Ceramika z cyrkonii przekształca biomedycynę w przełomowe zastosowania

W dziedzinie inżynierii biomedycznej wciąż rośnie zapotrzebowanie na biokompatybilne materiały o wysokiej wydajności. These materials must not only possess physicochemical properties similar to human tissues but also withstand complex physiological environments while maintaining functional integrity over extended periodsCeramika z cyrkonium, zaawansowany materiał łączący siłę podobną do metalu z estetyką podobną do zębów, stał się nieodzownym materiałem w ortopedii, stomatologii i pokrewnych dziedzinach.

Dwutlenek cyrkonium (ZrO2), powszechnie nazywany cyrkonium, jest krystalicznym tlenem cyrkonium, który stanowi ważny nieorganiczny materiał niemetalowy.Jego znaczenie w zastosowaniach biomedycznych wynika w dużej mierze z jego unikalnych właściwości fizyko-chemicznych, oferujący zarówno wytrzymałość mechaniczną porównywalną z metalami, jak i naturalny kolor zęba.

Zirkonia występuje w trzech różnych strukturach krystalicznych:

• Monoklinika (M):Stabilny w temperaturze pokojowej do 1170°C, charakteryzujący się niską symetrią i znaczącą anisotropia parametrów siatki.
• Tetragonalne (T):Stabilny między 1170°C a 2370°C, wykazujący wyższą symetrię i zmniejszoną anisotropie siatki.
• Kwadrat (C):Stabilny powyżej 2370°C, posiadający najwyższą symetrię z parametrami siatki izotropowej.

Podczas chłodzenia cyrkonium przechodzi transformację fazową z kwasowego w monokliniczny, towarzyszącą 3-5% ekspansji objętościowej, która może powodować napięcia wewnętrzne prowadzące do awarii materiału.Metody stabilizacji przy użyciu tlenków metali (MgO), CaO lub Y2O3) hamują te przekształcenia.Polikrystały tetragonalnego cyrkonu zestabilizowane ytrią (Y-TZP) obecnie dominują w zastosowaniach biomedycznych ze względu na ich optymalne właściwości mechaniczne i biokompatybilność.

Teoria Garvie'ego z 1975 roku wyjaśnia wyjątkową mechaniczną sprawność cyrkonium poprzez przemianę fazową wywołaną naprężeniem.Metastabilne fazy tetragonalne przekształcają się w monokliniczne pod wpływem stresu (eNa przykład na wierzchołkach pęknięć), wytwarzając naprężenia ciśnieniowe, które utrudniają rozprzestrzenianie się pęknięć - zjawisko zwane twardnieniem transformacyjnym.

Zirkonia wykazuje właściwości mechaniczne równe stali nierdzewnej:

• Wytrzymałość na rozciąganie: 900-1200 MPa
• Wytrzymałość na ściskanie: ~ 2000 MPa
• Wysoka wytrzymałość na złamania
• Doskonała odporność na zmęczenie (przetrwa ~ 50 miliardów cykli przy 28 kN)

Warunki powierzchniowe mają znaczący wpływ na wydajność, a szorstkość i wady obniżają wytrzymałość, a polerowanie zwiększa długowieczność.Starzenie hydrotermalne w wilgotnych środowiskach powoduje degradację wytrzymałości poprzez wyczerpanie Y2O3 na granicach ziarna. Szlifowanie powierzchni zmniejsza również wytrzymałość poprzez wprowadzenie mikrokreczek. Strategie łagodzenia obejmują:

• Zwiększone zagęszczenie
• Dodatki przeciwstarzeniowe (np. krzemionka)
• Powierzchnie ochronne

Od czasu pierwszego zastosowania medycznego w 1969 r. w leczeniu przeszczepów bioder, cyrkonium wykazało doskonałą biokompatybilność zarówno w badaniach in vivo (implanty kości udowej małpy), jak i in vitro.

• Brak cytotoksyczności
• Brak wpływu mutagennego (mniej mutacji fibroblastów niż progi rakotwórcze)

Zirkonia wywołuje łagodniejsze zapalenie niż tytan, a badania pokazują:

• Zmniejszenie infiltracji zapalnej
• Obniżona gęstość mikro naczyń
• Zmniejszona ekspresja VEGF
• Zmniejszenie akumulacji produktów ubocznych bakterii

Zyrkonium promuje adhezję, proliferację i różnicowanie komórek kostnych.

Materiał wspomaga przyczepność i gojenie się komórek tkanek miękkich, co czyni go odpowiednim do stosowania w kontakcie śluzowym.

• Protety biodra/kolana (poprawiona odporność na zużycie w porównaniu z alternatywami metalowymi/ceramicznymi)
• Śruby/płyty kostne (wysoka wytrzymałość do mocowania złamań)

Zalety w stosunku do metalo-ceramiki:

• Estetyka: naturalna przezroczystość przypominająca zęby
• Biokompatybilność: zmniejszone podrażnienie dziąseł
• Wytrzymałość: Wytrzymuje siły żucie

Do konkretnych zastosowań należą korony, mosty, podstawy implantów, wino i uchwyty ortodontyczne.

• Nano-cyrkonia (zwiększona wytrzymałość/twardota)
• Zyrkonia gradientowa (optymalizowane rozmieszczenie właściwości)
• Porowate cyrkonium (poprawiona integracja komórkowa/naczyniowa)

Techniki zwiększania bioaktywności:

• Bioaktywne powłoki (hydroksyapatyt, BMP)
• Ogrubnienie powierzchni (promocja przyczepności komórek)
• Implantacja jonowa

Umożliwienie zastosowania implantów specyficznych dla pacjenta poprzez:

• Ekstruzja materiału
• Fotopolimeryzacja VAT
• Fuzja w stosy proszkowej

Połączenia synergistyczne z:

• Bioaktywne okulary (ostokondukcja)
• Biokeramika (zwiększona bioaktywność)
• Polimery (poprawiona elastyczność)

Ceramika z cyrkonii jest przekształcającym się biomateriałem o wyjątkowych właściwościach mechanicznych, biokompatybilności i cechach estetycznych.Ciągłe postępy w nauce materiałowej i technologii produkcyjnych obiecują rozszerzenie jej zastosowań klinicznych, w ostatecznym rozrachunku poprawiając wyniki pacjentów w dyscyplinach ortopedycznych i stomatologicznych.