Керамика, используемая в качестве биоматериалов для заполнения дефектов зубов и костей, фиксации костных трансплантатов, переломов или протезов к костям, а также для замены пораженных тканей, называется биокерамикой. Она широко используется в медицине благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая прочность, износостойкость, повышенная прочность на сжатие и изгиб, а также высокая биосовместимость. Биокерамика впервые появилась в XIX веке. В то время в экспериментах и клинической практике использовался вид рассасывающейся керамики — гипс, что значительно стимулировало интерес ученых к области биокерамики. С начала до середины ХХ века американский ученый Талберт создавал протезы из гранулированных керамических материалов (алюмооксидной керамики) и имплантировал их в бедренные кости взрослых собак, что в конечном итоге привело к успеху. Алюмооксидная керамика также привлекла внимание многих ученых.
①Алюмооксидная керамика
Понятие «алюмооксидная керамика» охватывает широкий спектр. Помимо чистой алюмооксидной керамики, алюмооксидной керамикой можно назвать любой керамический материал с содержанием оксида алюминия 45% и более. В алюмооксидной керамике существует множество гомогенных и гетерогенных кристаллов, но в настоящее время наиболее распространены только α-Эл₂O₂ и γ-Эл₂O₂. Различия в их кристаллической структуре обуславливают их различные свойства. Среди них α-Эл₂O₂, также известный как корунд, является основной кристаллической фазой алюмооксидной керамики, обладающей высокой механической прочностью, термостойкостью и коррозионной стойкостью.
Обычно считается, что продукты с содержанием оксида алюминия более 99,9% относятся к высокочистому оксиду алюминия. Высокочистый оксид алюминия обладает превосходными свойствами, такими как высокая температура плавления, высокая твердость, высокое электрическое сопротивление, отличные каталитические свойства, хорошие механические свойства, износостойкость, коррозионная стойкость, изоляционные и термостойкие свойства. Использование высокочистого поликристаллического оксида алюминия в качестве биофункциональных материалов в организме человека началось в 1969 году. Существует два типа высокочистой тонкой керамики из оксида алюминия, используемой в медицинской технике: монокристаллы и спеченные поликристаллы. Монокристаллический оксид алюминия обладает высокой прочностью и хорошей износостойкостью, и после обработки может быть использован для изготовления фиксаторов переломов, искусственных корней зубов и т. д. Поликристаллический оксид алюминия, характеризующийся высокой прочностью, может использоваться для производства суставов, искусственных корней зубов, искусственных костей, двухчашечных искусственных тазобедренных суставов и т. д.
②Применение алюмооксидной керамики в искусственных суставах
В 1972 году Бутин опубликовал доклад об изготовлении человеческих тазобедренных суставов из алюмооксидной керамики и их клиническом применении, среди прочего. В 1977 году Шиката и соавторы разработали протез тазобедренного сустава, состоящий из головки бедренной кости из алюмооксидной керамики и вертлужной впадины из высокомолекулярного полиэтилена. В 1982 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) официально одобрило клиническое применение в США искусственных тазобедренных суставов, состоящих из керамических шариков из Эл₂O₃, вертлужной впадины и ножек из сплава CoCrMo.
Керамика из высокочистого оксида алюминия имеет очень низкий коэффициент трения, высокую твердость и хорошую смачиваемость, что делает ее хорошо подходящей для использования в качестве поверхностей трения суставов. Согласно правилам Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), в медицинской сфере может использоваться только высокочистый оксид алюминия, а примеси, которые могут образовывать стекловидные фазы на границах зерен (такие как диоксид кремния, силикаты металлов и оксиды щелочных металлов), должны быть менее 0,1 мас.%. Это связано с тем, что деградация таких примесей может привести к образованию областей концентрации напряжений, где возникнут трещины. Исследования показали, что путем выбора соответствующих параметров спекания (температуры, времени, скорости нагрева/охлаждения) и легирующих добавок (таких как оксид магния, оксид циркония и оксид хрома) можно контролировать размер зерна и пористость оксида алюминия, что может эффективно улучшить ударную вязкость и прочность на разрыв оксида алюминия.
Композиты, образованные из циркония и оксида алюминия, называются циркониевым закаленным оксидом алюминия (ЗТА) или циркониевым закаленным оксидом циркония (АТЗ), и они также играют важную роль в искусственных материалах для суставов. Эти два композита особенно зависят от содержания основных компонентов. Они сочетают в себе закаливающую способность циркония и низкую чувствительность оксида алюминия к деградации в низкотемпературных биологических жидкостях. В соответствии с требованиями к конструкции материала, АТЗ может быть выбран, когда необходимо подчеркнуть высокую вязкость разрушения, в то время как ЗТА может быть использован, когда необходимо подчеркнуть твердость. В настоящее время недостаточно клинических данных, чтобы показать, что несущая поверхность суставов ЗТА имеет большие преимущества с точки зрения износостойкости. Исследования показали, что применение ЗТА и закаленного оксида алюминия на основе циркония (ЗПТА) в хирургии суставов намного шире, чем АТЗ.
③Применение алюмооксидной керамики при реставрации полости рта
Керамика на основе оксида алюминия обладает прозрачностью и цветом, соответствующим цвету натуральных зубов, а также низкой токсичностью. Низкая теплопроводность керамики на основе оксида алюминия значительно снижает раздражение пульпы зуба от холодной и горячей пищи. Керамика на основе оксида циркония обладает высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким температурам, а также цветом, близким к цвету натуральных зубов, что делает её пригодной для реставрации зубов и обладает высокой прочностью. В зависимости от различий в фазовом составе и технологии производства алюмооксидных керамических материалов, алюмооксидную керамику, используемую в области цельнокерамической реставрации, можно разделить на следующие категории:
(1) Керамика из оксида алюминия, пропитанная стеклом
Инфильтрация стекла, полное название которой – метод шликерного литья стекла. Оксид алюминия, как материал матрицы, имеет пористую структуру, в которую инфильтруется лантан-бор-кремниевое стекло, содержащее красители. После формования образуется микроструктура, в которой кристаллические фазы оксида алюминия и кристаллические фазы стекла взаимопроникают. Керамика из оксида алюминия, инфильтрованная стеклом, обладает высокой механической прочностью: прочностью на изгиб 250–600 МПа и вязкостью разрушения 3–4 МПа·м¹/². Ярким примером является базовая коронка системы В-Керам Глинозем немецкой компании Вита, которая также является первой цельнокерамической реставрационной системой, позволяющей изготавливать трёхзвеньевые мостовидные протезы в области боковых зубов.
(2) Высокочистая плотная спеченная полностью оксидная керамика
Порошок оксида алюминия, состоящий из оксида алюминия чистотой до 99,9%, прессуется в сырую массу под сверхвысоким давлением (формование методом сухого прессования) и затем спекается. Метод прессования придает алюмооксидной керамике высокую плотность и низкую пористость. Этот керамический материал обладает прочностью на изгиб 500–700 МПа и вязкостью разрушения 5–6 МПа·м¹/², что позволяет использовать его в клинической практике в качестве мостовидного протеза в области жевательных зубов.
(3) Керамика из оксида циркония, пропитанная стеклом, закаленная
Этот тип керамики формируется путем добавления 35% частично стабилизированного диоксида циркония к порошку алюмооксидной керамики, пропитанному стеклом. После формования внутри материала наблюдается равномерно распределенный диоксид циркония тетрагональной фазы. Этот материал также обладает самой высокой прочностью среди алюмооксидных керамик. Из-за низкой прозрачности алюмооксидной керамики, закаленной диоксидом циркония, она обычно используется в клинической практике для реставрации жевательных зубов, где эстетические требования невысокие.