Ceramica di allumina: il materiale bioceramico preferito per la riparazione e la rigenerazione del tessuto osseo
Le ceramiche utilizzate come biomateriali per riempire difetti di denti e ossa, riparare innesti ossei, fratture o protesi ossee e sostituire tessuti malati sono chiamate bioceramiche. Sono ampiamente utilizzate in campo medico grazie alle loro eccellenti proprietà, come elevata resistenza, resistenza all'usura, maggiore resistenza a compressione e flessione e elevata biocompatibilità.La bioceramica fece la sua prima apparizione nel XIX secolo. A quel tempo, un tipo di ceramica riassorbibile, il gesso, veniva utilizzato in esperimenti e pratiche cliniche, il che stimolò notevolmente l'interesse degli studiosi per il campo della bioceramica. Dall'inizio alla metà del XX secolo, lo studioso americano Talbert trasformò materiali ceramici granulari (ceramiche di allumina) in protesi e le impiantò nei femori di cani adulti, ottenendo infine successo. Le ceramiche di allumina attirarono anche l'attenzione di molti ricercatori scientifici.
①Ceramica di allumina
Il concetto di ceramica di allumina comprende un'ampia gamma di proprietà. Oltre alla ceramica di allumina pura, qualsiasi materiale ceramico con un contenuto di allumina pari o superiore al 45% può essere definito ceramica di allumina. Esistono molti cristalli omogenei ed eterogenei nelle ceramiche di allumina, ma attualmente i più comunemente utilizzati sono solo α-Al₂O₂ e γ-Al₂O₂. A causa delle loro diverse strutture cristalline, presentano proprietà diverse. Tra queste, α-Al₂O₂, noto anche come corindone, è la principale fase cristallina delle ceramiche di allumina, con elevata resistenza meccanica, resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione.
Si ritiene generalmente che i prodotti con un contenuto di allumina superiore al 99,9% siano allumina ad elevata purezza. L'allumina ad elevata purezza presenta eccellenti proprietà come elevato punto di fusione, elevata durezza, elevata resistenza elettrica, eccellenti prestazioni catalitiche, buone proprietà meccaniche, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, isolamento e resistenza al calore.L'uso di policristalli di allumina ad elevata purezza come materiali biofunzionali nel corpo umano è iniziato nel 1969. Esistono due tipi di ceramiche fini di allumina ad elevata purezza utilizzate in ingegneria medica: monocristalli e policristalli sinterizzati. L'allumina monocristallina presenta un'elevata resistenza e una buona resistenza all'usura e, dopo la lavorazione, può essere utilizzata per la produzione di fissatori per fratture, radici dentali artificiali, ecc. L'allumina policristallina, caratterizzata da un'elevata resistenza, può essere utilizzata nella produzione di articolazioni, radici dentali artificiali, ossa artificiali, articolazioni dell'anca artificiali a doppia coppa, ecc.
②Applicazione della ceramica di allumina nelle articolazioni artificiali
Nel 1972, Boutin riferì sulla fabbricazione di articolazioni dell'anca umana in ceramica di allumina e sulle loro applicazioni cliniche, tra gli altri aspetti. Nel 1977, Shikata et al. svilupparono una protesi articolare dell'anca composta da una testa femorale in ceramica di allumina combinata con un acetabolo in polietilene ad alto peso molecolare. Nel 1982, la Food and Drug Administration (FDA) statunitense approvò formalmente l'applicazione clinica negli Stati Uniti di articolazioni artificiali dell'anca costituite da sfere in ceramica Al₂O₃, acetaboli e steli in lega di CoCrMo.
Le ceramiche di allumina ad alta purezza presentano un coefficiente di attrito molto basso, un'elevata durezza e una buona bagnabilità, che le rendono adatte all'uso come superfici di attrito per giunti. Secondo le normative della Food and Drug Administration (FDA) statunitense, solo l'allumina ad alta purezza può essere utilizzata in campo medico e le impurità che possono formare fasi vetrose a bordo grano (come biossido di silicio, silicati metallici e ossidi di metalli alcalini) devono essere inferiori allo 0,1% in peso. Questo perché la degradazione di tali impurità può portare alla formazione di aree di concentrazione di stress, dove si formano cricche. Studi hanno dimostrato che selezionando parametri di sinterizzazione appropriati (temperatura, tempo, velocità di riscaldamento/raffreddamento) e additivi droganti (come ossido di magnesio, ossido di zirconio e ossido di cromo), è possibile controllare la granulometria e la porosità dell'allumina, migliorandone efficacemente la tenacità e la resistenza alla frattura.
I compositi formati da zirconia e allumina sono chiamati allumina rinforzata con zirconia (ZTA) o zirconia rinforzata con allumina (ATZ) e svolgono anch'essi un ruolo importante nei materiali per articolazioni artificiali. Questi due compositi dipendono specificamente dal contenuto dei componenti principali. Combinano la capacità di tenacità della zirconia con la bassa sensibilità dell'allumina alla degradazione nei fluidi biologici a bassa temperatura. In base ai requisiti di progettazione del materiale, l'ATZ può essere scelta quando è necessario enfatizzare un'elevata tenacità alla frattura, mentre la ZTA può essere utilizzata quando è necessario evidenziare la durezza. Attualmente, non ci sono dati clinici sufficienti a dimostrare che la superficie portante delle articolazioni ZTA presenti maggiori vantaggi in termini di resistenza all'usura. Studi hanno dimostrato che l'applicazione di ZTA e allumina rinforzata con zirconia (ZPTA) nella chirurgia articolare è di gran lunga maggiore rispetto a quella dell'ATZ.
3. Applicazione della ceramica di allumina nel restauro orale
Le ceramiche di allumina presentano una traslucenza e una colorazione simile a quella dei denti naturali, con una bassa tossicità. La bassa conduttività termica delle ceramiche di allumina è significativa, riducendo la stimolazione di cibi caldi e freddi sulla polpa dentale. Le ceramiche di zirconia presentano una notevole resistenza all'usura, alla corrosione e alle alte temperature, con una colorazione simile a quella dei denti naturali, che le rende adatte al restauro dentale e dotate di elevata resistenza. In base alle differenze nella composizione delle fasi e nel processo di produzione dei materiali ceramici di allumina, le ceramiche di allumina utilizzate nel campo del restauro in ceramica integrale possono essere suddivise nelle seguenti categorie:
(1) Ceramica di allumina infiltrata di vetro
Infiltrazione di vetro, il cui nome completo è metodo di infiltrazione di vetro mediante colata a barbottina. L'allumina, come materiale della matrice, presenta una struttura porosa, in cui si infiltrano i coloranti vetrosi contenenti lantanio, boro e silicio. Dopo la formatura, presenta una microstruttura in cui le fasi cristalline di allumina e quelle di vetro si compenetrano. Le ceramiche di allumina infiltrate con vetro presentano un'elevata resistenza meccanica, con una resistenza alla flessione di 250-600 MPa e una tenacità alla frattura di 3-4 MPa·m¹/². Un prodotto rappresentativo è la corona base del sistema In-Ceram Alumina di Vita (azienda tedesca), che è anche il primo sistema di restauro interamente in ceramica in grado di realizzare ponti a tre elementi nell'area dei denti posteriori.
(2) Ceramica di allumina completamente sinterizzata densa ad alta purezza
Composta da allumina con una purezza fino al 99,9%, la polvere di allumina viene pressata in un corpo verde ad altissima pressione (formatura a secco) e successivamente sinterizzata. Il metodo di formatura a pressione conferisce alla ceramica di allumina un'elevata densità e una bassa porosità. Questo materiale ceramico può raggiungere una resistenza alla flessione di 500-700 MPa e una tenacità alla frattura di 5-6 MPa·m¹/², il che ne consente l'utilizzo clinico come struttura a ponte nell'area dei denti posteriori.
(3) Ceramica di allumina rinforzata con zirconia infiltrata con vetro
Questo tipo di ceramica si ottiene aggiungendo il 35% di zirconia parzialmente stabilizzata a polvere di ceramica di allumina infiltrata con vetro. Dopo la formatura, all'interno del materiale si può osservare una distribuzione uniforme di zirconia tetragonale. È anche il materiale ceramico con la maggiore resistenza tra le ceramiche di allumina. Grazie alla scarsa traslucenza, le ceramiche di allumina rinforzate con zirconia vengono generalmente utilizzate in ambito clinico per il restauro di denti posteriori, dove i requisiti estetici non sono elevati.