Alumiiniumoksiidkeraamilised hambaimplantaadid - omadused, näidustused ja ettevalmistus Disainiga seotud kaalutlused

Alumiiniumoksiidist keraamiline materjal on oma suurepäraste kliiniliste omaduste tõttu kiiresti hambaarstiteaduses jalgu alla saanud ning seda kasutatakse fikseeritud proteeside valmistamiseks. Käesolevas artiklis käsitletakse põhjalikumalt selle omadusi, näidustusi, valmistamise kavandamisel arvesse võetavaid asjaolusid ja kasutamist.

Alumiiniumoksiid on äärmiselt kulumiskindel tehniline keraamika, mida iseloomustavad mehaaniline tugevus, keemiline stabiilsus ja bioloogiline sobivus. Need omadused paranevad puhtuse suurenemisega; tootmisel kasutatakse pulbri kuivpressimist hüdrauliliste või mehaaniliste presside abil; pärast vormimist tuleb materjal tiheduse saavutamiseks põletada.

Kõvadus

Alumiiniumoksiid on äärmiselt tugev ja vastupidav keraamiline materjal, mille Mohsi kõvadus on 9, mis tagab suurepärase kulumiskindluse, mistõttu on see ideaalne materjal lõikeriistade, tõmbamisvormide, ekstrusioonivormide, vormimisdüüside ja elektriisolatsiooni valmistamiseks. Lisaks sellele on alumiiniumoksiidil suurepärane keemiline vastupidavus, kuna see sobib kasutamiseks nii happelistes kui ka aluselistes keskkondades, samas kui kõrgem puhtusastmega tooted pakuvad veelgi paremat korrosioonikindlust.

Alumiiniumoksiidi korrosioon sõltub selle mineraalstruktuurist ja lisandite sisaldusest, kusjuures põletamise käigus ladestunud lisandid põhjustavad keraamiliste alumiiniumoksiidmaterjalide terade piirialadel eelistatud korrosiooni. Seda kahjustust kiirendavad veelgi kõrged hapete või leelislahuste kontsentratsioonid; nende keraamikate korrosioonikindluse suurendamiseks tuleks vastavalt suurendada ränidioksiidi, mulliidi ja korundi faaside kogust.

Tootjad saavad luua täpsete mõõtmete ja mõõdetäpsusega alumiiniumoksiidist keraamilisi tooteid, kasutades selleks erinevaid lihvimis- ja paagutamisprotsesse. Alumiiniumoksiidipulbri graanuleid pressitakse kokku kuiva või külma isostaatilise pressimise meetoditega, enne kui neid paagutatakse kontrollitud keemiliste tingimuste all lõpliku kuju saavutamiseks – või alternatiivina võib toote valmistamiseks kasutada ka süstimisvormimist.

Alumiiniumoksiidkeraamika on kõrgtehnoloogiline keraamika, millel on palju soovitavaid omadusi, nagu kõrge temperatuuristabiilsus, kõvadus ja kulumiskindlus, bioloogiline sobivus ja inertsus, mis muudavad selle sobivaks mitmesugusteks rakendusteks, sealhulgas rõhuandurid, vedeliku voolu mõõtmisseadmed, elektronlambikomponendid, laserkomponendid ja röntgenseadmed. Alumiiniumoksiidi saab kasutada ka keraamika-metalli läbiviikude ning metallurgilistes kuumtöötlusprotsessides kasutatavate spetsiaalsete tiiglite tootmiseks; selle tugevus, sitkus ja kulumiskindlus teevad selle materjali eriti sobivaks kuulikindlate soomuste valmistamiseks.

Korrosioonikindlus

Alumiiniumoksiidkeraamikal on kõrge korrosioonikindlus ja seda kasutatakse sageli tööstusseadmetes, mis peavad taluma kokkupuudet mitmesuguste ainete kanssa. Alumiiniumoksiidkeraamikat kasutatakse ka hambaravi- ja ortopeedilistes implantaatides tänu selle bioloogilisele sobivusele ja mehaanilisele tugevusele; selle tootmismeetodite hulka kuuluvad kuivpressimine, isostaatiline pressimine, lintvalamine, ekstrudeerimine ja survevalamine.

Alumiiniumoksiidkeraamika termiline stabiilsus sõltub selle soojuspaisumistegurist, mis määrab, kuidas materjal kuumutamisel või jahutamisel paisub või kokkutõmbub, mistõttu on alumiiniumoksiid ideaalne materjal rakendustes, kus on vaja pidevaid temperatuurimuutusi. Siiski võib selle stabiilsus muutuda sõltuvalt toote suurusest ja kujust – näiteks kui sellest valmistatakse suuri plokke kitsaste avadega, mis jahutamisel sulguvad, võib see põhjustada pragunemist või kõverdumist, kui materjal edasi jahtub.

On leitud, et ka tera suurus mõjutab oluliselt alumiiniumoksiidkeraamika kulumiskindlust. Uuringud on näidanud, et väiksema terasuurusega keraamikatel on parem kulumiskindlus, kuna terade vahelised hõõrdejõud on väiksemad, sest teradevahelised kontaktpinnad on väiksemad – neil väiksematel teradel on tõenäoliselt ka vähem omavahelisi kontaktpunkte ja seetõttu tekitavad nad kokkuvõttes vähem hõõrdejõudu.

Alumiiniumoksiidkeraamikat on võimalik vormida paljudeks erinevateks kujudeks ning see sobib ideaalselt mitmesugusteks rakendusteks. Tänu Mohsi kõvadusele 9 ja suurepärasele keemilisele vastupidavusele on see materjal kasulik tööriistade ja lihvketaste tootmisel; lisaks on see suurepärane abrasiivmaterjal, mida kasutatakse näiteks tõmbamisvormide, ekstrusioonivormide ja laagrite valmistamisel; samas sobib see oma suurepärase tugevuse ja isolatsiooniomaduste tõttu süüteküünalde, vooluahelakorpuste, vaakumkomponentide ja süüteküünalde tootmiseks.

Termiline stabiilsus

Alumiiniumoksiidkeraamil on madal soojuspaisumistegur, mis teeb sellest ideaalse materjali kõrgtemperatuurseteks rakendusteks, näiteks volframkarbiidist tööriistadega tehtavateks töödeks. Selle vastupidavus keemilisele korrosioonile muudab selle veelgi soovitavamaks; materjal talub temperatuure kuni 1000 °C ilma keemilise korrosiooni tekketa, pakkudes samal ajal ka suurepärast kulumis- ja löögikindlust, mis teeb alumiiniumoksiidkeraamikast suurepärase valiku selliste kõvade materjalide lõikamisel.

Alumiiniumoksiidi kasutatakse meditsiinis sageli tänu selle tugevusele ja vastupidavusele. Alumiiniumoksiid on hüpoallergeeniline ja mittetoksiline ning seda kasutatakse luu asendusmaterjalina või hambaimplantaatide materjalina – kuigi edukaks kasutamiseks peab sellel olema kitsas terasuuruse jaotus ning see peab olema poorivaba.

Alumiiniumoksiidi soovitud omaduste parandamiseks on välja töötatud mitmeid meetodeid. Rutiili lisamine suurendab alumiiniumoksiidi murdumiskindlust ja väsimusvastupidavust. Lisaks parandab lantaani, boori või tina lisamine selle materjali termilist stabiilsust.

Uuriti tina lisamise mõju g-alumiiniumoksiidi mesopoorsele struktuurile ja keemilisele stabiilsusele. Proovid valmistati pulbermetallurgia meetodil, kasutades erinevaid alumiiniumoksiidi ja tina suhteid (A/T), seejärel kaltsineeriti neid 500 °C juures kaks tundi, enne kui toodeti toorpresskehad ühe teljega pressimise teel, mis seejärel paagutati elektriahjus temperatuuril 1650 °C kahe tunni jooksul.

Seejärel testiti kompakteid nende CCS- ja MOR-tugevuse osas, kusjuures tina lisamise suurenemine tõi kaasa mehaanilise tugevuse väärtuste suurenemise. Seda võib seletada AlBO₃-faasi tekkega g-alumiiniumi kõrval paagutamise ajal; tinaga legeeritud alumiiniumoksiid aitab säilitada mesopoorset struktuuri, takistades samal ajal g-alumiiniumi muutumist a-alumiiniumiks isegi kõrgendatud temperatuuridel.

Elektrijuhtivus

Soojusjuhtivus on keraamika jaoks oluline omadus, kuna see võimaldab soojust tõhusalt edasi kanda suurtel pindadel, nagu näiteks pannidel või elektrilistel komponentidel. Eelkõige alumiiniumoksiidkeraamika sobib selleks otstarbeks eriti hästi tänu oma kõrgele soojusjuhtivusele ja madalale mahumassile.

Alumiiniumoksiidi soojusjuhtivus võib oluliselt erineda sõltuvalt puhtusastmest, temperatuuritingimustest, poorsusest ja kasutatud töötlemismeetoditest. Selleks et neid erinevusi optimeerida ja projekteerimisel valmistada keraamilisi komponente, mis toimiksid parimal võimalikul viisil, tuleb kasutada sihipäraseid maatriksikujundusi koos konkreetsete töötlemismeetoditega ning tootjad peaksid esitama asjakohased tehnilised andmed viiteeks või tuleb selle materjali kasutamisel komponentide projekteerimisel läbi viia spetsiifilised katsed.

Teine alumiiniumoksiidkeraamika omadusi mõjutav tegur on selle soojuspaisumistegur, mis näitab, kui palju muutub materjali suurus temperatuuri kõikumiste mõjul. Madalam soojuspaisumistegur tähendab väiksemat pinget temperatuuri muutuste ajal, mistõttu sobib see materjal hästi meditsiiniseadmete ja ortopeediliste liigendpindade valmistamiseks.

Alumiiniumoksiidkeraamikal on madal soojuspaisumistegur, kõrge sulamistemperatuur ja tugevus, mistõttu sobib see mitmesugusteks tööstuslikeks rakendusteks, sealhulgas sulatus- ja valutihendite, keraamika-metalli läbiviikude, röntgenkomponentide läbiviikude ning kõrgepinge läbiviikude valmistamiseks.

Lisaks sellele on alumiiniumoksiidkeraamilistel materjalidel suurepärane kulumiskindlus ning neid on võimalik toota erinevates kujudes, et need sobiksid mitmesugusteks rakendusteks. Kulumise määr sõltub aga tootmisel kasutatava tooraine kvaliteedist, mistõttu on optimaalse tulemuse saavutamiseks nende keraamiliste materjalide tootmisel äärmiselt oluline valida tootmiseks ainult kõrgekvaliteedilist toorainet.

Tugevus

Tugevus on alumiiniumoksiidkeraamika üks peamisi eeliseid, kuna see võimaldab tal taluda äärmuslikke koormusi ja pingeid purunemata. Alumiiniumoksiidkeraamika kõrge tihedus võimaldab tal vastu pidada survetele purunemata, pakkudes samal ajal suurepärast painde- ja tõmbetugevust, mistõttu sobib see mitmesugusteks rakendusteks.

Korrosioonikindlus on alumiiniumoksiidkeraamika veel üks oluline omadus. Tänu oma keemilisele koostisele ja mikrostruktuurile on alumiiniumoksiidkeraamika korrosioonikiirus palju madalam kui metallidel; lisaks suurendab La₂O₃ lisamine korrosioonikindlust, kuna see tugevdab kristallstruktuure ja vähendab samal ajal happes lahustuvust.

Alumiiniumoksiid võib olla vasele majanduslikult soodne asendusaine elektriseadmetes ja -instrumentides, nagu vaakumpumbad, pihustussihikud, elektronlambid ja laserkomponendid. Alumiiniumoksiid leiab laialdast kasutust ka metallurgia- ja keemiatööstuses, näiteks metallidevahelistes läbiviikudes (alumiiniumist metallini läbiviigud), pingetustamiskuulides (pingetustamiseks keevitamise/kuumtöötlemise ajal), keevitamise/kuumtöötlemise ajal töödeldavaid detaile kaitsvates soojusisolatsioonimaterjalides ning alumiiniumoksiidist valmistatud spetsiaalsetes tiiglites.

Alumiiniumoksiidkeraamika on ortopeediliste implantaatide ja meditsiiniseadmete valmistamiseks suurepärane materjal, kuna see ei põhjusta mürgiseid ega allergilisi reaktsioone, kui seda kombineeritakse erinevate bioloogiliste materjalidega. Alumiiniumoksiidkeraamikat saab kasutada isegi proteeside valmistamiseks, näiteks täielike põlveliigese proteeside (TKR) puhul, mis koosnevad metallist kondüülidest, mis liiguvad kokku UHMWPE-st valmistatud sääreluu platoodega – see on ideaalne proteeside valmistamiseks, nagu näiteks täielikud põlveliigese proteesid (TKR).

Alumiiniumoksiidkeraamikal on silmapaistev termiline stabiilsus, kuna see ei paisu märkimisväärselt temperatuuri muutuste mõjul. Seetõttu on see suurepärane materjalivalik kasutamiseks kõrgtemperatuursetes keskkondades või termilisi šokke hõlmavates rakendustes, nagu näiteks tööstuslike kõrgtemperatuursete ahjude vooderdised ja sõjalised rakendused, näiteks kuulikindlad soomusplaadid.