Zirconiul

Utilizările bioceramicii au revoluționat domeniul biomedical prin implanturi pentru oameni. Multe materiale de implant realizate din ceramică au fost folosite în ultimele trei decenii. În căutarea de a îmbunătăți biocompatibilitatea și rezistența mecanică a materialelor de implant, atenția a fost îndreptată spre utilizarea potențială a compozitelor ceramice. Biomaterialele pe bază de ceramică au fost acceptate în urma evaluării biologice prin mai multe teste in vivo și in vitro.

Dioxidul de zirconiu (ZrO_2) este un material ceramic cu proprietăți mecanice adecvate pentru fabricarea de dispozitive medicale. Zirconiul stabilizat cu Y_2 O_3 are cele mai bune proprietăți pentru aceste aplicații. Când o forță se aplică asupra unei suprafațe de dioxid de zirconiu, o modificare cristalină opune propagarea fisurilor.

Cercetarea ortopedică a condus acest material ca fiind propus pentru fabricarea protezelor de șold. Înainte de aceasta, biocompatibilitatea zirconiului a fost studiate in vivo; nici un efect advers nu a fost raportat după introducerea probelor de ZrO_2 în oase sau în mușchi. În experimentele in vitro au arătat absența mutațiilor și o bună viabilitate a celulelor cultivate pe acest material.

Opacitatea zirconiului este foarte utilă în situații clinice adverse, de exemplu, pentru mascarea dinților. Radioactivitatea poate ajuta la evaluarea din timpul controalelor radiologice.

Proprietățile sale mecanice sunt foarte asemănătoare cu cele ale metalelor și culoarea sa este similară cu culoarea dintelui natural. În 1975, Garvie a propus un model pentru a raționaliza bunele proprietățile mecanice ale zirconiului, în virtutea căruia a fost numit "ceramică de oțel".

Prima propunere de utilizare a oxidului de zirconiu în scopuri medicale a fost făcută în 1969 pentru aplicații ortopedice. Dioxidul de zirconiu a fost propus ca un nou material pentru proteza de șold în locul protezelor de titan sau de aluminiu. S-a evaluat reacția la plasarea dioxidului de zirconiu într-un femur de maimuță și nu s-au raportat reacții adverse care ar fi putut să apăra. Cercetarea ortopedică s-a axat pe comportamentul mecanic al zirconiului, pe uzura ei și pe integrarea sa cu oasele și cu mușchii.

Aspectul natural al țesuturilor moi în contact cu protezele parțiale fixe este influențată de doi factori: grosimea mucoasei și tipologia materialului de restaurare. Restaurările fără metal permit să se păstreze culoarea țesuturilor moi mai asemănătoare cu cea naturală.

Deasemenea, zirconiul pe lângă aplicațiile sale în medicină, în diferite proteze, implanturi dentare, este adesea folosit ca piatră semiprețioasă artificială care înlocuiește diamantul, material refractar în producția de cristale piezoelectrice, alte aplicații mai mici includ producția pentru fotografie, explozive, focuri de artificii, gloanțe, rachete mici.

Zirconiul

Cu scopul de a înlocui infrastructura de proteze dentare metalice, structura ceramicii a fost îmbunătățită și a devenit din ce în ce mai populară în stomatologie. Printre ceramica dentară, zirconiul a aparut ca un material promițător datorită proprietăților sale biologice, mecanice și optice, care au accelerat cu siguranță utilizarea sa pentru diferite tipuri de tratament protetic.

Ceramica pe bază de zirconiu este folosită în mod curent în aplicații structurale în inginerie, cum ar fi în fabricarea de instrumente de tăiere, senzori de gaze, materiale refractare. Pentru a satisface cerințele structurale, zirconiul este dopat cu stabilizatori pentru a obține o rezistență mare la șocuri de diferite tipuri. Bioceramicele care sunt în prezent folosite în îngrijirea medicală și dentară sunt derivate din materiale structurale utilizate în industria aerospațială și în cea a armurilor militare, care au fost modificate pentru a se potrivi cu cerințele suplimentare de biocompatibilitate.

Structura bioceramicelor pe bază de zirconiu

Zirconiul este un metal gri-alb, strălucitor, care poate arăta albastru-negru, atunci când se găsește sub formă de pulbere. Zirconiul este un oxid care are o rezistență la tracțiune mare, duritate mare și rezistență la coroziune. Nu este găsit ca un oxid pur în natură. Principalele surse de zirconiu sunt silicatul de zircon (ZrSiO_4)┤ și badelita sau pământ de zirconiu (ZrO_2), iar cea mai mare parte de material utilizat este extrasă chimic din aceste două minerale.

Silicatul de zircon este mai abundent, dar mai puțin pur, care necesită o prelucrare semnificativă pentru a obține zirconiu. Badelita conține deja niveluri de zirconiu cuprinse între 96,5% și 98,5%. Deoarece acest mineral arată niveluri semnificative, este cunoscut ca o sursă de puritate extremă în obținerea metalelor de zirconiu și a compușii săi.

Dioxidul de zirconiu care rezultă din badelită, care este de asemenea cunoscut sub numele de zirconiu, este un oxid care prezintă o structură cristalină monoclinică la temperatura camerei. Cu toate acestea, pudra poate fi purificată și prelucrată sintetic la temperaturi ridicate, formând o structură cubică. Materialul rezultat este folosit de obicei pentru a face pietre prețioase sau senzori de gaze.

Structurile cristaline ale zirconiului ( monoclinică, tetragonală și cubică)

Aranjamentul spațial al atomilor de zirconiu este caracterizată prin structuri cristalografice distincte, caracterizând o proprietate cunoscută sub numele de polimorfism. Are trei structuri cristaline, care se caracterizează printr-o geometrie specifică și parametrii dimensionali: monoclinică, tetragonală și cubică. Zirconiul pur are o structură monoclinică la temperatura camerei, care este stabilă până la 1170 °C. Între această temperatură și 2370 °C, se formează zirconiu tetragonal, în timp ce zirconiul cubic este format la temperaturi de peste 2370 °C. După prelucrare, și în funcție de procesul de răcire, faza tetragonală devine monoclinică la circa 970 °C. Datorită polimorfismului, zirconiul pur nu poate fi utilizat la temperaturi ridicate, datorită unei schimbări de volum mare (3-5%), care apare în timpul răcirii la faza monoclinică.

Diferiți oxizi, cum ar fi oxidul de ytriu (Y_2 O_3) , oxidul de calciu (CaO) sau oxidul de magneziu (MgO), pot fi adăugate la oxidul de zirconiu pentru al stabiliza, permițând formei tetragonale să existe la temperatura camerei după sinterizare. Adăugarea de cantități variabile de stabilizatori permite formarea de zirconiu stabilizat parțial sau total, care, atunci când sunt combinate cu modificări în procese, poate duce la ceramică cu proprietăți excepționale, cum ar fi de înaltă rezistență la încovoiere și rezistență la rupere, duritate mare, rezistență chimică excelentă și conductivitate bună de ioni.