Cerâmica de alumina: o material biocerâmico preferido para reparo e regeneração do tecido ósseo
Cerâmicas utilizadas como biomateriais para preencher defeitos em dentes e ossos, fixar enxertos ósseos, fraturas ou próteses ósseas e substituir tecidos doentes são chamadas de biocerâmicas. São amplamente utilizadas 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 de Paris — era usado em experimentos e práticas clínicas, o que estimulou enormemente o interesse dos acadêmicos pela área. Do início a meados do século XX, o acadêmico americano Talbert transformou materiais cerâmicos granulares (cerâmicas de alumina) em próteses e as implantou nos fêmures de cães adultos, obtendo sucesso. As cerâmicas de alumina também atraíram a atenção de muitos pesquisadores científicos.
①Cerâmica de alumina
O conceito de cerâmica de alumina abrange uma ampla gama de aplicações. Além da cerâmica de alumina pura, qualquer material cerâmico com teor de alumina igual ou superior a 45% pode ser chamado de cerâmica de alumina. Existem muitos cristais homogêneos e heterogêneos em cerâmicas de alumina, mas atualmente os mais utilizados são apenas α-Al2O3 e γ-Al2O3. Devido às suas diferentes estruturas cristalinas, eles apresentam propriedades distintas. Entre eles, o α-Al2O3, também conhecido como coríndon, é a principal fase cristalina da cerâmica de alumina, apresentando alta resistência mecânica, alta resistência à temperatura e resistência à corrosão.
Acredita-se geralmente que produtos com teor de alumina superior a 99,9% sejam 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 ao calor.O uso de policristais de alumina de alta pureza como materiais biofuncionais no corpo humano teve início em 1969. Existem dois tipos de cerâmicas finas de alumina de alta pureza utilizadas na 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 de dentes artificiais, etc., após o processamento. A alumina policristalina, caracterizada por alta resistência, pode ser utilizada na produção de articulações, raízes de dentes artificiais, ossos artificiais, articulações artificiais de quadril com dupla cavidade, etc.
2Aplicação de cerâmicas de alumina em articulações artificiais
Em 1972, Boutin relatou a fabricação de articulações do quadril humano 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 compostas por esferas de cerâmica de Al₂O₃, acetábulos e hastes de liga de CoCrMo.
Cerâmicas de alumina de alta pureza apresentam baixo coeficiente de atrito, alta dureza e boa molhabilidade, tornando-as adequadas para uso como superfícies de atrito em juntas. De acordo com os regulamentos da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, somente alumina de alta pureza pode ser usada na área médica, e as impurezas que podem formar fases de contorno de grãos vítreos (como dióxido de silício, silicatos metálicos e óxidos de metais alcalinos) devem ser inferiores a 0,1% em peso. Isso ocorre porque a degradação dessas impurezas pode levar à formação de áreas de concentração de tensões, onde ocorrerão trincas. Estudos descobriram que, ao selecionar parâmetros de sinterização apropriados (temperatura, tempo, taxa de aquecimento/resfriamento) e aditivos de dopagem (como óxido de magnésio, óxido de zircônio e óxido de cromo), o tamanho do grão e a porosidade da alumina podem ser controlados, o que pode efetivamente melhorar a tenacidade e a resistência à fratura da alumina.
Compósitos formados por zircônia e alumina são chamados de alumina temperada com zircônia (ZTA) ou zircônia temperada com alumina (ATZ) e também desempenham um papel importante em materiais de articulações artificiais. Esses dois compósitos dependem especificamente do conteúdo dos componentes principais. Eles combinam a capacidade de tenacidade da zircônia e 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 a alta tenacidade à fratura precisa ser enfatizada, enquanto a ZTA pode ser usada quando a dureza precisa ser destacada. Atualmente, não há dados clínicos suficientes para mostrar que a superfície de suporte de carga das articulações ZTA tenha maiores vantagens em termos de resistência ao desgaste. Estudos mostraram que a aplicação de ZTA e alumina temperada à base de zircônia (ZPTA) em cirurgia articular é muito maior do que a de ATZ.
③Aplicação de cerâmica de alumina em restauração oral
As cerâmicas de alumina apresentam translucidez e cor que combinam com os dentes naturais, com baixa toxicidade. A baixa condutividade térmica das cerâmicas de alumina é significativa, o que reduz a estimulação de alimentos frios e quentes na polpa dentária. 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 restaurações dentárias e apresentando alta resistência. De acordo com as diferenças na composição das fases e no processo de fabricação dos materiais cerâmicos de alumina, as cerâmicas de alumina utilizadas na área de restaurações totalmente cerâmicas podem ser divididas nas seguintes categorias:
(1) Cerâmica de alumina infiltrada com vidro
Infiltração vítrea, cujo nome completo é método de infiltração vítrea por deslizamento. A alumina, como material de matriz, apresenta uma estrutura porosa, na qual se infiltra o vidro de lantânio-boro-silício contendo corantes. Após a conformação, apresenta uma microestrutura na qual as fases cristalinas de alumina e cristalinas de vidro se interpenetram. As cerâmicas de alumina infiltrada por vidro apresentam 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 unidades na região posterior do dente.
(2) Cerâmica de alumina totalmente sinterizada densa de alta pureza
Composto por alumina com pureza de até 99,9%, o pó de alumina é prensado em um corpo verde sob pressão extremamente alta (conformação por prensagem a seco) e, em seguida, sinterizado. O método de conformação por pressão 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) Cerâmica de alumina temperada com zircônia infiltrada 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 conformação, observa-se zircônia em fase tetragonal uniformemente distribuída 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 temperadas com zircônia, elas são geralmente utilizadas clinicamente para restaurações de dentes posteriores, onde as exigências estéticas não são elevadas.