Materiale Ceramicce Utilizate in Implanturi

7/29/2019 Materiale Ceramicce Utilizate in Implanturi

1/28

UNIVERSITATEA TEHNIC GHEORGHE ASACHI DIN IAIFACULTATEA DE INGINERIE CHIMIC I PROTECIA MEDIULUI

Materiale ceramice utilizate n implanturi


2/28

Ceramicele sunt materiale refractare, compui policristalini, cel mai adeseaanorganici, ce includ silicai, oxizi metalici, carburi i diferite varieti de hibrizi refractari,sulfuri, seleniuri. Oxizi precum Al2O3, MgO, SiO2, conin elemente metalice i nemetalice.Srurile ionice (NaCl, CsCl, ZnS etc) pot forma agregate policristaline, dar srurile solubilenu sunt adecvate pentru obinerea de biomateriale structurate. Diamantul i structurilecarbonice precum grafitul i carburile pirolizate sunt covalente. Cei mai importani factoricare influeneaz structura i proprietile materialelor ceramice sunt raportul razelor a doiioni (2.2.2) i electronegativitatea relativ ntre ionii pozitivi i negativi.

Recent, materialelor ceramice le-a fost acordat o deosebit atenie ca fiind candidatepentru utilizarea ca materiale pentru implanturi deoarece ele posed cteva caracteristicifoarte dorite pentru unele aplicaii. Materialele ceramice au fost utilizate pentru un anumittimp n stomatologie pentru coroane dentare deoarece sunt inerte la aciunea fluidelor dinorganism, au rezisten nalt la compresiune i prezint o compatibilitate estetic bun ncomparaie cu dantura natural.

i unele carburi au fost utilizate ca implanturi, n special pentru aplicaii ce au legaturcu sngele cum ar fi valvele inimii. Datorit naltei lor rezistene specifice ca fibre i afaptului c sunt biocompatibile, ele sunt de asemenea utilizate pentru consolidareacomponentelor n cazul materialelor compozite utilizate n implanturi i datorit traciunii dencrcare la aplicaii precum tendoane i ligamente artificiale. Dei culoarea lor neagr poatefi un impediment pentru utilizare, n unele aplicaii dentare, acest lucru nu reprezint unimpediment dac sunt utilizate ca implanturi. Au caliti dorite cum ar fi o bun

biocompatibilitate i usurina n fabricare.

Relaia dintre structura i proprietile materialelor ceramice

Aa cum s-a discutat i mai devreme n capitolul 2 (Horwitz et al., 1993) cand atomiprecum Na (metal) i clor (nemetal) sunt ionizate, sodiul va pierde un electron i clorul vactiga un electron:

+

++ ClCleeNaNa , (6-1)Aadar, sodiul i clorul pot realiza un compus ionic datorit afinitii crescute ntre

ionii pozitivi i negativi. Din nou, srurile solubile nu sunt adecvate pentru a formabiomateriale structurate. Ionii ncrcai negativ sunt mult mai mari decat ionii ncrcaipozitiv datorit acceptarii i pierderii de electroni, aa cum reiese din Tabelul 6-1. Raza unuiion variaz n concordan cu numarul de coordinare; cu ct numarul de coordinare este mai

mare, cu att raza ionic este mai mare. De exemplu, ionul de oxigen (O2-

) are o raz ionicde 0,128, 0,14 si 0,144 nm pentru numerele de coordinare 4, 6 i respectiv 8.

Tabel 6-1. Razele atomice i ionice pentru cteva elemente

Grupa I Grupa II Grupa IV Grupa VI

Elem.Raza

atomicaRazaionic Elem.

Razaatomica

Razaionic Elem.

Razaatomica

Razaionic Elem.

Razaatomica

Razaionic

Li+ 0,152 0,068 Be++ 0,111 0,031 O-- 0,074 1,40 F- 0,071 0,130Na+ 0,186 0,095 Mg++ 0,160 0,065 S-- 0,102 1,84 Cl- 0,099 0,181K+ 0,227 0,133 Ca++ 0,197 0,099 Se-- 0,116 1,98 Br- 0,114 0,195

a Covalent. Unitile de msur sunt n nm
http://hallo.ro/search.do?l=ro&d=en&query=raporthttp://hallo.ro/search.do?l=ro&d=en&query=razelorhttp://hallo.ro/search.do?l=ro&d=en&query=doihttp://hallo.ro/search.do?l=ro&d=en&query=ionihttp://hallo.ro/search.do?l=ro&d=en&query=raporthttp://hallo.ro/search.do?l=ro&d=en&query=razelorhttp://hallo.ro/search.do?l=ro&d=en&query=doihttp://hallo.ro/search.do?l=ro&d=en&query=ioni


3/28

Figura 6-1. Structuri de tip A-X ale materialelor ceramice. Sferele negre reprezint ioniipozitivi (A+) iar cercurile reprezint ionii negativi (X-)

Tabelul 6-2. Structuri de tip AmXnPrototipulcompusului

Structura luiA (sau X)

NC al luiA (sau X)

Spaii ocupatecomplet

MinimulrA/RX

Ali compui

CsCl Cubic 8 Toate 0,732 CsINaCl FCC 6 Toate 0,414 MgP, MnS,LiFZnS FCC 4 1/2 0,225 -SiC, CdS, AlP

Al2O3 HCP 6 2/3 0,414 Cr 2O3, Fe2O3

Materialele ceramice pot fi clasificate n funcie de structura compuilor, din careAmXn este un exemplu. A reprezint un metal i X reprezint un nemetal, iar m i n sunt

numere ntregi. Cel mai simplu caz de astfel de sistem este structura de tip AX care este detrei tipuri (vezi Figura 6-1). Diferena dintre aceste structuri se datoreaz dimensiunii relativea ionilor (raportul minim al razelor). Dac ionii pozitivi i negativi sunt de aproximativaceeai mrime (rA/Rx>0,732), structura devine cubic simpl (structura de CsCl). O structurde tip cubic centrat pe fee apare dac dimensiunea relativ a ionilor este ct de ct diferit,cnd ionii pozitivi pot fi integrai n spaiile tetragonale sau octagonale create printre ioniinegativi mai mari. Acestea sunt nsumate n Tabelul 6-2. Oxizii de aluminiu i crom aparinstructurii de tip A2X3. Ionul O2- formeaz mpachetri hexagonale, pe cnd ionii pozitivi(Al3+, Cr3+) se ncadreaz n 2/3 din spaiile octaedrice, lsnd 1/3 din spaiu vacant.

6.1.2. Proprieti fizice

Materialele ceramice sunt n general dure; de fapt, msuratorile de duritate suntcalibrate n funcie de duritatea materialelor ceramice. Diamantul este cel mai dur material,cu un indice de duritate pe scara Moh de 10, i talcul (Mg3Si4O10COH) are duritatea cea maimic (1 pe scara Moh) i alte materiale precum alumina (Al2O3 are duritatea 9), cuarul (SiO2are duritatea 8) i apatita (fluoroapatita, Ca5P3O12F are duritatea 5) sunt ntre ele. Altecaracteristici ale materialelor ceramice sunt temperatura de topire ridicat, conductivitateaelectric i termic sczute. Aceste caracteristici sunt un rezultat al legturilor chimicenaturale din materialele ceramice.

Spre deosebire de metale i polimeri, materialele ceramice nu confer plasticitate dincauza naturii legaturilor ionice, aa cum reiese din Figura 6-2. Pentru a conferi plasticitate,


4/28

planurile atomice ar trebui s alunece unele pe altele. n orice caz, pentru materialeleceramice, ionii cu aceeai ncrcare electric se resping ntre ei; prin urmare micarea

planurilor atomice este foarte dificil. Acest lucru face ca materialele ceramice s fie fragile(neductile); mai mult tendina de deformare la temperatura camerei este aproape zero. Unelemateriale ceramice cum ar fi diamantul are proprieti similare cu cele ale ceramicelor ionicedatorit ruperii legturilor primare cnd fora de deformare depete limita lor deelasticitate. Materialele ceramice sunt de asemenea foarte sensibile la crpturi sau fisurideformndu-se plastic, ele sfrmndu-se o dat ce fisura se propag. Acesta este i motivul

pentru care materialele ceramice au o rezisten la traciune mic, comparativ cu rezistena lacompresiune, aa cum este redat n 3.1.2. Dac materialul ceramic este realizat fr defecte,acesta devine foarte dur chiar i la tensiune. Fibrele de sticl realizate astfel au o rezisten latraciune dubl fa de un oel dur (7 GPa).

Figura 6-2. Ilustrarea schemelor bidimensionale de alunecare a legturilor n materialeleionice i neionice

6.2. Oxidul de aluminiu (alumina)

-alumina (- Al2O3) are o structur de mpachetare de tip hexagonal (a=0,4758 nm ic=1,2991 nm). Alumina natural este cunoscut ca safir sau rubin (n funcie de impuritile

pe care le prezint este dat i culoare). Forma de cristal simplu a aluminei a fost utilizat cusucces pentru a realiza implanturi. Cristalul simplu al aluminei poate fi realizatPrin aceast metod au fost realizate cristale simple de alumin pn la 10 cm n diametru.

Sursa principal de alumin cu un grad nalt de puritate este bauxita i corindonulproaspt. Cea care este de obicei disponibil, -alumina poate fi preparat prin calcinarea

aluminei trihidratate rezultnd alumina calcinat. Compoziia chimic i densitatea alumineicalcinate pure disponibil pe pia sunt redate n Tabelul 6-3. Societatea american pentrutestarea materialelor (ASTM) impun ca 99,5% s fie alumina pur i mai puin de 0,1% SiO2combinat i oxizi alcalini (cel mai adesea Na2O) pentru a fi utilizat n implantologie.

Tabel 6-3. Compoziia chimic a aluminelor calcinate

Substane Compoziia (%mas)Al2O3 99,6SiO2 0,12

Fe2O3 0,03Na2O 0,04


5/28

Tabel 6-4. Proprietile fizice necesare implanturilor din alumin (ASTM, 2000)

Proprieti ValoriRezistena la ncovoiere 400 Mpa (58,000 psi)Modulul de elasticitate 380 GPa (55.1 x 106 psi)Densitate (g/cm3) 3,8-3,9

Rezistena aluminei policristaline depinde de porozitate si dimensiunea granulelor. ngeneral cu ct granulele au dimensiuni i porozitate mai mici, rezistena este mai mare.Standardele ASTM (F603-78) cer o rezisten la ncovoiere mai mare de 400 MPa i unmodul de elasticitate de 380 GPa, aa cum este redat n Tabelul 6-4.

n general alumina este un material destul de dur (cu un numr Moh 9); cele mai durevarieti fiind de la 2000 kg/mm2 (19,6GPa) pn la 3000 kg/mm2 (29,4GPa). Aceastduritate ridicat este nsoit de friciune sczut i coninut sczut n ap; acestea sunt marileavantaje ale folosirii aluminei ca cel mai comun material utilizat ca nlocuitor n pofidafragilitii sale.

6.3. Oxidul de zirconiu (Zirconia)

Oxidul de zirconiu sau zirconia (ZrO2) au fost utilizate pentru aplicaii n fabricarea deimplanturi. Zirconia este numit i diamantul fals sau zirconia cubic deoarece are unindice de refracie ridicat (asemenea diamantului) i unele cristale simple de zirconia pot fiutilizate pentru fabricarea bijuteriilor de calitate. Unele proprieti mecanice sunt la fel de

bune sau chiar mai bune dect ale ceramicelor pe baz de alumin. Zirconia prezint obiocompatibilitate ridicat, la fel ca i alte materiale ceramice i poate fi utilizat sub formde implanturi mari cum ar fi capul femural i cupa acetabular pentru a nlocui totalarticulaia oldului. Aceste materiale sunt consolidate de fazele de transformare i controlulmrimii granulelor. Un mare dezavantaj este acela c structura lor poate fi slbit n modsemnificativ dac sunt supuse la presiune n prezena umiditii; aceast slbire apare la unnivel mult mai nalt la temperaturi nalte cum ar fi n timpul autoclavrii.

Figura 6-3. Structura cubic a zirconiei care aparine structurii florurii. Modificat cu

permisiunea lui Kingery .a. (1976). Copyright 1976 Wiley


6/28

Figura 6-4. Diagrama de faz a ZrO2-CaO: Css nseamn cubic, Tss tetragonal i Mss fazamonoclinic. Utilizat cu permisiunea lui Drennan i Steele (1986) Copyright 1986

pergamon Press

6.3.1. Structuri de tip zirconia

Proprietatea ValoriPolimorfisma,b

Monoclinic tetragonal 1273-1473(K)Tetragonal cubic 2643(K)Cubic lichid 2953(K)

CristalografieMonoclinic

A 5,1454 B 5,2075 C 5,3107

9914Spaiul de grup P21/nmc

TetragonalA 3,64 C 5,27

Spaiul de grup P42/nmcCubicA 5,065


7/28

Spaiul de grup Fm3mDensitatea (g/cm3)

Monoclinic 5,6Tetragonal 6,10

Cubic 6,29

a

Coeficientul de expansiune termic (10-6/K)Monoclinic 7Tetragonal 12

Cldura de formare(kJ /mol) -1096,7Punctul de fierbere(K) 4549Conductivitatea termic (W/m/K)

at 100C 1,675at 1300C 2,094

Duritatea Moh 6,5

Indicele de refracie 2,15

Zirconia este alotropic si tranziia de la monoclinic (abc, ==90) la tetragonal(a=bc, ===90) la 1000-1200C i de la tetragonal la cubic (a=b=c, ===90)structura la 2370C. Faza de tranziie de la monoclinic la tetragonal este o transformare difuzional acompaniat de o reducere a volumului cu 7,5%. Structura cubic a zirconiei aparineistructurii florurii (CaF2), aa cum reiese din Figura 6-3. Parametrii cristalografici ai structuriicelulei elementare sunt date n Tabelul 6-5. Diagrama de faz a ZrO2-CaO este ilustrat nFigura 6-4. CaO se comport ca un oxid stabilizator, unde Css este soluia solid cubic, senumete zirconia stabilizat total, care este rezistent la cele mai multe metale topite; astfel

este utilizat pentru confecionarea creuzetelor. Zirconia stabilizat parial (PSZ) rezult nregiunea a dou faze [Tss + Css]. Aceste materiale i-au schimbat proprietile mecanice. Altoxid des utilizat pentru stabilizarea zirconiei cubice este oxidul de ytriu (Y2O3), aa cumreiese din Figura 6-5. Este critic ca precipitatele fazei tetragonale s rmn mici ( 0,2 m) n matricea zirconiei cubice pentru a-i schimba proprietile mecanice. Dac precipitateletetragonale devin prea mari faza se transform n monoclinic, cauznd fisuri n material.Pentru a controla transformarea de faz se utilizeaz MgO mpreun cu Y2O3 n timpulsinterizrii i a procesului de mbtrnire. Figura 6-6 arat microstructura de zirconiastabilizat cu ytriu i magneziu. Precipitatele tetragonale consolideaz structura matriceicubice de zirconia datorit diferenei de volum din timpul fazei de transformare.


8/28

Figura 6-5. Diagrama de faz pentru ZrO2-Y2O3. Utilizat cu permisiunea lui Burger iWillmann (1993) Copyright 1993 pergamon Press

Figura 6-6. Zirconia stabilizat cu ytriu i magneziu (A) i precipitatele tetragonale (B) ngruntele matricei cubice. Utilizat cu permisiunea lui Burger i Willmann (1993) Copyright 1993 pergamon Press

6.3.2. Proprietile zirconiei

Proprietile diferitelor tipuri de zirconia sunt trecute n Tabelul 6-6. Datele despre

duritate pentru zirconia stabilizat parial cu oxid de ytriu arat rezistena foarte mare lancovoiere i la rupere. Oricum, modulul Weibull era mai mic dect pentru zirconia


9/28

stabilizat cu oxid de ytriu i magneziu. Un alt lucru interesant este acela c, creterearezistenei la rupere se datoreaz unei faze de transformare prin care propagarea crpturiloreste oprit aa cum reiese din Figura 6-7. Particule mici de zirconia stabilizat parial suntdispersate n matricea materialului, care ar putea fi chiar zirconia simpl. Aceast stabilizare

parial permite pstrarea unei structuri tetragonale metastabil la temperatura camerei. ntimpul propagrii fisurii n faza de transformare, particulele tetragonale din aceast regiune

permit o cretere n volum a fisurii care stabilete un cmp de compresie ce nconjoarparticulele i nchide fisura rezultnd un material mai dur. Procesul este similar cuprecipitarea unei structuri tetragonale n granulele cubice.

Tabelul 6-6. Proprietile diferitelor tipuri de zirconia

Proprietatea CSZ Y-Mg-PSZ Y-TZP

Modulul lui Young (GPa) 210 210 210Rezistena la ncovoiere (MPa) 200 600 950Duritatea (Vickers, HV 0,5) 1250 1250 1250Rezistena la rupere (MPa m1/2) - 5,8 10,5Modulul lui Weibull 8 25 18Densitatea 6,1 5,85 6

Folosit cu permisiunea lui Burger si Willmann (1993), Copyright 1983, Pergmon

Figura 6-7. Reprezentarea schematic a consolidrii zirconiei stabilizate parial: (a)fisura nainte de faza de transformare; (b) oprirea fisurii datorit transformrii de faz a

particulelor dispersate de PSZ. Utilizat cu permisiunea lui Callister (1994), Copyright 1994, Wiley

Zirconia stabilizat cu ytriu a fost utilizat pentru fabricarea de capuri femurale iproteze totale pentru ncheietura oldului avnd dou avantaje fa de alumin. Unul estedimensiunea mult mai fin a granulelor i microstructura foarte bine controlat fr

porozitate rezidual a materialului de tip Y-TSP, fcndu-l un material tribologic mult mai


10/28

bun decat alumina. Cellalt avantaj este faptul c acest material are o rezisten mult maimare la rupere datorit transformrilor de faz din cadrul procesului de consolidare.

Aa cum am mai menionat, zirconia are mai multe caracteristici de baz ncomparaie cu alumina. O comparaie a proprietilor este dat n Tabelul 6-7.Biocompatibilitatea zirconiei este aproximativ aceeai cu alumina ceramic, dar proprietiletribologice sunt ct de ct diferite. ntr-un studiu, proprietile ca friciunea i uzura zirconiei,aluminei i a oelului inoxidabil de tip 316L comparativ cu ale polietilenei cu masmolecular foarte ridicat (UHMWPE) au fost evaluate folosind un aparat pentru testareauzurii uni si bidirecionale utiliznd ser de bovin, soluii de sruri i ap distilat. Tabelul 6-8 arat rezultatele uzurii pentru UHMWPE. Factorul de uzur a fost estimat cu ajutorulurmtoarei ecuaii:

Wear factor = (6-2)

Tabelul 6-7. Studiu comparativ ntre proprietatile zirconiei si alumineiProprietatea Alumina Zirconia

Compoziia chimic Al2O3+MgO ZrO2+MgO+Y2O3Puritatea (%) 99,9 95~97Densitatea (g/cm3) >3,97 5,74~6,0Porozitatea (%)


11/28

testate. De asemenea, testul pentru uzur unidirecional a artat un volum de uzur mult maimare dect testele n cazul uzurii bidirecionale. Volumul actual al uzurii versus numrul decicluri n testele unidirecionale sunt redate n Figura 6-8. Factorul de uzur este panta curbeimprit la sarcin (3,45 MPa).

Coeficientul de friciune a artat de asemenea o valoare mai mic pentru zirconia(0,028-0,082) dect pentru alumin (0,044-0,115) sau pentru oelul inoxidabil de tip 316L(0,061-0,156). Ca i n cazul factorului de uzur, modul alternativ bidirecional a artat ofriciune mai joas dect aranjamentul unidirecional, dei nu e la fel de drastic ca uzura. Dealtfel, tipul de lubrifiant nu a influenat friciunea. Un motiv pentru excelentele caracteristiciale uzurii i friciunii pentru zirconia este atribuit faptului c zirconia este mai puin poroas,aa cum reiese din Figura 6-9. De asemenea, mrimea medie a granulelor de zirconia(0,3m) sunt de aproximativ 10 ori mai mici dect ale aluminei (2,5m), dei rugozitatea desuprafa este aproximativ aceeai pentru ambele materiale (0,005-0,013 m Ra)

Figura 6-8. Volumul de uzur versus numrul de cicluri pentru testul unidirecional (un ciclu= 50 mm) pentru zirconia (a), pentru alumin (b) i pentru oel inoxidabil de tip 316L (c).Utilizat cu permisiunea lui Kumar .a. (1991) Copyright 1991, Wiley


12/28

Figura 6-9. Imagina scanrii microscopice de electroni a structurii netede de zirconia (A)ialumin (B). Notabil este porozitatea aluminei. Utilizat cu permisiunea lui Kumar .a.(1991) Copyright 1991, Wiley

Civa cercettori au evaluat utilizarea zirconiei pentru un implant de cap femural iau descoperit c este posibil datorit friciunii sczute cu cartilajul articulaiei i excelenta sa

biocompatibilitate. Pe de alt parte, rata de uzur a zirconiei este cu mult mai mare dect acombinaiei de alumin, lipsindu-i utilizarea n fabricarea de capuri femurale.

Figura 6-10. Relaia dintre rezistena la ndoire i suma mbtrnirilor transformrilor defaz n ap la 95C i 121C. Utilizat cu permisiunea lui Shimitzu .a. (1993) Copyright 1993, Wiley


13/28

Figura 6-11. Spectroscopia FTIR pentru zirconia nainte (a) i dup (b) mbtrnirea n apla 95C i 121C pentru 900 hr. Utilizat cu permisiunea lui Shimitzu .a. (1993) Copyright 1993, Wiley

Este o relaie direct ntre suma fazelor de transformare i rezistena la ndoire azirconiei, aa cum reiese din Figura 6-10, ceea ce indic faptul c doar suma fazelor de

transformare influeneaz proprietile mecanice. Umiditatea are o influen asupra zirconieiformnd legturi de tipul Zr-OH care preced transformrile de faz i au fost detectate prinspectroscopia infrarou, aa cum reiese din Figura 6-11. Zirconia stabilizat cu ytriu este un

bun candidat pentru a nlocui alumina ceramic pentru aplicaii ortopedice n ciuda efectuluide mbtrnire asupra proprietilor mecanice ale zirconiei. Chiar i dup mbtrnire,zirconia este un material mult mai puternic dect alumina, care are o rezisten deaproximativ 400 MPa.

6.3.3. Fabricarea zirconiei

Zirconia (ZrSiO4) este un silicat de zirconiu de culoare galben; zirconul este este unmineral gsit n roci sedimentare i se gsete sub form de cristale tetragonale de culoaregalben, maro sau rou n funcie de impuriti. Zirconiul aste mai nti clorinat pentru a formaZrCl4 ntr-un reactor cu pat fluidizat n prezena cocsului din petrol. Este necesar o a douaclorinare pentru obinerea de zirconiu de nalt puritate. Zirconiul este precipitat fie cuhidroxizi fie cu sulfuri, apoi este calcinat la oxid.

Zirconia este stabilizat parial la temperaturi mai mari de 1700C n faz cubic, care rezult ca granule de dimensiuni mari (50-70 m). Cnd este rcit, are loc o transformare defaz i se pot forma precipitate tetragonale care se pot forma n matrice cubic. Rezult fazecombinate cubice i tetragonale cu proprieti mecanice schimbate.


14/28

6.4. FOSFATUL DE CALCIU

Fosfatul de calciu a fost folosit pentru a fabrica oase atificiale. Recent acestmaterial a fost sintetizat i folosit pentru fabricarea diferitelor forme de implanturi ca

solid sau ca inveli poros al altor implanturi. Acestea sunt mono-, di-, tetra- fosfat decalciu n adi ie cu hidroxiapatita i -whitlockite, cu un raport de 5/3 i 3/2 pentrucalciu i fosfor (Ca/P). Stabilitatea n solu ie, n general crete cu creterea raportului (Ca/P). Hidroxiapatita este cel mai important dintre compuii calciului nainte ca el sfie g sit n esutul s u natural ca faz mineral . Hidroxiapatita ac ioneaz ca nt ritor al esutului dur i este responsabil pentru rigiditatea oaselor, dentina i email.

Figura 6.12. Structura hidroxiapatitei proiectata in jos pe axa c pe planul bazei.Utilizata cu permisiunea Posner si altii (1958). Munksgaard International

6.4.1. Structura fosfatului de calciu (hidroxiapatitele)

Fosfatul de calciu poate fi cristalizat n sare mono-, di-, tri- sau tetra-fosfat decalciu, hidroxiapatitele i -whitlockite, depinznd de raportul Ca/P, prezen a apei, impurit i i de temperatur .

Cea mai importanta este hidroxiapatita datorit prezen ei acesteia n oasele naturale i din i.

ntr-un mediu umed i la temperatur sc zut (


15/28

Ambele forme sunt esuturi foarte compatibile i sunt folosite pentru a nlocui formele granulare a oaselor cu mas solid .

Partea mineral a oaselor i a din ilor este constituit din forma cristalin a fosfatului de calciu similar cu hidroxiapatita. [Ca10(PO4)6(OH)2]

Familia apatitelor cristaline ( )10 4 26A BO X cristalizeaz ntr-o hexagonal rombic

cu dimensiunile celulei: a = 0.9432 mm, c = 0.6881 mm. Structura atomic a hidroxiapatitei proiectat n jos pe axa C pe planul bazei d figura 6.12. De re inut faptul c ionul hidroxil se afl n col urile proiectate pe planul bazei, i ei ocup un interval echidistant de-a lungul jum t ii unei celule (0.344 mm) cu axa C. 6 din 10 atomi de calciu din unit ile celulare sunt asocia i n aceste coloane cu hidroxilii, rezultnd o interac ie puternic .

Raportul ideal Ca/P pentru hidroxiapatita este 10/6 i densitatea calculat este

3.219 g/cm

3

. Este interesant faptul c substitu ia OH cu F d o stabilitate chimic ridicat ca urmare a coordonit ii strnse cu F (form simetric ) comparat cu hidroxilul (nesimetric, 2 atomi) de cel mai apropiat atom de Ca. Aceasta este unul dinmotivele pentu o bun rezisten la carii a din ilor n uma flouriz rii.

6.4.2. Propriet ile fosfatului de calciu (hidoxiapatita)

Aici este o varietate larg de propriet i mecanice i sintetice ale fosfatului de

calciu (tabelul 6-9).

Varia ia larg a propriet ilor este datorit diferitelor structuri policristaline ale fosfatului de calciu datorit diferitelor procese de fabrica ie. Depiznd in final de condi iile de ardere, fosfatul de calciu poate fi hidroxiapatita de calciu sau - whilockite.

n multe cazuri, totui, ambele tipuri de structuri se g sesc n acelai produs final.

Tabelul 6-9. Propriet ile fizice ale fosfatului de calciu

Propriet i Valori

Modulul de elasticitate(GPa)

Puterea compresiv (MPa)

Puterea ndoirii (MPa)

Duritate (GPa)

Raportul Poisson

40-117

294

147

3.43

0.27

3.16


16/28

Densitatea (teoretic , 3/g cm)

Hidroxiapatita policristalin are un modul ridicat de elasticitate (40-117 GPa). esutul dur cum ar fi osul, dentina i smal ul dentar sunt compui naturali ce con in hidroxiapatita (sau in minerale) ca i proteine, alte materiale orgnice i ap . Dentina (E=216 Pa) i osul compact (E= 12-14 GPa) con in comparativ mai pu ine minerale. Raportul Poisson pentru minerale sau hidroxiapatita sintetica este de 0,27 care esteaproape de cel al osului (~0.3). Pe lng propriet ile cele mai interesante ale hidroxiapatitei ca material este i biocompatibilitatea excelent . ntr-adev r aceasta apare pentru a forma o leg tur chimic direct cu esutul dur. ntr-un proces experimental, noi oase lamelare spongioase au fost formate n jurul implanturilorgranulelor hidroxiapatitei n cavitatea m duvei iepurilor dup 4 s pt mni (Figura 6.13).

Figura 6.13. Microradioagrafia razelor X arata granulele de hidroxiapatita si tesutulosos inconjurand dupa 4 saptamani cavitatea maduvei iepurelui (40X). Aria pestritareprezinta regiunile depunerilor noului os si aria alba este implantul. Utilizata cupermisiunea lui Niwa si altii, 1980, Springer- Verlag.

6.4.3. Fabrica ia fosfatului de calciu


17/28

Au fost dezvoltate multe metode diferite pentru a face precipitate de

hidroxiapatita din solu ii apoase (Ca(NO 3)2) i NaH2PO4 . O metod folosete precipitate ce au fost filtrate i uscate pentru a forma o pulbere fin de particule. Dup calcinare timp de 3 ore la o temperatur de 900 C pentru a ncepe cristalizarea

pulberea este presat n forma final i sintetizat la 1050-1200 C timp de 3 ore. Aproape de 1250 C hidroxiapatita arat o faz secundar de precipitare de-a lungul limitelor granulei.

6.5 STICLA CERAMIC

Sticlele ceramice sunt ceramice policristaline formate prin cristalizarea controlat asticlei. Acestea au fost iniial dezvoltate de S.D. Stockey n Corning Glass Works la nceputul anului1960.

La nceput a utilizat ochelari fotosensibili din cantit i mici de cupru, argint i aur, acetia sunt precipitate n prezen a radia iilor ultraviolet. Aceste precipitate metalice ajut la nucleate i propriet i mecanice i termice foarte bune.

Bioglas i Cerovital sunt dou tipuri de sticl ceramic ce au fost dezvoltate pentru implanturi.

6.5.1. Formarea sticlei ceramice

Formarea ceramicelor din sticl este influen at de nuclea ia i creterea

cristalelor mici (d


18/28

Aceste granule sunt mult mai mici dect acele ceramice convec ionale. Figura 6-14 arat schematic ciclul temperatur -timp a sticlei ceramice.

Figura 6.14 Ciclul temperatur -timp pentru sticla ceramica. Utilizata cu permisiunea lui

Kingery si altii (1976), Wiley.

Ceramicele din sticl dezvoltate pentru implantare sunt sistemele

2 2 2 5 2 2si LiSiO CaO NaO P O O ZnO SiO . Exist dou grupuri diferite de

experimentare a sticlei ceramice. Un grup variat de compui (excep ie pentru 2 5P O )

este redat n tabelul 6-10 n ordinea ob inerii celor mai buni compui ce induc lipirea diect cu osul. Lipirea este legat simultan de formarea calciului fosfat i de stratul

bogat de2

SiO pe suprafa a cum sunt expuse pe tipul de Bioglas 46S5.2. Dac primele

forme de strat bogat de 2SiO n filmul dezovltat mai trziu (46-55 mol % 2SiO ) sau

filmul de fosfat nu este dezvoltat (60 moli % 2SiO ) atunci nu se poate observa o

leg tur direct cu osul. Regiunea aproximativ a sistemului 2 2SiO CaO Na O pentru

esutul de sticl ceramic este reprezentat n figura 6-15. Dup cum se poate vedea, cea mai bun regiune pentru o lipire bun a esutului este compozi ia dat pentru tipul 46S5.2 Bioglas (tabelul 6.10).

Tabelul 6.10. Compozi ia sticlelor ceramice Bioglass i Cerovital

Tipul Cod2

SiO 2Na O CaO 2 5P O MgO 2K O

Bioglass

42S5.6

(45S5)46S5

42.1

46.1

26.3

24.4

29.0

26.9

2.6

2.6

-

-

-

-


19/28

.2

49S4.9

52S4.6

55S4.3

60S3.8

49.1

52.1

55.1

60.1

23.0

21.5

20.1

17.7

25.3

23.8

22.2

19.6

2.6

2.6

2.6

2.6

-

-

-

-

-

-

-

-

Cerovital

Bioactiv

nebioactiv

40.0-50

30.-35.0

30.0-35.

25.0-30

5.0-10

3.5-7.5

10.0-15

7.5-12.

2.5-5.0

1.0-2.5

0.5-3.0

0.5-2.0

Figura 6.15. Diagrama fazei 2 2SiO CaO Na O

Regiunea A: lipirea n 30 de zile cu osul;

Regiunea B: nelipire, prea slab reactivitatea;

Regiunea C: nelipire, prea ridicat reactivitatea;

Regiunea D: lipire dar nu are form de sticl . Utilizata cu permisiunea lui Hench si Ethridge, 1982, Academic Press.


20/28

Compozi ia Cerovital este asem n toare cu cea de Bioglas, n ceea ce privete

con inutul de 2SiO dar difer oarecum n altele (tabelul 6.10). n adi ia

2 3 2 2 5, si TaAl O TiO O sunt folosi i n sticla ceramic Cerovital n ordine pentru a controla

rata de dizolvare. Amestecurile s-au topit ntr-un creuzet de platin la 1500 C timp de 3 ore, tratate si apoi r cite.

Temperaturile de nuclea ie i cristalizare sunt 680-750C timp de 24 de ore fiecare.

Cnd m rimea cristalelor ajunge la 0,4 nm i cristalele nu au prezentat structura caracteristic de ac, procesul se oprete pentru a ob ine o structur granular fin .

6.5.2. Propriet ile sticlei ceramice .

Sticla ceramic are cteva propriet i n plus fa de sticl i ceramic . Coeficientul

termic de dilatare este foarte mic, de obicei ntre 7 510 10 C i n unele cazuri poatefi i negativ. Datorit m rimii controlate a granulelor i a rezisten ei la rupere a acestor materiale poate fi crescut de cel pu in un factor, de la 100 la 100 MPa. Rezisten a la zgrieturi i frecare se apropie de cea a safirului.

ntr-un proces experimental sticla Bioglas a fost implantat n femur pentru un timp de 6 s pt mni. Micrograficele transmisiei electronilor au ar tat contacte

apropiate ntre osul mineralizat i sticla Bioglas (figura 6.16). Puterea mecanic a leg turii interfaciale ntre os i ceramica Bioglas sunt de acelai ordin de m rime al

puterii n cea mai mare parte a sticlei ceramice (850 2/kg cm sau 83.3 MPa) care esteaproape trei p trimi din t ria osului.


21/28

Figura 6.16 Micrograficele transmiterii electronilor osului nou minealizat. Utilizata cupermisiunea lui Beckham si altii, 1971, Springer- Verlag

Principalele dezavantaje ale sticlei ceramice este fragilitatea, aa cum este n cazulaltor sticle sau ceramice. n plus, datorit restic iilor n compozi ie pentru biocompatibilitate, puterea mecanic nu poate fi substan ial mbun t it ca i pentru alte sticle ceramice. Prin urmare, acestea nu pot fi folosite pentru a face implanturiportan i cum ar fi implanturile ceramice. Oricum, acestea pot fi folosite ca umplutur pentru osul de ciment, amestecuri de restaurare dentar , materiale de acoperire.

6.6. Alte ceramice

Sunt multe alte ceramice studiate cum ar fi cele ce includ oxidul de titaniu ( 2TiO

), titanat de bariu ( 3BaTiO ), fosfat de tricalciu ( 3 4 2( )Ca PO ) i aluminat de calciu (

2 3CaO Al O ). Oxidul de titan a fost ncercat pentru folosirea n compozi ia osului ciment

sau ca material de interfa a sngelui.


22/28

Aluminatul de calciu poros a fost folosit pentru a induce creterea intern a esutului n pori cu scopul de a realiza o fixare mai bun a implanturilor. Oricum, aceste

materiale pierd o putere considerabil dup in vivo i imb trnirea in vitro (figura 6.17).

Fosfatul de calciu mpreun cu aluminatul de calciu a fost ncercat ca implanturi

biodegradabile n speran a de a regenera un nou os. Titanatul de bariu cu suprafa a texturat a fost folosit n procesele experimentale pentru a realiza mbun t irea fix rii implantului pe os. Acest material este piezoelectric (urm rind procedura polariz rii). Prin urmare sarcina mecanic a implantului va genera semnale electrice ce sunt capabile s stimuleze vindecarea i creterea osului. Aceste sarcini ale implantului apar

n timpul utiliz rii la nivelul implantului. Alternativ, implantul poate fi expus la ultrasunete pentru a genera semnale electrice.

Figura 6-17. Efectul de mb trnire al puterii aluminatului de calciu in vivo i in vitro. Utilizata cu permisiunea lui Schnittgrund si altii (973), Wiley

6.7. Carburi

Carburile pot fi f cute n multe forme alotropice: diamante cristaline, grafit, carbon sticlos necristalin i par ial cristalin, carbon pirolitic. Dintre acestea, doar carbonul pirolitic este utilizat pe scar larg pentru fabricarea implanturilor si utilizat ca suprafa de acoperire. De asemenea este probabil s acopere suprafa a cu carbon diamantin (DLC). Aceast tehnic a fost poten ialul mbun t irii performan ei unor

dispozitive medicale cum ar fi cu itele chirurgicale, foarfece i a suprafe elor articulare


23/28

dintre implanturile comune; oricum aceasta nu este comercial disponibil . Aceste suprafe e de acoperire DLC n prezent este utilizat pentru a acoperi lamele de ras.

6.7.1. Structura carburilor

Structura cristalin a carburilor folosit n implanturi este similar cu structura grafitului (figura 6.18). Dispunerea planului hexagonal este format dinleg turile covalente puternice n care valen a electronilor pe atom este liber s circule, rezultnd o conductivitate electric ridicat dar anisotropic . Leg tura dintre straturi este mai puternic dect for ele van der wals; prin urmare leg turile dintre acestea sunt considerate a fi prezente. ntr-adev r, proprietatea remarcabil de lubrifiant a grafitului nu poate fi realizat dac nu sunt eliminate straturile. Carburile

slab cistaline au n considera ie s con in atomi de carbon neasocia i sau neorienta i. Straturile hexagonale nu sunt pefect aranjate (figura 6.19). leg tura puternic mpreun cu straturile i leg turile mai slabe dintre straturi cauzeaz proprietatea cristalinelor de a fi puternice anisotropice. Oricum, dac cristalele sunt aleatoriu dispersate, atunci agregatele devin izotropice.

6.7.2. Propriet ile carburilor

Propriet ile mecanice ale carburilor n special al carbonului pirolitic, sunt n mare parte dependente de densitate (figura 6.20 6.21).

Propriet ile mecanice crescute sunt direct propor ionale cu creterea diversificat ceea ce indic depende a n mare parte de structura materialului agregatului.

Grafitul i carbonul sticlos au putere mecanic mai mic dect carbonul pirolitic (tabelul 6.11). Oricum, media modulului de elasticitate este aproape acelai pentrutoate carburile. Puterea cabonului pirolitic este destul de ridicat comparativ cu cu

grafitul i carbonul sticlos. Aceasta este din nou datorit unui num r foarte mic de defecte i carburilor neasociate a agragatelor. Carbonul compozit a fost consolidat cufire de carbon pentru a fi luat n considerare pentru implanturi. Propriet ile sunt de o

anisotropie ridicat (tabelul 6.12). Densitatea este de ordinul 1.4-1.45 3/g cm cu oporozitate de 35-38%. Carburile prezint o compatibilitate ridicat cu esuturile. n particular, compatibilitatea cu sngele a fost realizat cu carbonul pirolitic depus pe valvele inimii i pe pere ii vaselor de snge acceptate pe scar larg n cadrul arsenalului chirurgical.

6.7.3. Fabrica ia implanturilor


24/28


25/28

Cabonul pirolitic a fost depus pe suprafa a implanturilor vaselor de snge f cute din polimeri. Acesta se numete carbon izotropic cu temperatura ultra sc zut (ULTI), n loc de carbon izotropic cu temperatura sc zut (LTI). Depunerile de carbon nu sunt

ndeajuns pentru a interveni n flexibilitatea grafitului ce expune o bun compatibilitate cu sngele.

6.8. Deteriorarea ceramicelor

Este de un interes important faptul de a ti dac ceramicele inerte cum sunt alumina sufer o oboseal semnificativ static sau dinamic . ntr-unul din studii a fost ar tat c stresul critic la un nivel mai sus sl bete t ria aluminei si mai este redus de prezen a apei. Aceasta este datorit ntrzierii fisurii crescute ce este accelerat de moleculele de ap . Oricum, alt studiu a ar tat c reducerea puterii are loc dac eviden a penetra iei moleculelor de ap a fost observat sub scanare microscopic (SEM). Nu a fost observat nici o sc dere a rezisten ei pentru probele i nu au ar tat inscrip ion ri pe suprafa a fracturat (figura 6.24). A fost sugerat c prezen a unei cantit i mici de silice n prob poate da contribu ie la penetra ia moleculelor de ap ceea ce este n detrimentul puterii. Aceasta nu este dac acelai mecanism al oboselii statice opereaz sau nu ntr-un singur cristal de alumin . Aceasta este, oarecum rezonabil pentru a asuma aceeai oboseal ce vor ac iona ca surs a ini ierii cr p turii i creterii sub stres.

Un studiu al comport rii oboselii vaporilor depui pe fibrele carbonului pirolitic (400-500 nm grosime) pe un substrat de inox a ar tat c filmul nu poate sparge dac

substratul nu sufer deforma ie plastic de tensiunea 1,3x 210 i pn la un milion de cicluri de nc rcare.

Prin urmare, oboseala este relativ inchis n substra (figura 6-25). Un substrat de carbon aderent similar este baza pentru depunerile de carbon pirolitic pe vi ele arterelor polimerice , cum s-a men ionat mai devreme.


26/28

Bibliografie:


27/28


28/28

Materiale Ceramicce Utilizate in Implanturi

Documents

Transcript of Materiale Ceramicce Utilizate in Implanturi