Biomateriale ceramice

Materialele ceramice sunt produsi policristalini, refractari, in general anorganici ca : silicati, oxizi metalici, carburi, hidruri refractare, sulfuri, selenuri.Cei mai importanti factori ce influenteaza relatia structura-proprietari in cazul materialelor ceramice sunt fractia radiala si electronegativitatea relativa dintre ionii pozitivi si negativi.

Materialele ceramice au capatat recent o atentie deosebita ca potentiale candidate pentru fabricarea implantelor din corpul uman,fiind utilizatedeja in stomatologie pentru coroane dentare datorita aspectului estetic, rezistentei mari la compresiune si lipsei de reactie cu lichidele corpului uman.

Anumite carburi sunt utilizate in aplicatii musculare sub forma de fibre datorita rezistentei mecanice specifice. Mai sunt utilizate ca fibre de ranforsare in materialele composite pentru implanturi.

Clasificarea biomaterialelor ceramice

Pentru clasificarea structurala a materialelor ceramice se considera ca acestea sunt compusi cu formula chimica Am Xn

Cel mai simplu caz fiind compusul AX cu cele trei tipuri structurale posibile:

Diferenta intre aceste structuri este data de dimensiunea relativa a ionilor-fractia radicala minima.Daca ionii pozitivi si ionii negativi sunt aproximativ de aceeasi dimensiune, structura cristalina a compusului ceramic este cubica simpla.

Structura cubicacu fete centrale se formeaza cand dimensiunile relative ale ionilor sunt diferite, ionii pozitivi putand ocupa interstiile tetragonale sau octogonale din reteaua ionilor negativi.

TABELUL 25 Structuri AmXn

Oxidul de aluminiu si oxidul de crom apartin tipului de structura A2X3, ionii O2- formeaza o retea hexagonala compacta, in timp ce ionii pozitivi (AL3+,Cr3+)ocupa 2/3 din interstitiile octaedrice.

Ceramicele sunt in general materiale dure, diamantul fiind cel mai dur (scara Mohs 1-10), au temperatura inalta de topire, conductivitate termica si electrica scazuta.

Fata de metale sau polimeri,ceramicele sunt materiale greu deformabile plastic, datorita legaturii interatomice de tip ionic.

Reprezentanti

Oxizi de aluminiu

Bursa principala de producere a aluminei de inalta puritate este bauxita si corundul natural.Alumina alfa se obtina prin calcinarea aluminei trihidrat, obtinandu-se alumina calcinata.

Compozitia chimica a aluminei calcinate industriale este indicata in tabelul26

TABELUL 26 Compozitia chimica a aluminei calcinate.

Societatea americana deTestare a Materialelor indica o compozitie a aluminei calcinate, utilizata pentru implanturi, de 99.5% alumina pura si sub 0,1% SiO2 combinat cu oxizi alcalini.

Alumina alfa are o structura cristalina romboedrica .Alumina naturala este cunoscuta sub denumirea de safir sau rubin.

Alumina sub forma de monocristal este utilizata cu succes pentru fabricarea de implanturi.

Rezistenta mecanica a aluminei policristaline depinde de porozitatea si marimea de graunte a acesteia.

In general cu cat granulatia si porozitatea sunt mai scazute cu atat mai mare este si rezistenta aluminei.

Standardele ASTM impun pentru alumina policristalina utilizata pentru implanturi, urmatoarele proprietati fizice:

Alumina este in general, foarte dura cu valori cuprinse intre 2000Kg/mm2 si 3000Kg/mm2. Aceasta duritate mare permite utilizarea aluminei ca material abraziv, sau ca legare in mecanismul ceasurilor.

Desi cu fragilitate mare, alumina este rezistenta la uzura fiindutilizata si in medicina, in inlocuirile de articulatii.

Fosfatul de calciu

Fosfatul de calciu este utilizat de milt timp pentru obtinerea de oase artificiale, insa, de curand pentru sinteza acestuia este utilizat si la fabricarea altor diferite implanturi, sau doar a straturilor solide sau poroase ce acopera alte implanturi.

Structura fosfatului de calciu

Fosfatul de calciu poate cristaliza sub forma de sare hidroxiapatita sau formaB cristalina in functie de raportul Ca/P de temperatura, de prezenta apei si a impuritatilor.

Ambele forme de cristalizare sunt sunt compatibile cu tesutul uman, fiind utilizate pentru inlocuiri osoase partiale sau in bloc.

In cele ce urmeaza vom considera fosfatul de calciu sub forma de apatita, in forma sa de hidroxiapatita, care este similara structurii zonei minerale a oaselor si dintilor.

Familia de minerale a apatitelor-A10(BO4)6X2 cristalizeaza in prisma hexagonal-rombice, cu celula unitara de dimensiuni a=9,432 si c=6,881A. Structura atomica a hidroxiapatitei, obtinuta prin proiectarea axei c pe planul bazal, este aratata in fig56

Raportul ideal Ca/P din hidroxiapatita este de 10:6,densitatea calculata fiind de 3,219g/cm3. Este interesant faptul ca substitutia ionilor hidroxil cu ioni de fluor confera o stabilitate chimica mai mare datorita coordinatiei mai apropiate a fluorului fata de calciu in comparatie cu ionii hidroxil.

Aceasta reprezinta de altfel unul din motivele rezistentei mai mari a dintilor supusi fluorurarii.

Proprietatile hidroxiapatiei

Variatia proprietatilor mecanice ale fosfatului de calciu sintetic poate apare ca urmare a variatiei structurale a fosfatului de calciu policristalin.In functie de conditiile finale de ardere, fosfatul de calciu se poate obtine sub forma de hidroxi apatita, sau forma B cristalina. In multe cazuri, pot coexista ambele tipuri in produsul final.

Tabelul 28 Proprietatile fizice ale fosfatului de calciu

Smaltul dintilor este un tesut compact dur, cu un modul de elasticitate de 74 Gpa, avand un continut majoritar mineral.

Densitatea si oasele compacte au un continut mai scazut de mineral. Coeficientul Poisson hidroxiapatitei sintetice este aproximativ 0,27, valoare apropiata de cea a osului.

Cea mai importanta proprietate a hidroxiapatitei ca biometal este, insa excedenta sa biocompatibilitate, care se refera la realizarea unei legaturichimice directe cu tesutul dur.

Prelucrarea hidroxiapatitei

Exista diferite metode de obtinere a precipitatelor de hidroxiapatite din solutie apoasa de Ca(NO3)2 si NaH2PO4

Un dintre aceste metode utilizeaza precipitatele ce sunt supuse uscarii pentru formarea unei pulberi fine, care apoi este calcifiata aproximativ 3 ore la 300 gradeC.Ulterior pudra este presata intr-o forma finala si sintetizata in intervalul 1050grade -1200grade timp de 3 ore. Peste temperatura de 1250grade hidroxiopatia sufera o precipitare de faza secundara de-a lungul limitelor de granule.

Ceramica in stomatologie

Pentru a obtine o coloristica ideala care sa imite cat mai indeaproape dintii naturali, structura piesei protetice trebuie sa imite granulatia, stratificarea si pigmentarile observate la dentitia naturala, fabricantii de ceramici dentare considera esentiale urmatoarele aspecte:

1. Structura interna (granulatia) masei ceramice.
2. Obtinerea de coloratii situate la diferite profunzimi fata de suprafata exterioara a restaurarii.
3. Imitarea fluorescentei dintilor naturali (emisia radiatiei luminoase captate in lumina ultravioleta-450 nm).

Suprafata dintilor naturali este foarte asemanatoare cu suprafata unei perle si prezinta fenomenul de opalescenta care consta in virarea usoara a nuantei suprafetei spre albastru atunci cand suprafata respectiva este iluminata, si spre orange atunci cand suprafata este transiluminata (razele luminoase pornesc de la sursa, strabat obiectul opalescent si ajung la ochiul privitorului). Acest fenomen optic interesant apare numai daca granulatia particulelor mediului respectiv este de ordinul micronilor, ordin de marime foarte apropiat de cel al prismelor de smalt. Masele ceramice cu acesta dimensiune a particulelor, poarta numele de portelan opalescent.

Referitor la profunzimea de culoare s-a remarcat ca exista pigmentatii la suprafata dintelui sau in fisurile de smalt, situatie in care intre ochiul privitorului si pigment nu se interpune nici o structura dura dentara. Exista si pigmentari situate in profunzime, care se observa prin transparenta smaltului si care tin in majoritate de varsta dintelui respectiv. Firmele producatoare de ceramica au elaborat chiar harti de culori observate la pacientii tineri, la varste medii sau la seniori. Ca principiu general exista zone cu tenta de brun la colet, cu tenta orange in zona centrala a treimii incizale, si tente albastrui la nivelul unghiurilor incizale si al treimilor incizale ale fetelor aproximale. Pe langa pigmentarile de suprafata sau de profunzime se observa la dentitia naturala si o pigmentare asociata cu opalescenta a smaltului propriu-zis.

Corespunzator acestor aspecte trusele de ceramica ofera posibilitatea colorarii externe (termenul uzual de machiaj folosit de tehnicienii dentari), a colorarii interne si a colorarii smaltului prin nuante diferite de portelan opalescent. Problema pe care o pun toti colorantii maselor ceramice tine de diferenta coeficientilor de dilatare termica dintre portelan si colorant. In timpul arderii dilatarea diferita poate produce dehiscente (separatii) intre stratul de colorant si stratul de ceramica, rezultand fie o fracturare sau desprindere ulterioara, fie un aspect cu 'bule', care sunt de fapt spatii de discoalescenta(dezlipire).

Aceste probleme apar mai ales la colorarea interna si la cea externa, in care straturile de colorant se aplica separat de masa ceramica si se ard ulterior.

Colorarea externa se realizeaza prin amestecarea pigmentului in stratul de glazura care se aplica la ultima ardere pe suprafata restaurarii deja realizate. Stratul obtinut dureaza putin in cavitatea bucala, el abrazandu-se in unul doi ani, chiar si prin frecare cu tesuturile moi(buza). Nu toate masele ceramice necesita aplicarea stratului de glazura. Exista portelanuri autoglazurante la care dupa ultima ardere se obtine aspectul ideal, si la care se poate folosi glazura numai daca este necesara colorarea externa.

Colorarea interna se realizeaza in cea mai mare parte din cazuri prin depunerea strat cu strat de ceramica amestecata cu pigment si acoperirea restraurarii astfel obtinute cu un strat de portelan transparent. Aceasta tehnica clasica de colorare interna pe straturi implica o munca dificila, un timp prelungit de lucru si un numar mare de arderi care constituie o problema pentru multe mase ceramice. De la mijlocul anilor 80 s-a introdus o tehnica moderna de colorare interna care consta in aplicarea colorantului pe suprafata restaurarii gata realizate din portelan tip dentina si smalt (body si enamel) dupa care se aplica ultimul strat de transparent care da profunzime coloratiei. Practic dupa aplicarea si arderea stratului de opaque se realizeaza reconstituirea propriu-zisa cu dentina si smalt, si se procedeaza la a treia ardere, apoi se fac corectiile morfologice si se aplica colorantul in sens orizontal (mezio-distal-mai ales in zona de colet) si se arde. Apoi se aplica colorantul in sens cervico-incizal (mai ales in treimea incizala) si se arde din nou. Urmeaza aplicarea ultimului strat de transparent care da si profunzimea de culoare. Aceasta tehnica poate fi folosita numai la masele ceramice cu proprietati fizice deosebite, la care coeficientii de contractie body si colorant, respectiv colorant si transparent au valori aproape identice. Exista situatii cand imitarea exacta a dintelui omolog natural implica atat colorare interna cat si colorare externa.

Colorarea cu ajutorul nuantelor de portelan opalescent, este o optiune moderna care ofera multe avantaje. In primul rand aplicarea este usoara, stratul de opalescent inlocuind de fapt transparentul. Efectele estetice sunt deosebite, desi nu atat de spectaculoase ca si in cazul colorarii interne. In al treilea rand dimensiunea particulelor de opalescent face ca acest portelan sa aiba o suprafata extrem de neteda microscopic, ceea ce duce la o abrazare mult mai mica a dintilor antagonisti. Exista si portelan opalescent transparent( nepigmentat), care poate fi aplicat ca ultim strat in tehnica de colorare interna.

Din punct de vedere al flourescentei masa ceramica ideala ar trebui sa se apropie cat mai mult de fluorescenta dintilor naturali. Totusi multi pacienti constata ca au probleme estetice serioase intr-o ambianta cu lumina violeta, cand dintii de portelan isi tradeaza prezenta printr-o fluorescenta diferita.

Confectionarea pieselor protetice ceramice , in laboratoarele de tehnica dentara , necesita materiale , instrumente , aparatura si chiar o deprindere speciala.Portelanul apare sub forma de praf , care apoi se amesteca cu apa sau alcool , dand o pasta smantanoasa , care se poate transpune cu o pensula fina pe suportul-metalic.

In functie de temperatura de topire , deosebim: portelanuri cu un punct de topire ridicat (1200-1300 ) , cu punct de topire mediu ( 1000 - 1200) si cu punct de topire scazut (850 - 1000 ). Portelanurile cu un punct de topire mai ridicat sunt mai rezistente si in general sunt de calitate superioara .

Portelanurile cu o temperatura de topire medie au un coeficient de contractie de 15 - 20 % si sunt folosite pe scara larga pentru confectionarea coroanelor si inlayurilor.

Portelanurile cu o temperatura inalta de topire sunt cele mai rezistente , au un coeficient de dilatare redus si , in general , desi sunt mai dificili prelucrabile sunt cele mai recomandabile.

Freze , polipanturi si pufuri folositi la prelucrarea portelanurilor

Etape tehnologice de realizare a aparatelor protetice metalo-ceramice

 

Modelele montate in articulator  Scheletele metalice sablate

cu oxid de aluminiu

Dupa sablare se aplica prin pensulare stratul de bondig si se arde la 960ºC. Urmeaza aplicarea unui strat de opac al carui aspect sa fie cat mai aproape fata de culoarea aleasa si se arde la 930ºC (fig. 1, 2, 3). Dupa verificarea integritatii si uniformitatii opaquer-lui s-a efectuat prima ardere - de dentina (910º C);

apoi au fost efectuate corectiile, realizindu-se a doua ardere la 900 grade C (cu 10 grade mai jos decit prima ardere)(fig.4).

Figura 1 - Bonding-ul inainte de ardere Figura 2 - Bonding-ul dupa ardere

Figura 3 - Arderea opac-ului  Figura 4 - Arderea dentinei

Lucrarile se finiseaza, se sableza din nou, apoi se aplica ultimul strat de glazura si se efectueaza machiajul extern, urmat de inca o ardere la 850ºC. Finisarea finala se realizeaza cu polipanturi (fig.5, 6).

Figura 5 - Lucrarea finita  Figura 6 - Aspectul estetic