ÎMBUNĂTĂȚIREA PROPRIETĂȚILOR UNOR MASE CERAMICE ÎN VEDEREA UTILIZĂRII ÎN MEDICINA DENTARĂ CONDUCĂTOR DE DOCTORAT: PROF. UNIV. DR. MANOLEA HORIA… [307218]

TEZĂ DE DOCTORAT

ÎMBUNĂTĂȚIREA PROPRIETĂȚILOR UNOR MASE CERAMICE ÎN VEDEREA UTILIZĂRII ÎN MEDICINA DENTARĂ

CONDUCĂTOR DE DOCTORAT:

PROF. UNIV. DR. [anonimizat]: [anonimizat]

2020

Model pentru caseta editurii

Descrierea CIP a Bibliotecii NaŃionale a [anonimizat] 978-973-106-140-5

Motto sau dedicatie (opțional)

MULȚUMIRI

Mulțumesc doamnei Conf. Univ. Dr. Cioateră Nicoleta și colectivului Laboratorul Facultății de Chimie din cadrul centrului INCESA al Universității din Craiova pentru sprijinul acordat în sintetizarea ceramicilor experimentale pe bază de oxid de zirconiu și a caracterizării acestora.

Mulțumesc domnului Prof. Univ. Dr. Mogoantă Laurențiu și colectivului din cadrul Centrului pentru studii de Morfologie Microscopică și Imunologie (CCMI) a UMF Craiova pentru coordonarea studiului histologic și ajutorul oferit în interpretarea rezultatelor acestuia

Mulțumesc domnului Asist. Univ. Sălan Alex Ioan pentru ajutorul acordat în realizare intervențiilor chirurugicale pe animalele de laborator.

Mulțumesc întregului colectiv din cadrul BioBazei U.M.F. Craiova pentru disponibilitatea de care a dat dovadă pentru realizarea părții experimentale din cadrul studiului pentru evaluarea biocompatibilității

Mulțumesc doamnei Prof. Univ. Dr. Mercuț Veronica pentru sprijinul acordat în mod constant încă de la începutul studiilor doctorale.

Mulțumesc domnului Prof. Univ. Dr. Manolea Horia Octavian și colectivului din cadrul Disciplinei de Materiale Dentare și Tehnologia Protezelor pentru sprijinul acordat de-a lungul întregii desfășurării a [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. Characterization of the specificity in three commercial dental ceramic powders . Rev.Chim. (Bucharest), 2017, vol.68(4), pag. 707-10 ISI Factor de impact 1.232 https://www.revistadechimie.ro/Articles.asp?ID=5535 ( studiu cuprins în capitolele 3.2.2.2., 3.3.1., 4.1.)

[anonimizat]-[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]. Structural, morphological and histological evaluation. Ceramics International, 2019, Vol: 45, Issue: 12, Page: 14859-14866 ISI Factor de impact 3.450 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219310545 ( studiu cuprins în capitolele 3.2.2., 3.3.2., 3.3.3., 3.3.5., 3.3.6., 4.2.,4.3.,4.5.)

[anonimizat], [anonimizat], Alex-[anonimizat], [anonimizat]-Crăițoiu, Bogdan-Mihai Gălbinașu. A microscopic insight of the morphological changes induced by dental zirconia prosthetic structures. Rom J Morphol Embryol. 2019;60(4):95-102. ISI Factor de impact 1.5 http://www.rjme.ro/RJME/resources/files/ManoleaHoriaOctavian_RJME_60_3_2019.pdf ( studiu cuprins în capitolele 3.2.2.3., 3.3.4., 4.4.)

[anonimizat]/CAM – [anonimizat] (Machining). Proiectare și realizare asistată de calculator a [anonimizat] – coeficient de expansiune termică

DRX sau XRD – difracția de raze X

EDS, EDX sau EDSX – spectroscopie de raze X cu dispersie după energie

EG – etilen glicol

GS – Goldner–Szekely

HE – Hematoxylin–Eosin;

LTD – Low Temperature Degradation – Degradare la temperatură scăzută

PSZ – Partially Stabilised Zirconia – Zirconia parțial stabilizată

PTT – Phase Transformation Toughening – Întărire prin transformare de fază

SEM – microscopie electronică de scanare (de baleiaj)

TZP sau TPZ – Tetragonal Polycrystalline Zirconia – Zirconia Tetragonală Policristalină

UV – Ultraviolete

ZTA – Zirconia Toughened Alumina – Alumină ranforsată cu zirconia ZTC – Zirconia Toughened Ceramics – Ceramici compozite ranforsate cu zirconia

ZY – Masă ceramică experimentală pe bază de oxid de zirconiu (zirconia) dopată cu ytriu

ZYA – Masă ceramică experimentală pe bază de oxid de zirconiu (zirconia) dopatăcu ytriu și aluminiu

ZYF – Masă ceramică experimentală pe bază de oxid de zirconiu (zirconia) dopată cu ytriu și fier

INTRODUCERE

Proprietățile estetice și biologice ale maselor ceramice fac ca ele să dețină o largă aplicabilitate în stomatologie. În ultimii ani s-a pus accentul pe îmbunătățirea parametrilor mecanici ai maselor ceramice utilizate în medicina dentară, a efectelor fizionomice, a adaptării marginale dar și a comportării în mediul bucal.

Zirconia (ZrO2) este un material ceramic cu proprietăți mecanice adecvate pentru fabricarea dispozitivelor medicale. Proprietățile mecanice ale protezelor dentare fixe realizate din mase ceramice pe bază de oxid de zirconiu s-au dovedit a fi superioare altor restaurări ceramice. Zirconia stabilizată cu Y2O3 s-a dovedit a fi varianta cu cele mai bune proprietăți pentru aceste aplicații.

Biocompatibilitatea zirconiei a fost studiată in vitro și in vivo, rezultatele obținute certificând răspunsul biologic bun oferit de această grupă de biomateriale.

Cu toate acestea, s-au exprimat îngrijorări cu privire la degradarea la temperatură scăzută a zirconiei stabilizată cu Y2O3. Datele actuale arată o variabilitate puternică a sensibilității zirconiei in vivo la un fenomen denumit degradarea la temperatură scăzută (LTD) ca urmare a influenței puternice a microstructurii și a modului de procesare a zirconiei.

Capacitatea zirconiei de a fi dopată cu diferite elemente permite îmbunătățirea proprietăților chimice și fizice ale produselor comerciale din această familie, de aceea partea originală a acestei teze este reprezentată de sintetizarea în laborator a unor pulberi experimentale nanocristaline de oxid de zirconiu stabilizat cu ytriu și codopate cu aluminiu sau fier, caracterizarea pulberilor și a pastilelor sinterizate, introducerea acestora în mediul biologic pentru evaluarea răspunsului tisular, dar și pentru caracterizarea pastilelor după perioada petrecută în mediul biologic agresiv.

STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII

2.1 Masele ceramice în medicina dentară

2.1.1. Generalități

Ceramica dentară este unul dintre cele mai bune exemple de materiale folosite în inginerie și adaptate condițiilor clinice. În medicina dentară, ceramica este prezentată ca un material nemetalic, cu structură primară anorganică ce conține compusi ai oxigenului cu unul sau mai multe elemente metalice sau parțial metalice [1].

Porțelanurile dentare au o istorie îndelungată ce se întinde pe parcursul a câteva secole. Un dentist francez pe nume De Chemant a fost cel care a patentat primul material dentar pe bază de porțelan, în anul 1789. 19 ani mai târziu, Fonzi, un dentist italian a inventat un dinte de porțelan ‘terrometalic’ care era fixat cu ajutorul unui pin sau a unei rame de platină. În anul 1837, Ash este cel care a realizat o versiune îmbunătățită a dintelui de platină. Primele coroane ceramice au fost patentate de dr. Charles Land în 1903 iar 60 de ani mai târziu Vita Zahnfabrik a introdus pe piață primul porțelan dentar [1].

Evoluția tehnologică a ceramicii pentru aplicațiile dentare în ultimii 40 de ani a fost spectaculoasă iar asta s-a datorat într-o mare măsură și noilor materiale și tehnici de prelucrare. Îmbunătățirile aduse atât rezistenței cât și durității materialului au făcut posibile lărgirea gamei de indicații chiar și la proteze parțiale fixe de mare întindere, bonturi protetice sau implanturi [2].

Se prezice că piața mondială a materialelor dentare va depăsi 10 miliarde de dolari la nivelul anului 2020 iar asta se datorează în principal ușurării fluxului de muncă al medicilor dentiști dar și creșterii confortului pacienților. Ca atare, proiecte de cercetare importante au fost inițiate în vederea dezvoltării unor noi materiale cu proprietăți îmbunătățite sau care pot fi obținute prin tehnici CAD/CAM sau printare 3D. Printre acestea, cele mai importante sunt zirconia, ceramica infiltrată cu sticlă sau polimeri și ceramica sticloasă [3].

Dintre avansurile tehnologice cele mai notabile ale ultimelor decenii face parte și introducerea porțelanurilor sticloase care combină estetica deosebită cu proprietățile mecanice excepționale.

Din punct de vedere structural, porțelanurile dentare conțin o fază cristalină și o fază sticloasă bazată pe o structură de silice, reprezentarea tridimensională a aranjamentului atomic fiind un tetraedru cu un ion de Si4+ aflat în centrul acestuia înconjurat de 4 ioni O- situați în colțurile figurii geometrice. Singurul porțelan cu adevărat cristalin folosit în prezent în stomatologia restaurativă este porțelanul aluminos (Al2O3), care este unul dintre cei mai duri și mai rezistenți oxizi cunoscuți [4]. Unul dintre dezavantajele porțelanurilor și sticlelor este acela că sunt materiale casante, în sensul că prezintă o rezistență mare la compresiune dar au o rezistență scăzută la încovoiere putându-se fractura la deformări ușoare (0.1-0.2%) [5].

La modul general, ceramica dentară se poate clasifica în materiale cu conținut primordial de sticlă (porțelanul feldspatic), sticlă ranforsată (leucitul și disilicatul de litiu) și cristaline (alumina și zirconia). Cele mai des utilizate porțelanuri în medicina dentară sunt oxizii, îndeosebi dioxidul de siliciu sau silica (SiO2), oxidul de aluminiu sau alumina (Al2O3) și dioxidul de zirconiu sau zirconia (ZrO2) [6].

În principiu, compoziția anorganică a dinților și oaselor este reprezentată de ceramică – hidroxiapatită. Ca atare, porțelanurile precum hidroxiapatita, wolastonitul, șamd sunt folosite ca materiale pentru grefele osoase. Sunt, de asemenea, adăugate ca particule bioactive de umplutură pentru alte materiale inerte precum polimerii sau depuse peste implanturi metalice. Aceste ceramici poartă denumirea generică de bioceramici. Bioceramicile pot fi de două feluri: inerte (alumina) sau bioactive (hidroxiapatita). Pot fi rezorbabile (fosfatul tricalcic) sau ne-rezorbabile (zirconia) [7].

Denumirea ‘zirconiu’ vine din cuvântul arab ‘zargon’ care înseamnă ‘de culoare aurie’ și care provine din două cuvinte persane – zar (aur) și gun (culoare). Dioxidul de zirconiu (ZrO2) a fost descoperit accidental de un chimist german pe nume Martin Heinrich Klaproth în 1789 în timpul lucrului cu pietre geme pe care le încălzea [8]. Ca atare, dioxidul de zirconiu a fost folosit ca pigment rar pentru o lungă perioadă de timp. Prima folosire a zirconiei în scop medical a avut loc în 1969 în ortopedie ca material de înlocuire pentru capul femural în locul titanului sau aluminei [9].

2.1.2 Clasificarea ceramicii dentare

Din punct de vedere microstructural, se pot descrie patru mari categorii, cu câteva subgrupe:

porțelan cu matrice preponderent sticloasă (în special silica)

porțelan cu matrice preponderant sticloasă cu umplutură, de obicei, cristalină (leucit sau, mai recent, disilicat de litiu)

porțelan cu matrice preponderent cristalină cu umplutură sticloasă (în special alumina)

porțelan policristalin (alumina si zirconia) [10].

Porțelanurile cu matrice preponderant sticloasă

Porțelanurile cu matrice preponderant sticloasă sunt obținute din materiale ce conțin în principal dioxid de siliciu (silica sau cuarț), care posedă cantități variabile de alumina.

Feldspații sunt aluminosilicați găsiți în natură și care conțin în proporții variabile potasiu și sodiu. Acestia sunt modificați în diferite moduri pentru a obține sticla folosită în medicina dentară. Pentru obținerea porțelanului dentar sunt folosite, de asemenea, forme sintetice de sticlă aluminosilicatică [11].

Porțelanurile cu matrice preponderent sticloasă cu umplutură cristalină

Această categorie poate fi divizată, mai departe, în 3 subcategorii. Diferența provine din cauza variației cantității de diferite tipuri de cristale care ori au fost adăugate ori cresc în matricea sticloasă. Astăzi, principalele tipuri de cristale sunt leucitul, disilicatul de litiu și fluorapatita [4].

a. Prima subcategorie denumită generic ‘porțelanuri feldspatice’ este reprezentată de sticla feldspatică cu conținut scăzut-moderat de leucit.

b. Cea de-a doua subcategorie este reprezentată de sticlă cu conținut crescut de leucit (aproximativ 50%), materiale care se prezintă atât sub formă de combinație pulbere/lichid, prelucrabilă mecanic dar și ceramică presabilă. Cristalele de leucit (KAlSi2O6) se folosesc la consolidarea porțelanului feldspatic, fără diminuarea transparenței sale și cu scăderea coeficientului de expansiune termică [12].

c. Cea de-a treia categorie este reprezentată de ceramica sticloasă pe bază de disilicat de litiu (LiS2O5) care este un cristal aciform, compus în proporție de 30% din silica și 70% cristale de disilicat de litiu cristalin. Prezintă o rezistență crescută la încovoiere însă cu prețul scăderii transparenței comparativ cu porțelanul feldspatic. Este un tip nou de ceramică sticloasă introdusă de Ivoclar sub denumirea comercială IPS Empress II (actualmente se numeste IPS e.max) unde sticlei aluminosilicatice îi este adăugat oxidul de litiu. Această ceramică sticloasă prezintă un echilibru optim între rezistență si transparență. Datorită caracteristicilor estetice sunt folosite mai des ca proteze monolitice pentru restaurarea zonei anterioare [13].

Prin folosirea procedeului de turnare sub presiune s-a obținut un material ce posedă mai puține defecte și o distribuție mai uniformă a cristalelor astfel încât, prin reformulare și rafinament, s-a trecut la o nouă linie de ceramică – IPS e.Max Press [14].

Porțelanuri policristaline

Porțelanurile policristaline sunt porțelanuri monofazice deci care se formează prin sinterizarea directă a cristalelor, fără intervenția vreunei matrici formându-se astfel o structură policristalină densă, lipsită de aer sau sticlă. Există mai multe tehnici de procesare diferite prin care să se obțină fabricarea structurilor din oxid de aluminiu (aluminiu) sau oxid de zirconiu (zirconia), cele două policristale (denumite și ceramici metalice) folosite în mod curent [15,16]. Porțelanurile policristaline reprezintă cea mai opacă și puternică clasă de ceramică. În mod curent sunt folosite ca material de suport fațetat cu porțelan sau pentru coroane posterioare monolitice [16].

Ceramica policristalină cu umplutură sticloasă

Adăugarea de alumină la ceramica sticloasă feldspatică în timpul procesului de pre-fritare limitează cantitatea de alumină care poate fi încorporată în material la 40-50%. Sistemul In-Ceram încearcă să reprezinte o alternativă completă pentru restaurările integral ceramice. Acest sistem îndeplinește o plajă largă de cerințe privind rezistența, transluciditatea precum și metodele de fabricare pentru a acoperi întreaga gamă de restaurări integral ceramice incluzând aici fațete, inlay-uri, onlay-uri precum și coroane de acoperire dar și punți în zonele frontală și laterală. In-Ceram Spinell, datorită matricelor din oxid de magneziu și oxid de aluminiu prezintă cea mai mare transluciditate combinată cu o rezistență medie crescută pretându-se realizării coroanelor de acoperire în zona anterioară. In-Ceram Alumina bazată pe o matrice din alumina prezintă rezistență crescută însă o transluciditate medie și, ca atare, se pretează mai bine realizării coroanelor de acoperire în zona frontală dar, mai ales, pentru zona posterioară. Cu o rezistență deosebită dar cu o transluciditate scăzută, In-Ceram Zirconia (matrice pe bază de alumină și zirconia) se folosește în special la obținerea punților de mică întindere din zona posterioară. Aceste varietăți se comercializează și sub formă de blocuri solide pentru a fi mai apoi prelucrate prin frezare folosind sisteme CAD/CAM [ 4, 17,18].

Ceramica policristalină cu umplutură solidă

Zirconia se găseste ca mineral natural sub formă de badeleită și conține în procent de 80-90% oxid de zirconiu alături de impurități precum TiO2, SiO2 și Fe2O3. Zirconia poate exista sub 3 forme cristaline, trecerea dintr-o formă în alta făcându-se în timpul arderilor: monoclinică (la temperatura obișnuită), tetragonală (la cca. 1200oC) și cubică (la 2370oC). De foarte mare importanță a fost stabilizarea formei tetragonale aflate la temperatura camerei care a fost obtinuță adăugându-se cantități mici de calciu și, mai târziu, de ytriu sau ceriu. Forma tetragonală este metastabilă, energia înmagazinată putând oricând declanșa transformarea acesteia în starea monoclinică. Un stres localizat poate iniția o fisură capabilă să se propage prin transformarea locală din stare tetragonală în stare monoclinică însă expansiunea volumetrică de 4.4% ce are loc în timpul acestei transformări este benefică închizând fisura [19,20].

Ceramica policristalină nu poate fi presată asemenea ceramicii sticloase. Aceasta prezintă o contracție volumetrică de cca. 30% (cca 10% contracție liniară). Pentru o adaptare corectă a restaurării finale, contracția trebuie să fie prezisă în mod precis pentru a putea fi compensată corespunzător [21].

Pentru realizarea restaurărilor protetice din ceramică policristalină există două soluții comerciale. Prima abordare constă în realizarea unui bont supraconturat obtinut în baza măsurătorilor luate în timpul scanării mecanice a unui bont de laborator. Oxidul de aluminiu sau oxidul de zirconiu este apoi presat pe acest bont supraconturat și micsorat predictibil în timpul arderii pentru a obtine o substructura cu adaptare buna a unei coroane unitare [22].

Cea de-a doua soluție constă în prelucrarea mecanică a unor blocuri de oxid de zirconiu sinterizate parțial în blocuri de dimensiuni mai mari, pregătite pentru ardere ca substructuri pentru restaurări protetice [23]. Fiecare dintre blocuri prezintă un cod de bare ce conține densitatea exactă necesară calculării contracției volumetrice iar echipamentul de frezare poate ține cont de numărul de blocuri prelucrate schimbând automat instumentele de frezat pentru a asigura obținerea unei adaptări corecte.

2.2 Chimismul oxidului de zirconiu (zirconia)

Oxidul de zirconiu a reprezentat unul dintre cele mai importante materiale ceramice de peste un secol, însă descoperirea călirii prin transformare în 1975 a condus la noi aplicații de înaltă performanță ale zirconiei, precum acoperiri cu rol de barieră termică și aplicații biomedicale.

Oxidul de zirconiu a fost propus pentru prima dată pentru aplicații medicale în 1969, fiind utilizat ca nou material de înlocuire a capului femural în locul protezelor de titan sau alumină. S-a evaluat reacția obținută în urma amplasării ZrO2 la un femur de maimuță, nefiind observată nicio reacție adversă. Cercetările ortopedice s-au focalizat asupra comportamentului mecanic al zirconiei, asupra uzurii sale, ca și asupra integrării sale cu osul și musculatura înconjurătoare. În plus, aceste prime studii au fost realizate in vivo deoarece tehnologia in vitro nu era suficient de avansată. Înainte de 1990, au fost realizate numeroase studii care nu au condus la rezultate nefavorabile în ceea ce privește testarea ziconiei pe oase sau mușchi. Începând cu anul 1990, au fost realizate și studii in vitro cu scopul obținerii de informații despre comportamentul celular față de zirconie. Evaluarea in vitro a confirmat faptul că zirconia nu este citotoxică. Silva [24] și Covacci [25] au evaluat mutagenicitatea zirconiei, ambii arătând că aceasta nu generează mutații la nivelul genomului celular; fibroblaștii mutanți descoperiți pe ZrO2 au fost în număr mai mic decât cea mai mică doză oncogenă compatibilă cu supraviețuirea celulelor.

În plus, oxidul de zirconiu generează o reacție mai slabă comparativ cu alte materiale de restaurare precum titanul. Acest rezultat a fost confirmat și de un studiu asupra țesutului moale din jurul implantului de zirconia, comparativ cu cel din jurul titanului. Infiltratul inflamator, densitatea microvasculară și expresia factorului de creștere al endoteliului vascular au fost mai mari pentru Ti decât pentru ZrO2 [26]. Zirconia poate regla expresia unor gene, astfel încât zirconia poate fi privită ca un material auto-reglant ce poate modifica turn-overul matricei extracelulare [27].

Oxidul de zirconiu (zirconia) pur prezintă trei forme alotrope: monoclinică (m), tetragonală (t) și cubică (c).

Faza cubică

În cazul zirconiei pure, faza cubică este stabilă la temperaturi mari, din domeniul 2377-27100 C pentru forma stoichiometrică. Este o structură cristalină de tip fluorit, cu grup de spațiu Fm-3m, cu a≈5,15 Å. Faza cubică se extinde pe un domeniu foarte larg de compoziții ale oxigenului, de la Zr2O3 la ZrO2. Se poate observa că nestoichiometria oxigenului stabilizează faza cubică la aprox. 15250C, temperatură aflată mult sub cea specifică domeniului de stabilitate a compusului stoichiometric (23770C). Acest comportament a fost atribuit prezenței golurilor de oxigen din structură. Stabilizarea chimică obținută prin doparea (alierea) oxizilor aliovalenți cu oxidul de zirconiu este, de asemenea, determinată în principal de formarea golurilor de oxigen. Astfel, în forma cristalină stabilă la temperatura camerei (cea monoclinică), ionii de zirconiu sunt hepta-coordinați, în timp ce în formele cubică și tetragonală aceștia sunt octa-coordinați. La concentrații mari de goluri de oxigen apare un mecanism care asigură ionilor de zirconiu un număr mai mic de 8 ioni oxid vecini în rețeaua structurilor cu simetrie mai înaltă [28].

ZrO2 tetragonal

În condiții apropiate de cele de echilibru, zirconia stoichiometrică cu structură cubică se transformă în forma polimorfă tetragonală la 23770C. Structura tetragonală se poate obține ușor din cea cubică, prin deplasarea coloanelor de ioni de oxigen alternativ sus sau jos. Astfel, patru ioni de oxigen din jurul ionului de Zr se deplasează către acesta, iar alți patru ioni de oxigen se îndepărtează de el, cei opt ioni de oxigen din vecinătatea cationului Zr4+ formând două tetraedre interpenetrante. Deplasarea ionilor de oxigen este însoțită de o ușoară distorsiune tetragonală.

În general, faza tetragonală este stabilă până la 12050C și, în timp ce structura cubică este stabilizată la temperaturi situate sub domeniul de stabilitate al compusului stoichiometric prin formarea golurilor de oxigen, acesta nu este și cazul fazei tetragonale nealiate. În plus, studiile au arătat că structura tetragonală este stabilă numai pentru compoziția stoichiometrică, fiind instabilă la formarea golurilor de oxigen. Stabilizarea fazei tetragonale a zirconiei sub 12050C se poate realiza fie prin alierea cu alți oxizi, fie prin așa-numita ”stabilizare prin dimensiunea granulelor”. Când dimensiunea particulelor t-ZrO2 este suficient de scăzută (de ordinul a 300 Å), contribuția energiei superficiale la energia liberă a ceramicii este suficientă pentru a favoriza faza tetragonală chiar și la temperatura camerei [20,29].

Forma monoclinică

La aprox. 12050C, faza tetragonală de volum devine instabilă și se transformă în zirconie monoclinică printr-o transformare martensitică care implică o forfecare de 90și o dilatare de aprox. 4,5%. În cursul acestei transformări, ionul de zirconiu își pierde coordinarea octaedrică în favoarea celei heptaedrice. Dilatarea termică și comportamentul elastic corespunzătoare fazei monoclinice sunt anizotropice [30].

Oxidul de zirconiu dopat

Datorită naturii distructive a transformării de volum t→m, zirconia pură și-a găsit numai o gamă îngustă de aplicații. În schimb, zirconia dopată, având proprietăți mult îmbunătățite, este în prezent utilizată pe scară largă drept material ceramic cu rezistență mare. Din punct de vedere al efectelor dopării asupra structurii zirconiei, un aspect important este stabilizarea fazelor de înaltă temperatură la temperatura ambiantă prin formarea unor soluții solide [31].

Cationii oxizilor care stabilizează formele cubică sau tetragonală ale zirconiei la temperatura camerei au valență mai mică decât cea corespnzătoare cationului de zirconiu gazdă. Electroneutralitatea structurii poate fi asigurată fie prin formarea cationilor interstițiali, fie prin apariția vacanțelor anionice. În cazul oxidului de zirconiu dopat cu cationi aliovalenți, electroneutralitatea este menținută prin formarea golurilor de oxigen, acestea fiind responsabile pentru stabilizarea fazei cubice [32].

O altă consecință a graniței dintre fazele t/m la echilibru este aceea că, datorită pantei sale abrupte compoziția fazei tetragonale formate prin separare difuzională la temperatură înaltă nu este foarte sensibilă la compoziția medie a pulberilor; de aceea, temperatura T0 (t/m) nu variază sensibil cu conținutul de oxid de ytriu. Se modifică însă fracțiile volumului relativ ale fazelor tetragonală și cubică la temperatura de sinterizare și, prin urmare, fracția volumului maxim al fazei tetragonale care se poate transforma în fază monoclinică fie prin transformare cu creșterea rezistenței, sau prin degradare la temeperatură joasă (LTD) mediată de umiditate [33].

2.2.1 Procedee de sinteză

Hidroxidul de zirconiu este un precursor important al oxidului de zirconiu obținut pe cale chimică. Este cunoscut faptul că proprietățile finale ale pulberii oxidice sunt determinate de condițiile de sinteză a hidroxidului de zirconiu. Formarea diverselor faze cristaline, transformările pe care acestea le suportă și, implicit, proprietățile zirconiei depind, în mare măsură, de parametrii de sinteză, precum: natura precursorilor, pH-ul în cursul hidrolizei, doparea cu ioni, procedeul de sinteză și de procesarea termică ulterioară [34].

Există câteva căi importante de obținere a zirconiei din fază lichidă: (i) metoda convențională a precipitării; (ii) metoda sol-gel; (iii) metoda hidrotermală; (iv) metoda microemulsiei.

Un aspect important în relația condiții de sinteză – proprietăți este reprezentat de modul în care modificarea pH-ului lichidului care înconjoară precipitatul de hidroxid de zirconiu influențează parametrii dinamici ai procesului de sinteză, ca de exemplu temperatura și cinetica de creștere caracteristice etapelor de cristalizare și transformare de la faza tetragonală la cea monoclinică [35].

La formarea unei rețele oxidice din precursori solubili sunt implicate două procese: hidroliza și condensarea. Prin reacția de hidroliză care are loc la adăugarea apei peste precursor se generează grupări hidroxo reactive. Mecanismul acestei reacții presupune parcurgerea mai multor etape. Condensarea este, de asemenea, un proces complex, care se declanșează odată cu apariția grupărilor hidroxo în sfera de coordinarea a ionului metalic [36]. În funcție de condițiile experimentale, în procesul de condensare sunt implicate.

Oxolarea, ce conduce la apariția unei punți oxo între ionii metalici, prin eliminarea unei molecule de apă.

Olația se realizează atunci când coordinarea metalului în precursor nu este satisfăcută. În acest caz, prin eliminarea unei molecule de apă se formează în punte grupări hidroxo.

Prepararea hidroxizilor de zirconiu implică, de obicei, precipitarea acestora din soluția unei sări precursoare cu ajutorul unei baze. Când condensarea este rapidă, ea are un caracter aleator. Astfel, creșterea bruscă a pH-ului ca urmare a adăugării rapide a bazei va furniza excesul de ioni HO- necesar, conducând la polimerizarea rapidă a hidroxidului de zirconiu predominant amorf. pH-ul soluției utilizate în procedeul de sinteză influențează direct viteza de polimerizare și, în final, gradul de ordine localizată în unitățile hidroxid. Cele mai ordonate regiuni devin potențiali centri de nucleere pentru formarea oxidului cristalin prin deshidratare. Astfel, în timpul calcinării viteza de cristalizare va reflecta pH-ul utilizat la prepararea hidroxidului. Pe lângă viteză, limita de cristalizare (care poate fi mai mică de 100%) depinde și de pH și temperatură [37]. Acest comportament poate fi atribuit ordinii localizate care poate exista în materialul amorf într-o măsură mai mare sau mai mică. Cu alte cuvinte, în unele zone ale materialului polimerizarea aleatorie a condus la unități orientate favorabil astfel încât ele cristalizează foarte ușor la temperaturile de interes. Alte unități necesită însă un aport energetic mai mare (temperaturi de lucru mai mari) pentru reorientarea în direcții care să le permită cristalizarea. Studiile au arătat că un pH mai mare determină instalarea mai rapidă a cristalizării, precum și o viteză de cristalizare mai mare; de asemenea, creșterea pH-ului face ca transformarea la faza monoclinică să se instaleze mai devreme și să fie mai completă [38]. Aceste efecte sunt mai evidente dacă tratamentul termic nu presupune un platou izoterm (la 1000 0C sau mai sus), în timp ce tratamentul termic la temperaturi ridicate prentru perioade mari de timp va atenua aceste diferențe. Acest comportament poate fi explicat prin faptul că un pH mai mare va favoriza polimerizarea și formarea a numeroase unități mai mici de ansambluri ordonate bi/tridimensionale. Pe parcursul calcinării în vid sau sub un flux de azot, grupările HO- suferă procesul de oxolare astfel încât aceste ansamble sunt prezervate substanțial, comportându-se ca nuclee pentru cristalizarea oxidului. Are loc reșterea cristalitelor din acești nuclei, conducând la diferite viteze de cristalizare rezultate din distribuțiile diferite ale acestor nuclei (determinate de pH-ul utilizat la prepararea hidroxidului).

Co-precipitarea

În funcție de condițiile de reacție și substraturi, metoda permite obținerea particulelor cu diferite diametre. Astfel, Hsu și colab. [39] au obținut policristale de zirconie tetragonală stabilizată cu 3% mol ytriu cu un diametru de 21,3 nm, iar Aruna și colab. [40] au obținut pulbere de zirconia dopată cu ytriu cu un diametru al cristalelor de 53-109 µm.

Cel mai mare avantaj al metodei precipitării este posibilitatea de a obține produsul dorit în cantități de ordinul gramelor, precum și posibilitatea de a utiliza un echipamente și precursori mai ieftini. Dezavantajul co-precipitării este incapacitatea de a controla dimensiunea nanoparticulelor rezultate. Pentru a diminua aglomerarea particulelor, Wang și colab. [41] au propus realizarea sintezei nano-ZrO2 prin precipitare directă utilizând etanol în locul apei.

Metode hidrotermale

Metodele hidrotermale se bazează pe cristalizarea în soluție apoasă sub presiune crescută și la o temperatură situată sub punctul critic al apei. Acest proces este realizat într-o autoclavă, în care gradientul de concentrație al substanței este determinat. Reactanții sunt amplasați în partea inferioară a autoclavei. Aceștia sunt solubilizați la încălzire, iar răcirea autoclavei determină cristalizarea. Temperaturile utilizate în procedeele hidrotermale depășesc 100 0C, iar presiunile sunt mai mari de 1 atm. În funcție de reactanți și de condițiile de sinteză, se pot obține particule cu diferite diametre [42]. Metodele hidrotermale prezintă atât avantaje, cât și dezavantaje. Printre avantajele acestor metode se disting: permit sinteza la temperaturi scăzute (max. 374 0C), nu necesită tratament termic ulterior la temperaturi ridicate, conduc la obținerea unor materiale de înaltă puritate, cu dispersie scăzută a dimensiunilor particulelor, permit controlul formei particulelor. Controlul etapei de nucleere poate fi realizat prin variația concentrației, a temperaturii și a duratei procesului de hidroliză, a variației pH-ului etc. Dezavantajele metodelor hidrotermale sunt reprezentate de complexitatea mare și costul ridicat al aparatelor, precum și de lipsa posibilității de a observa direct procesul de sinteză.

Prin metoda hidrotermală a fost obținut dioxid de zirconiu în care au fost prezente toate cele trei forme cristaline ale acestuia (monoclinică, tetragonală și cubică), cu o contribuție mai mică a fazei monoclinice [43].

Metoda sol-gel

Se bazează pe reacții chimice specifice care au loc în soluție, urmate de transformarea soluției inițiale prin formarea unui sol, apoi a unui gel, terminând cu conversia gelului într-un solid amorf sau cristalin. Transformarea solului într-un gel se bazează pe eliminarea solventului din soluția coloidală. Precursorii utilizați frecvent în acest procedeu sunt alcoxizii metalici, iar reacțiile implicate sunt reacții de hidroliză și condensare. Procesul poate fi controlat cu ajutorul următorilor parametri: temperatură, pH, tipul solventului, concentrația precursorilor, prezența catalizatorilor (acizi sau baze) [44].

Printre avantajele metodei sol-gel enumerăm: echipamente simple și necostisitoare, conduce la materiale de înaltă puritate și cu un înalt grad de omogenitate microstructurală, temperatura scăzută de desfășurare a procesului de sinteză, posibilitatea de procesare în filme subțiri. Dezavantajul major al tehnicii este reprezentat de costul ridicat al precursorilor.

Metoda microemulsiei

Metoda microemiulsiei a fost utilizată cu succes în obținerea nanoparticulelor cu distribuție uniformă a dimensiunii particulelor. În principiu, metoda presupuneamestecarea a două microemulsii, care conțin reactanți diferiți în picături. Apoi, ca urmare a amestecării, picăturile lichide din emulsie se ciocnesc și schimbă reactanții. Etapa de nucleere și creștere a cristalelor produsului de interes are loc în picături, creșterea fiind limitată de diametrul acestora (diametrul mediu fiind de 50 nm). Etapa finală de obținere a oxidului este cea de calcinare.

Microemulsia este o dispersie stabilă tremodinamic, izotropă și transparentă ce constă din două lichide nemiscibile – faza apoasă și faza uleioasă [45]. Cel de-al treilea component al emulsiei este un emulgator (unul sau mai mulți surfactanți). Există două mari clase de microemulsii: (i) apă în ulei și ulei în apă . Cele mai multe nanoparticule de oxid de zirconiu s-au obținut utilizând metoda microemulsiei în sistemul apă-în-ulei [46].

2.2.2 Proprietățile zirconiei

Zirconia este o formă cristalină de dioxid de zirconiu. Proprietățile sale mecanice sunt foarte asemănătoare cu cele ale metalelor, iar culoarea sa se aseamănă cu cea a dinților.

Proprietăți mecanice

Zirconia are proprietăți mecanice similare cu cele ale oțelului inoxidabil. Rezistența sa la tracțiune poate atinge valori de 90-1200 MPa, iar rezistența la compresiune este aprox. 2000 MPa. Tensiunile ciclice sunt și ele bine tolerate de zirconie. S-a arătat că, aplicând o forță intermitentă de 28 kN asupra substraturilor de zirconie, au fost necesare 50 miliarde de cicluri pentru a sparge probele, însă utilizând o forță de 90 kN, structura probei a colapsat după numai 15 cicluri [47].

Deși materialele ceramice posedă duritate și modul elastic mari ;i sunt inerte chimic, o limitare majoră în calea utilizării lor în aplicații structurale sau nestructurale este rezistența scăzută la fracturare. Rezistența a fracturare a materialelor casante depinde în mare măsură de interacția câmpului de propagare a fisurii cu microstructura materialului. De aceea, proiectarea microstructurală a reprezentat o problematică importantă în dezvoltarea unor materiale ceramice cu rezistență ridicată. În ultimele decenii, cercetările au vizat identificarea de materiale ceramice structurale ce posedă o combinație optimă de rezistență la fracturare mare și rezistență la încovoiere [48].

Mecanismele de creștere a rezistenței materialelor ceramice pot fi clasificate în două categorii: (i) un mecanism ce implică o zonă de proces în jurul vârfului fisurii; (ii) un mecanism care este asociat cu unirea fisurilor cu ajutorul ranforsărilor (fibre, particule etc.). Se consideră că mecanismul zonei de proces crește rezistența intrinsecă; un exemplu în acest sens este reprezentat de creșterea rezistenței prin transformare și microfisurare în materialele pe bază de ZrO2 [49].Crearea de punți în fisură este implicată în creșterea rezistenței compozitelor cu matrice ceramică. Dintre materialele ceramice cu importanță economică, ZrO2 prezintă o combinație excelentă de rezistență la încovoiere (aprox. 1 GPa) și o bună rezistența la fisurare (aprox. 10 MPa m1/2). Rezistența la fisurare obținută prin transformare este mult mai ridicată decât cea obținută prin ranforsare cu particule (ZrO2 ranforsată cu Al2O3) [50]. În ceramicile monolit de zirconie tetragonală, a fost intens studiată creșterea rezistenței prin mecanismul zonei de proces. În ultimele decenii, zirconia parțial stabilizată (PSZ), policristalele de zirconie tetragonală (TZP) și zirconia total stabilizată (FSZ), dar și ceramicile cu zirconie dispersată au început să fie comercializate. Excelenta lor biocompatibilitate, rezistență la uzură, rezistența mare la coroziune și rezistența chimică ridicată, precum și proprietățile lor mecanice bune fac din materialele pe bază de ZrO2 candidați puternici pentru aplicații biomedicale. În acest caz, rezistența ridicată a zirconiei la fisurare, comparativ cu alumină sau alte materiale bioceramice monolit este extrem de importantă. Cercetări recente au demonstrat faptul că rezistența la fisurare influențează semnificativ proprietățile de frecare și uzură ale materialelor TZP stabilizate cu oxid de ytriu (Y-TZP) [51]. Aplicațiile comerciale ale materialelor pe bază de ZrO2 includ capete femurale, restaurări dentare etc.

Stabilizarea prin aliere nu numai că permite fabricarea unor materiale ceramice fără fisuri, ci pot fi realizate piese sinterizate de zirconie tetragonală policristalină, faza tetragonală fiind menținută până la temperatura camerei chiar în cazul în care faza de echilibru este cea monoclinică. Aceste ceramici tetragonale metastabile au prezentat o rezistență excepțională la fracturare atunci când transformarea la faza monoclinică a fost declanșată de propagarea fisurii [52].

Au fost realizate progrese atât în ceea ce privește înțelegerea mecanismului care stă la baza creșterii rezistenței prin transformare, cât și asupra exploatării sale pentru dezvoltarea de noi materiale mai rezistente.

Proprietăți optice

Obținerea aspectului natural al restaurărilor dentare necesită selecția unui material adecvat. Dentina și smalțul naturale asigură transmiterea selectivă a radiațiilor cu anumite lungimi de undă. Colorația portocalie a dentinei este contracarată parțial de componentul său organic fluorescent, fotosenzitiv la UV. Colorația albăstruie a smalțului este determinată de plachetele mici, policristaline de hidroxiapatită care împrăștie selectiv radiații cu lungimi de undă mai mici [53]. Nu există un singur material ceramic care să reproducă comportamentul complex al luminii și care să prezinte caracteristicile optice ale țesutului dentar natural.

Îmbunătățirile recente ale proprietăților optice ale zirconiei au condus la o mai mare utilizare a acesteia în restaurările anatomice. Zirconia tetragonală policristalină dopată cu 3% mol oxid de ytriu (3Y-TZP) este cel mai utilizat material pe bază de zirconia în aplicațiile dentare [54].

Polarizația electronică și tranzițiile electronice dintre banda de valență și banda de conducție sunt cele două mecanisme care influențează transmisia luminii de către materialele nemetalice. În funcție de înălțimea benzii interzise, aceste materiale pot fi opace, opace și colorate sau transparente și colorate

Deși materialele nemetalice posedă, de obicei, benzi interzise cu înălțimi mai mari de 3,1 eV și ar trebui să fie transparente, ele pot prezenta o oarecare absorbție a luminii determinată de polarizația electronică, conducând la un aspect translucid și la o transmisie difuză a luminii.

Culoarea și aspectul restaurărilor dentare din zirconie monolitică sunt influențate de parametrii intrinseci și extrinseci. Caracteristicile microstructurale intrinseci precum granițele dintre granule și porii împrăștie o parte din lumină, conducând la un aspect translucid sau chiar opac. Interacția cu lumina este determinată de diferențele dintre indicii de refracție diferiți de-a lungul interfețelor: granulă/granulă, granulă/por, mediu 1/ mediu 2. Transmisia luminii este influențată, la rândul său, de alte caracteristici, precum interfețele dintre fazele secundare și granulele anizotrope cristalografic [9, 55]. Astfel, translucența și opacitatea materialelor depind de modul și măsura în care radiația incidentă este reflectată, împrăștiată, refractată, transmisă și absorbită

Propagarea luminii printr-un material depinde de 3 parametrii: coeficientul de absorbție, coeficientul de împrăștiere și factorul de anizotropie la împrăștiere. Factorul de anizotropie la împrăștiere arată cantitatea de radiație care este împrăștiată înainte (translucența) sau înapoi (opacitatea) într-un singur eveniment de împrăștiere. Pe măsură ce crește numărul evenimentelor de împrăștiere, distribuția radiației devine mai uniformă. Prin urmare, radiația transmisă este atenuată atât de coeficientul de absorbție, cât și de cel de împrăștiere [56].

Porii sunt principala cauză de împrăștiere a luminii, în special dacă au dimensiuni similare cu cele ale lungimilor de undă corespunzătoare domeniului vizibil (400-700 nm). În ceramicile dentare, pentru diminuarea opacității trebuie eliminați porii submicrometrici. Porii pot fi intragranulari sau intergranulari, caracteristicile lor optice fiind diferite. Porii intragranulari reprezintă interfețe discrete între 2 faze izotrope, în timp ce porii intergranulari sunt localizați între 2 sau 3 granule cristaline cu orientări diferite ale granițelor (pot fi considerați zone amorfe cu defecte de tipul vacanțelor atomice) [57].

2.2.3.Îmbătrânirea zirconiei

Expunerea la umezelă pentru perioade mari de timp poate avea un efect negativ asupra proprietăților sale. Acest fenomen este cunoscut sub numele de îmbătrânire a zirconiei.

În ciuda succesului zirconiei în numeroase aplicații noi, materialele pe bază de oxid de zirconiu cu anumite compoziții sunt predispuse la degradare la temperatură joasă (LTD – low temperature degradation) în prezența umidității. Acesta este un fenomen cinetic, în care materialul tetragonal policristalin se transformă lent în oxid de zirconiu monoclinic, într-un domeniu de temperatură îngust dar extrem de important (de obicei r.t.-400C), în funcție de tipul și concentrația de stabilizator, dar și de dimensiunea granulelor materialului ceramic. Transformarea are loc printr-un proces de nucleere și creștere, începând de obicei la suprafața granulelor și prezntă toate caracteristicile unei transformări izoterme martensitice [59]. De asemenea, deși mecanismul exact prin care umiditatea determină destabilizarea fazei tetragonale nu este cunoscut, s-a observat faptul că cinetica procesului LTD este similară cu cea a difuziei golurilor de oxigen, ceea ce a condus la ideea că transformarea are loc prin difuzia speciilor caracteristice umezelii cu o energie de activare similară cu cea a difuziei golurilor de oxigen [60]. Din punct de vedere practic, LTD este o alternativă la propagarea fisurilor, o transformare indusă de solicitare pentru transformarea zirconiei tetragonale metastabile în zirconie monoclinică (t-m).

Factori care influențează LTD

Prezența stabilizatorilor

În general, oxizii pământurilor rare sunt utilizați pentru a obține PSZ disponibilă comercial, iar Y2O3 și CeO2 pentru prepararea TZP. Aceștia sunt caracterizați de o solubilitate ridicată în oxidul de zirconiu și de capacitatea de a forma faze de tip fluorit pe domenii largi de compoziție și temperatură [61]. Prin definiție, TZP este un material bifazic, cu faza tetragonală precipitată într-o matrice cubică. Precipitarea este o etapă delicată a procesului de sinteză, deoarece este influențată de câțiva parametri: dimensiunea inițială a granulelor, tipul și concentrația stabilizatorului, temperatura și timpul de nucleere și creștere a precipitatului tetragonal [62].

Y2O3 este cel mai utilizat stabilizator în aplicațiile high-tech ale zirconiei. Din motive de menținere a electroneutralității, introducerea Y2O3 în rețeaua ZrO2 determină apariția unor vacanțe (goluri) de oxigen, acesta fiind unul dintre mecanismele propuse pentru efectul de stabilizare. În general, se utilizează 3 % mol și 8 % mol Y2O3 în ZrO2 pentru a stabiliza la temperatura camerei forma tetragonală (Y-TZP) și, respectiv, cea cubică [63]. Din punct de vedere estetic, Y-TZP este alb și poate fi colorat ușor prin adaosul unor urme de pământuri rare.

Este cunoscut faptul că Y-TZP este susceptibil la LTD în prezența apei. Indiferent de mecanismul prin care se desfășoară LTD, transformarea t-m are următoarele caracteristici [64,65]: pornește de la suprafața probei către interiorul acesteia, determină ridicarea suprafeței și apariția microfisurilor, urmată de degradarea estetică, deschide posibilitatea ca apa să penetreze sub suprafață, propagând astfel transformarea t-m către interiorul probei,duce la dezvoltarea unor fisuri importante.

Pentru surmontarea problemelor ridicate de Y-TZP, drept stabilizator a fost propus CeO2. Pentru menținerea acelorași regiuni de stabilitate pe diagrama de fază, este necesară o concentrație mai mare de oxid de ceriu comparativ cu oxidul de ytriu. O concentrație capabilă să asigure transformarea t-m a Ce-TZP este cea de 8 % mol CeO2. La concentrații mai mari de 12 % mol sistemul este netransformabil [66]. După tratamentul la 80 0C în apă timp de 360 h, Ce-TZP cu 8 % mol oxid de ceriu au prezentat mai puțin de 10 % fază monoclinică pe suprafață, spre deosebire de proba Y-TZP cu 2 % mol oxid de ytriu care a prezentat un procent de 40 % fază monoclinică după tratarea la 100 0C timp de câteva ore. În plus, rezistența la încovoiere a probelor Ce-TZP este practic neafectată de ciclurile de maturare în vapori de apă [67,68].

Tensiunile

După cum s-a menționat anterior, tensiunile pot influența transformarea t-m, iar comportamentul zirconiei față de tensiune poate fi raționalizat conform principiului Le Chatelier: ”când o perturbare acționează asupra unui sistem în echilibru, acesta tinde să reacționeze pentru a minimiza perturbarea”. Când o tensiune acționează asupra formei tetragonale a zirconiei, aceasta minimizează perturbația prin creșterea dimensiunilor și transformarea în faza monoclinică, deoarece această dilatare scade tensiunea aplicată inițial [69]. Materialele pe bază de zirconia pentru aplicații dentare sunt supuse atât tensiunilor aplicate, cât și tensiunilor reziduale. Tensiunile reziduale apar la procesarea termică a zirconiei la temperaturi mari, urmată de răcirea la temperatura camerei. Vitezele mari de răcire și /sau cuplarea cu alte materiale cu coeficienți de dilatare termică diferiți conduc la tensiuni reziduale mai mari [70]. Acesta este și cazul zirconiei utilizate în stomatologie, când în realizarea piesei dentare este implicată întotdeauna o etapă de tratare termică.

Cea mai importantă problemă legată de consecințele tensiunilor reziduale generate de o transformare inițială t-m este continuarea ulterioară a transformării – ”efectul autocatalitic”. În principiu, când t-ZrO2 se transformă în m-ZrO2 rezultă un material bifazic cu m-ZrO2 în compresie și t-ZrO2 rămasă netransformată în tensiune. Datorită acestor tensiuni, t-ZrO2 va fi mai predispusă la transformarea ulterioară în m-ZrO2. Acesta este așa-numitul efect autocatalitic, care se manifestă la momentul propagării fisurii, dar care se poate desfășura sub control difuzional, cu timpi caracteristici mai mari [71]. Testele de maturare accelerată efectuate asupra Y-TZP cu 2,5 % mol Y2O3 și cu dimensiuni ale granulelor de 300 nm au arătat că procesul LTD se desfășoară chiar și în prezența unei tensiuni relativ scăzute [72].

Dimensiunea granulelor

Numeroase studii au arătat că diminuarea dimensiunii medii a granulelor în ceramicile pe bază de zirconie are un efect benefic asupra stabilității fazei tetragonale și, implicit, asupra LTD. În studiul acestui aspect, literatura de specialitate identifică două modalități de definire a dimensiunii critice a granulelor. Unii cercetători, care au abordat subiectul din punct de vedere termodinamic, au definit dimensiunea critică a granulelor ca fiind dimensiunea maximă a granulelor pentru care faza tetragonală este stabilă termodinamic (nu se transformă) [73]. Pe de altă parte, există numeroase alte studii în care dimensiunea critică este asociată cu dimensiunea maximă pentru care este evidențiată faza tetragonală în anumite condiții, ceea ce implică: (i) metastabilitatea unei astfel de faze; (ii) necesitatea abordării cinetice. Ca urmare, valorile dimensiunii critice a granulelor prezentate în literatura de specialitate variază în limite largi [74, 75].

Într-o abordare pur termodinamică, pentru dimensiuni foarte mici ale cristalelor, energia liberă totală este puternic influențată de termenul asociat cu suprafața cristalului. Dimeniunea critică depinde de temperatură conform ecuației: 1/r_c =A-BT, în care A și B sunt constante ce depind de energia suprafeței și de entalpia de transformare [76]. Practic, scăderea temperaturii determină scăderea dimensiunii critice.

Pentru dimensiuni ale granulelor situate sub cea critică, cristalul de zirconia poate fi stabil termodinamic în forma tetragonală chiar și la temperaturi scăzute. Cu alte cuvinte, reducerea dimensiunii granulelor sub o anumită valoare critică poate inhiba complet procesul LTD. Această abordare termodinamică simplă prezice cu succes dimensiunea critică la diverse temperaturi pentru pulberi de zirconie pură și zirconie stabilizată. La temperatura camerei, dimensiunea critică a pulberii de zirconie pură se află în domeniul 5-10 nm, în timp ce pentru 1,5Y-TZP este de aproximativ 90 nm [77].

Importanță practică prezintă însă relația existentă între dimensiunea granulelor și procesul LTD din componentele pe bază de zirconia densificate, cu importante consecințe și mult mai complexă. Complexitatea acestei dependențe se datorează faptului că într-un solid cristalele (granulele) sunt constrânse unele față de altele și nu sunt libere să se dilate sau să se contracte așa cum se întâmplă în cazul pulberii. Aceasta conduce la generare unei tensiuni ca urmare a variației volumului/formei asociate cu dilatarea termică sau transformarea de fază; în plus, într-un corp solid, tensiunile pot fi concentrate pe defectele locale. Trebuie menționat că, în general, la aplicarea unei presiuni hidrostatice crește dimensiunea critică , în timp ce tensiunile non-hidrostatice introduc o lărgire a tranziției între fazele m și t – coexistența celor două faze pe un domeniu de temperatură. Forma tetragonală poate fi stabilă în solidele de zirconia chiar și atunci când dimensiunea granulelor depășește cu mult valoarea critică identificată pentru pulbere. Prin includerea efectului energiei tensiunii asupra formării microfisurilor, precum și a efectului stabilizatorilor, au fost obținute valorile dimensiunilor critice ale granulelor în solidele densificate în funcție de temperatură pentru ceramicile Y-TZP. Astfel, la temperatura camerei dimensiunea critică a zirconiei pure densificate este de 31 nm, în timp ce pentru 1,5Y-TZP aceasta este 150 nm [78].

Literatura de specialitate prezintă însă drept dimensiune critică a granulelor dimensiunea maximă pentru care forma tetragonală poate fi observată, indiferent dacă aceasta este stabilă sau metastabilă termodinamic. Aveastă distincție trebuie însă facută atunci când se evaluează rolul dimensiunii granulelor în LTD: în timp ce zirconia tetragonală stabilă termodinamic nu se va transforma nicodată, faza metastabilă este susceptibilă pentru transformare chiar și la variații mici în sistem, aceastea fiind inevitabile într-un interval de timp considerabil.

În cazul în care zirconia tetragonală se află într-o stare metastabilă, este importantă cunoașterea cineticii procesului de transformare suferit de material. Unul dintre cei mai importanți factori care influențează cinetica transformării t-m este dimensiunea granulelor. În primul rând, tensiunile locale apar datorită diferențelor de dilatare termică dintre granule care sunt determinate de ușoara anizotropie a coeficientului de dilatare termică de-a lungul axelor cristalografice ale zirconiei; aceste tensiuni cresc cu creșterea dimenisunilor granulelor. Dimensiunea granulelor influențează cinetica procesului de transformare a zirconiei tetragonale metastabile datorită influenței asupra procesului de nucleere. Forma metastabilă tetragonală se transformă în forma monoclinică prin procese de nucleere și creștere activate termic. Prin urmare, cinetica procesului de transformare de fază depinde de numărul de nuclee care se pot forma [79]. Astfel, granițele dintre granule pot fi considerate ca centrii de nucleere preferențiali. În consecință, transformarea este favorizată cinetic când numărul granițelor dintre granule disponibile este mare (dimensiuni mici ale granulelor din probă).

Astfel, deși reducerea dimensiunii granulelor ceramicilor de zirconie tetragonală metastabilă are un efect benefic din punct de vedere termodinamic deoarece diminuează forța motrice a transformării, din punct de vedere cinetic dimensiunile mai mici ale granulelor favorizează o transformare mai rapidă prin nucleerea eficientă a fazei monoclinice la granițele dintre granule.

Trebuie menționat faptul că stabilizatorii, tensiunile și dimensiunile granulelor sunt parametri interdependenți și se influențează unul pe celălalt într-o manieră complexă.

Transformarea t-m determină o creștere a rezistenței prin transformare sau, mai exact, creștere a rezistenței (întărire) prin transformare de fază (PTT) [80] .

În funcție de materialul care înconjoară granulele de oxid de zirconiu susceptibile la transformarea t-m, pot fi obținute diferite tipuri de materiale, cele mai importante fiind:

Zirconie parțial stabilizată (PSZ) – o matrice de zirconie cubică ce încorporează granule de t-ZrO2 transformabilă;

Compozite ranforsate cu zirconie (ZTC) – o matrice cu modul elastic mare ce încorporează granule de t-zirconie transformabilă. Cea mai utilizată matrice, cu aplicații în protetică, este alumina, iar materialul este cunoscut sub numele de alumină ranforsată cu zirconie (ZTA);

Zirconia tetragonală policristalină (TZP) – materialul este constituit în întregime din granule de t-ZrO2 transformabilă. Spre deosebire de materialele anterioare, bifazice, TZP este monofazică.

Cerința de bază, indispensabilă, pentru ca PTT să aibă loc este aceea ca granulele de t-ZrO2 să fie în stare metastabilă termodinamic în condițiile în care fisura încearcă să se propage. Această metastabilitate termodinamică stă și la baza degradării la temperatură scăzută (LTD) sau maturării zirconiei. LTD este definită ca transformarea spontană t-m care are loc în timp, la temperaturi joase, aceasta nefiind declanșată de o tensiune locală produsă în vârful unei fisuri care se propagă. În afara unor dezavantaje determinate de transformarea t-m în aceste condiții (viteză de uzură crescută cu eliberare de mici granule de zirconie în mediul înconjurător, creșterea rugozității suprafeței cu degradarea mecanică și estetică), odată cu transformarea la faza polimorfă monoclinică a zirconiei, aceasta nu mai poate suferi procese PTT [59, 81, 82]. În general, atât PTT cât și LTD se bazează pe același fenomen, și anume transformarea t-m a zirconiei. Până în prezent nu s-a găsit o cale de a exploata beneficiile date de PTT, fără expunerea la riscul LTD.

Zirconia poate exista în forma tetragonală metastabilă chiar dacă suma condițiilor exprimate de cei trei termeni ai variației totale a energiei libere indică faptul că forma stabilă este zirconia monoclinică. Acest comportament este determinat de necesitatea unui mecanism declanșator pentru ca transformarea t-m să se producă. Ca și alte transformări de fază, transformarea zirconiei metastabile din polimorfa tetragonală în cea monoclinică este guvernată de nucleerea fazei noi, urmată de creșterea sa. Cineticile diferite ale acestei tranziții sunt datorate condițiilor diferite de desfășurarea a procesului, care influențează energia de activare și forța motrice a transformării [58, 83].

CONTRIBUȚII PROPRII

3.1. IPOTEZA DE LUCRU ȘI OBIECTIVELE GENERALE

Deși avantajele oxidului de zirconiu tetragonal stabilizat cu ytriu ca material dentar sunt binecunoscute (biocompatibilitatea acestora fiind unul dintre cele mai importante), acesta nu este imun la degradare în timp. Necesitatea identificării unor monoliți pe bază de oxid de zirconiu cu proprietăți estetice superioare, care să nu prejudicieze durabilitatea, a constituit forța motrice a dezvoltării de noi materiale pentru comunitatea științifică din domeniul medicinei dentare.

În acest context, principalul obiectiv al studiilor realizate în cadrul tezei de doctorat a fost reprezentat de obținerea de noi materiale ceramice pe bază de oxid de zirconiu cu proprietăți superioare. Utilizând un procedeu de sinteză din soluție, s-au obținut pulberi nanocristaline de oxid de zirconiu stabilizat cu ytriu și codopate cu aluminiu sau fier. Elementele de originalitate ale tezei sunt reprezentate de compoziția sistemelor investigate, de complexitatea analizelor structurale și morfologice, precum și de investigarea biocompatibilității prin studii in vivo.

Principalele obiective care au stat la baza studiului experimental realizat în cadrul tezei și care s-au subsumat obiectivului principal au fost:

Analiza și caracterizarea unor mase ceramice comerciale utilizate în prezent în laboratorul de tehnică dentară

Sinteza și caracterizarea fizico-chimică a unor noi materiale ceramice nanocristaline pe bază de oxid de zirconiu stabilizat cu ytriu și co-dopat cu Al sau Fe;

Evaluarea sinterabilității pulberilor ceramice și investigarea structurală și morfologică a sinterizatelor;

Investigarea biocompatibilității atât a maselor ceramice comerciale cât și a materialelor ceramice sintetizate în laboratoruș

Evaluarea stabilității structurale a noilor materiale elaborate după testarea in vivo.

Modificarea compoziției materialelor a avut ca scop evaluarea efectului diverșilor dopanți asupra stabilității morfostructurale dar și a biocompatibilității ceramicilor pe bază de oxid de zirconiu stabilizat cu ytriu, urmărind identificarea de noi materiale cu proprietăți superioare celor dezvoltate până în prezent.

Pentru sinteza pulberilor oxidice s-a utilizat metoda Pechini, iar acestea au fost caracterizate utilizând numeroase tehnici:

– difracția de raze X (DRX) și spectroscopia Raman – pentru evidențierea structurii cristaline a probelor;

– microscopia electronică de baleiaj cuplată cu spectroscopie de raze X cu dispersie după energie (SEM/EDS) – pentru evidențierea morfologiei și a compoziției chimice a probelor investigate;

– dilatometria – realizată cu scopul de a identifica condițiile optime de sinterizare a pulberilor oxidice.

Pentru testarea biocompatibiliății acestor materiale cu potențial de utilizare în protetica dentară au fost utilizate teste de iritație cutanată, dar și a mucoasei orale prin introducerea unor probe de material subcutanat respectiv submucos unor șobolani rasa Wistar de sex masculin. După 6 săptămâni probele recoltate de la animalele de laborator de la nivelul locului de inserție au fost evaluate clinic și apoi histologic pentru evaluarea răspunsului tisular local.

În final, probele de material experimental recuperate după expunerea în mediul biologic au fost din nou caracterizate utilizând aceleași tehnici, SEM/EDS și spectroscopie Raman, în vederea analizei modificărilor morfologice apărute la nivelul acestora, identificării elementale a stratului format la suprafață, dar și a eventualelor modificări de fază.

Tematica abordată în această teză este generoasă și complexă, deschizând noi oportunități de studiu interdisciplinar și noi colaborări.

3.2. METODOLOGIA CERCETĂRII

Abordarea temei

Cercetările în medicina dentară sunt în prezent orientate către restaurări protetice fără metale, pentru a îmbunătăți rezultatul estetic al protezelor dentare fixe. Zirconia este un material ceramic cu proprietăți mecanice care permit utilizarea sa în locul structurilor metalice protetice.

În scopul îndeplinirii principalului obiectiv al studiilor realizate în cadrul tezei de doctorat reprezentat de obținerea de noi materiale ceramice pe bază de oxid de zirconiu cu proprietăți superioare, pentru stabilirea protocolului de lucru și a condițiilor impuse de medicina dentară ca domeniu al utilizării acestor mase ceramice experimentale,studiul a început prin analiza și caracterizarea unor mase ceramice comerciale.

Ulterior în cadrul Laboratorului INCESA al Universității din Craiova au fost sintetizate trei mase ceramice experimentale pe bază de oxid de zirconiu dopate cu ytriu, dar și cu alte două elemente suplimentare: fier și aluminiu. După caracterizarea pulberilor ceramice obținute și a pastilelor sinterizate în același laborator, aceste pastile au fost inserate subcutan și submucos unor șobolani de laborator în cadrul Biobazei Universității de Medicină și Farmacie din Craiova pentru a evidenția biocompatibilitatea acestor materiale. Răspunsul tisular a fost evaluat clinic și histologic prin comparație cu răspunsul tisular observat în urma inserării unor mase ceramice comerciale pe bază de oxid de zirconiu.

Într-un final caracterizarea pastiellor ceramice experimentale după perioada petrecută în mediul biologic agresiv a avut drept scop identificarea potențialelor modificări structurale care pot apărea în structurile ceramice pe bază de oxid de zirconiu în condiții biologice ca urmare a fenomenului de degradare la temperatură scăzută (LTD).

Material și Metodă

Pentru prima parte a acestui studiu reprezentată de analiza și caracterizarea unor mase ceramice comerciale am considerat oportun studiul produselor comerciale ale unei firme recunoscute pe piața de profil Vita Zahnfabrik, Germania. Pentru această primă etapă ne-am propus prezentarea și discutarea caracteristicilor atât a pulberilor cât și a materialului sinterizat pentru trei produse comerciale ale acestei firme VM13, VMK Master, VM9 .Pentru fiecare produs comercial au fost analizate trei pulberi precursoare, două pulberi pentru dentinăși o pulbere pentru smalț, dar și o probă asemănătoare unei proteze dentare obținută prin arderea în cuptorul de ceramică din laboratorul de tehnică dentară conform instrucțiunilor producătorului [84].

Sinteza pulberilor pe bază de oxid de zirconiu

În vederea realizării obiectivului principal al acestui studiu au fost realizate trei mase ceramice experimentale astfel:

ZY – Masă ceramică experimentală pe bază de oxid de zirconiu (zirconia) dopată cu ytriu

ZYA – Masă ceramică experimentală pe bază de oxid de zirconiu (zirconia) dopatăcu ytriu și aluminiu

ZYF – Masă ceramică experimentală pe bază de oxid de zirconiu (zirconia) dopată cu ytriu și fier

Pulberile de oxizi micști pe bază de ZrO2 având stoichiometria Zr0.88Y0.12O2- și Zr0.85Y0.12M0.03O2- (unde M = Al, Fe) au fost sintetizate utilizând metoda Pechini. Drept precursori metalici s-au utilizat ZrCl4 (Sigma-Aldrich), Y(NO3)36H2O (Sigma-Aldrich), Fe(NO3)39H2O (Sigma-Aldrich) și Al(NO3)39H2O (Sigma-Aldrich). Concentrația totală a ionilor metalici (Me) în soluția apoasă inițială a fost de 0,4 M, concentrația fiecăruia respectând stoichiometria oxidului mixt de interes. Acidul citric (CA) (monohidrat, Sigma-Aldrich) și etilen glicolul (EG) (anhidru, Sigma-Aldrich) au fost utilizați drept agenți de complexare și, respectiv, polimerizare, fiind adăugați în soluția sărurilor precursoare în cantități corespunzătoare rapoartelor molare CA:Me = 4,5 și CA:EG = 2. După evaporarea excesului de solvent, s-a obținut un gel; uscarea gelului peste noapte în etuvă la 180 0C a codus la obținerea unei rășini solide. Prin calcinarea acesteia în aer, într-un cuptor tubular, la 550 0C timp de 5 h s-a obținut pulberea policristalină de oxid mixt [85]. Etapele procesului de sinteză a pulberilor policristaline sunt prezentate în Fig 3.1

În vederea realizării testelor de biocompatibilitate, pulberile au fost procesate în câteva etape:

(i) Punerea în formă prin presare izostatică, fiind astfel obținute bare cilindrice cu diametrul de 5 mm;

(ii) Sinterizare la 1300 0C timp de 10h.

Instalația de sinteză a solului precursor este prezentată în Fig. 3.2.

Fig. 3.1. Prezentarea schematică a etapelor procesului de obținere a pulberii oxidice policristaline

Fig. 3.2. Instalația de sinteză a solului precursor al pulberilor nanocristaline

Metoda Pechini este utilizată pentru obținerea unei game largi de oxizi metalici. Prezentarea schematică generală a procesului de polimerizare din metoda Pechini este ilustrată în Fig. 3.3. Metoda utilizează acizi organici multifuncționali de tipul acidului citric, capabil să formeze complecși stabili cu ionii metalici, și un diol – etilen glicol – care are rol de solvent pe parcursul etapei de complexare, iar ulterior participă la reacția de poliesterificare cu formarea unei rețele polimerice tridimensionale ce încorporează complecșii metalici [86].

Fig. 3.3. Reacțiile chimice implicate în sinteza Pechini

Pe parcursul etapei inițiale de creștere a polimerului soluția asigură mediul necesar prevenirii segregării cationilor, pentru ca mai târziu rețeaua polimerică relativ rigidă să capteze cationii și să conserve omogenitatea inițială a soluției. După finalizarea polimerizării și evaporarea excesului de solvent, matricea polimerică a gelului este oxidată cu formarea de aerogel, alcătuit din oxizi și carbonați [87].

Tehnici de caracterizare a pulberilor și sinterizatelor

Difracția de raze X (XRD)

Deoarece difracția de raze X (XRD) este utilizată în analiza structurii cristaline, compoziției chimice și proprietăților fizice ale materialelor policristaline, această tehnică a devenit baza caracterizării materialelor.

Cristalele fiind aranjamente periodice ale atomilor, fasciculul de raze X direcționat către acestea interacționează cu electronii lor; aceștia au rol de sursă secundară de radiație electromagnetică de aceeași frecvența și fază cu razele X incidente. Interferența constructivă a radiațiilor emise de diverși atomi conduce la apariția unor picuri de difracție. Difractograma de raze X este produsul structurii cristaline unice a unui material. Celula elemetară este unitatea repetitivă de bază care definește structura cristalină. Sistemul de cristalizare descrie forma celulei elementare, în timp ce parametrii de rețea descriu dimensiunea celulei elementare. Prin repetarea celulei elementare în cele trei dimensiuni ale spațiului se obțin granule macroscopice sau cristale ale materialului.

Picurile de difracție sunt asociate cu planele de atomi din structura cristalină, pentru identificarea diverselor plane utilizându-se indicii Miller (hkl). Poziția și intensitatea picurilor din difractogramă sunt determinate de structura critalină a materialului. Mai exact, poziția picurilor de difracție este determinată de distanța dintre planele paralele de atomi.

Legea lui Bragg permite calcularea unghiului la care se produce interferența constructivă a razelor X difractate de planele paralele de atomi (Fig. 3.4.):

în care este lungimea de undă a razelor X, iar dhkl este distanța dintre planele paralele de atomi din familia (hkl). dhkl este o funcție geometrică de dimensiunea și forma celulei elementare.

Fig. 3.4. Interferența constructivă în cazul planelor paralele de atomi situate la distanța dhkl

Investigarea structurii cristaline a pulberilor policristaline și a pastilelor sinterizate a fost realizată cu un difractometru SmartLab de la Rigaku (Fig. 3.5.).

Fig. 3.5. Difractometrul de raze X SmartLab de la Rigaku

Măsurătorile au fost realizate în geometria Bragg-Brentano, instrumentul fiind de tip : (proba este fixă, iar tubul de raze X și detectorul 1D se rotesc cu aceeași viteză unghiulară /min), în intervalul 2 = 20-120, cu o viteză de 0,2953 sec/pas și un pas de 0,02. Tubul de raze X cu țintă de Cu, cu radiație CuK cu lungimea de undă 1,54059 Å, a operat sub o tensiune de 40 kV și la un curent de 30 mA.

Difracția de raze X a fost utilizată pentru identificarea fazelor cristaline, precum și pentru determinarea parametrilor de rețea, a dimensiunii cristalitelor și a compoziției de fază a probelor investigate (pulberi calcinate și pastile sinterizate), astfel:

Identificarea fazelor cristaline s-a efectuat utilizând programul PDXL de la Rigaku și baza de date cristalografice ICSD.

Parametrii de rețea și compoziția de fază a probelor investigate s-au determinat prin pattern matching, utilizând softul FullProf.

Dimensiunea cristalitelor s-a calculat cu ecuația lui Scherrer [88], utilizând parametrii peek-ului cel mai intens, cu indicii Miller (1 1 1), situat la 2 30,1:

în care K este constanta lui Scherrer, cu valoarea 0,89 pentru cristalite sferice cu simetrie cubică; – lungimea de undă a radiației CuK (1,54 Å), – lărgimea picului de difracție la semi-înălțimea sa (rad); – unghiul Bragg.

Spectroscopia Raman

Spectroscopia Raman a fost utilizată ca o tehnică complementară difracției de raze X, pentru identificare fazelor cristaline prezente în pulberile calcinate și în pastilele sinterizate, precum și a proporției acestora.

Spectroscopia Raman utilizează o radiație monocromatică cu o anumită lungime de undă și detectează radiația împrăștiată de molecule, ce diferă de radiația incidentă printr-o unitate vibrațională de energie. În cazul împrăștierii Raman, lumina interacționează cu moleculele și distorsionează (polarizează) norul de electroni din jurul nucleelor, formându-se o stare cu timp de viață scurt, numit ”stare virtuală”. Această stare nu este stabilă și fotonul este re-emis rapid. Variațiile de energie detectate în spectroscopia vibrațională sunt cele necesare producerii mișcării nucleare. Dacă în procesul de împrăștiere este implicată numai distorsiunea norului electronic, fotonii vor fi împrăștiați cu o variație foarte mică a frecvenței, deoarece electronii sunt mai ușori. Acest proces de împrăștiere este privit ca împrăștiere elastică și este procesul dominant. În cazul moleculelor acesta poartă numele de împrăștiere Rayleigh. Dacă în procesul de împrăștiere este indusă mișcarea nucleelor, energia va fi transferată fie de la fotonul incident l moleculă, fie de la moleculă la fotonul împrăștiat. În aceste cazuri procesul este inelastic și energia fotonului împrăștiat este diferită de cea a fotonului incident printr-o unitate vibrațională, împrăștierea fiind de tip Raman. Acesta este un proces slab, deoarece numai unul din 106-108 fotoni este împrăștiat Raman. Aparatele moderne dotate cu laseri și microscoape performante pot furniza densități de putere mari pentru probe foarte mici; pot apărea însă procese secundare nedorite precum degradarea probei sau apariția fenomenului de fluorescență.

În Fig. 3.6 sunt prezentate procesele fundamentale care au loc pentru fiecare act vibrațional. La temperatura camerei, majoritatea moleculelor prezintă cel mai scăzut nivel energetic vibrațional. Deoarece starea virtuală nu reprezintă o stare reală a moleculei, ci este creată în urma interacției radiației laser cu electronii, energia acestei stări este determinată de frecvența sursei de lumină utilizate. Procesul Rayleigh va fi cel mai intens, deoarece majoritatea fotonilor sunt împrăștiați în acest mod, nefiind implicat un schimb de energie. Procesul de împrăștiere Raman de la starea vibrațională fundamentală i conduce la absorbția de energie de către o moleculă și trecerea acesteia la o stare energetică vibrațională excitată, de energie mai mare, f. Aceasta este numită împrăștiere Stokes.

Fig. 3.6. Diagrama energetică a procesului de împrăștiere de tip anti-Stokes, Rayleigh și Stokes

Datorită energiei termice, unele molecule se pot afla inițial într-o stare excitată, iar revenirea la starea fundamentală f este numită împrăștiere anti-Stokes și împlică transferul de energie către protonul împrăștiat.

S-a folosit un microscop Raman confocal inVia de la Renishaw (Fig. 3.7.). Proba s-a iluminat cu o radiație monocromatică cu lungimea de undă de 532 nm, puterea laserului fiind de 25 mW.

Spectrul Raman poate fi privit ca o amprentă a unui material dat. El poate furniza atât informații calitative, cât și informații cantitative.

Fig. 3.7. Microscopul confocal Raman inVia (Renishaw)

Datorită spectrelor vibraționale diferite ale fazelor tetragonală și monoclinică ale zirconiei, spectroscopia Raman a fost utilizată pentru cuantificarea fracției de zirconia monoclinică relativă la cea tetragonală, conform ecuației [89-91]:

în care: Xm este fracția de fază monoclinică din zirconie, I este intensitatea benzilor Raman caracteristce fazelor monoclinică (m) și tetragonală (t); indicii superiori din paranteze indică poziția benzilor Raman caracteristice (cm-1) [89-91].

Microscopia electronică cu baleiaj cuplată cu spectrometrie de raze X cu dispersie după energie (SEM/EDS)

Morfologiile pulberilor calcinate și ale pastilelor sinterizate au fost evidențiate cu ajutorul microscopului electronic cu baleiaj, de rezoluție ultra-înaltă SU8010 de la Hitachi. Având atașat un detector EDS de la Oxford Instruments, microscopul permite, de asemenea, analiza elementală semicantitativă a probelor.

Microscopul electronic cu baleiaj (SEM) produce imagini prin baleierea unui fascicul de electroni cu energie mare pe suprafața probei. În urma interacției electronilor cu proba rezultă electroni secundari, electroni retro-împrăștiați și raze X caracteristice (Fig. 3.8.). Aceștia sunt colectați de unul sau mai mulți detectori pentru a forma imagini care sunt proiectate pe un ecran. Când fasciculul de electroni lovește suprafața probei, el penetrează proba pe o adâncime de câțiva microni, în funcție de tensiunea de accelerare și de densitatea probei.

Figura 3.8. Prezentarea schematică a interacției electronilor cu proba

(prelucrare după [92])

Rezoluția maximă depinde de numeroși factori, precum dimensiunea spotului și volumul interacției fasciculului de electroni cu proba. Microscopul electronic SU8010 de la Hitachi are o rezoluție de 20 nm (Fig. 3.9.).

Figura 3.9. Microscopul electronic cu baleiaj SU8010 de la Hitachi

În scopul evidențierii morfologiei probelor sinterizate, acestea au fost lustruite prin polișare cu hârtie de SiC de 800 gritt și 1200 gritt, urmată de tratament termic la 1200C timp de 1 h pentru o mai bună evidențiere a granițelor dintre granule. Imagistica a fost realizată utilizând o tensiune de accelerare de 2 kV și o distanță de lucru de 8 mm, în timp ce analiza EDS s-a realizat la o tensiune de accelerare de 15 kV și o distanță de lucru de 15 mm.

Dilatometrie

Dilatometria este o tehnică ce permite identificarea temperaturii optime de sinterizare a pulberilor prin determinarea modificărilor dimensionale ale materialelor în funcție de temperatură. Măsurătorile au fost efectuate într-un dilatometru orizontal Linseis L75PT, în aer static, în domeniul de temperatură cuprins între temperatura camerei și 1400C (Fig. 3.10.).

Figura 3.10. Dilatometrul orizontal L75PT de la Linseis

Vitezele de încălzire și răcire au fost de 10C/min (Fig. 3.11). Pulberile au fost în prealabil presate într-o matriță de inox cu diametrul de 5 mm, obținându-se bare cu lungimea de aprox. 7 mm.

Figura 3.11. Înregistrarea profilului de temperatură utilizat în măsurătorile dilatometrice

Dilatometrul a înregistrat variația lungimii probei cu temperatura în domeniul investigat.

Testarea biocompatibilității

Din cele trei mase ceramice experimentale sintetizate în cadrul Laboratorului INCESA al Universității din Craiova (ZY, ZYA, ZYF) au fost preparate câte zece discuri cu un diametru de 5 mm și o grosime de 2 mm pentru fiecare masă ceramică experimentală. Pentru acest studiu am constituit trei loturi de studiu, formate fiecare din câte cinci animale de laborator, șobolani rasa Wistar, de sex masculin, cu greutăți cuprinse între 250 – 350 grame și vârste cuprinse între 60-90 de zile, la care au fost implantate câte un disc subcutanat și un disc submucos.

În vederea comparării rezultatelor obținute au fost constituite trei loturi de control formate din câte cinci animale de laborator, de aceeași rasă, sex, greutate și vârstă la care au fost inserate submucos discuri de aceleași dimensiuni confecționate din trei produse comerciale pe bază de oxid de zirconiu: ZS – ZircoStar (Kerox Dental, Hungary), PZ – Prettau Zirconia (Zirkonzahn,Italy), TZ -Tizian Zirconia (Schütz-Dental, Germany) [93].

Fig. 3.12. Aspect din cursul implantării probelor

Procedurile chirurgicale au fost realizate sub anestezie generală folosind Ketamidor100 mg/mL 20 IU (0.2 mL) și Xilazyn Bio 2% 0.3 mL completată cu anestezie locală cu xilină 2/% în cadrul Biobazei Universității de Medicină și Farmacie din Craiova, protocolul studiului primind avizul Comisiei de Etică a UMF Craiova nr. 141/16.05.2017. (Anexa 1)

După administrarea intraperitoneală a anesteziei generale animalul de laborator a fost așezat pe masa de operație, deasupra unei plăcuțe cu temperatură constantă și a fost dezinfectată cu alcool iodat și rasă zona cervicală posterioară (Fig.3.13.).

Fig3.13 Pregătirea câmpului operator în vederea implantării discului ceramic subcutanat

S-a realizat o completare a anesteziei cu o anestezie locală cu xilină 2%.

A fost realizată o incizie la nivelul pielii pe linia mediană în zona cervicală posterioară (Fig.3.14.), iar fragmentul de masă ceramică a fost plasat prin dilacerarea țesutului conjunctiv subcutanat (Fig.3.15.). Sutura a fost realizată cu fire separate neresobabile 3.0. (Fig.3.16.).

Fig. 3.14. Realizarea inciziei la nivel cutanat

Fig.3.15. Plasarea discului ceramic subcutanat

Fig. 3.16. Sutura plăgii cutanate

Pentru inserarea la nivelul cavității orale a fost aleasă zona retroincisivă, care la șobolan prezintă un spațiu edentat (Fig.3.17.). S-a procedat în mod similar la plasarea probei de masă ceramică submucozal (Fig.3.18.) după o incizie mică a mucoasei, iar sutura a fost realizată în această zonă cu fir neresorbabil 5.0 (Fig.3.19.).

Fig.3.17. Realizarea accesului pentru plasarea submucozală a discului ceramic

Fig. 3.18. Plasarea discului ceramic submucos

Fig. 3.19 Sutura plăgii intraorale

Animalele de laborator au fost menținute sub observație în cuști separate unele de altele și marcate pe loturi. Cuștile au fost bine ventilate, cu o alternanță de 12 ore lumină/întuneric, fiind menținute la o temperatură de 25±1°C.și alimentate conform unei diete standard cu hrană standard nutreț combinat granulat, și cu apă ad libitum. Pentru fiecare animal a fost ținută o evidență a experimentului la care a fost supus, datele fiind trecute într-un registru unic.

După șase săptămâni de la momentul inserării materialului ceramic, animalele de laborator au fost sacrificate, eutanasierea fiind efectuată conform standardelor în vigoare prin administrarea unei supradoze anestezice. Eutanasierea animalelor de laborator a fost efectuată conform standardelor în vigoare prin administrarea unei supradoze anestezice.

Fig. 3.20. Aspectul unei probe recoltate la 6 săptămâni după implantare

Prima metodă de evaluare a fost reprezentată de examinarea clinică directă, realizată imediat după eutanasierea animalelor de laborator în vederea preparării probelor pentru studiul histologic. O minimă, dar atentă, observație clinică directă a aspectului zonei materialului inserat poate permite evidențierea absenței/prezenței zonelor de inflamație, a eventualelor aderențe tisulare, absența/prezența reacțiilor proliferative locale[85,93].

Proba de masă ceramică a fost apoi extrasă împreună cu un fragment reprezentativ din structurile tisulare adiacente după o prealabilă secționare a acestora cu bisturiul la distanță de cel puțin 1 cm de materialul inserat (Fig.3.20.). După recoltare, piesele au fost trecute imediat în vase de sticlă adecvate ca volum și dimensiuni, într-o soluție de formol neutru 10%. Am ales acest fixator deoarece este relativ ieftin, are putere mare de penetrare în materialul biologic, dă puține precipitate, nu alterează culoarea și structura preparatelor, permite realizarea a mai multor colorații și este foarte puțin toxic pentru persoanele care-l utilizează. Am avut grijă ca volumul soluției fixatoare să fie de cel puțin 30-35 ori mai mare decât volumul piesei de fixat.

După fixare fragmentele tisulare au fost detașate cu grijă de pe suprafața probei ceramice și apoi prelucrate, în continuare, în tehnica histologică clasică pentru includerea la parafină, tehnică care a permis efectuarea unor secțiuni seriate de 3-5µ grosime și care este de fapt cea mai utilizată tehnică în laboratoarele de histologie și histopatologie. Probele au fost deshidratate in grade crescătoare de alcool (50%,75%,100%) curățate cu xilină și apoi înglobate în parafină. Probele înglobate în parafină au fost tăiate seriat în secțiune transversală cu grosimea de 5 microni și montate pe lamele de sticlă. Secțiunile au fost de-parafinizate, hidratate și colorate cu hematoxilină-eozină, cea mai utilizată metodă de evidențiere a țesuturilor și cu tricromicul Goldner- Szekely.

Secțiunile au fost apoi examinate cu ajutorul microscopului Olympus CX 20 atașat la un aparat de fotografiat si calculator.

REZULTATE

3.3.1 Caracterizarea unor mase ceramice comerciale utilizate în laboratorul de tehnică dentară

Difractogramele de raze X ale pulberilor ceramicilor comerciale VM13, VMK Master, VM9, două pulberi pentru dentină (D -dentine)și o pulbere pentru smalț ( EN-enamel) pentru fiecare produs comercial, dar și pentru câte o probă (Tooth) asemănătoare unei proteze dentare obținută prin sinterizarea în cuptorul de ceramică din laboratorul de tehnică dentară conform instrucțiunilor producătorului, sunt prezentate în figurile 3.21-3.23. În toate probele studiate din pulberi precursoare fazele detectate au fost de leucit și cuarț. Toate probele sinterizate au prezentat modificări structurale și în compoziția fazelor.

Fig. 3.21 Difractograma de raze X pentru pulberile precursoare ale ceramicii MC_VM13 și pentru structura protetică dentară sinterizată

Fig. 3.22 Difractograma de raze X pentru pulberile precursoare ale ceramicii MC _VMKMaster și pentru structura protetică dentară sinterizată

Fig. 3.23 Difractograma de raze X pentru pulberile precursoare ale ceramicii Zr_VM9 și pentru structura protetică dentară sinterizată

Spectroscopia Raman a arătat prezența structurii monoclinice (grup de spațiu C1 2/m1) caracteristică aluminosilicatului de sodiu și potasiu (ICSD card 9583 (Fig.3.24.- 3.26.).

Fig.3.24 Spectrul Raman pentru pulberile precursoare ale ceramicii MC_VM13 și pentru structura protetică dentară sinterizată

Fig.3.25 Spectrul Raman pentru pulberile precursoare ale ceramicii MC _VMKMaster și pentru structura protetică dentară sinterizată

Fig.3.26 Spectrul Raman pentru pulberile precursoare ale ceramicii Zr_VM9 și pentru structura protetică dentară sinterizată

Chiar dacă analiza EDXS a pus în evidență unele diferențe în compoziția maselor ceramice convenționale studiate, a oferit predominant compoziția chimică a cristalelor prismatice corespunzătoare feldspatului de potasiu. Examinarea cu ajutorul microscopiei electronice de scanare a permis observarea de cristale cu dimensiuni diferite grupate în mănunchiuri distribuite neuniform în cadrul matricei materialului cu un aspect ramificat characteristic (Fig.3.27. – 3.29).

Fig. 3.27 Aspectul morfologiei electronomicroscopice și compoziția determinată prin analiza EDXS pentru pulberile precursoare ale ceramicii MC_VM13 și pentru structura protetică dentară sinterizată ( de sus în jos : Base Dentin, Transparent Dentin, Enamel, structura protetică)

Fig. 3.28 Aspectul morfologiei electronomicroscopice și compoziția determinată prin analiza EDXS pentru pulberile precursoare ale ceramicii MC _VMKMaster și pentru structura protetică dentară sinterizată ( de sus în jos : Opaque Dentin, Master Dentin, Enamel, structura protetică)

Fig. 3.29 Aspectul morfologiei electronomicroscopice și compoziția determinată prin analiza EDXS pentru pulberile precursoare ale ceramicii Zr_VM9 și pentru structura protetică dentară sinterizată ( de sus în jos : Base Dentin, Transparent Dentin, Enamel, structura protetică)

3.3.2 Caracterizarea pulberilor ceramice experimentale

3.3.2.1. Analiza structurală prin difracție de raze X

Difractogramele de raze X ale pulberilor experimentale calcitate și rezultatul rafinării datelor experimentale cu ajutorul softului FullProf sunt prezentate în figurile 3.30 -3.32 . În difractograme se pot observa numai peek-urile caracteristice fazei tetragonale (grup de spațiu P 42/n m c, ICSD file 70049). Parametrii de rețea ai probelor investigate au fost determinați prin pattern matching, calculându-se tetragonalitatea fiecărei probe (Tabelul 3.1.). Pe baza raportului parametrilor de rețea se pot distinge două faze cristaline tetragonale: (i) faza t transformabilă, cu un raport și (ii) faza t’ metastabilă (non-transformabilă, cu un raport Rafinarea datelor de difracție de raze X a evidențiat numai prezența fazei t’ în pulberile calcinate obținute în acest studiu (Tabelul 3.1.).

Valorile obținute pentru dimensiunea cristalitelor sunt prezentate în Tabelul 3.1. Cele trei pulberi calcinate sunt nanocristaline, dimensiunea cristalitelor fiind de ordinul 4-5 nm.

Fig. 3.30 Difractograma de raze X experimentală și rezultatul rafinării acesteia pentru pulberea ZY calcinată

Fig.3.31 Difractograma de raze X experimentală și rezultatul rafinării acesteia pentru pulberea ZYA calcinată

Fig. 3.32 Difractograma de raze X experimentală și rezultatul rafinării acesteia pentru pulberea ZYF calcinată

Tabelul 3.1. Parametrii structurali ai pulberilor calcinate

3.3.2.2. Analiza morfologică și chimică a pulberilor calcinate

Morfologia pulberilor calcinate a fost evidențiată cu ajutorul microscopiei electronice cu baleiaj, în timp ce analiza chimică s-a efectuat prin EDXS. Imaginile SEM și spectrele EDXS sunt prezentate în figurile 3.33 -3.35.

Fig.3.33. Imaginile SEM și spectrul EDXS pentru pulberea calcinată ZY

Fig. 3.34. Imaginile SEM și spectrul EDXS pentru pulberea calcinată ZYA

Din punct de vedere morfologic, toate cele trei pulberi au aspectul caracteristic materialelor oxidice obținute prin metoda sol-gel, în urma unui tratament termic. Pulberile sunt alcătuite din granule nanometrice, aglomerate în structuri cu dimensiuni de ordinul câtorva micrometri.

Fig.3.35. Imaginile SEM și spectrul EDXS pentru pulberea calcinată ZYF

În ceea ce privește compoziția chimică, toate cele trei probe au prezentat, pe lângă cationii de interes și oxigen, și un conținut ridicat de carbon și de clor. Reziduurile de carbon provin din agenții de complexare și polimerizare de natură organică utilizați în sinteză, pe când clorul provine din precursorul de zirconiu (ZrCl4). Analiza elementală a fost realizată în cel puțin cinci puncte pentru fiecare probă, valorile medii ale concentrațiilor relative ale speciilor chimice identificate fiind prezentate în Tabelul 3.2.

Tablelul 3.2 Compoziția elementală a pulberilor calcinate

3.3.2.3. Analiza dilatometrică a pulberilor

În figura 3.36 sunt prezentate curbele de contracție cumulativă și de variație a vitezei de contracție cu temperatura obținute prin măsurători dilatometrice în condiții neizoterme, utilizând o viteză de încălzire de 10C/min. Pot fi identificate trei etape în procesul de contracție a pulberilor compactate. Prima etapă începe la aproximativ 580C pentru toate pulberile și atinge un maximum la aprox. 695C pentru proba ZY (0,18%/min). Adaosul de aluminiu sau fier conduce la o deplasare a primului maxim al vitezei de contracție către temperaturi mai mari (740C), în timp ce viteza de contracție nu variază semnificativ (0,15%/min pentru proba ZYA și, respectiv 0,19%/min pentru proba ZYF). Cea de-a doua etapă de contracție are un maxim centrat la aproximativ 1050C pentru toate probele, cu cea mai mare valoare pentru proba ce conține aluminiu (0,73%/min, comparativ cu 0,26%/min pentru proba ZY și, respectiv, 0,59%/min pentru proba ZYF). Cea de-a treia etapă de contracție a probei ZY are un maxim ce depășește limita superioară a domeniului de temperatură investigat (1400C), în timp ce proba substituită cu fier este caracterizată de cea mai mare valoare a vitezei de contracție (0,34%/min la 1053C). Proba ZYA are o viteză de contracție maximă în etapa a treia de 0,19%/min la 1388C.

Fig.3.36. Evoluția contracției cumulative (a) și a vitezei liniare de contracție (b) cu temperatura în aer static

3.3.3 Caracterizarea materialelor ceramice experimentale sinterizate

Pastilele tratate termic la 1300C timp de 10 h au fost investigate din punct de vedere structural prin difracție de raze X și spectroscopie Raman, iar din punct de vedere morfologic și al compoziției chimice prin SEM/EDS.

3.3.3.1. Analiza prin difracție de raze X

Difractogramele de raze X pentru pastilele sinterizate și rezultatele rafinării sunt prezentate în figurile 3.37 -3.39. Rafinarea datelor de difracție de raze X a relevat co-existența a trei faze cristaline în pastilele sinterizate: două faze tetragonale (t și t’) și o fază cubică (c). Adaosul de aluminiu și fier a condus la o scădere a conținutului de fază t și la creșterea conținutului fazelor c și t’, precum și a caracterului tetragonal al fazelor t și t’ (Tabelul 3.3). În urma tratamentului termic s-a observat o scădere a lărgimii peek-urilor, ceea ce indică creșterea dimensiunii cristalitelor. În plus, adaosul de fier a determinat creșterea densității practice a pastilei sinterizate, în timp ce adaosul de aluminiu duce la scăderea densității practice a sinterizatului (Tabelul 3.3).

Fig.3.37. Difractograma de raze X experimentală și rezultatul rafinării acesteia pentru pastila ZY sinterizată

Fig.3.38. Difractograma de raze X experimentală și rezultatul rafinării acesteia pentru pastila ZYA sinterizată

Fig. 3.39. Difractograma de raze X experimentală și rezultatul rafinării acesteia pentru pastila ZYF sinterizată

Tabel 3.3 Conținutul fazelor cristaline și parametrii structurali și morfologici ai pastilelor sinterizate

3.3.3.2. Analiza prin spectroscopie Raman

Cele trei probe sinterizate prezintă peek-urile caracteristice oxidului de zirconiu tetragonal, localizate la aproximativ 145, 268, 314, 463, 604 și 639 cm-1, în timp ce banda caracteristică formei cubice a zirconiei este centrată la aproximativ 616 cm-1 (Fig. 3.40). Banda caracteristică formei cubice a oxidului de zirconiu se suprapune peste cele două benzi adiacente largi ale fazei tetragonale pentru toate cele trei probe investigate. Aceste rezultate sunt în acord cu rezultatele analizei prin difracție de raze X.

Fig. 3.40. Spectrele Raman ale pastilelor sinterizate

3.3.3.3. Evaluarea SEM/EDXS

Morfologia probelor sinterizate a fost evidențiată prin microscopie electronică cu baleiaj (Fig 3.41.,Fig. 3.44., Fig. 3.47.).

Hărțile EDXS au relevat o distribuție uniformă a cationilor în matricea gazdă (Fig 3.42.,Fig. 3.45., Fig. 3.48.), în timp ce distribuția dopanților (Y, Al, Fe) în matricea gazdă a oxidului de zirconiu a fost evaluată prin spectrul sumă EDXS (Fig 3.43.,Fig. 3.46., Fig. 3.49.).

Se poate observa faptul că prin co-doparea oxidului de zirconiu stabilizat cu ytriu cu aluminiu sau fier microstructura sa este afectată semnificativ. Astfel, adaosul de aluminiu conduce la o scădere a dimensiunii medii a granulelor, în timp ce utilizarea fierului drept co-dopant determină creșterea dimensiunii granulelor (Fig 3.41. – 3.49. și Tabelul 3.3).

Fig.3.41. Aspect electronomicroscopic pentru pastila ZY sinterizată

Fig.3.42. Hărțile EDXS de distribuție a cationilor pentru pastila ZY sinterizată

Fig. 3.43 Spectrul EDXS sumă pentru pastila ZY sinterizată

Fig.3.44 Aspect electronomicroscopic pentru pastila ZYA sinterizată

Fig. 3.45 Hărțile EDXS de distribuție a cationilor pentru pastila ZYA sinterizată

Fig. 3.46 Spectrul EDXS sumă pentru pastila ZYA sinterizată

Fig. 3.47. Aspect electronomicroscopic pentru pastila ZYF sinterizată

Fig. 3.48. Hărțile EDXS de distribuție a cationilor pentru pastila ZYF sinterizată

Fig. 3.49. Spectrul EDXS sumă pentru pastila ZYF sinterizată

3.3.4 Evaluarea biocompatibilității unor mase ceramice comerciale

Evaluarea clinică, macroscopică a țesuturilor orale localizate în jurul eșantioanelor introduse, evaluare efectuată după eutanasia animalului de laborator în timpul recoltării probelor pentru studiul histologic, a relevat un răspuns biologic bun, cu lipsa manifestărilor inflamatorii clinice la probele colectate de la toate loturile cu mase ceramice comerciale.

Examenul histologic a arătat prezența unor semne minime de inflamație, a unei reacții de corp străin, în aproape toate probele analizate. Diferențele observate în amplitudinea și tiparul modalității de răspuns a țesutului local au fost mai puțin legate de lotul din care au făcut parte și implicit din materialul comercial din care a fost confecționată proba , ci au depins mai mult de adâncimea inserției eșantionului, prezența structurilor musculare sau a țesutului adipos în apropiere.

Fig. 3.50. Congestie vasculară și angiogeneză moderată într-o probă de țesut conjunctiv oral recoltat din jurul probei. Lotul PZ . Col. HEx100

Fig. 3.51. Aspect general al țesutului recoltat cu evidențierea unei reacții inflamatorii minime. Lotul PZ . Col. HEx100

Astfel, am întâlnit frecvent semne de inflamație locală cu intensitate diferită de la minim la moderat atât între probe, cât și în cadrul aceleiași lame, cu apariția vaselor de neoangiogeneză de calibru diferit (Fig. 3.50). Au fost identificate frecvent zone de congestie vasculară cu prezența a numeroase celule în lumenul vascular, frecvent orientate spre marginea acesteia, cu zone de edem perivascular minim până la moderat. Infiltratul celular extravascular a variat, de asemenea, de la forme minime până la moderate până la apariția unor zone de inflamație cronică cu sinteză de țesut de granulație (Fig. 3.51)

Fig. 3.52. Imagine histologică obținută din vecinătatea unei probe inserată subcutanat, în apropierea stratului muscular cu evidențierea unei reacții inflamatorii, cu fibroză colagenă ,modificari în structura fibrelor musculare și edem intracelular. Lotul ZS . Col. HEx200

Fig. 3.53. Aspect histologic în care se evidențiază organizarea țesutului conjunctiv în jurul probei inserate cu o creștere semnificativă a numărului de fibroblaști. Lotul ZS . Col. HEx200

În alte zone, am putut observa o organizare grosieră a fibrelor de colagen în jurul probelor, cu zone de edem interfibrilare, dar și zone de fibroză colagenă (Fig. 3.52- 3.53.).. În eșantioanele inserate în apropierea unor fibre musculare, am putea evidenția modificări în structura acestora, cu edem interfascicular și reacții de iritare a țesuturilor locale adiacente, oferind imaginea unui tablou inflamator cu caracter subacut sau a fibrozei colagene (Fig. 3.54- 3.55.).

Fig. 3.54. Aspect general al țesutului recoltat cu evidențierea unui edem tisular moderat în vecinătatea probei inserate Lotul TZ . Col. HEx200

Fig. 3.55. Aspect al mucoasei orale din vecinătatea probei în care se observă modul de organziare al fibrelor de colagen grosiere, in jurul fibrelor edem interfibrilar si angiogeneză. Lotul TZ . Col. GSx200

3.3.5 Evaluarea biocompatibilității maselor ceramice experimentale

Investigația histologică a probelor tisulare obținute după șase săptămâni de la introducerea în mediul biologic a discurilor din masele ceramice experimentale a arătat rezultate similare celor observate după introducerea maselor ceramice existente deja pe piață. Discurile ceramice tind să fie înconjurate de țesut conjunctiv fibros și, de obicei, nu există reacții adverse majore existând doar caracteristicile unui răspuns inflamator slab sau mediu. Pe scurt, probele experimentale pe bază de zirconia testate s-au dovedit a fi biocompatibile, chiar dacă modificările compoziționale pot influența tiparul reacțiilor țesuturilor moi.

Fig. 3.56. Aspect macroscopic al unui disc confecționat din ceramică experimentală la șase săptămâni după inserarea sa în cavitatea orală a șobolanului de laborator evidențiind aspectul clinic normal al țesuturilor moi înconjurătoare

Fig. 3.57. Imagine obținută înainte de recoltarea probelor histologice evidențiind aspectul macroscopic al unui disc confecționat din ceramică experimentală la șase săptămâni după inserarea sa subcutanată, remarcându-se aspectul clinic normal al țesuturilor înconjurătoare.

Evaluarea macroscopică a țesuturilor localizate în jurul probelor inserate, evaluare efectuată după eutanasia animalului de laborator în timpul recoltării probelor pentru studiul histologic, a relevat un bun răspuns biologic cu lipsa manifestărilor clinice de inflamație la probele colectate din toate loturile de studiu (Fig. 3.56, 3.57).

Fig. 3.58 Aspect histologic al mucoasei orale din vecinătatea discului implantat cu reactie inflamatorie in corionul superficial și o creștere a numărului de fibre de colagen. Lotul ZY . Col. HEx200

Astfel, pe eșantioanele provenite de la lotul de studiu ZY, am observat, de obicei, o reacție inflamatorie ușoară sau moderată cu microhemoragii și vase de sânge congestionate, cu o prezență semnificativă a fibrelor de colagen bine structurate la periferia secțiunii, dar parțial dezorganizate în centru (Fig.3.58, Fig. 3.59).

Fig. 3.59. Aspect histologic din vecinătatea unui disc implantat subcutanat cu o reacție inflamatorie moderată cu zone microhemoragice și vase sanguine congestionate. Lotul ZY . Col. HEx400

Pe secțiunile obținute din probele recoltate de la lotul de studiu ZYF, am observat în general reacții inflamatorii puțin mai intense decât în grupul anterior (Fig. 3.60.), dar cu o prezență mai frecventă a fibrelor de colagen, deși de obicei cu un diametru mai mic și cu o dispunere mai neomogenă. Pe secțiunile obținute din probele recoltate din vecinătatea discurilor inserate în mucoasa orală (Fig. 3.61.), a putut fi observată o reacție inflamatorie mai intensă, în special în două din cele cinci probe, constând în principal în limfocite și celule plasmatice, cu o vascularizație intensă și congestie vasculară, dar și un strat dens de lamina proprie cu fibre răsfirate. În ciuda acestui tablou inflamator mai intens microscopic la probele de mucoasă orală din grupul ZYF, examinarea clinică premergătoare nu a reținut existența unor manifestări vizibile clinic nici la acest lot.

Fig. 3.60 Aspect general al țesutului recoltat din vecinătatea unei probe inserată subcutanat, în apropierea stratului muscular cu un important edem interfibrilar. Lotul ZYF . Col. HEx100

Fig. 3.61 Aspect histologic din vecinătatea unui disc implantat în mucoasa orală cu o reacție inflamatorie amplă ,congestie vasculară cu limfocite și plasmocite,cu o vascularizație intensă în corionul profund cu fibre laxe. Lotul ZYF . Col. HEx200

Deși pe unele din secțiunile obținute din probele recoltate de la lotul de studiu ZYA, am observat o reacție de inflamație mai intensă, caracteristica lotului a fost mai degrabă inconsistența tablourilor histologice între diferitele probe ale lotului, pe un număr important de secțiuni observându-se doar aspecte histologice normale, toate acestea în aceleași condiții, a lipsei unor manifestări inflamatorii vizibile clinic. Astfel, reacția inflamatorie subcutanată masivă, cu prezența limfocitelor, plasmocitelor, dar și a macrofagelor, ar putea fi găsită mai frecvent în probele de mucoasă orală ( Fig. 3.62 și Fig. 3.63)

Fig. 3.62. Aspect general al țesutului recoltat cu o reactie inflamatorie minimă ,moderat edem interfibrilar și congestie moderată. Lotul ZYA . Col. HEx200

Fig. 3.63. Aspect histologic al mucoasei din vecinătatea discului implantat cu o reactie inflamatorie și un bogat infiltrat inflamator celular. Lotul ZYA . Col. HEx200

3.3.6 Caracterizarea maselor ceramice sinterizate după testarea in vivo

Probele extrase din mucoasa bucală a șoarecilor de laborator au fost evaluate morfologic și structural prin analiză SEM/EDXS și spectroscopie Raman.

3.3.6.1. Analiza SEM/EDXS

Morfologia probelor testate în mucoasa bucală a șoarecilor de laborator a fost investigată prin analiză SEM/EDXS. Pentru determinarea grosimii țesutului care a aderat la probe, acestea au fost secționate transversal. În figurile 3.64. – 3.66. sunt prezente imaginile SEM ale secțiunii, împreună cu rezultatele analizei EDXS de-a lungul unei drepte perpendiculare pe suprafața liberă. Imaginile SEM nu au evidențiat modificări semnificative ale morfologiei volumului probelor după inserarea în mucoasa bucală.

Spectrele EDXS rezultate după scanarea liniei perpendiculare pe suprafața liberă a probelor au arătat prezența unor specii cu carbon pe o distanță de câteva zeci de micrometri de la suprafața liberă a discurilor; alături de acestea au mai fost puse în evidență și specii de tipul Ca, Mg, P, specii captate din țesuturile din jurul probei inserate.

Fig.3.64. Imaginile SEM și analiza EDXS ”in line” pentru pastila ZY testată (variația concentrației cu distanța pentru speciile identificate și spectrul EDXS sumă)

Fig. 3.65. Imaginile SEM și analiza EDXS ”in line” pentru pastila ZYA testată (variația concentrației cu distanța pentru speciile identificate și spectrul EDXS sumă)

Fig.3.66. Imaginile SEM și analiza EDXS ”in line” pentru pastila ZYF testată (variația concentrației cu distanța pentru speciile identificate și spectrul EDXS sumă)

3.3.6.2. Investigarea structurală prin spectroscopie Raman

Înaintea testării, analizele XRD și Raman au arătat existența unor soluții solide complexe de oxid de zirconiu, cu structuri cristaline tetragonale și cubice. După șase săptămâni de la inserția în mucoasa bucală, spectroscopia Raman a evidențiat prezența fazei monoclinice indicată de apariția peek-urilor localizate la aproximativ 180 cm-1 și 190 cm-1 doar în spectrele probelor co-dopate (Fig. 3.67. – 3.69.).

În timp ce pentru proba de oxid de zirconiu stabilizat cu ytriu (ZY) faza monoclinică nu a fost evidențiată după testare, fracțiile fazei monoclinice din probele co-dopate au fost calculate ca fiind 0.09 pentru proba co-dopată cu fier (ZYF) și 0.16 pentru proba co-dopată cu aluminiu.

Fig. 3.69. Spectrele Raman ale ceramicii din lotul ZYA înainte și după testarea în mediul biologic

Investigarea prin spectroscopie Raman a probelor testate a arătat faptul că prin utilizarea unei concentrații de stabilizator de oxid de ytriu de 6 % mol proba este stabilă față de procesul LTD după expunerea la mediul agresiv al mucoasei bucale timp de șase săptămâni. Co-doparea oxidului de zirconiu stabilizat cu ytriu cu fier sau aluminiu determină o creștere a susceptibilității Y-TZP față de degradarea la temperatură joasă (LTD). În plus, proba co-dopată cu aluminiu s-a dovedit a fi cea mai susceptibilă față de procesul LTD dintre probele investigate.

DISCUȚII

Caracterizarea unor mase ceramice comerciale

Prima parte a studiului efectuat a avut drept scop analiza și caracterizarea unor mase ceramice comerciale pentru stabilirea protocolului de lucru și a condițiilor impuse de medicina dentară ca domeniu al utilizării a maselor ceramice experimentale sintetizate. În ceea ce privește materialele comerciale utilizate, conform informațiilor producătorului, VITA VMK Master este o ceramică de placare naturală din feldspat pentru aliaje convenționale (aproximativ 13,8 – 15,2 µm / mK). VITA VM 13 este o ceramică feldspatică cu o structură fină, extrem de estetică, care este perfect adaptată valorii CTE a aliajelor convenționale (aproximativ 13,8 – 15,2 µm / mK), în timp ce VITA VM 9 este o ceramică care este perfect adaptată la Valoarea CTE a structurilor de zirconia (aprox. 10,5, de exemplu, VITA YZ) [84,94]. Principalele componente ale acestor ceramici sunt feldspatul de sodiu și potasiu de o înaltă puritate, care oferă efecte fizionomice deosebite, precum și proprietăți fizice optime, cum ar fi valori foarte bune la rezistență la flexiune.

Astfel, Ivoclar Vivadent a reușit să dezvolte diferite tipuri de ceramică prin aplicarea principiilor nucleării controlate și a cristalizării. Principala provocare în acest proces a fost imitarea proprietăților optice, mecanice și chimice ale dinților naturali. Pentru a răspunde acestor cerințe, diferite mecanisme de nucleare și cristalizare trebuie dezvoltate împreună pentru a realiza faze cristaline diferite din punct de vedere chimic și care prezintă proprietăți diferite. Leucitul, de exemplu, oferă ceramicii sticloase un coeficient ridicat de expansiune termică, CTE, în timp ce faza de fluorapatită conduce la proprietăți optice benefice. Pentru a combina aceste caracteristici într-un singur material, este necesară nuclearea și cristalizarea dublă, care au fost realizate în sistemul SiO2–Al2O3–K2O–Na2O–CaO–P2O5–F [95]. De asemenea, este posibil să se pregătească o acoperire foarte subțire pe suprafața pulberii de ceramică sticloasă pentru a îmbunătăți tehnologia prelucrării suspensiei. Ceramica sticloasă formată pe bază de leucit și fluorapatită demonstrează proprietăți unice. Prezintă un CTE ridicat de aproximativ 12 • 10–6 K − 1 (100–500 ° C), precum și proprietăți de transluciditate. Acest tip de ceramică sticloasă (IPS d.SIGN®, Ivoclar Vivadent AG) este potrivit pentru placarea strubstructurilor din metal sau ceramică presată [96].

În toate probele studiate din pulberi precursoare ale maselor ceramice comerciale studiate fazele detectate au fost de leucit și cuarț. Leucitul mineral este o umplutură cristalină obișnuită în masele ceramice dentare, utilizat în concentrații relativ scăzute în porțelanurile pentru sistemele metalo-ceramice și în concentrații mai mari ca umplutură de întărire în numeroase sisteme integral ceramice. În general, cu cât proporția componentelor policristaline este mai mare, cu atât rezistența și duritatea unei mase ceramice sunt mai mari. Dezvoltarea ceramicii de substructură pentru protetica fixă reprezintă o tranziție către materialele ceramice complet policristaline [97]. Ceramicile pe bază de leucit folosite în stomatologie sunt preparate din alumosilicați alcalini foarte vâscoși, din care leucitul s-a cristalizat ca fază cristalină principală. Tehnologia de preparare separată a cristalelor de leucit și a matricei sticloase pare a fi mai potrivită (în comparație cu procedeul de ridicare a temperaturii) pentru fabricarea ceramicii cu leucit având o microstructurăa controlată, realizată prin dispersia omogenă a particulelor de leucit în matricea sticloasă. Microcompozitul final este obținut prin sinterizarea acestor două faze. Această tehnologie asigură controlul reproductibil al microstructurii ceramicii pe bază de leucit, care este necesară pentru a îmbunătăți rezistența la fractură. Etapa fundamentală pentru o utilizare extensivă a acestei tehnologii constă în sinteza reproductibilă a leucitului [98].

Majoritatea maselor ceramice pentru restaurările metal-ceramice sunt compuse din cristale de leucit dispersate într-o matrice sticloasă. Leucitul are un coeficient ridicat de expansiune termică (CTE) și crește expansiunea termică globală a masei ceramice, ceea ce duce la o compatibilitate termică cu scheletele metalice. Cantitatea de leucit și cantitatea și compoziția sticlei determină decisiv CTE-ul produsului final [99]. De asemenea, și alte studii au relevat faptul că feldspatul de potasiu poate fi produs din leucită în exces de SiO2, care există atât în faza amorfă, cât și sub formă de cuarț [100].

Analiza EDXS a maselor ceramice observate în acest studiu a oferit predominant compoziția chimică a cristalelor prismatice corespunzătoare feldspatului de potasiu Deși sanidina, faza stabilă a feldspatului de potasiu la temperatura camerei poate fi precipitată în anumite tratamente termice și în special în cazul ceramicilor dentare cu punct scăzut de fuziune [101], și leucitul s-a observat că se poate transforma în polimorful sanidin al feldspatului în timpul tratamentelor termice în intervale de ardere obișnuite a porțelanurilor dentare [102]. Pentru ceramica feldspatică poate fi observată o creștere a conținutului de leucit după sinterizare. Această creștere a conținutului cristalin a fost atribuită creșterii cristaline a nucleelor de leucit care sunt prezente în pulberile precursoare [103]. În porțelanul pe bază de leucit, cea mai mare parte a fazei cristaline este introdusă în compoziția ceramică fuzată și o cristalizare suplimentară necontrolată poate apărea în timpul procedurilor de ardere folosite în laboratoarele de tehnică dentară [104,105].

Analiza efectuată în acest studiu prin spectroscopie Raman a arătat prezența structurii monoclinice caracteristică aluminosilicatului de sodiu și potasiu, iar examinarea cu ajutorul microscopiei electronice de scanare a permis observarea de cristale cu dimensiuni diferite grupate în mănunchiuri distribuite neuniform în cadrul matricei materialului cu un aspect ramificat caracteristic. Un studiu din 2016 realizat pe o ceramică dentară CAD-CAM a arătat pentru proba ceramică de feldspat două peek-uri de cristalizare, cu vârfuri identificate drept „a” și „b”, cu vârful „a” corespunzător unui aluminosilicat de sodiu și potasiu (Al8K2Na6O34Si9) și vârful „ b ” corespunzător unui aluminosilicat de potasiu și sodiu (AlK0.29Na0.71O8Si3) [106]. Și alte descoperiri raportate în literatura de specialitate au arătat microstructura pe bază de aluminosilicat de potasiu și sodiu, cu granule de aproximativ 4 µm pentru ceramica dentară feldspatică [107,108].

Evoluția ceramicii dentare în ultimii 30 de ani este una dintre cele mai interesantă din punct de vedere al ingineriei biomedicale. Introducerea ceramicii pe bază de oxid de zirconiu a deschis o gamă largă de aplicații medicale în general și stomatologice în partciular, de neconceput, acum 30 de ani. Există totuși un consens legat de prudența necesară pentru selectarea celei mai ridicate calități a produselor și respectarea strictă a recomandărilor producătorilor, cu o atenție specială asupra temperaturii de sinterizare [109-112].

Caracterizarea pulberilor experimentale

Difracția de raze X și rafinarea datelor experimentale obținute cu această tehnică constituie instrumente eficiente de evaluare a parametrilor structurali și a compoziției de fază pentru polimorfele zirconiei stabilizate [113].

Solubilitatea metalelor în oxidul de zirconiu stabilizat cu ytriu a fost investigată atât experimental, cât și computațional. În general, s-a observat că solubilitatea depinde de temperatură, dar în cazul metalelor tranziționale aceasta depinde și de presiunea parțială a oxigenului, datorită capacității acestora de a-și modifica starea de oxidare odată cu presiunea parțială a oxigenului. În plus, solubilitatea depinde de raza ionică și de valența ionului metalic dopant [114]. Un alt factor important în ceea ce privește solubilitatea dopanților în oxidul de zirconiu este reprezentat de metoda de obținere a oxizilor micști. Procedeul sol-gel permite obținerea unor soluții solide cu un conținut mai mare de dopant comparativ cu procedeul clasic bazat pe reacția solid-solid. Viazzi și colab. au atribuit formarea fazei t’ dimensiunii mici a granulelor din pulberile pe bază de zirconia obținute prin procedeul sol-gel [115].

În tabelul 4.1 sunt prezentate razele ionice după Shanon [116]. Se observă că ionii de aluminiu și fier trivalenți au raze ionice inferioare celei corespunzătoare cationului gazdă (Zr4+ octa-coordinat). Doparea oxidului de zirconiu cu Y3+, precum și co-doparea cu aluminiu și fier determină stabilizarea fazei tetragonale transformabile la temperatura camerei. Aceasta se datorează formării unor soluții solide cu oxidul gazdă, indicată de scăderea parametrilor de rețea, în acord cu valorile mai mici ale razelor ionice corespunzătoare ionilor de aluminiu și fier.

Tabelul 4.1. Razele ionice ale cationilor gazdă și dopanți[116]

Procedeul sol-gel utilizat la obținerea oxizilor solizi micști din acest studiu permite amestecarea la scară moleculară a cationilor precursori, permițând astfel obținerea unei solubilități mai mari a dopanților în structura cristalină gazdă de oxid de zirconiu. Electroneutralitatea locală se menține prin generarea unei vacanțe (un gol) de oxigen pentru doi cationi trivalenți de dopant, conform următoarelor reacții scrise în notația Kröger-Vink:

D_2 O_3 □(→┴( ZrO_(2 ) ) 2D_Zr^'+V_O^(∙∙)+2O_(2(g)) )

Literatura de specialitate indică faptul că faza cristalină dominantă în oxidul de zirconiu dopat depinde, pe lângă tipul și concentrația dopantului, și de metoda de sinteză. Metodele chimice de sinteză din soluție conduc, de obicei, la oxizi de zirconiu micști cu structură cristalină cubică sau tetragonală [117]. Datorită lărgimii mari a peek-urilor caracteristice pulberilor nanocristaline, este dificilă diferențierea între fazele cubică și tetragonală. De aceea, rafinamentul Rietveld al datelor de difracție de raze X este esențial pentru obținerea unor informații structurale detaliate referitoare la pulberile nanocristaline de zirconie dopată [118].

Prezența soluției solide de zirconia cu structură tetragonală în probele dopate cu 3% și 5 % mol Al2O3 și a fazei cubice pure de soluție solidă de zirconia în pulberea dopată cu 15% mol Al2O3 confirmă faptul că Al3+ se comportă similar cu Y3+. Acesta din urmă formează soluții solide de zirconia tetragonală la niveluri scăzute de dopant (aproximativ 3% mol Y2O3) și soluții solide cu structură cubică la niveluri mai ridicate de dopant (peste 6% mol Y2O3) [119]. Deși există unele similarități între ionii Al3+ și Y3+ utilizați ca dopanți în oxidul de zirconiu, trebuie menționat faptul că soluțiile solide tetragonale sau cubice ale zirconiei în sistemul Al2O3/ZrO2 sunt metastabile la toate temperaturile. În schimb, soluțiile solide corespunzătoare sistemlui Y2O3/ZrO2 sunt stabile termodinamic la temperaturi mari și metastabile la temperaturi joase. Studiile au arătat că fracția de ioni Al3+ ce ocupă centrii Zr în structura tetragonală este egală cu nivelul de dopare numai în cazul nanopulberilor cu un conținut scăzut de alumină și pentru proba cu 15% mol Al2O3 tratată termic la temperaturi mai mici de 700 0C. În pulberile puternic dopate, tratate la temperaturi mai mari, numai o parte din ionii Al3+ ocupă centrii de Zr, independent de concentrația aluminei dopante, evidențiind astfel o limită de solubilitate de aprox. 15% mol Al2O3 [120].

La concentrații mici de alumină, ionii Al3+ substituie aleator unii ioni de Zr4+, fiind generate goluri de oxigen pentru menținerea electroneutralității locale și formându-se o structură cristalină. În schimb, la concentrații mari de alumină se formează o structură amorfă, mai dezordonată, constând din unități Al-O-Al mai mari decât cele prezise statistic în soluția solidă. Granița dintre structurile amorfe și cele cristaline depinde de condițiile de sinteză [121].

În cazul utilizării Fe drept dopant, utilizând metoda freeze-drying, de Souza și colab. au arătat că o concentrație de dopant de cel mult 9% ar conduce la obținerea fazei tetragonale a oxidului de zirconiu, în timp ce la o concentrație de 30% s-a observat apariția fazei secundare de hematit. La concentrații de fier cuprinse între 15 și 30% at faza stabilă a fost cea cubică [122]. Deși fierul are o solubilitate bună, acesta formează clusteri de defecte alcătuiți dintr-o pereche de atomi de fier substituționali și un gol de oxigen.

Un studiu din 2020 a arătat că introducerea Fe3+ și Y3+ în rețeaua ZrO2 poate crește numărul de goluri de oxigen prin îmbunătățirea reacțiilor de substituție cu Zr4+ [123]. Dezordinea structurală crescută prin doparea cu concentrații mai mari de Y2O3 poate fi susținută de capacitatea ionilor Fe2+ de a crea ioni de oxigen nelegați, care în etapa următoare se vor cupla cu ionii de Si4+, Fe 3+ și Zr4+ [124]. Și Holz și colab. analizând parametrii determinați prin metoda Rietveld au arătat faptul că volumul celulei unității tetragonale a crescut odată cu creșterea conținutului de dopant, ceea cesugerează că Fe3+ a ocupat poziții interstițiale în structura cristalină Y-TZP [125].

Rezultatele obținute în studiul efectuat sunt în acord cu studiile anterioare, care au evidențiat trei etape ale procesului de sinterizare: inițială, intermediară și finală [126].

În etapa inițială, se formează istmuri între particulele aflate în contact. În procesul lor de formare, un rol important îl are difuzia de la suprafață și de la granița dintre granule. Trebuie precizat însă faptul că difuzia de suprafață nu contribuie la densificare, spre deosebire de difuzia de la granița dintre granule. S-a presupus că densificarea se datorează, în mare măsură, rearanjării particulelor prin alunecarea granițelor dintre granule; aceasta poate fi mai lentă în probele mai dense. Prin urmare, eficiența densificării în etapa inițială este mică [127]

Cea mai mare parte a procesului de densificare are loc în etapa intermediară.

În etapa finală a contracției neizoterme, energia de activare crește foarte mult. Este binecunoscut faptul că gradul de aglomerare a pulberilor influențează procesul de sinterizare. La compactare, se formează numeroși pori mari, închiși între agregate. Acești pori sunt dificil de îndepărtat pe parcursul sinterizării materialelor ceramice, procesul având loc în etapa finală a sinterizării. Pe măsură ce temperatura crește, gazul conținut în pori de dilată. În anumite condiții, acesta determină o creștere a volumului probei. Pe de altă parte, dilatarea gazului în interiorul porilor închiși conduce la o contracție mai lentă în etapa finală a sinterizării neizoterme a materialelor ceramice [128].

Sinterizarea este un proces complex, care implică difuzia de suprafață, difuzia de la granița dintre granule, difuzia de volum și transformările de fază. Variația energiei de activare indică modificarea mecanismului de sinterizare odată cu modificarea densității relative a probelor. Difuzia de suprafață nu are o contribuție la procesul de densificare. În timp ce difuzia de la granițele dintre granule poate contribui la densificare, se presupune că densificarea are loc prin rearanjarea particulelor [129].

Cu toate acestea, sinterizarea nanoparticulelor ceramice prezintă anumite particularități. Cea mai cunoscută dintre acestea este temperatura joasă de sinterizare a pulberilor compactate [130]. Mai multe studii au demonstrat aplicabilitatea sinterizării la temperaturi scăzute pentru îmbunătățirea densității ceramicii pe bază de zirconia dopată cu itriu [131]. Studiile de microscopie electronică au sugerat un proces de dizolvare și apariția într-o anumită măsură a unui proces de precipitare atunci când nanoparticulele de ceramică pe bază de zirconia au fost expuse în mediu apos în timpul sinterizării la temperaturi scăzute. Faza lichidă tranzitorie are rolul de a accelera cinetic transportul în masă, precum și de a oferi avantajul mecanic de compactare a particulelor [132].

O altă caracteristică este reprezentată de energia de activare mai joasă a procesului de sinterizare a pulberilor nanoceramice comparativ cu pulberile convenționale, cu o microstructură mai grosieră. Din păcate însă, pulberile nanoceramice nu sunt formate de obicei din cristale izolate, ci din aglomerate ale particulelor primare [133]. În acest caz, dimensiunea porilor dintre aglomerate crește odată cu creșterea dimensiunii lor. Pentru eliminarea acestor pori mari se impune utilizarea unor temperaturi de sinterizare mai mari, ceea ce conduce la o mobilitate crescută la granița dintre granule și, implicit, la o creștere mai rapidă a granulelor. Dacă în cursul procesului de sinterizare materialul aglomerat atinge o densitate mare, este de așteptat ca structura rezultată să nu fie nanogranulată. Sinterizarea fără suprapresiune nu poate conduce la structuri cu granule mai mici decât dimensiunea aglomeratelor din microstructurile inițiale [134].

Caracterizarea maselor ceramice experimentale sinterizate

Cele trei probe sinterizate prezintă peek-urile caracteristice oxidului de zirconiu tetragonal, localizate la aproximativ 145, 268, 314, 463, 604 și 639 cm-1, în timp ce banda caracteristică formei cubice a zirconiei este centrată la aproximativ 616 cm-1 [135].

Matsui și colab. [136] au fost printre primii care au evidențiat influența segregării cationilor Al3+ și Y3+ asupra creșterii granulelor și a evoluției fazelor pe parcursul sinterizării probelor policristaline a zirconiei tetragonale (Fig. 4.1). După cum s-a prezentat anterior, procesul de sinterizare a pulberilor ceramice constă, în general, din trei etape. În etapa finală are loc transformarea de fază t c,, însoțită de creșterea dimensiunii granulelor. Conform diagramei de fază a sistemului ZrO2-Y2O3, în intervalul de temperatură 600-2100 0C coexistă fazele tetragonală și cubică, conținutul de fază cubică crescând odată cu creșterea temperaturii de echilibru. Din punct de vedere al diagramei de fază, s-a considerat că faza cubică s-a format în cursul procesului de sinterizare, în funcție de stabilitatea termodinamică a sistemului. Din punct de vedere microscopic, deoarece procesul de creștere a granulelor este influențat predominant de difuzia ionilor Y3+ decât de cea a ionilor Zr4+, faza cubică este formată ca urmare a acestui comportament [137].

A fost propus mecanismul de formare a fazei cubice la finalul etapei de sinterizare, așa cum reiese din modelul prezentat schematic în fig. 4.1. La o anumită temperatură mai mică de 1300 0C, se presupune că în etapele inițială și intermediară ale sinterizării apare Y-TZP cu o microstructură tetragonală monofazică și se produce segragarea ionilor Y3+ la granița dintre granule (Fig. 4.1.(a)). Creșterea temperaturii de sinterizare determină creșterea lungimii de segregare a ionilor Y3+ în granițele dintre granule, iar joncțiunile triple cresc în interiorul granulelor odată cu creșterea acestora [138]. Se formează astfel în interiorul granulelor regiuni cu concentrații ridicate de Y3+ (4.1.(b), T C (c)). Aceste regiuni cu concentrații mari de ioni Y3+ trec la faza cubică printr-o transformare de fază T C. Acest fenomen de transformare difuzională la granița dintre granule se numește transformare de fază indusă de segregarea la granița dintre granule. Pe de altă parte, când regiunile cubice se extind (crește temperatura de sinterizare), concentrația Y2O3 din regiunile tetragonale scade mai mult prin difuzia ionilor Y3+ în regiunile cubice [139].

Când temperatura de sinterizare crește suplimentar, regiunile cu fază cubică din granule se propagă în direcția regiunilor cu fază tetragonală odată cu creșterea granulelor, rezultând granule cu fază cubică [140].

(a) (b) (c)

Fig.4.1.Evoluția fazelor cristaline ale zirconiei cu temperatura [136]

Din diagrama de fază a sistemului ZrO2-Y2O3 s-a putut observa faptul că atunci când temperatura de sinterizare crește, faza cristalină a Y-TZP se apropie de cea cubică, stabilă din punct de vedere termodinamic. Deoarece regiunile în care ionii Y3+ segregă la granițele dintre granule și joncțiunile triple au tendința de a provoca transformarea de fază T C, când se atinge temperatura de sinterizare la care faza cubică este stabilizată termodinamic, faza cubică începe să se formeze de la granițele dintre granule și joncțiunile triple [141]. La depășirea acestei temperaturi, cu scopul extinderii regiunilor de fază cubică termodinamic stabilă, ionii Y3+ din interiorul granulelor migrează predominant în direcția granițelor dintre granule și a joncțiunilor triple, însoțit de creșterea granulelor (are loc transformarea de fază indusă de segregarea la granița dintre granule) [142]. Ca urmare a acestui comportament al ionilor Y3+, se formează granule cu structură cubică de Y-TZP.

În ceramicile de oxid de zirconiu stabilizat cu ytriu, creșterea granulelor are loc în etapele intermediară și finală ale sinterizării, granulele crescând rapid în etapa finală. Deoarece ionii Y3+ segregă la granița granulelor T-T și C-T, ținând cont de teoria efectului de extragere a impurităților elaborată de Cahn [143], mecanismul de creștere a granulelor în Y-TZP poate fi rezonabil interpretat prin efectul de extragere a solutului pentru ionii Y3+ care segregă de-a lungul granițelor dintre granule [144].

În ceea ce privește comportamentul la sinterizare al probelor co-dopate cu aluminiu, Yoshida și colab. [145] au arătat că ionii Al3+ segregă la granița dintre granule, amplificând fenomenul de difuzie de la acest nivel, deoarece raza ionică a ionilor de aluminiu (0,68 Å) este mai mică decât cea a ionilor de ytriu (1,04 Å). Segregarea ionilor Al3+ la granița dintre granule influențează și procesul de formare a fazei cubice [120]; astfel, ionii de aluminiu segregați la granițele dintre granule accelerează formarea fazei cubice [146]. Rezultatele obținute prin rafinamentul datelor de difracție de raze X ale pastilelor sinterizate indică faptul că prin co-dopare se facilitează formarea fazei cubice, aceasta fiind independentă de tipul co-dopantului, conform datelor din literatură [147].

Oxidul de fier a fost utilizat recent de către Kao și colab. [148] drept agent de colorare. În timp ce culoarea Y-TZP sinterizat este ivorie (un amestec de galben dechis și verde deschis). Adaosul a 0,1% mol Fe introduce în probă mult galben și puțin roșu. Creșterea conținutului de fier deplasează culoarea probei către roșu. Prin urmare, dozarea conținutului de fier din probă permite ajustarea culorii oxidului de zirconiu dentar [125,148]. În plus, adaosul de fier s-a dovedit a îmbunătăți sinterabilitatea Y-TZP, favorizând creșterea granulelor și, implicit, transformarea de fază tetragonal metastabil monoclinic care are loc pe parcursul răcirii [77,149].

4.4 Evaluarea biocompatibilității maselor ceramice

Biocompatibilitatea a fost definită drept capacitatea unui material de a produce un răspuns adecvat din partea organismului țintă după un mod specific de aplicare [150]. Biocompatibilitatea este unul dintre cele mai importante avantaje ale maselor ceramice pe bază de zirconiu [9,54, 151, 152].

De-a lungul timpului mai multe studii au fost efectuate pentru a evalua reacțiile țesuturilor umane la masele ceramice pe bază de oxid de zirconiu [9,152]. O serie de studii au evaluat in vivo reacția țesuturilor și stabilitatea ceramicii parțial stabilizate pe bază de zirconia printr-un test de implantare subcutanată [152-154]. În timpul experimentelor ceramica pe bază de zirconia a fost complet încapsulată de un țesut conjunctiv fibros subțire cu o grosime mai mică de 80 mm [153]. Și observațiile noaste susțin aceste date, discurile ceramice inserate subcutanat, dar și sub mucozal, tind să fie înconjurate de țesut conjunctiv fibros și, de obicei, nu există reacții adverse majore, atât în cazul maselor ceramice comerciale, cât și pentru masele ceramice experimentale studiate.

Și alte studii realizate după inserarea probelor ceramice pe bază de zirconia și in alte zone în afară de localizarea clasică, subcutanată, au obținut rezultate similare dovedind biocompatibilitatea acestor materiale. Astfel, Christel și colab. au implantat probe cilindrice de zirconia și alumina în mușchii paraspinali ai unor șobolani de laborator, neobservând nici o diferență semnificativă la 12 săptămâni după inserarea acestora [155]. Un studiu din 2016 a arătat de asemenea că probele ceramice pe bază de zirconia nu afectează microcirculația și integritatea endotelială a mușchiului striat și nici nu inițiază activarea leucocitară după implantarea sa într-o fereastră dorsală craniană, dovedindu-se a fi la fel de compatibil tisular cu materialele utilizate în mod curent în cranioplastii [156].

Mai mult, zirconia se impune din ce în ce mai mult ca un material de înlocuire chiar a țesuturilor dure [157,158], ceea ce a deschis o cale de cercetare efervescentă în ultimii ani în vederea realizării unor produse comerciale ce se pot utiliza în noi aplicații tehnologice biomedicale [47, 159]. Din acest punct de vedere utilizarea ceramicilor pe bază de zirconia în ortopedie și stomatologie a luat un avânt deosebit [160].

Scopul studiului nostru a fost evaluarea biocompatibilității unor maselor ceramice pe bază de zirconia cu potențial de utilizare în protetica dentară, din acest punct de vedere fiind interesați mai mult de contactul materialelor cercetate cu țesuturile moi [85,93].

Totuși nu putem exclude faptul că rezultatele pozitive raportate de o serie de studii, legate de biocompatibilitatea maselor ceramice pe bază de zirconia atunci când au fost utilizate în ortopedie [161,162] sau în implantologia orală [163,164] , stau la baza intențiilor de utilizare a unor astfel de materiale și în domeniul proteticii dentare.

Mai mult decât atât utilizarea zirconiei ca material pentru realizarea de implanturi dentare deși înseamnă în special o înlocuire de țesuturi dure presupune contactul său și cu țesuturile orale moi, iar studiile efectuate asupra răspunsului țesutului moale al implanturilor de zirconiu au raportat constatări comparabile atât pentru zirconiu, cât și pentru titan [165]. Mai mult decât atât, unele studii au arătat chiar că țesuturile moi periimplantare situate în contact cu materiale ceramice pe bază de zirconia au un potențial de vindecare mai rapidă comparativ cu cele aflate în contact cu titanul [166].Într-un studiu din 2006, au fost recoltate biopsii gingivale din jurul capelor de vindecare de titan și zirconiu plasate pe implanturi de titan la cinci pacienți. Infiltratul inflamator din jurul capelor de zirconia a fost mai puțin proeminent și, de asemenea, densitatea microvasculară, expresia factorului de creștere vasculară endotelială și expresia sintazei de oxid nitric au fost mai mici la nivelul mucoasei din jurul capaelor de vindecare din zirconia [26]. În sfârșit, un recent studiu clinic efectuat pe un număr de 1121 pacienți a oferit rezultate asemănătoare pentru țesuturile moi din jurul capelor de vindecare din zirconia comparativ cu cele din titan, fiind luate în calcul sănătatea clinică tisulară, indicatorii de placă bacteriană, indicii de sângerare [167].

Buna toleranță tisulară pe care o prezintă masele ceramice pe bază de zirconia face ca această categorie de materiale să fie considerată un candidat promițător pentru utilizarea lor frecventă pentru confecționarea protezelor dentare [152]. Într-adevăr, în prezența restaurărilor protetice pe bază de zirconia nu au fost detectate reacții inflamatorii manifestate clinic și nici chiar prin analiza concentrației markerilor inflamatori în lichidul sanțului gingival periprotetic [168].

Biocompatibilitatea zirconiei ca material protetic pare să se datoreze unei retenții scăzute a plăcii bacteriene [169]; în plus, zirconia nu este solubilă în apă, iar sensibilitatea sa la coroziune în mediul oral pare a fi neglijabilă [160]. Totuși, multitudinea de procese de fabricație, cu diferiți aditivi de sinterizare, procedee de amestec pentru oxizi, impurități, fazele gazoase la granița dintre granule și porozitățile pot influența puternic comportamentul coroziunii și degradarea chimică [170]. De aceea orice modificare adusă compoziției unei mase bioceramice pentru îmbunătățirea proprietăților chimice sau fizice impune testarea sa biologică atât pentru evaluarea biocompatibilității cât și modificărilor produse de mediul biologic asupra materialului.

Pentru testarea biocompatibilității ceramicilor pe bază de zirconia, pentru realizarea testelor in vitro au fost folosite în special culturi celulare de fibroblaști și osteoblaști [9]. Testele in vitro au susținut ideea bicompatibilității acestor materiale arătând însă că răspunsul celular este afectat și de topografia de suprafață incluzând aici și rugozitatea acesteia [171]. Astfel, suprafețele de zirconia modificate au demonstrat o mai bună aderență a osteoblastelor și deci o mai bună osteointegrare comparativ cu cele netratate, fără a exista însă un consens la ora actuală referitor la tipul de tratament al suprafeței [172]. În utilizarea protetică însă, este de dorit o suprafață cât mai netedă, pentru a preveni aderența bacteriană, iar din acest punct de vedere cercetările actuale se concentrează pe identificarea unui tratament de suprafață care în mod simultan să împiedice colonizarea bacteriană dar să permită aderența fibroblaștilor țesuturilor moi periprotetice [173].

Totuși, tehnicile actuale de culturi celulare in vitro încă nu pot oferi un mediu suficient de asemănător cu mediul biologic real, comparativ cu testarea in vivo. Astfel, biocompatibilitatea zirconiei a fost studiată și în mai multe studii in vivo, neobservându-se de asemenea nici un răspuns advers după introducerea probelor de zirconia în os sau mușchi, fără afectarea osteointegrării nu a indus formarea osoasă atunci când a fost implantat în mușchi [163,174,175] .

Studiul nostru histologic a arătat că, în ciuda răspunsului biologic bun, cu lipsa manifestărilor inflamatorii clinice ale țesuturilor moi care înconjoară probele inserate, este posibil să găsim semne de inflamație, de reacție a unui corp străin, în aproape toate probele analizate. Restaurăril protetice pe bază de zirconia determină de obicei un răspuns biologic foarte bun din partea țesuturilor parodontale periprotetice. Cu toate acestea, o acumulare de placă bacteriană apare atunci când o proteză dentară fixă nu are o adaptare marginală corectă care duce la infiltrarea bacteriilor din mediul oral și, în consecință, la apariția îmbolnăvirii parodontale [176]. Tehnologia CAD / CAM, utilizată aproape întotdeauna astăzi când realizăm o proteză dentară din zirconia, are marele avantaj al unei estimări precise a contracției ceramicii în timpul sinterizării, ceea ce duce la o importantă îmbunătățire a adaptării marginale a restaurărilor protetice din zirconia [54, 177]. De fapt, și alte studii au arătat că aspectul histologic al țesutului gingival de lângă o proteză fixă dentară este mai puțin legat de material, ci mai mult de spina mecanică iritativă reprezentată de piesa protetică în sine [178].

În studiul nostru, probele introduse în țesuturile orale au fost sinterizate, fără a mai suferi ulterior prelucrări mecanice suplimentare. Din păcate, în practica curentă, există frecvente situații clinice care necesită o prelucrare mecanică după sinterizare, fie în laboratorul de tehnică dentară, fie în cabinetul stomatologic. Această prelucrare mecanică duce la o creștere a rugozității suprafeței și a unghiului de contact [179], ceea ce poate determina o acumulare a plăcii bacteriene, cu o incidență crescută a bolilor parodontale, în special în prezența unei igiene locale precare [180,181]. Astfel, deși răspunsul parodontal este în general bun, materialul necesită o grosime minimă pentru prelucrare și rezistență mecanică, ceea ce poate crea spații insuficiente pentru ambrazurile gingivale și o inflamație mecanică indusă de țesuturile moi din aceste spații care duce la sângerare la sondare [182].

Caracterizarea probelor dupa testarea in vivo

Prezentul studiu a evidențiat formarea unui film organic cu grosimea de câteva zeci de micrometri, fără modificări ale morfologiei de volum a probelor după șase săptămâni de expunere în mediul biologic agresiv.

Este binecunoscut faptul că în etapele inițiale procesul de degradare la temperatură joasă LTD al zirconiei are loc la suprafața granulelor [183]. Studiile anterioare au relevat influența semnificativă a dimensiunii granulelor asupra proprietăților mecanice și stabilității structurale a Y-TZP. A fost evidențiată o dimensiune critică a granulelor, dimensiune ce depinde de tipul și concentrația dopantului. La valori ale dimensiunii granulelor ce exced valoarea critică are loc transformarea t-m [65,74,184]. Kelly și Denry [141] au arătat că îmbogățirea fazei cubice în cationi dopanți a condus la depleția acestora în faza tetragonală din vecinătate. Regiunile cu fază tetragonală devin astfel mai puțin stabile și se comportă ca centri de nucleere pentru transformarea t m în mediul agresiv al mucoasei bucale [89].

Trebuie menționat faptul că mecanismul transformării t m a oxidului de zirconiu în prezența umidității nu este pe deplin elucidat. Literatura de specialitate arată că ionii HO- din umezeală difuzează în rețeaua oxidului de zirconiu și ocupă vacanțele de oxigen [60, 185]. Scade astfel concentrația vacanțelor de oxigen, fiind destabilizată faza tetragonală [186]. Guo a propus următoarele etape pentru procesul LTD din ZrO2 tetragonal: adsorbția chimică a H2O pe suprafața oxidului de zirconiu, reacția H2O cu ionii O2- de pe suprafața ZrO2 cu formare de ioni hidroxil (HO-), pătrunderea ionilor HO- în interiorul granulei prin difuzia prin granița dintre granule, umplerea vacanțelor de oxigen din granule cu ioni HO- și formare de defecte protonice, realizarea transformării t m când concentrația vacanțelor de oxigen scade sub valoarea la care faza tetragonală devine instabilă [187].

Aceasta nu este însă singura reacție posibilă. Într-un studiu realizat utilizând spectrometria de masă a ionilor secundari (SIMS), Doung și colab. au arătat că nu există o dovadă a mobilității speciilor HO- în monocristalele de oxid de zirconiu, experimentele SIMS indicând mai degrabă difuzia separată a ionilor O2- și H+ pe căi paralele și independente din rețeaua cristalină. Transportul protonilor are loc prin mecanism Grotthuss, aceștia deplasându-se prin salt între ionii de oxigen adiacenți. Astfel, a fost propus un mecanism alternativ de umplere a vacanțelor de oxigen de speciile apoase: disocierea apei în ioni de oxigen și protoni, umplerea vacanțelor de oxigen de către ionii de oxigen, reacția fiind atenuată de reacția de compensare a sarcinii de către stabilizator [58,188]. Trebuie menționat faptul că este de așteptat ca fluxul difuzional al speciilor apoase să crească odată cu creșterea conținutului de oxid de ytriu utilizat drept stabilizator [90, 189].

În studiul nostru spectroscopia Raman a evidențiat modificări ale structurii probelor co-dopate după testare. În timp ce proba de oxid de zirconiu stabilizată cu ytriu s-a dovedit a fi stabilă față de procesul de degradare la temperatură joasă (LTD) în condițiile în care s-a realizat testarea, co-doparea cu aluminiu sau fier a condus la creșterea susceptibilității oxidului de zirconiu stabilizat față de LTD.

Îmbătrânirea zirconiei poate fi un fenomen cu efecte extrem de dăunătoare, deoarece restaurarea protetică din zirconia este direct expusă mediului oral pentru o perioadă lungă de timp. Diversi factori pot crește riscurile de îmbătrânire, cum ar fi saliva, modificările de temperatură, modificările de pH și încărcarea ciclică în timpul mestecării [49,89]. Într-un studiu din 2019 toate probele de zirconia studiate au suferit o transformare după 100 de zile din cauza fenomenului de degradare LTD apărut în urma expunerii în mediul oral [190]. Un studiu similar in vivo a detectat, de asemenea, degradarea la temperatură scăzută a probelor ceramice pe bază de zirconia produse din pulberi cu granule de dimensiuni micrometrice. Probele au rămas în mediu oral timp de 60 de zile și a fost depistată o transformare t m într-un procent de 7,7% [191].

Susceptibilitatea la LTD pentru diferitele ceramici dentare pe bază de zirconia este legată de cantitatea de goluri de oxigen care pot fi anihilate de moleculele de apă [60]. O cantitate „ideală” de goluri de oxigen care ar putea stabiliza faza tetragonală în ceramica de zirconia Y-TZP, fără a compromite estetica și rezistența la degradare prin fenomenul LTD, este încă o problemă de cercetare suplimentară [192].

Deși procesului LTD i-au fost consacrate numeroase studii [49, 65, 89, 193, 194], mecanismul sau combinația de mecanisme prin care ocuparea golurilor de oxigen conduce la destabilizarea fazei tetragonale trebuie clarificat.

CONCLUZII

Caracterizarea ceramicilor dentare comerciale utilizate pe scară largă ajută practicienii să înțeleagă mai bine interacțiunea acestor biomateriale cu țesuturile, dar îi ajută pe cercetători să modifice compoziția și proprietățile ceramicilor sintetizate pentru o mai bună integrare în mediul cavității orale.

Pulberile sintetizate în cadrul studiului nostru au fost pulberi policristaline cu stoichiometria Zr0.88Y0.12O2- și Zr0.85Y0.12M0.03O2- (unde M = Fe, Al) utilizând metoda Pechini.

Analiza prin pattern matching a datelor de difracție de raze X a evidențiat numai prezența fazei cristaline tetragonale metastabile t’ (non-transformabile) în toate cele trei pulberi sintetizate.

Adaosul de aluminiu a determinat o creștere ușoară a caracterului tetragonal al pulberii de oxid de zircoiu stabilizat cu ytriu, în timp ce adaosul de fier a condus la scăderea tetragonalității sistemului.

În ceea ce privește morfologia, toate cele trei pulberi sunt alcătuite din granule nanometrice, aglomerate în structuri cu dimensiuni de ordinul câtorva micrometri.

Adaosul de aluminiu sau fier determină îmbunătățirea comportamentului la sinterizare a pulberilor de oxid de zirconiu stabilizat cu ytriu.

După sinterizarea ceramicilor propuse difracția de raze X a relevat co-existența a trei faze cristaline: două faze tetragonale (t și t’) și o fază cubică (c).

Adaosul de aluminiu și fier a condus la o scădere a conținutului de fază t și la creșterea conținutului fazelor c și t’. Al și Fe promotează formarea fazei cubice, această transformare fiind independentă de tipul co-dopantului.

Spectroscopia Raman a evidențiat prezența fazei cristaline tetragonale în toate probele sinterizate, peek-ul caracteristic structurii cubice suprapunându-se peste peek-urile adiacente largi ale fazei tetragonale.

Co-doparea cu aluminiu sau fier a modificat semnificativ morfologia probelor sinterizate; proba co-dopată cu aluminiu este caracterizată de o dimensiune medie a granulelor mai mică decât proba stabilizată cu ytriu, în timp ce adaosul de fier a condus la creșterea dimensiunii medii a granulelor din sinterizat.

Maparea EDXS a evidențiat o distribuție uniformă a dopanților în matricea gazdă de oxid de zirconiu.

Rezultatele studiului ceramicilor comerciale analizate au arătat un răspuns clinic bun al țesuturilor moi intraorale care au înconjurat mostrele inserate, cu evidențierea doar histologică a unor semne de inflamație de reacție de corp străin.

Investigația clinică și histologică a probelor tisulare obținute după șase săptămâni de la introducerea în mediul biologic a discurilor din masele ceramice experimentale a arătat rezultate similare celor observate după testarea maselor ceramice existente deja pe piață.

Discurile ceramice tind să fie înconjurate de țesut conjunctiv fibros și, de obicei, nu există reacții adverse majore existând doar caracteristicile unui răspuns inflamator slab sau mediu.

În general, probele experimentale din mase ceramice pe bază de zirconia testate s-au dovedit a fi biocompatibile, chiar dacă modificările compoziționale pot influența tiparul reacțiilor țesuturilor moi.

Probele tisulare recoltate din jurul ceramicilor experimentale pe bază de oxid de zirconiu dopate cu Y și Fe au prezentat în general reacții inflamatorii puțin mai intense decât în grupul ceramicilor dopate doar cu Y, în special în cazul probelor recoltate din mucoasa orală.

Deși unele probe tisulare recoltate din jurul ceramicilor experimentale pe bază de oxid de zirconiu dopate cu Y și Al au prezentat o reacție de inflamație mai intensă, caracteristica lotului a fost mai degrabă inconsistența tablourilor histologice între diferitele probe ale lotului

Analiza SEM/EDXS efectuată pe probele de material experimental recuperate după expunerea în mediul biologic a arătat modificări compoziționale la suprafața liberă a probelor testate, cu prezența unor compuși organici pe o distanță de câțiva zeci de micrometri de la suprafață.

Nu au fost evidențiate modificări ale morfologiei fazei de volum a probelor testate după expunerea în mediul biologic oral.

Spectroscopia Raman a evidențiat modificări ale structurii probelor co-dopate după testarea în mediul biologic. În timp ce proba de oxid de zirconiu stabilizată cu ytriu s-a dovedit a fi stabilă față de procesul de degradare la temperatură joasă (LTD) în condițiile în care s-a realizat testarea, co-doparea cu aluminiu sau fier a condus la creșterea susceptibilității oxidului de zirconiu stabilizat față de LTD.

Masele ceramice pe bază de oxid de zirconiu reprezintă o opțiune importantă pentru realizarea pieselor protetice în medicina dentară actuală. Capacitatea zirconiei de a fi dopată cu diferite elemente permite îmbunătățirea proprietăților chimice și fizice ale produselor comerciale din această familie. Deși răspunsul tisular pare să fie în general bun, chiar dacă modificările compoziționale pot influența tiparul reacțiilor, o atenție deosebită trebuie acordată modificărilor structurale ale acestor materiale după expunerea în mediul agresiv biologic,în special în mediul oral.

BIBLIOGRAFIE

ANEXE