Curs 6

TIINA MATERIALELOR BIOCERAMICE

Universitatea POLITEHNICA din BucuretiFacultatea de Inginerie Medical

Curs 6

MATERIALE CERAMICE BIOINERTE

INTRODUCERE

MATERIALE BIOINERTE

Ceramicaaluminoas

Al2O3

Ceramica zirconic

ZrO2stabilizat cu Y2O3 sau CaO sau MgO, etc.

Materiale pe baz de carbon

C

MATERIALE BIOINERTE

INTRODUCERE

Avantaje

Proprietimecaniceperformante

Stabilitate chimicmare

Biocompatibilitate

Aplicaii

Pentru nlocuirea esuturilor dure, care trebuie s reziste unor eforturi mecanice mari

Implanturi de fixare n stomatologie sau chirurgie

ISTORIC I APLICAII

Utilizarea implanturilor din alumin a fostraportat n anii 30, de ctre Hulbert i col.

n anii 60 au fost realizate implanturi dentaredin alumin policristalin. aveau o rat de distrugere ridicat. aveau o rat de distrugere ridicat.

Japonezii au propus n anii 70 implanturi dinmonocristale de alumin. utilizate i astzi; un studiu clinic dup 10 ani arat o rat de succes de

92%.

Un implant oftalmologic realizat dintr-uncilindru din alumin monocristalin i un inel desusinere din alumin policristalin a fostintrodus n practica medical n 1977.

Implanturi pentru urechea mijlocie din alumin

ISTORIC I APLICAII

Implanturi pentru urechea mijlocie din alumin ultrapur Frialit, sunt utilizate clinic din 1979.

Aplicaii extensive se nregistreaz ncepnd cuanii 80, atunci cnd noi tehnologii deprocesare au permis scderea dimensiunilorgranulare ale pulberilor de alumin de la 10 la2m, ceea ce a condus la mbuntirea

ISTORIC I APLICAII

2m, ceea ce a condus la mbuntireasubstanial a proprietilor mecanice alepieselor utilizate pentru proteze de old.

Astzi, implanturile ceramice din alumin izircon sunt utilizate n mod curent, datoritproprietilor lor excelente.

Cea mai frecvent aplicaie este realizareaprotezelor totale de old un studiu clinic de10 ani a artat o rat de succes de 90%.

ISTORIC I APLICAII

Protez de old din metal (componenta femural), ceramic (capul femurului) i

polietilen (fosa acetabulului)

Ceramicile pe baz de alumin i zircon maisunt utilizate pentru:

reconstrucia oaselor alveolare; reconstrucie maxilofacial;

ISTORIC I APLICAII

reconstrucie maxilofacial; implanturi dentare; reconstrucia oaselor genunchiului; uruburi pentru oase, etc.

Implanturi dentare din alumin

Anul Aplicaia Cercettori1932 Prima meniune legat de aplicaiile aluminei n

medicinRock

1963 Primul substitut de os din alumin Smith1964 Primul implant dentar din alumin Sandhaus1970 Protez de old din alumin - Frana Boutin

1974 Protez de old din alumin - Germania Mittelmeier1977 Bile din alumin pentru protezele de old de 28 mm Shikita1981 Protez total de genunchi din alumin Oonishi et al.1981 Protez total de genunchi din alumin Oonishi et al.1982 Aprobarea protezelor de old care includ alumin de

ctre FDA (Food and Drug Administration)1986 Bile din zircon pentru protezele de old de 35 mm Lord et al. 1993 Primul implant dentar din zircon Akagawa et al. 1995 Componente dentare din zircon Meyenberg et

al. 1996 Inserii dentare din zircon Johansson

METODE DE OBINERE

Se urmrete obinerea unor corpuri ceramicedense, cu o microstructur fin.

Etapele parcurse pentru obinerea pieselorceramice pentru protezele totale de old: Fasonare: compactarea pulberilor fin granulate n Fasonare: compactarea pulberilor fin granulate n

forma dorit; utilizarea presrii isostatice la cald HIP conduce la piese

ceramice cu densitatea sporit;

Densificare: tratament termic la 1500-1700oC; Prelucrare: lefuire, n vederea obinerii:

formei dorite; unei rugoziti sczute a suprafeei.

METODE DE OBINERE

Alumina se obine, n principal, din bauxit, prinprocedeul Bayer.

Ceramica pe baz de oxid de aluminiu se poateobine prin: densificare n prezena unei topituri 80,0 99,7% densificare n prezena unei topituri 80,0 99,7%

Al2O3 densificare n faz solid peste 99,7% Al2O3.

METODE DE OBINERE

Microstructura unor piese din alumin, cu dimensiunea medie a

particulelor: a. 5m (1974);b. 3,3m (1988);c.

Sistemele CAD-CAM permitrealizarea rapid i cu odeosebit acuratee a unor piesedin materiale metalice,ceramice, etc. cu formecomplexe.

METODE DE OBINERE

complexe. Forma care trebuie realizat

este modelat computerizat,echipamentul de realizare apieselor fiind de asemeneacondus computerizat, prinprograme specializate.

PROPRIETI

Alumina este mai stabil chimic, dar mai slabdin punct de vedere mecanic n comparaie cuzircona. Transformrile specifice pe care le sufer ceramicile

zirconice conduc la o rezisten la rupere netzirconice conduc la o rezisten la rupere netsuperioar celei caracteristice ceramicii aluminoase.

realizarea unor bile pentru protezele de old dedimensiuni mai mici, minimaliznd astfel frecarea cupiesa din polietilen i conducnd la creterea durateide via a implantului.

Exist ntr-o varietate mare de formepolimorfe: corindonul sau -Al2O3:

o varietatea polimorf termodinamic stabil;o cristalizeaz n sistem trigonal;

stabil peste 1200 C.

Alumina

PROPRIETI

o stabil peste 1200oC. varietile de tranziie (chi, kappa, gamma, theta,

delta, eta):o metastabile;o se caracterizeaz prin suprafa specific i reactivitate

ridicate, fiind utilizate de exemplu n cataliz;o formate n principal din tetraedre sau poliedre de

aluminiu, unite ntre ele prin vrfuri sau laturi.

Datorit interaciunilor chimice puternice secaracterizeaz prin: temperatur de topire ridicat: 2040oC; duritatea cea mai ridicat ntre oxizii cunoscui; rezisten mecanic ridicat.

Alumina

PROPRIETI

rezisten mecanic ridicat.

Studiile clinice au artat c nu are locfracturarea pieselor ceramice din alumin,utilizate pentru protezele de old, fabricatentr-un interval de 20 de ani.

Datorit stabilitii chimice ridicate i aposibilitii de realizare a unor piese exactedimensional i cu un grad ridicat de lefuire asuprafeei, se obin implanturi cu rezisten lauzur foarte bun.

Alumina

PROPRIETI

uzur foarte bun. Rezistena la uzur a pieselor componente protezelor

totale de old s-a mbuntit cu pn la de 4 ori ncondiii clinice, fa de cazul n care erau utilizatemetale pentru realizarea capului femurului;

Nu sunt identificate reziduuri la locul de implantare,care ar putea rezulta din uzura piesei ceramice, atuncicnd aceasta este n contact cu fosa acetabululuirealizat din polietilen cu mas molecular mare.

Coninut de Al2O3, % >99,9 >99,71 >99,72 99,0 99,7Proprietatea

Densitate [g/cm3] 3,96 3,98 3,6 3,89 3,65 3,89 3,89 3,96Duritate [GPa] 19,3 16,3 15 - 16 15 16Tenacitate [MPa m1/2] 3,8 4,5 - - 5,6 6,0Modulul lui Young [GPa] 400 410 300 380 300 380 330 400Rezistena la

PROPRIETI

Rezistena la compresiune [MPa] > 2600 2600 2600 2600Rezistena la ncovoiere [MPa] 550 600 160 300 245 - 412 550Coeficientul de dilatare termic [10-6 K-1] 200 1200oC

6,5 8,9 5,4 8,4 5,4 8,4 6,4 8,2

Coeficientul de conductivitate termic [Wm-1K-1]

38,9 28 30 30 30,4

Temperatura de sinterizare [oC] 1600 - 2000 1750 - 1900 1750 - 1900 1700 - 1750

[1] Sinterizat fr MgO [2] Sinterizat n prezena MgO

Forme polimorfe: monoclinic:

o este stabil termodinamic pn la temperatura de 950oC;o este derivat din structura fluorinei.

tetragonal:

Zircona

PROPRIETI

tetragonal: se formeaz din forma monoclinic la o temperatur cuprins n

intervalul 1100 - 1200oC, transformarea polimorf avnd loc cuo variaie de volum de 5%;

deriv din structura fluorinei.

cubic: apare la 228550C; are aceeai structur cristalin cu fluorina.

Transformarea polimorf enantiotropmonoclinic tetragonal, datorit variaieiimportante de volum, face inutilizabil dioxidulde zirconiu, n forma pur, pentru realizareaceramicilor dense:

Zircona

PROPRIETI

ceramicilor dense: n toate aplicaiile, este necesar stabilizarea

total sau parial a zirconei, prin adaosuri deoxizi stabilizatori. Zircona parial stabilizat

o PSZ: forma cubic i tetragonal i/sau monoclinic;o TZP: forma tetragonal;

Forma tetragonal poate fi stabilizat la temperaturacamerei pentru dimensiuni de granul mai mici de 0,5m.

Transformarea polimorf enantiotropmonoclinic tetragonal, datorit variaieiimportante de volum, face inutilizabil dioxidulde zirconiu, n forma pur, pentru realizareaceramicilor dense:

Zircona

PROPRIETI

ceramicilor dense: n toate aplicaiile, este necesar stabilizarea

total sau parial a zirconei, prin adaosuri deoxizi stabilizatori. Zircona total stabilizat: forma cubic.

Zircona

PROPRIETI

Diagrama de echilibru termic fazal a sistemului CaO-ZrO2

Se caracterizeaz prin microduritate i modulde elasticitate sczute, dar rezisten mecanicfoarte ridicat, n comparaie cu majoritateaceramicilor, inclusiv alumina. n cazul particulelor de dimensiuni mai mici dect cea

Zircona

PROPRIETI

n cazul particulelor de dimensiuni mai mici dect ceacritic, aflate ns ntr-un echilibru metastabil latemperatura camerei, aplicarea unui efort mecanicexterior va induce transformarea n forma polimorfstabil la acea temperatur, i anume ceamonoclinic.o consumarea energiei fisurii create de efortul mecanic

aplicat, mpiedicnd astfel propagarea ei;o dilatarea determinat de transformarea polimorf d

natere unui cmp de fore care contribuie la oprireanaintrii fisurii.

Rezistena la uzur a pieselor din ceramiczirconic este superioar celei caracteristicealuminei.

Suprafaa implanturilor din zircon este nsafectat de instabilitatea fazelor polimorfe de

Zircona

PROPRIETI

afectat de instabilitatea fazelor polimorfe detemperatur nalt, la temperatura camerei, ntimp. Deoarece implanturile din ceramic zirconic sunt de

dat recent, nu au putut fi realizate studii clinicepentru a stabili comportamentul implanturilor n timp.

Cazuri de distrugere a prilor ceramice aleimplanturilor au fost deja raportate.

Limitri: Nu este elucidat stabilitatea fazelor polimorfe ale

zirconei n mediul fiziologic, fiind posibil ca n timp sse formeze forma monoclinic prin transformareafazelor polimorfe de temperatur nalt, metastabile

Zircona

PROPRIETI

fazelor polimorfe de temperatur nalt, metastabilela temperatura ambiant;o Transformarea ar putea fi favorizat de solicitrile

mecanice ciclice;

n cteva probe de zircon pur au fost detectateurme de U235 i au fost msurate radiaii.o Dei acestea au nregistrat un nivel foarte sczut,

experimentri ulterioare sunt totui necesare.

Proprietate Valoare Densitate teoretic 6,05 - 6,10 g/cm3Coeficientul de dilatare 10,23 - 10,610-6

Caracteristici fizice i mecanice aleceramicilor Y-TZP (2-3% mol Y2O3)

Zircona

PROPRIETI

Coeficientul de dilataretermic

10,23 - 10,610-6K-1[0-1000C ]

Conductivitate termic 1 - 2 Wm-1K-1Difuzivitate termic 1,19 mm2/sDuritate Vickers 10 - 12 GPaModulul lui Young 140 - 200 GPaRezistena la ncovoiere 800 - 1300 MPaTenacitate 6 - 15 MPam1/2

Nici un material plasat n mediul biologic nupoate fi considerat biologic inert.

Prin proprietile lor specifice, materialeleoxidice nu sufer de degradare sau coroziune nmediul fiziologic, aa cum este cazul metalelor

Zircona i alumina - biocompatibilitate

PROPRIETI

mediul fiziologic, aa cum este cazul metalelorsau al polimerilor sunt stabile n mediulfiziologic i n consecin bine acceptate deacesta. Teste in-vitro i in-vivo au artat c alumina i zircona

nu prezint toxicitate; S-a determinat o aderen epitelial la nivelul

implanturilor dentare.

Testul biologic Durata contactului

A (limitat) >24h

B (prelungit)24 h 30 zile

C (permanent)>30 zile

Teste pentru evaluarea biologic a implanturilor care vin n contact cu esutul osos ISO 10993-1:1992 E

Zircona i alumina - biocompatibilitate

PROPRIETI

>24h 24 h 30 zile >30 zile

Citotoxicitate x x X

Sensibilitate x x X

Iritare la nivelul pielii x x X

Genotoxicitate x x

Implantare x x

Toxicitate cronic x

Carcinogenicitate x

Test de biocompatibilitate

Standard Rezultat

Biocompatibilitate in-vivo ASTM F 763/82 Foarte bun

Evaluarea biologic a implanturilor de zircon Prozyr, Ceramiques Desmarquest, Frana

Zircona i alumina - biocompatibilitate

PROPRIETI

Biocompatibilitate in-vivo pe durat scurt

ASTM F 763/82 Foarte bun

Biocompatibilitate in-vitro ASTM F 748/82 Bun

Citotoxicitate n culturi de celule

PRS 90.702 Citocompatibilitate bun

Mutagenicitate Test Ames, micronucleus Fr activitate mutagenic

Toxicitate sistemic ASTM F 750/82 n concordan cu standardul

Toxicitate cutanat ASTM F 749/82, ASTM F720/81

Fr iritaii

Sensibilitate Magnusson Fr iritaii