Keramički dentalni implantati od alumine – svojstva, indikacije i razmatranja u dizajnu pripreme

Keramički materijal od alumine brzo je našao primjenu u stomatologiji zahvaljujući izvrsnim kliničkim performansama, a koristi se za fiksne proteze. Ovaj članak detaljnije razmatra njegova svojstva, indikacije, razmatranja pri dizajnu pripreme i primjenu.

Alumina je izuzetno izdržljiva tehnička keramika, poznata po svojoj mehaničkoj čvrstoći, hemijskoj stabilnosti i biorazgradivosti. Ova svojstva se poboljšavaju s povećanjem stepena čistoće; proizvodnja uključuje suho prešanje praha hidrauličkim ili mehaničkim prešama; nakon oblikovanja mora se peći kako bi se postigla potrebna gustoća.

Tvrdoća

Alumina je izuzetno čvrsta i otporna keramika s tvrdoćom po Mohsu od 9, koja pruža vrhunsku otpornost na habanje, što je čini idealnim materijalom za upotrebu u reznim alatima, matricama za crtanje, matricama za ekstruziju, mlaznicama za oblikovanje i električnoj izolaciji. Nadalje, alumina pokazuje izvrsnu hemijsku otpornost jer je pogodna za kisela i alkalna okruženja, dok visokočisti razredi nude povećanu otpornost na koroziju.

Korozija alumine ovisi o njenoj mineralnoj strukturi i sadržaju nečistoća, pri čemu nečistoće taložene tijekom pečenja uzrokuju preferencijalnu koroziju na područjima granica zrna keramičkih aluminskih materijala. Daljnje ubrzavaju ovo oštećenje visoke koncentracije kiselina ili alkalnih otopina; kako bi se povećala otpornost na koroziju ovih keramika, količina silicijskih, mulitnih i korundnih faza treba odgovarajuće porasti.

Proizvođači mogu proizvesti keramički proizvod od alumine s preciznom dimenzionalnom točnošću primjenom različitih procesa brušenja i sinteriranja. Granule praha alumine komprimiraju se suhim ili hladnim izotropnim prešanjem, prije nego što se sinteriraju kontroliranom kemijom kako bi se dobio njihov konačni oblik – ili se, alternativno, može koristiti injekcijsko oblikovanje.

Aluminijska keramika je napredna tehnička keramika sa mnogim poželjnim svojstvima kao što su stabilnost na visokim temperaturama, tvrdoća i otpornost na habanje, biorazgradivost i inertnost, što je čini pogodnom za brojne primjene uključujući senzore pritiska, uređaje za mjerenje protoka fluida, komponente elektronskih cijevi za laserske komponente i rendgensku opremu. Alumina se također može koristiti za proizvodnju keramičkih provodnika za žice (ceramic-to-metal feedthroughs), kao i posebnih tava koje se koriste u procesima toplotne obrade u metalurgiji; njena čvrstoća, žilavost i otpornost na habanje čine ovaj materijal posebno pogodnim za primjenu u pancirnim oklopima.

Otpornost na koroziju

Keramika od alumine ima visoku otpornost na koroziju i često se koristi u industrijskoj opremi koja mora izdržati izlaganje raznim supstancama. Keramika od alumine također se može naći u stomatološkim i ortopedskim implantatima zbog svoje biorazgradivosti i mehaničke čvrstoće; metode proizvodnje uključuju suho prešanje, izostatičko prešanje, lijevanje trakom, ekstruziju i injekcijsko oblikovanje.

Termalna stabilnost aluminijskih keramika ovisi o njihovom koeficijentu termičkog širenja, koji određuje kako se šire ili skupljaju pri zagrijavanju ili hlađenju, što aluminij čini idealnim materijalom za primjene koje zahtijevaju stalne promjene temperature. Međutim, njihova stabilnost može biti izmijenjena ovisno o veličini i obliku izrade – na primjer, ako se izrađuju u velike blokove s uskim otvorima koji se zatvaraju pri hlađenju, to može dovesti do pucanja ili iskrivljavanja materijala kako se dodatno hladi.

Veličina zrna također je značajno utjecala na otpornost na habanje keramike od alumine. Istraživanja su pokazala da keramike sa sitnijim zrnima imaju bolja svojstva otpornosti na habanje zbog smanjenih trennih sila između zrna, koje proizlaze iz manjih kontaktnih površina između njih – ta sitnija zrna također vjerojatno imaju manje kontaktnih točaka međusobno i stoga ukupno stvaraju manju trnu silu.

Aluminijumska keramika može se oblikovati u mnoge različite oblike i idealna je za širok spektar primjena. Njena Mohsova tvrdoća od 9 i izvrsna hemijska otpornost čine je korisnom u proizvodnji alata i brusnih kotača; dodatno, odličan je abrazivni materijal za matrice za crtanje, ekstruzijske matrice i ležajeve; dok njena vrhunska čvrstoća i izolacijska svojstva čine je pogodnom za svjećice, kućišta sklopova, vakuumske komponente i svjećice.

Termalna stabilnost

Aluminijska keramika ima nisku stopu toplinske ekspanzije, što je čini idealnim materijalom za primjene na visokim temperaturama, poput onih koje se izvode pomoću alata od karbida volframa. Njena otpornost na hemijsku koroziju čini je još poželjnijom; temperature do 1000 °C mogu se tolerisati bez pojave hemijske korozije, a istovremeno pruža izvrsnu otpornost na habanje i udarce, što aluminijsku keramiku čini odličnim izborom pri rezanju tvrdih materijala poput ovog.

Alumina se često koristi u medicinskim primjenama zbog svoje čvrstoće i trajnosti. Hippoalergena i netoksična, alumina se može koristiti kao materijal za zamjenu kostiju ili kao materijal za dentalne implantate – iako za uspješnu primjenu mora imati usku raspodjelu veličine zrna bez problema s poroznošću.

Razvijene su različite metode za poboljšanje poželjnih svojstava alumine. Rutil se može dodati kako bi se povećala čvrstoća pri lomu i otpornost na zamor materijala alumine. Nadalje, dopiranje lantanom, borom ili kalajem poboljšat će toplinsku stabilnost ovog materijala.

Istražen je utjecaj dopinga kositrom na mesoporastu strukturu i hemijsku stabilnost g-alumine. Uzorci su pripremljeni metodom praškaste metalurgije koristeći različite omjere oksida alumine (A/T), zatim su kalcinirani na 500 °C dva sata prije nego što su zeleni kompaktni uzorci proizvedeni uniaxijalnim prešanjem, nakon čega su sinterirani na 1650 °C/2 h u električnoj peći.

Kompakti su potom testirani na CCS i MOR čvrstoće, pri čemu su sve veće dodaci kalaja dovodili do sve većih vrijednosti mehaničke čvrstoće. To se može objasniti formiranjem AlBO3 faze pored g-alumine tokom sinteriranja; alumina dopirana kalajem pomaže u održavanju mesoporozne strukture, istovremeno sprječavajući transformaciju g-alumine u a-aluminu čak i na povišenim temperaturama.

Provodljivost

Temperaturna provodljivost je ključna osobina keramike jer omogućava efikasno prenošenje toplote preko velikih površina, kao što su tave za kuhanje ili električne komponente. Keramika od alumine posebno se ističe u ovoj primjeni zbog visoke toplotne provodljivosti i niske zapreminske gustoće.

Temperaturna provodljivost alumine može značajno varirati ovisno o nivou čistoće, temperaturnim uslovima, nivou poroznosti i primijenjenim metodama obrade. Da bi se te varijacije optimizirale i proizvele keramičke komponente koje će u dizajnu postići najbolje performanse, potrebno je koristiti ciljane dizajne matrice sa specifičnim metodama obrade, a proizvođači bi trebali obezbijediti relevantne tehničke podatke za referencu ili provesti specifična testiranja prilikom projektovanja komponenti od ovog materijala.

Još jedan faktor koji utječe na performanse keramike od alumine je koeficijent toplinske ekspanzije, koji mjeri koliko se njezina veličina mijenja s temperaturnim fluktuacijama. Niži koeficijent ukazuje na manji napon tijekom promjena, što je čini pogodnom za medicinske uređaje i ortopedske artikulacijske površine.

Aluminijumska keramika se odlikuje niskim koeficijentom toplinske ekspanzije, visokom tačkom topljenja i čvrstoćom, što je čini pogodnom za razne industrijske primjene, uključujući tave za topljenje/lijevanje, keramičko-metalne prolaze, X-zračne prolaze za komponente, visokonaponske izolatore i visokonaponske izolatore.

Štaviše, alumina keramika ima izuzetnu otpornost na habanje i može se proizvoditi u različitim oblicima kako bi zadovoljila različite primjene. Međutim, stopa habanja ovisi o kvaliteti sirovine korištene u proizvodnji, pa je za postizanje optimalnih rezultata pri proizvodnji ove keramike ključno odabrati samo visokokvalitetnu sirovinu.

Snaga

Čvrstoća je jedna od glavnih prednosti alumine keramike, jer joj omogućava da izdrži ekstremne naprezanja i opterećenja bez loma. Visoka gustoća alumine keramike omogućava joj otpor prema kompresivnim opterećenjima bez drobljenja, a istovremeno pruža veliku savojnu i zateznu čvrstoću, što je čini pogodnom za razne primjene.

Otpornost na koroziju je još jedna ključna osobina keramike od alumine. Zbog hemijskog sastava i mikrostrukture, stope korozije keramike od alumine su znatno niže nego kod metala; dodatno, dodavanje La2O3 povećava otpornost na koroziju jer jača kristalne strukture, istovremeno smanjujući topljivost u kiselinama.

Alumina može poslužiti kao ekonomska zamjena za bakar u električnoj opremi i instrumentima kao što su vakuumske pumpe, ciljevi za isparavanje, elektronske cijevi i laserske komponente. Alumina također nalazi široku primjenu u metalurškim i hemijskim procesima, kao što su prolazi između metala (prolazi od aluminija do metala), perlice za otklanjanje naprezanja (za oslobađanje od naprezanja tokom zavarivanja/toplinske obrade), termički izolatori koji štite radne komade tokom zavarivanja/toplinske obrade, kao i posebni lonci za taljenje napravljeni od alumine.

Aluminijska keramika je izvrstan materijal za ortopedske implantate i medicinske uređaje jer ne izaziva toksične ili alergijske reakcije kada se kombinuje s različitim biološkim materijalima. Aluminijska keramika se može čak i oblikovati u protetske uređaje poput totalnih zamjena koljena (TKR), koje se sastoje od metalnih kondila koji se artikuliraju protiv tibijalnih platoa od UHMWPE – idealnih za protetske primjene poput totalnih zamjena koljena (TKR).

Aluminijska keramika ima izvanrednu toplotnu stabilnost, jer se ne širi značajno kada je izložena temperaturnim promjenama. To je čini izvrsnim materijalom za upotrebu u visokotemperaturnim okruženjima ili u primjenama koje uključuju toplotni šok, kao što su obloge peći na visokim temperaturama u industrijskim pogonima i vojne primjene poput ploča oklopne zaštite od metaka.