Alumina keramische tandheelkundige implantaten - eigenschappen, indicaties en overwegingen bij het ontwerp van preparaten

Aluminiumoxide-keramiek heeft dankzij zijn uitstekende klinische prestaties snel voet aan de grond gekregen in de tandheelkunde en wordt gebruikt voor vaste prothesen. In dit artikel wordt dieper ingegaan op de eigenschappen, indicaties, overwegingen bij het ontwerp van de preparatie en het gebruik ervan.

Aluminiumoxide is een uiterst slijtvast technisch keramisch materiaal, dat bekend staat om zijn mechanische sterkte, chemische stabiliteit en biocompatibiliteit. Deze eigenschappen nemen toe naarmate de zuiverheidsgraad stijgt; de productie vindt plaats door middel van het droogpersen van een poeder met behulp van hydraulische of mechanische persen; na het vormen moet het materiaal vervolgens worden gebakken om de gewenste dichtheid te verkrijgen.

Hardheid

Alumina is een uiterst taai en veerkrachtig keramisch materiaal met een hardheid van 9 op de schaal van Mohs, dat een superieure slijtvastheid biedt, waardoor het het ideale materiaal is voor gebruik in snijgereedschap, trekmatrijzen, extrusiematrijzen, gietmondstukken en elektrische isolatie. Bovendien vertoont aluminiumoxide een uitstekende chemische bestendigheid, aangezien het geschikt is voor zure en alkalische omgevingen, terwijl soorten met een hogere zuiverheidsgraad een verhoogde corrosiebestendigheid bieden.

De corrosie van aluminiumoxide hangt af van de minerale structuur en het gehalte aan onzuiverheden; onzuiverheden die tijdens het bakken worden afgezet, veroorzaken preferentiële corrosie op de korrelgrenzen van keramische aluminiumoxide-materialen. Hoge concentraties zuren of alkalische oplossingen versnellen deze schade nog verder; om de corrosiebestendigheid van deze keramische materialen te verhogen, moet het gehalte aan silica-, mulliet- en korundfasen dienovereenkomstig worden verhoogd.

Fabrikanten kunnen een keramisch product van aluminiumoxide met een hoge maatnauwkeurigheid vervaardigen door gebruik te maken van diverse slijp- en sinterprocessen. Korrels van aluminiumoxidepoeder worden samengeperst met behulp van droge of koude isostatische persmethoden, waarna ze onder gecontroleerde chemische omstandigheden worden gesinterd tot hun definitieve vorm – of het product kan in plaats daarvan ook via spuitgieten worden vervaardigd.

Alumina-keramiek is een geavanceerde technische keramiek met talrijke gewenste eigenschappen, zoals stabiliteit bij hoge temperaturen, hardheid en slijtvastheid, biocompatibiliteit en inertie, waardoor het geschikt is voor talrijke toepassingen, waaronder druksensoren, apparatuur voor het meten van vloeistofstromen, onderdelen voor elektronenbuizen, lasercomponenten en röntgenapparatuur. Aluminiumoxide kan ook worden gebruikt voor de productie van keramiek-metaal-doorvoeren en van speciale smeltkroezen die worden gebruikt in metallurgische warmtebehandelingsprocessen; dankzij zijn sterkte, taaiheid en slijtvastheid is dit materiaal bijzonder geschikt voor kogelwerende pantsertoepassingen.

Corrosiebestendigheid

Aluminiumoxidekeramiek heeft een hoge corrosiebestendigheid en wordt vaak gebruikt in industriële apparatuur die blootstelling aan diverse stoffen moet kunnen weerstaan. Aluminiumoxidekeramiek wordt ook toegepast in tandheelkundige en orthopedische implantaten vanwege de biocompatibiliteit en mechanische sterkte; tot de fabricagemethoden behoren droogpersen, isostatisch persen, tapegieten, extrusie en spuitgieten.

De thermische stabiliteit van aluminiumoxidekeramiek hangt af van de thermische uitzettingscoëfficiënt, die bepaalt hoe het materiaal uitzet of krimpt bij verwarming of afkoeling, waardoor aluminiumoxide een ideaal materiaal is voor toepassingen waarbij constante temperatuurschommelingen voorkomen. De stabiliteit kan echter variëren, afhankelijk van de afmetingen en de vorm waarin het wordt geproduceerd – zo kan bijvoorbeeld bij verwerking tot grote blokken met smalle openingen die bij afkoeling dichtgaan, scheur- of kromtrekproblemen ontstaan naarmate het materiaal verder afkoelt.

Ook is gebleken dat de korrelgrootte een aanzienlijke invloed heeft op de slijtvastheid van aluminiumoxidekeramiek. Uit onderzoek is gebleken dat keramiek met een kleinere korrelgrootte betere slijtvastheidseigenschappen vertoont, doordat de wrijvingskrachten tussen de korrels kleiner zijn als gevolg van de kleinere contactoppervlakken tussen de korrels – deze kleinere korrels hebben waarschijnlijk ook minder contactpunten met elkaar en veroorzaken daardoor in totaal minder wrijvingskracht.

Aluminiumoxidekeramiek kan in tal van verschillende vormen worden vervaardigd en is ideaal voor een breed scala aan toepassingen. Dankzij hun Mohs-hardheid van 9 en uitstekende chemische bestendigheid zijn ze zeer geschikt voor de productie van gereedschappen en slijpschijven; bovendien zijn het uitstekende schuurmiddelen, zoals trekmatrijzen, extrusiematrijzen en lagers; terwijl hun superieure sterkte en isolatie-eigenschappen ze geschikt maken voor bougies, circuitbehuizingen, vacuümcomponenten en bougies.

Thermische stabiliteit

Aluminiumoxidekeramiek heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, waardoor het het ideale materiaal is voor toepassingen bij hoge temperaturen, zoals bij het gebruik van gereedschap van wolfraamcarbide. De weerstand tegen chemische corrosie maakt het materiaal nog aantrekkelijker; temperaturen tot 1000 °C kunnen worden verdragen zonder dat er chemische corrosie optreedt, terwijl het tevens een uitstekende slijtvastheid en slagvastheid biedt, waardoor aluminiumoxidekeramiek een uitstekende keuze is bij het verspanen van hard materiaal zoals dit.

Aluminiumoxide wordt vanwege zijn sterkte en duurzaamheid vaak gebruikt in medische toepassingen. Het is hypoallergeen en niet-giftig en wordt onder meer toegepast als botvervangend materiaal of als materiaal voor tandheelkundige implantaten – hoewel het voor een succesvolle toepassing een nauwe korrelgrootteverdeling moet hebben en geen porositeitsproblemen mag vertonen.

Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om de gewenste eigenschappen van aluminiumoxide te verbeteren. Door rutiel toe te voegen kunnen de breuktaaiheid en de vermoeidheidsweerstand van aluminiumoxide worden verhoogd. Bovendien zal dotering met lanthaan, boor of tin de thermische stabiliteit van dit materiaal verbeteren.

Er is onderzoek gedaan naar het effect van dotering met tin op de mesoporeuze structuur en de chemische stabiliteit van g-aluminiumoxide. De monsters werden vervaardigd via poedermetallurgie met verschillende verhoudingen van aluminiumoxide (A/T), vervolgens gedurende twee uur bij 500 °C gecalcineerd, waarna groene compacts werden geproduceerd door middel van uniaxiale persing, alvorens ze bij 1650 °C gedurende 2 uur in een elektrische oven te worden gesinterd.

De compacten werden vervolgens getest op hun CCS- en MOR-sterkte, waarbij een toenemende toevoeging van tin leidde tot hogere mechanische sterktewaarden. Dit zou verklaard kunnen worden door de vorming van een AlBO₃-fase naast g-alumina tijdens het sinteren; met tin gedoteerd aluminiumoxide helpt de mesoporeuze structuur in stand te houden en remt tegelijkertijd de omzetting van g-alumina in a-alumina, zelfs bij verhoogde temperaturen.

Geleidbaarheid

Warmtegeleidbaarheid is een essentiële eigenschap van keramiek, omdat het hierdoor mogelijk is om warmte efficiënt over grote oppervlakken te geleiden, zoals bij kookpannen of elektrische componenten. Met name aluminiumoxidekeramiek blinkt uit in deze toepassing dankzij de hoge warmtegeleidbaarheid en de lage volumieke massa.

De thermische geleidbaarheid van aluminiumoxide kan aanzienlijk variëren, afhankelijk van de zuiverheidsgraad, de temperatuuromstandigheden, de porositeit en de toegepaste verwerkingsmethoden. Om deze variaties te optimaliseren en keramische componenten te vervaardigen die bij het ontwerp optimaal presteren, moeten gerichte matrixontwerpen met specifieke verwerkingsmethoden worden toegepast en moeten relevante technische gegevens door fabrikanten ter referentie worden verstrekt, of moeten er specifieke tests worden uitgevoerd bij het ontwerpen van componenten met dit materiaal.

Een andere factor die van invloed is op de prestaties van aluminiumoxidekeramiek is de thermische uitzettingscoëfficiënt, die aangeeft in hoeverre de afmetingen veranderen bij temperatuurschommelingen. Een lagere coëfficiënt betekent minder spanning bij dergelijke veranderingen, waardoor het materiaal geschikt is voor medische hulpmiddelen en orthopedische scharniervlakken.

Aluminiumoxidekeramiek heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt en een hoog smeltpunt en een hoge sterkte, waardoor het geschikt is voor diverse industriële toepassingen, waaronder smelt- en gietkroezen, keramiek-metaal-doorvoeren, doorvoeren voor röntgencomponenten, hoogspanningsdoorvoeren en hoogspanningsdoorvoeren.

Bovendien beschikt aluminiumoxidekeramiek over een uitstekende slijtvastheid en kan het in diverse vormen worden vervaardigd voor verschillende toepassingen. De slijtagegraad hangt echter af van de kwaliteit van de grondstoffen die bij de productie worden gebruikt; om optimale resultaten te behalen bij de vervaardiging van dit keramiek is het dan ook van cruciaal belang dat uitsluitend hoogwaardige grondstoffen worden geselecteerd voor de productie.

Kracht

Sterkte is een van de belangrijkste voordelen van aluminiumoxidekeramiek, omdat het hierdoor extreme belasting en spanning kan weerstaan zonder te breken. Dankzij de hoge dichtheid van aluminiumoxidekeramiek is het bestand tegen drukbelastingen zonder te worden verpletterd, terwijl het tegelijkertijd een grote buig- en treksterkte biedt, waardoor het geschikt is voor diverse toepassingen.

Corrosiebestendigheid is een andere belangrijke eigenschap van aluminiumoxidekeramiek. Dankzij de chemische samenstelling en microstructuur liggen de corrosiesnelheden bij aluminiumoxidekeramiek veel lager dan bij metalen; bovendien verhoogt de toevoeging van La₂O₃ de corrosiebestendigheid, aangezien dit de kristalstructuren versterkt en tegelijkertijd de oplosbaarheid in zuur vermindert.

Aluminiumoxide kan dienen als een voordelig alternatief voor koper in elektrische apparatuur en instrumenten, zoals vacuümpompen, sputterdoelen, elektronenbuizen en lasercomponenten. Aluminiumoxide wordt ook op grote schaal toegepast in metallurgische en chemische verwerkingsprocessen, zoals doorvoeren tussen metalen (aluminium-naar-metaal-doorvoeren), spanningsverlichtende kralen (voor spanningsverlichting tijdens het lassen/de warmtebehandeling), thermische isolatoren die werkstukken beschermen tijdens het lassen/de warmtebehandeling, evenals speciale smeltkroezen van aluminiumoxide.

Aluminiumoxidekeramiek is een uitstekend materiaal voor orthopedische implantaten en medische hulpmiddelen, omdat het geen toxische of allergische reacties veroorzaakt in combinatie met verschillende biologische materialen. Aluminiumoxidekeramiek kan zelfs worden verwerkt tot prothesen, zoals totale knieprothesen (TKR's) die bestaan uit metalen condylen die scharnieren tegen UHMWPE-tibiale plateaus – ideaal voor prothetische toepassingen zoals totale knieprothesen (TKR's).

Aluminiumoxidekeramiek heeft een uitstekende thermische stabiliteit, aangezien het niet noemenswaardig uitzet bij temperatuurschommelingen. Dit maakt het een uitstekende materiaalkeuze voor gebruik in omgevingen met hoge temperaturen of bij toepassingen waarbij thermische schokken optreden, zoals hoogtemperatuurbekledingen voor ovens in industriële omgevingen en militaire toepassingen zoals kogelwerende panelen voor kogelvrije vesten.