Implants dentals ceràmics d'alumina – propietats, indicacions i consideracions de disseny per a la preparació
El material ceràmic d'alumina ha guanyat ràpidament terreny en odontologia gràcies al seu excel·lent rendiment clínic, i s'utilitza per a pròtesis fixes. Aquest article aprofundeix en les seves propietats, indicacions, consideracions de disseny de preparació i el seu ús.
L'alumina és una ceràmica tècnica extremadament resistent al desgast, coneguda per la seva resistència mecànica, estabilitat química i biocompatibilitat. Aquestes propietats milloren amb l'augment dels nivells de pureza; la producció implica la premsa en sec d'un pols mitjançant premses hidràuliques o mecàniques; un cop formada, s'ha de coure per obtenir-ne la densitat.
Duresa
L'alumina és una ceràmica extremadament dura i resistent amb una duresa de Mohs de 9, que ofereix una resistència a l'abrasió superior, la qual cosa la converteix en el material ideal per a l'ús en eines de tall, matrius de dibuix, matrius d'extrusió, boquilles de motlle i aïllament elèctric. A més, l'alumina presenta una excel·lent resistència química, ja que és adequada per a entorns àcids i alcalins, mentre que els graus de més alta puresa ofereixen una major resistència a la corrosió.
La corrosió de l'alumina depèn de l'estructura mineral i del contingut d'impureses, amb les impureses dipositades durant la cocció que provoquen una corrosió preferent a les zones de límit de gra dels materials ceràmics d'alumina. Les altes concentracions d'àcids o de solucions alcalines acceleran encara més aquest dany; per augmentar la resistència a la corrosió d'aquestes ceràmiques cal incrementar en conseqüència la quantitat de fases de sílice, mullita i corindó.
Els fabricants poden crear un producte ceràmic d'alumina amb precisió dimensional precisa mitjançant diversos processos de molinatge i sinterització. Els granuls de pols d'alumina es compressen mitjançant mètodes de premsat isostàtic en sec o en fred, abans de sinteritzar-los amb una química controlada per produir la seva forma final; alternativament, el motlle per injecció també pot produir-la.
La ceràmica d'alumina és una ceràmica tècnica avançada amb moltes propietats desitjables com ara l'estabilitat a altes temperatures, la duresa i la resistència al desgast, la biocompatibilitat i la inèrcia, la qual cosa la fa adequada per a nombroses aplicacions, incloent-hi sensors de pressió, dispositius de mesura del flux de fluids, components de tubs d'electrons per a components làser i equips de raigs X. L'alumina també es pot utilitzar per produir passants ceràmica-metall, així com crisolers especials utilitzats en processos de tractament tèrmic metal·lúrgic; les seves qualitats de resistència, tenacitat i resistència a l'abrasió fan que aquest material sigui especialment adequat per a aplicacions d'armadura antibales.
Resistència a la corrosió
La ceràmica d'alumina té una alta resistència a la corrosió i s'utilitza sovint en equips industrials que han de resistir l'exposició a diverses substàncies. La ceràmica d'alumina també es troba en implants dentals i ortopèdics gràcies a la seva biocompatibilitat i resistència mecànica; els mètodes de fabricació inclouen la premsa en sec, la premsa isostàtica, el motlle per cinta, l'extrusió i el motlle per injecció.
L'estabilitat tèrmica de les ceràmiques d'alumina depèn del seu coeficient de dilatació tèrmica, que determina com es dilata o contrau quan s'escalfa o es refreda, la qual cosa fa de l'alumina un material ideal per a aplicacions que requereixen canvis de temperatura constants. Tanmateix, la seva estabilitat pot veure's alterada segons la seva mida i forma de producció: per exemple, si es fabriquen grans blocs amb obertures estretes que es tanquen en refredar-se, això podria provocar problemes de fissuració o deformació a mesura que el material es refreda més.
També s'ha descobert que la mida del gra afecta significativament la resistència al desgast de la ceràmica d'alumina. Els estudis van revelar que les ceràmiques amb mides de gra més petites tenien millors propietats de resistència al desgast gràcies a la reducció de les forces de fricció entre els grans, deguda a les àrees de contacte més reduïdes entre ells; aquests grans més petits també probablement tenen menys punts de contacte entre si i, per tant, generen menys força de fricció en conjunt.
Les ceràmiques d'alumina es poden modelar en moltes formes diferents i són ideals per a una gran varietat d'aplicacions. La seva duresa de 9 en l'escala Mohs i l'excel·lent resistència química els fan útils per a la fabricació d'eines i rodes de molí; a més, són excel·lents productes abrasius com motlles de dibuix, motlles d'extrusió i coixinets; mentre que la seva superior resistència i qualitats d'aïllament els fan adequats per a espurnes, carcasses de circuits, components de buit i espurnes.
Estabilitat tèrmica
La ceràmica d'alumina té una baixa taxa d'expansió tèrmica, cosa que la converteix en el material ideal per a aplicacions a altes temperatures, com les que es duen a terme amb eines de carbur de tungstè. La seva resistència a la corrosió química la fa encara més desitjable; pot suportar temperatures de fins a 1000 °C sense patir corrosió química, i a més ofereix una excel·lent resistència a l'abrasió i als impactes, cosa que converteix la ceràmica d'alumina en una opció excel·lent per tallar materials durs com aquest.
L'alumina s'utilitza sovint en aplicacions mèdiques a causa de la seva resistència i durabilitat. Hipoal·lergènica i no tòxica, l'alumina es pot trobar com a material de substitució òssia o com a material per a implants dentals, tot i que per a una aplicació reeixida ha de tenir una distribució estreta de la mida dels graons sense problemes de porositat.
S'han desenvolupat diversos mètodes per augmentar les propietats desitjables de l'alumina. Es pot afegir rutilo per incrementar la tenacitat de fractura i la resistència a la fatiga de l'alumina. A més, la dopatge amb lantan, bor o estany millorarà l'estabilitat tèrmica d'aquest material.
S'ha investigat l'efecte del dopatge amb estany en l'estructura mesoporosa i l'estabilitat química de la g-alumina. Les mostres es van preparar mitjançant metallurgia en pols utilitzant diverses relacions d'òxid d'alumina (A/T), després es van calcinar a 500 °C durant dues hores abans de produir compacte verds mitjançant premsat uniaxial i, finalment, es van sinteritzar a 1650 °C durant 2 h en un forn elèctric.
Els compactes es van provar a continuació per determinar-ne la resistència a la compressió en sec (CCS) i la resistència a la tracció en sec (MOR), amb addicions creixents de estaño que van conduir a valors de resistència mecànica cada cop més elevats. Això es podria explicar per la formació de la fase AlBO3 al costat de la g-alumina durant la sinterització; l'alumina dopada amb estany ajuda a mantenir l'estructura mesoporosa mentre inhibeix la transformació de la g-alumina en a-alumina fins i tot a temperatures elevades.
Conductivitat
La conductivitat tèrmica és una propietat essencial per a les ceràmiques, ja que els permet transferir la calor de manera eficient en grans superfícies, com ara paelles de cuina o components elèctrics. Les ceràmiques d'alúmina, en particular, excel·leixen en aquesta aplicació gràcies a la seva alta conductivitat tèrmica i a la seva baixa densitat volumètrica.
La conductivitat tèrmica de l'alumina pot variar significativament segons el nivell de puresa, les condicions de temperatura, els nivells de porositat i els mètodes de processament utilitzats. Per optimitzar aquestes variacions i obtenir components ceràmics amb el millor rendiment possible durant el disseny, cal utilitzar dissenys de matriu específics amb mètodes de processament concrets i els fabricants han de proporcionar dades tècniques rellevants a títol de referència, o bé cal dur a terme proves específiques en dissenyar components amb aquest material.
Un altre factor que afecta el rendiment de la ceràmica d'alumina és el seu coeficient de dilatació tèrmica, que mesura quant canvia la seva mida amb les fluctuacions de temperatura. Un coeficient més baix indica menys tensió durant els canvis, cosa que la fa adequada per a dispositius mèdics i superfícies articulars ortopèdiques.
Les ceràmiques d'alumina presenten un coeficient de dilatació tèrmica baix, així com un punt de fusió i una resistència elevats, cosa que les fa adequades per a diversos usos industrials, incloent-hi crisols de fusió i colada, passadors ceràmics per a metalls, passadors per a components de raigs X, isoladors de tensió alta i isoladors de tensió alta.
A més, les ceràmiques d'alumina tenen una resistència a l'abrasió superior i es poden produir en diverses formes per satisfer diferents aplicacions. No obstant això, la seva velocitat d'abrasió depèn de la qualitat de la matèria primera utilitzada durant la producció, de manera que per obtenir resultats òptims en la fabricació d'aquestes ceràmiques és crucial seleccionar només matèries primeres d'alta qualitat.
Força
La resistència és un dels principals avantatges de la ceràmica d'alumina, ja que li permet suportar esforços i tensions extremes sense trencar-se. L'alta densitat de la ceràmica d'alumina li permet resistir càrregues de compressió sense triturar-se, alhora que ofereix una gran resistència a la flexió i a la tracció, cosa que la fa adequada per a diverses aplicacions.
La resistència a la corrosió és una altra propietat clau de la ceràmica d'alumina. A causa de la seva composició química i de la seva microestructura, les velocitats de corrosió de la ceràmica d'alumina són molt més baixes que les dels metalls; a més, l'addició de La2O3 augmenta la resistència a la corrosió, ja que enforteix les estructures cristal·lines i, alhora, redueix la solubilitat en àcids.
L'alumina pot servir com a substitut econòmic del coure en equips i instruments elèctrics com ara bombes de buit, targets de sputtering, tubs d'electrons i components làser. L'alumina també té una àmplia aplicació en processos metal·lúrgics i químics com ara els passadors entre metalls (passadors d'alumini a metall), els collars de relaxació de tensions (per a la relaxació de tensions durant el soldatge/tractament tèrmic), els aïllants tèrmics que protegeixen les peces durant el soldatge/tractament tèrmic, així com els crisol especials fets d'alumina.
La ceràmica d'alumina és un material excel·lent per a implants ortopèdics i dispositius mèdics perquè no produeix respostes tòxiques ni al·lèrgiques quan es combina amb diferents materials biològics. La ceràmica d'alumina fins i tot es pot fabricar en dispositius protètics com ara reemplaçaments totals de genoll (RTG) formats per condils metàl·lics que s'articulen contra plataus tibials de UHMWPE – ideals per a aplicacions protètiques com els reemplaçaments totals de genoll (RTG).
La ceràmica d'alumina té una estabilitat tèrmica excepcional, ja que no s'expandeix significativament quan s'exposa a canvis de temperatura. Això la converteix en una excel·lent opció de material per a l'ús en entorns d'alta temperatura o en aplicacions que impliquin xoc tèrmic, com ara revestiments de forns d'alta temperatura en entorns industrials i rajoles per a armadures antibales en usos militars.
