara polesan meningkatkan umur panjang.Penuaan hidrotermal di lingkungan lembab menyebabkan degradasi kekuatan melalui pengurangan Y2O3 di batas biji-bijian. Penggilingan permukaan juga mengurangi ketangguhan dengan memperkenalkan retakan mikro. Strategi mitigasi meliputi:

• Peningkatan densifikasi
• Aditif anti-penuaan (misalnya, silika)
• Lapisan pelindung

Sejak pertama kali digunakan secara medis pada tahun 1969 untuk penggantian pinggul, zirconia telah menunjukkan biokompatibilitas yang sangat baik baik dalam studi in vivo (implan tulang paha monyet) maupun in vitro.

• Tidak ada sitotoksisitas
• Tidak ada efek mutagena (mutasi fibroblast lebih sedikit daripada ambang karsinogenik)

Zirconia menginduksi peradangan yang lebih ringan daripada titanium, dengan penelitian menunjukkan:

• Pengurangan infiltrasi peradangan
• Densitas mikrovaskular yang lebih rendah
• Pengurangan ekspresi VEGF
• Mengurangi akumulasi produk sampingan bakteri

Zirconia mempromosikan adhesi sel tulang, proliferasi, dan diferensiasi. Modifikasi permukaan dengan hidroksyapatit atau protein morfogenetik tulang lebih meningkatkan integrasi tulang.

Bahan ini mendukung adhesi sel jaringan lunak dan penyembuhan, membuatnya cocok untuk aplikasi kontak mukosa.

• Protesis pinggul/ lutut (peningkatan ketahanan terhadap keausan dibandingkan alternatif logam/keramik)
• Sekrup/plat tulang (kekuatan tinggi untuk fiksasi patah tulang)

Keuntungan dari restorasi logam-keramik:

• Estetika: Translucence seperti gigi alami
• Biokompatibilitas: Mengurangi iritasi gusi
• Kekuatan: Tahan terhadap kekuatan mengunyah

Penggunaan khusus termasuk mahkota, jembatan, pilar implan, veneer, dan bracket ortodontik.

• Nano-zirconia (kekuatan/keteguhan yang ditingkatkan)
• Zirconia gradien (distribusi properti yang dioptimalkan)
• Zirkonia berlubang (integrasi sel/vaskular yang ditingkatkan)

Teknik untuk meningkatkan bioaktivitas:

• Lapisan bioaktif (hidroksyapatit, BMP)
• Permukaan yang kasar (mempromosikan adhesi sel)
• Implantasi ion

Memungkinkan implan khusus pasien melalui:

• Ekstrusi bahan
• Vat fotopolimerisasi
• Fusi bed bubuk

Kombinasi sinergis dengan:

• Kacamata bioaktif (osteokonduksi)
• Biokeramik (bioaktivitas ditingkatkan)
• Polimer (peningkatan fleksibilitas)

Keramik zirconia merupakan biomaterial transformatif dengan sifat mekanik, biokompatibilitas, dan kualitas estetika yang luar biasa.Kemajuan yang sedang berlangsung dalam ilmu material dan teknologi manufaktur menjanjikan untuk memperluas aplikasi klinis, akhirnya meningkatkan hasil pasien di seluruh disiplin ilmu ortopedi dan gigi.