سرامیک زیرکونیا پزشکی زیستی را با کاربردهای پیشرفته تغییر می دهد

در زمینه مهندسی زیست پزشکی، تقاضا برای مواد با عملکرد بالا و سازگار با زیست همچنان در حال رشد است. These materials must not only possess physicochemical properties similar to human tissues but also withstand complex physiological environments while maintaining functional integrity over extended periodsسرامیک زرکونیا، یک ماده پیشرفته که ترکیب قدرت مانند فلز با زیبایی مانند دندان را دارد، به عنوان یک ماده ضروری در ارتوپدی، دندانپزشکی و زمینه های مرتبط ظاهر شده است.

دی اکسید زرکونیوم (ZrO2) ، که معمولاً زرکونیا نامیده می شود ، اکسید بلوری زرکونیوم است که یک ماده غیر فلزی غیرآلی مهم را نشان می دهد.برجسته بودن آن در کاربردهای زیست پزشکی عمدتاً ناشی از خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد آن است، ارائه هر دو قدرت مکانیکی قابل مقایسه با فلزات و رنگ طبیعی مانند دندان.

زیرکونیا در سه ساختار کریستالی متفاوت وجود دارد:

• یک کلینیک (M):در دمای اتاق تا 1170°C پایدار است، با تقارن کم و آنیزوتروپی قابل توجهی در پارامتر شبکه مشخص می شود.
• تترگونال (T):پایدار بین 1170 درجه سانتیگراد و 2370 درجه سانتیگراد، نشان دهنده تقارن بالاتر و کاهش انیزوتروپی شبکه است.
• مکعب (C):ثبات بالاتر از 2370 درجه سانتیگراد، دارای بالاترین تقارن با پارامترهای شبکه ایزوتروپ است.

در طول خنک شدن، زرکونیا از فاز تبدیل از مکعب به تک کلینیک، همراه با 3-5% گسترش حجم است که می تواند منجر به فشارهای داخلی منجر به شکست مواد شود.روش های ثبات با استفاده از اکسید فلز (MgO)، CaO، یا Y2O3) این تحولات را مهار می کند.پلی کریستال های زرکونیا تترگونال استقرار شده با یتریا (Y-TZP) در حال حاضر به دلیل خواص مکانیکی مطلوب و سازگاری زیستی خود در کاربردهای پزشکی غالب هستند.

تئوری گاروی ۱۹۷۵ عملکرد مکانیکی استثنایی زرکونیا را از طریق تحول فازی ناشی از استرس توضیح می دهد.فازهای متاسبل تترگونال تحت فشار به مونوکلینیک تبدیل می شوند (eبه عنوان مثال، در نوک های ترک) ، ایجاد فشارهای فشاری که مانع از گسترش ترک می شود، پدیده ای به نام سخت شدن تبدیل می شود.

زرکونیا ویژگی های مکانیکی را نشان می دهد که با فولاد ضد زنگ رقابت می کند:

• مقاومت کششی: 900-1200 MPa
• قدرت فشرده سازی: ~2000 MPa
• مقاومت بالای شکستگی
• مقاومت بسیار عالی در برابر خستگی (در برابر ~ 50 میلیارد چرخه در 28 kN مقاومت می کند)

شرایط سطح به طور قابل توجهی بر عملکرد تأثیر می گذارد. خشکی و نقص ها قدرت را کاهش می دهند، در حالی که پولیش کردن طول عمر را بهبود می بخشد.پیری هیدروترمل در محیط های مرطوب باعث تخریب قدرت از طریق کاهش Y2O3 در مرزهای دانه می شودهمچنین خرد کردن سطح با وارد کردن میکرو ترک ها، سختی را کاهش می دهد. استراتژی های کاهش شامل:

• فشرده سازی بیشتر
• مواد افزودنی ضد پیری (به عنوان مثال سیلیس)
• پوشش های محافظ

از زمان اولین استفاده پزشکی در سال ۱۹۶۹ برای جایگزینی مفصل لگن، زرکونیا سازگاری بیولوژیکی عالی را در هر دو مطالعه in vivo (پوشک های لگن میمون) و in vitro نشان داده است. تحقیقات تایید می کند:

• هیچ سیتوتوکسیکی
• هیچ اثر موتاژنیک (موتاسیون های فیبروبلاست کمتر از آستانه های سرطان زا)

زرکونیا باعث التهاب ملایم تر از تیتانیوم می شود و مطالعات نشان می دهد:

• کاهش نفوذ التهابی
• تراکم ریز عروقی
• کاهش بیان VEGF
• کاهش تجمع محصولات جانبی باکتریایی

زیرکونیا چسبندگی، تکثیر و تمایز سلول های استخوانی را ترویج می دهد. اصلاحات سطح با هیدروکسیپتیت یا پروتئین های مورفوجنتیکی استخوان، ادغام استخوان را افزایش می دهد.

این ماده از چسبیدن و بهبود سلول های بافت نرم حمایت می کند و آن را برای کاربردهای مخاطی مناسب می کند.

• پروتز های لگن/ركب (مقاومت بهتر در مقابل جایگزین های فلزی/سیرامیکی)
• پیچ/پلاک استخوان (قوه بالایی برای تثبیت شکستگی)

مزایا نسبت به بازسازی فلزی سرامیکی:

• زیبایی شناسی: شفافیت طبیعی مانند دندان
• سازگاری زیستی: کاهش تحریک لثه
• قدرت: مقاومت در برابر فشار های جویدن

استفاده های خاص شامل تاج ها، پل ها، ستون های ایمپلنت، ورق ها و براکت های ارتودنسی است.

• نانوزیرکونیا (قوه/سختی افزایش یافته)
• زرکونیا شیب دار (توزیع خاصیت بهینه)
• زرکونیا متخلخل (انجام سلول/عروض عروقی بهبود یافته)

تکنیک هایی برای افزایش فعالیت زیستی:

• پوشش های زیست فعال (هیدروکسی آپاتیت، BMP)
• خشکی سطح (توسعه چسبندگی سلول)
• کاشت یون

امکان استفاده از ایمپلنت های خاص بیمار از طریق:

• اکستروژن مواد
• فتوپولیمرزاسیون VAT
• فیوژن بستر پودری

ترکیب های هماهنگ با:

• عینک های زیست فعال (حرکت استخوان)
• بیوکرامیک (فعالیت زیستی افزایش یافته)
• پلیمرها (مضامین انعطاف پذیر)

سرامیک زرکونیا یک زیست مواد تبدیل کننده با خواص مکانیکی استثنایی، سازگاری زیستی و ویژگی های زیبایی را نشان می دهد.پیشرفت های مداوم در علوم مواد و فن آوری های تولیدی، امکان گسترش کاربرد های بالینی آن را فراهم می کند، در نهایت بهبود نتایج بیماران در رشته های ارتوپدی و دندانپزشکی.