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

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

Alumina je izuzetno izdržljiva tehnička keramika, poznata po svojoj mehaničkoj čvrstoći, kemijskoj stabilnosti i biorazgradivosti. Ta se svojstva poboljšavaju s porastom razine 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 kemijsku otpornost jer je pogodna za kisela i alkalna okruženja, dok visokočisti razredi nude povećanu otpornost na koroziju.

Korozija alumine ovisi o njezinoj mineralnoj strukturi i sadržaju nečistoća, pri čemu nečistoće taložene tijekom pečenja uzrokuju preferencijalnu koroziju na granicama zrna keramičkih aluminskih materijala. Daljnje ubrzavaju ovo oštećenje visoke koncentracije kiselina ili alkalnih otopina; kako bi se povećala otpornost na koroziju ovih keramika, treba povećati udio silikatnih, mullitnih i korundnih faza.

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 poprimile konačni oblik – ili se umjesto toga može primijeniti injekcijsko oblikovanje.

Aluminijska keramika je napredna tehnička keramika s mnogim poželjnim svojstvima kao što su visoka temperaturna stabilnost, tvrdoća i otpornost na habanje, biorazgradivost i inertnost, što je čini pogodnom za brojne primjene uključujući senzore tlaka, uređaje za mjerenje protoka tekućina, komponente elektronskih cijevi za laserske komponente i rendgensku opremu. Alumina se također može koristiti za proizvodnju keramičkih prolaza za provodnike (ceramic-to-metal feedthroughs), kao i posebnih tavulja koji se koriste u metalurškim procesima toplinske obrade; njezina čvrstoća, žilavost i otpornost na abraziju čine ovaj materijal osobito pogodnim za primjenu u balističkim oklopima.

Otpornost na koroziju

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

Terminska stabilnost aluminijske keramike ovisi o koeficijentu toplinskog širenja, koji određuje kako se ona širi ili skuplja pri zagrijavanju ili hlađenju, što aluminij čini idealnim materijalom za primjene koje zahtijevaju stalne promjene temperature. Međutim, njezina stabilnost može biti izmijenjena ovisno o veličini i obliku izrade – na primjer, ako se proizvede u velikim blokovima s uskim otvorima koji se zatvaraju pri hlađenju, to može dovesti do pucanja ili iskrivljavanja kako se materijal dodatno hladi.

Veličina zrna također je značajno utjecala na otpornost na habanje keramike od alumine. Istraživanja su pokazala da keramike s manjim zrnima imaju bolja svojstva otpornosti na habanje zbog smanjenih trennih sila između zrna, uz manja kontaktna područja među njima – ta manja zrna vjerojatno imaju i manje kontaktnih točaka međusobno te stoga ukupno stvaraju manju trenu silu.

Aluminijska keramika može se oblikovati u mnoge različite oblike i idealna je za razne primjene. Njihova Mohsova tvrdoća od 9 i izvrsna kemijska otpornost čine ih korisnima u proizvodnji alata i brusnih kotača; dodatno su izvrsni abrazivni proizvodi poput kalupa za crtanje, ekstruzijskih kalupa i ležajeva; dok ih njihova vrhunska čvrstoća i izolacijska svojstva čine pogodnima za svjećice, kućišta sklopova, vakuumske komponente i svjećice.

Termalna stabilnost

Keramika od aluminije ima nisku stopu toplinske ekspanzije, što je čini idealnim materijalom za primjene na visokim temperaturama, poput onih pri kojima se koriste alati od karbida volframa. Njezina otpornost na kemijsku koroziju čini je još poželjnijom; temperature do 1000 °C mogu se podnijeti bez pojave kemijske korozije, a istovremeno pruža izvrsnu otpornost na habanje i udarce, što keramiku od aluminije čini izvrsnim 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 veličina 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 učinak dopiranja kositrom na mesoporoznu strukturu i kemijsku stabilnost g-alumine. Uzorci su pripremljeni praškastom metalurgijom korištenjem različitih omjera oksida alumine (A/T), zatim su kalcinirani na 500 °C dva sata prije izrade zelenih kompaktnih tijela uniaxijalnim prešanjem, nakon čega su sinterirani na 1650 °C tijekom 2 h u električnoj peći.

Kompakti su potom testirani na njihovu čvrstoću pri sobnim uvjetima (CCS) i čvrstoću pri sobnoj temperaturi (MOR), pri čemu je povećanje udjela kalaja dovodilo do porasta mehaničke čvrstoće. To se može objasniti formiranjem faze AlBO3 uz g-aluminu tijekom sinteriranja; alumina dopirana kalajem pomaže održati mesoporastu strukturu, istovremeno sprječavajući transformaciju g-alumine u a-aluminu čak i pri povišenim temperaturama.

Provodljivost

Temperaturna provodnost je ključna svojnost keramike jer omogućuje učinkovit prijenos topline preko velikih površina, poput tava za kuhanje ili električnih komponenti. Keramika od alumine posebno se ističe u ovoj primjeni zbog visoke toplinske provodnosti i niske zapreminske gustoće.

Temperaturna provodnost alumine može značajno varirati ovisno o razini čistoće, temperaturnim uvjetima, razinama poroznosti i primijenjenim metodama obrade. Kako bi se te varijacije optimizirale i osigurala najbolja izvedba keramičkih komponenti pri projektiranju, potrebno je primijeniti ciljane dizajne matrice uz specifične metode obrade te proizvođači trebaju dostaviti relevantne tehničke podatke za referencu ili provesti posebna ispitivanja pri projektiranju komponenti od ovog materijala.

Još jedan čimbenik koji utječe na performanse keramike od alumine je koeficijent toplinskog širenja, 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.

Keramika od aluminijeve oksidne glinice odlikuje se niskim koeficijentom toplinske ekspanzije, visokom temperaturom topljenja i čvrstoćom, što je čini pogodnom za razne industrijske primjene, uključujući taljne posude za topljenje i lijevanje, keramičko-metalne prolaznice, rendgenske prolaznice za komponente, visokonaponske izolatore i visokonaponske izolatore.

Štoviše, aluminijske keramike imaju izvrsnu otpornost na habanje i mogu se proizvoditi u različitim oblicima kako bi zadovoljile različite primjene. Međutim, stopa habanja ovisi o kvaliteti sirovine korištene tijekom proizvodnje, stoga je za postizanje optimalnih rezultata pri proizvodnji tih keramika ključno odabrati samo visokokvalitetnu sirovinu.

Snaga

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

Otpornost na koroziju je još jedna ključna svojstva keramike od alumine. Zbog kemijskog sastava i mikrostrukture, brzine korozije keramike od alumine znatno su 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, mete za isparavanje, elektronske cijevi i laserske komponente. Alumina također nalazi široku primjenu u metalurškim i kemijskim procesima, poput prolaznica između metala (prolaznice od aluminija do metala), perli za otklanjanje naprezanja (za oslobađanje od naprezanja tijekom zavarivanja/toplinske obrade), toplinskih izolatora koji štite obradke tijekom zavarivanja/toplinske obrade, kao i posebnih tava za taljenje izrađenih od alumine.

Aluminijska keramika izvrstan je materijal za ortopedske implantate i medicinske uređaje jer ne izaziva toksične ili alergijske reakcije u kombinaciji s različitim biološkim materijalima. Aluminijska keramika može se čak 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 toplinsku stabilnost jer se ne širi značajno pri izlaganju temperaturnim promjenama. To je čini izvrsnim materijalom za primjenu u visokotemperaturnim okruženjima ili u aplikacijama koje uključuju toplinski šok, poput obloga peći za visoke temperature u industrijskim pogonima i vojnih ploča oklopne odjeće otpornih na metke.