Dentalimplantater af aluminiumoxidkeramik - egenskaber, indikationer og overvejelser om præparationsdesign

Aluminiumoxidkeramik har hurtigt vundet indpas inden for tandlægevidenskaben takket være sine fremragende kliniske egenskaber og anvendes i dag til faste proteser. Denne artikel går nærmere ind på materialets egenskaber, anvendelsesområder, overvejelser vedrørende protesedesign samt anvendelse.

Aluminiumoxid er en ekstremt slidstærk teknisk keramik, der er kendt for sin mekaniske styrke, kemiske stabilitet og biokompatibilitet. Disse egenskaber forbedres i takt med stigende renhedsgrader; fremstillingen foregår ved tørpresning af et pulver ved hjælp af hydrauliske eller mekaniske presser; efter formningen skal materialet brændes for at opnå den ønskede tæthed.

Hårdhed

Aluminiumoxid er et ekstremt hårdt og modstandsdygtigt keramisk materiale med en Mohs-hårdhed på 9, hvilket giver det en enestående slidstyrke og gør det til det ideelle materiale til brug i skæreværktøjer, trækmatricer, ekstruderingsmatricer, støbedyser og elektrisk isolering. Desuden udviser aluminiumoxid fremragende kemisk resistens, da det er velegnet til sure og alkaliske miljøer, mens kvaliteter med højere renhedsgrad tilbyder øget korrosionsbestandighed.

Korrosion af aluminiumoxid afhænger af dets mineralstruktur og indhold af urenheder, idet urenheder, der afsættes under brændingen, forårsager præferentiel korrosion ved korngrænseområderne i keramiske aluminiumoxidmaterialer. Denne skade fremskyndes yderligere af høje koncentrationer af syrer eller alkaliske opløsninger; for at øge disse keramikkers korrosionsbestandighed bør mængden af silica-, mullit- og korundfaser øges tilsvarende.

Producenter kan fremstille et keramisk produkt af aluminiumoxid med høj dimensionel nøjagtighed ved at anvende forskellige slibe- og sintringsprocesser. Granulat af aluminiumoxidpulver komprimeres ved hjælp af tørre eller kolde isostatiske pressemetoder, inden det sintres under kontrollerede kemiske forhold for at opnå sin endelige form – alternativt kan produktet fremstilles ved sprøjtestøbning.

Aluminiumoxidkeramik er en avanceret teknisk keramik med mange ønskværdige egenskaber, såsom stabilitet ved høje temperaturer, hårdhed og slidstyrke, biokompatibilitet og inaktivitet, hvilket gør den velegnet til en lang række anvendelser, herunder tryksensorer, måleudstyr til væskestrømning, komponenter til elektronrør, laserkomponenter og røntgenudstyr. Aluminiumoxid kan også anvendes til fremstilling af keramik-til-metal-gennemføringer samt specielle smeltedigler, der anvendes i metallurgiske varmebehandlingsprocesser; materialets styrke, sejhed og slidstyrke gør det særligt velegnet til anvendelser inden for skudsikker pansring.

Modstandsdygtighed over for korrosion

Aluminiumoxidkeramik har høj korrosionsbestandighed og anvendes ofte i industrielt udstyr, der skal kunne modstå udsættelse for forskellige stoffer. Aluminiumoxidkeramik findes også i tandlæge- og ortopædiske implantater på grund af dens biokompatibilitet og mekaniske styrke; fremstillingsmetoderne omfatter tørpresning, isostatisk presning, båndstøbning, ekstrudering og sprøjtestøbning.

Aluminiumoxidkeramikens termiske stabilitet afhænger af dens termiske udvidelseskoefficient, som bestemmer, hvor meget materialet udvider sig eller trækker sig sammen, når det opvarmes eller afkøles, hvilket gør aluminiumoxid til et ideelt materiale til anvendelser, der kræver konstante temperaturændringer. Dens stabilitet kan dog ændres afhængigt af størrelsen og formen ved fremstillingen – hvis den f.eks. fremstilles som store blokke med smalle åbninger, der lukker sig ved afkøling, kan det føre til revnedannelse eller vridning, efterhånden som materialet afkøles yderligere.

Det er ligeledes blevet konstateret, at kornstørrelsen har en betydelig indflydelse på aluminiumoxidkeramikens slidstyrke. Undersøgelser har vist, at keramiske materialer med mindre kornstørrelser har bedre slidstyrkeegenskaber, hvilket skyldes reducerede friktionskræfter mellem kornene på grund af mindre kontaktflader mellem de enkelte korn – disse mindre korn har sandsynligvis også færre kontaktpunkter med hinanden og skaber derfor samlet set mindre friktionskraft.

Aluminiumoxidkeramik kan formes til mange forskellige former og er ideel til en lang række anvendelsesformål. Deres Mohs-hårdhed på 9 og fremragende kemiske modstandsdygtighed gør dem velegnede til fremstilling af værktøj og slibeskiver; derudover er de fremragende slibemidler, såsom trækmatricer, ekstruderingsmatricer og lejer; mens deres overlegne styrke og isoleringsegenskaber gør dem velegnede til tændrør, kredsløbshuse, vakuumkomponenter og tændrør.

Termisk stabilitet

Aluminiumoxidkeramik har en lav termisk udvidelseskoefficient, hvilket gør det til det ideelle materiale til anvendelser ved høje temperaturer, såsom dem, der udføres med værktøj af wolframkarbid. Dens modstandsdygtighed over for kemisk korrosion gør den endnu mere attraktiv; den kan tåle temperaturer på op til 1000 °C uden at der opstår kemisk korrosion, samtidig med at den har fremragende slid- og slagfasthed, hvilket gør aluminiumoxidkeramik til et fremragende valg ved skæring i hårde materialer som dette.

Aluminiumoxid anvendes ofte i medicinske sammenhænge på grund af dets styrke og holdbarhed. Da aluminiumoxid er allergivenligt og ugiftigt, bruges det som knogleerstatningsmateriale eller materiale til tandimplantater – men for at anvendelsen skal lykkes, skal det have en snæver kornstørrelsesfordeling uden porøsitet.

Der er udviklet adskillige metoder til at forbedre de ønskede egenskaber ved aluminiumoxid. Der kan tilsættes rutil for at øge aluminiumoxidets brudsejhed og udmattelsesmodstand. Desuden vil dotering med lantan, bor eller tin forbedre materialets termiske stabilitet.

I denne undersøgelse undersøges virkningen af tilsætning af tin på den mesoporøse struktur og den kemiske stabilitet af g-aluminiumoxid. Prøverne blev fremstillet ved hjælp af pulvermetallurgi med forskellige forhold mellem aluminiumoxid og tin (A/T), hvorefter de blev kalcineret ved 500 °C i to timer, før der blev fremstillet grønne kompakter ved enaksial presning, som derefter blev sintret ved 1650 °C i 2 timer i en elektrisk ovn.

Kompakterne blev derefter testet for deres CCS- og MOR-styrke, hvor stigende tilsætning af tin medførte stigende mekaniske styrkeværdier. Dette kan forklares ved dannelsen af en AlBO₃-fase ved siden af g-aluminiumoxid under sintringen; aluminiumoxid doteret med tin bidrager til at opretholde den mesoporøse struktur, samtidig med at det hæmmer omdannelsen fra g-aluminiumoxid til a-aluminiumoxid, selv ved høje temperaturer.

Ledningsevne

Varmeledningsevne er en afgørende egenskab for keramiske materialer, da den gør det muligt for dem at overføre varme effektivt over store overfladearealer, f.eks. i gryder eller elektriske komponenter. Især aluminiumoxidkeramik udmærker sig i denne anvendelse på grund af sin høje varmeledningsevne og lave rumvægt.

Aluminiumoxids varmeledningsevne kan variere betydeligt afhængigt af renhedsgraden, temperaturforholdene, porøsiteten og de anvendte fremstillingsmetoder. For at optimere disse variationer og fremstille keramiske komponenter, der yder deres bedste ved konstruktionen, skal der anvendes målrettede matrixdesign med specifikke forarbejdningsmetoder, og der bør fremskaffes relevante tekniske data fra producenterne til referenceformål, eller der skal udføres specifikke tests, når der konstrueres komponenter ved hjælp af dette materiale.

En anden faktor, der påvirker aluminiumoxidkeramikens ydeevne, er dens termiske udvidelseskoefficient, som angiver, hvor meget dens størrelse ændrer sig ved temperatursvingninger. En lavere koefficient betyder mindre belastning ved temperaturændringer, hvilket gør materialet velegnet til medicinsk udstyr og ortopædiske ledflader.

Aluminiumoxidkeramik har en lav termisk udvidelseskoefficient samt et højt smeltepunkt og høj styrke, hvilket gør den velegnet til en række industrielle anvendelser, herunder smelte- og støbedegler, keramik-til-metal-gennemføringer, gennemføringer til røntgenkomponenter samt højspændingsgennemføringer.

Desuden har aluminiumoxidkeramik en fremragende slidstyrke og kan fremstilles i forskellige former, så den passer til forskellige anvendelsesformål. Slidhastigheden afhænger dog af kvaliteten af det råmateriale, der anvendes under produktionen, og for at opnå optimale resultater ved fremstillingen af denne keramik er det derfor afgørende, at der udelukkende vælges råmaterialer af høj kvalitet til fremstillingsformål.

Styrke

Styrke er en af de største fordele ved aluminiumoxidkeramik, da den gør det muligt at modstå ekstreme belastninger og påkænninger uden at gå i stykker. Aluminiumoxidkeramikens høje densitet gør det muligt at modstå trykbelastninger uden at blive knust, samtidig med at den har en stor bøjnings- og trækstyrke, hvilket gør den velegnet til en lang række anvendelsesformål.

Korrosionsbestandighed er en anden vigtig egenskab ved aluminiumoxidkeramik. På grund af dens kemiske sammensætning og mikrostruktur er korrosionshastighederne for aluminiumoxidkeramik langt lavere end for metaller; desuden øger tilsætning af La₂O₃ korrosionsbestandigheden, da dette styrker krystalstrukturerne og samtidig mindsker syreopløseligheden.

Aluminiumoxid kan fungere som en økonomisk erstatning for kobber i elektrisk udstyr og instrumenter såsom vakuumpumper, sputteringsmål, elektronrør og laserkomponenter. Aluminiumoxid finder også bred anvendelse inden for metallurgiske og kemiske processer, såsom gennemføringer mellem metaller (aluminium-til-metal-gennemføringer), spændingsaflastende perler (til spændingsaflastning under svejsning/varmebehandling), varmeisolatorer, der beskytter emner under svejsning/varmebehandling, samt specielle smeltedigler fremstillet af aluminiumoxid.

Aluminiumoxidkeramik er et fremragende materiale til ortopædiske implantater og medicinsk udstyr, da det ikke fremkalder toksiske eller allergiske reaktioner, når det kombineres med forskellige biologiske materialer. Aluminiumoxidkeramik kan endda forarbejdes til proteser, såsom totale knæalloplastikker (TKR'er), der består af metalkondyler, der artikulerer mod UHMWPE-tibiale plateauer – hvilket er ideelt til proteseanvendelser som totale knæalloplastikker (TKR'er).

Aluminiumoxidkeramik har en enestående termisk stabilitet, da den ikke udvider sig nævneværdigt, når den udsættes for temperaturændringer. Dette gør den til et fremragende materialevalg til anvendelse i miljøer med høje temperaturer eller i sammenhænge, hvor der forekommer termiske stød, såsom foringer til højtemperaturovne i industrielle miljøer og militære anvendelser, f.eks. skudsikre plader til kropspanser.