Керамика из циркония преобразует биомедицину с прорывными приложениями

В области биомедицинской инженерии спрос на высокопроизводительные биосовместимые материалы продолжает расти. These materials must not only possess physicochemical properties similar to human tissues but also withstand complex physiological environments while maintaining functional integrity over extended periodsКерамика циркония, передовой материал, сочетающий в себе металлическую прочность с зубной эстетикой, стала незаменимым материалом в ортопедии, стоматологии и смежных областях.

Диоксид циркония (ZrO2), обычно называемый цирконой, является кристаллическим оксидом циркония, который представляет собой важный неорганический неметаллический материал.Его важность в биомедицинских применениях в значительной степени обусловлена его уникальными физико-химическими свойствами, предлагающий как механическую прочность, сравнимую с металлами, так и натуральное зубное окрашение.

Цирконий существует в трех различных кристаллических структурах:

• Моноклинический (M):Устойчив при комнатной температуре до 1170°C, характеризуется низкой симметрией и значительной анизотропией параметров решетки.
• Тетрагональный (T):Устойчив от 1170°C до 2370°C, с более высокой симметрией и уменьшенной анизотропией решетки.
• Кубический (С):Стабильность выше 2370°C, обладает наибольшей симметрией с изотропными параметрами решетки.

Во время охлаждения циркония превращается из кубической в моноклиническую фазу, сопровождающуюся 3-5% объемным расширением, которое может вызвать внутренние напряжения, приводящие к отказу материала.Методы стабилизации с использованием оксидов металлов (MgO), CaO или Y2O3) ингибируют эти преобразования.В настоящее время в биомедицинских приложениях доминируют поликристаллы цирконии тетрагонального типа, стабилизированные итрием, благодаря их оптимальным механическим свойствам и биосовместимости..

Теория Гарви 1975 года объясняет исключительную механическую производительность циркония через фазовую трансформацию, вызванную напряжением.Метастабильные тетрагональные фазы превращаются в моноклинические при стрессе (eНапример, на вершинах трещин), генерируя нагрузки на сжатие, которые препятствуют распространению трещин, явление, называемое преобразованием.

Циркония демонстрирует механические свойства, соперничающие с нержавеющей сталью:

• Прочность на протяжении: 900-1200 МПа
• Прочность на сжатие: ~2000 МПа
• Высокая прочность при переломах
• Отличная устойчивость к усталости (выдерживает ~ 50 миллиардов циклов при 28 кН)

Условия поверхности существенно влияют на производительность: шероховатость и дефекты снижают прочность, в то время как полировка улучшает долговечность.Гидротермальное старение в влажной среде приводит к снижению прочности через истощение Y2O3 на границах зернаПоверхностная шлифовка также уменьшает прочность путем введения микротрещин.

• Усиленное уплотнение
• Антивозрастные добавки (например, кремний)
• Защитные покрытия

С момента своего первого медицинского применения в 1969 году для замены тазобедренного сустава циркония показала отличную биосовместимость как в vivo (имплантаты бедренной кости обезьян), так и в исследованиях in vitro.

• Нет цитотоксичности
• Никаких мутагенных эффектов (меньше мутаций фибробластов, чем пороговые показатели канцерогенности)

Циркония вызывает более мягкое воспаление, чем титан, и исследования показывают:

• Уменьшение воспалительного проникновения
• Низкая микрососудистая плотность
• Снижение экспрессии VEGF
• Уменьшение накопления бактериальных побочных продуктов

Циркония способствует адгезии, пролиферации и дифференциации клеток костей.

Материал поддерживает адгезию и заживление клеток мягких тканей, что делает его подходящим для применения при контакте с слизистой оболочкой.

• Протезы тазобедренного или коленного сустава (улучшенная износостойкость по сравнению с металлическими/керамическими альтернативами)
• Костные винты/пласты (высокая прочность для фиксации переломов)

Преимущества по сравнению с металлокерамическими реставрациями:

• Эстетика: естественная зубчатая прозрачность
• Биосовместимость: уменьшение раздражения десен
• Прочность: выдерживает жевательные силы

Специфические применения включают в себя короны, мосты, опоры имплантатов, фанеры и ортодонтические брекеты.

• Нано-циркония (улучшенная прочность/жесткость)
• Градиентный цирконий (оптимизированное распределение свойств)
• Пористый цирконий (улучшенная клеточная/сосудистая интеграция)

Методы повышения биоактивности:

• Биоактивные покрытия (гидроксиапатит, BMP)
• Отравление поверхности (содействие клеточной адгезии)
• Имплантация ионов

Разработка имплантатов для конкретных пациентов посредством:

• Экструзия материала
• Фотополимеризация по ВТС
• Сплав порошкового лега

Синергетические комбинации с:

• Биоактивные очки (остеопровождение)
• Биокерамика (улучшенная биоактивность)
• Полимеры (улучшенная гибкость)

Керамика циркония представляет собой трансформирующий биоматериал с исключительными механическими свойствами, биосовместимостью и эстетическими качествами.Продолжающиеся достижения в области материаловедения и технологий производства обещают расширить его клинические применения, что в конечном итоге улучшает результаты лечения пациентов по всем ортопедическим и стоматологическим дисциплинам.