Os materiais cerâmicos utilizados como biomateriais para preencher defeitos em dentes e ossos, fixar enxertos ósseos, fraturas ou próteses ósseas e substituir tecidos doentes são chamados de biocerâmicas. São amplamente utilizados na área médica devido às suas excelentes propriedades, como alta resistência, resistência ao desgaste, maior resistência à compressão e flexão e alta biocompatibilidade. As biocerâmicas surgiram no século XIX. Naquela época, um tipo de cerâmica absorvível — o gesso — foi utilizado em experimentos e práticas clínicas, o que estimulou muito o interesse dos estudiosos na área de biocerâmicas. Do início até meados do século XX, o pesquisador americano Talbert fabricou próteses com materiais cerâmicos granulares (cerâmica de alumina) e as implantou nos fêmures de cães adultos, obtendo sucesso. A cerâmica de alumina também atraiu a atenção de muitos pesquisadores científicos.
① Cerâmica de alumina
O conceito de cerâmica de alumina abrange uma ampla gama de materiais. Além da cerâmica de alumina pura, qualquer material cerâmico com teor de alumina igual ou superior a 45% pode ser denominado cerâmica de alumina. Existem muitos cristais homogêneos e heterogêneos na cerâmica de alumina, mas atualmente os mais utilizados são o α-Al₂O₃ e o γ-Al₂O₃. Devido às suas diferentes estruturas cristalinas, eles apresentam propriedades distintas. Dentre eles, o α-Al₂O₃, também conhecido como coríndon, é a principal fase cristalina da cerâmica de alumina, caracterizada por alta resistência mecânica, resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão.
Geralmente se acredita que produtos com teor de alumina superior a 99,9% são alumina de alta pureza. A alumina de alta pureza possui excelentes propriedades, como alto ponto de fusão, alta dureza, alta resistência elétrica, excelente desempenho catalítico, boas propriedades mecânicas, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, isolamento e resistência térmica. O uso de policristais de alumina de alta pureza como biomateriais funcionais no corpo humano teve início em 1969. Existem dois tipos de cerâmica fina de alumina de alta pureza utilizados em engenharia médica: monocristais e policristais sinterizados. A alumina monocristalina possui alta resistência e boa resistência ao desgaste, podendo ser transformada em fixadores de fraturas, raízes dentárias artificiais, etc., após processamento. A alumina policristalina, caracterizada por alta resistência, pode ser utilizada na produção de articulações, raízes dentárias artificiais, ossos artificiais, próteses de quadril de dupla cúpula, etc.
② Aplicação de cerâmica de alumina em articulações artificiais
Em 1972, Boutin relatou a fabricação de articulações do quadril humanas a partir de cerâmica de alumina e suas aplicações clínicas, entre outros aspectos. Em 1977, Shikata et al. desenvolveram uma prótese de quadril composta por uma cabeça femoral de cerâmica de alumina combinada com um acetábulo de polietileno de alto peso molecular. Em 1982, a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA aprovou formalmente a aplicação clínica nos Estados Unidos de articulações artificiais do quadril constituídas por esferas de cerâmica de Al₂O₃, acetábulos e hastes de liga de CoCrMo.
A cerâmica de alumina de alta pureza apresenta um coeficiente de atrito muito baixo, alta dureza e boa molhabilidade, o que a torna ideal para uso como superfície de fricção em juntas. De acordo com as normas da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, somente alumina de alta pureza pode ser utilizada na área médica, e as impurezas que podem formar fases vítreas nos contornos de grão (como dióxido de silício, silicatos metálicos e óxidos de metais alcalinos) devem estar presentes em concentrações inferiores a 0,1% em peso. Isso ocorre porque a degradação dessas impurezas pode levar à formação de áreas de concentração de tensão, onde trincas podem se desenvolver. Estudos demonstraram que, por meio da seleção adequada de parâmetros de sinterização (temperatura, tempo, taxa de aquecimento/resfriamento) e aditivos dopantes (como óxido de magnésio, óxido de zircônio e óxido de cromo), é possível controlar o tamanho do grão e a porosidade da alumina, o que pode melhorar significativamente sua tenacidade e resistência à fratura.
Os compósitos formados por zircônia e alumina são chamados de alumina reforçada com zircônia (ZTA) ou zircônia reforçada com alumina (ATZ) e desempenham um papel importante em materiais para articulações artificiais. A composição desses dois compósitos depende especificamente do teor dos componentes principais. Eles combinam a capacidade de reforço da zircônia com a baixa sensibilidade da alumina à degradação em fluidos biológicos de baixa temperatura. De acordo com os requisitos de projeto do material, a ATZ pode ser selecionada quando se busca enfatizar a alta tenacidade à fratura, enquanto a ZTA pode ser usada quando se busca destacar a dureza. Atualmente, não há dados clínicos suficientes para demonstrar que a superfície de suporte de carga das articulações de ZTA apresenta maiores vantagens em termos de resistência ao desgaste. Estudos têm demonstrado que a aplicação de ZTA e alumina reforçada com zircônia (ZPTA) em cirurgia articular é muito maior do que a da ATZ.
③ Aplicação de cerâmica de alumina na restauração oral
As cerâmicas de alumina possuem translucidez e cor que se assemelham à dos dentes naturais, com baixa toxicidade. A baixa condutividade térmica das cerâmicas de alumina é significativa, o que reduz a estimulação da polpa dentária por alimentos quentes e frios. As cerâmicas de zircônia apresentam notável resistência ao desgaste, à corrosão e a altas temperaturas, com cor semelhante à dos dentes naturais, tornando-as adequadas para restauração dentária e conferindo-lhes alta resistência. De acordo com as diferenças na composição de fases e no processo de fabricação dos materiais cerâmicos de alumina, as cerâmicas de alumina utilizadas na área de restauração totalmente cerâmica podem ser divididas nas seguintes categorias:
(1) Cerâmicas de alumina infiltradas com vidro
A infiltração de vidro, cujo nome completo é método de moldagem por barbotina com infiltração de vidro, utiliza alumina como material matriz, que apresenta uma estrutura porosa, na qual o vidro de lantânio-boro-silício contendo corantes se infiltra. Após a moldagem, o material apresenta uma microestrutura onde as fases cristalinas da alumina e do vidro se interpenetram. As cerâmicas de alumina infiltradas com vidro possuem alta resistência mecânica, com resistência à flexão de 250-600 MPa e tenacidade à fratura de 3-4 MPa·m¹/². Um produto representativo é a coroa base do sistema In-Ceram Alumina da Vita (empresa alemã), que também é o primeiro sistema de restauração totalmente cerâmico capaz de fabricar pontes de três elementos na região posterior da arcada dentária.
(2) Cerâmicas de alumina sinterizada densa de alta pureza
Composta de alumina com pureza de até 99,9%, a alumina em pó é prensada em um corpo verde sob altíssima pressão (prensagem a seco) e, em seguida, sinterizada. O método de prensagem confere à cerâmica de alumina alta densidade e baixa porosidade. Este material cerâmico pode atingir uma resistência à flexão de 500-700 MPa e uma tenacidade à fratura de 5-6 MPa·m¹/², podendo ser utilizado clinicamente como estrutura de ponte na região posterior dos dentes.
(3) Cerâmicas de alumina reforçadas com zircônia infiltradas com vidro
Este tipo de cerâmica é formado pela adição de 35% de zircônia parcialmente estabilizada ao pó cerâmico de alumina infiltrado com vidro. Após a formação, observa-se a distribuição uniforme de zircônia na fase tetragonal no interior do material. É também o material cerâmico com maior resistência na série de cerâmicas de alumina. Devido à baixa translucidez das cerâmicas de alumina reforçadas com zircônia, elas são geralmente utilizadas clinicamente para restauração de dentes posteriores, onde as exigências estéticas não são elevadas.