Keramiken, die als Biomaterialien zum Füllen von Defekten in Zähnen und Knochen, zur Fixierung von Knochentransplantaten, Frakturen oder Prothesen sowie zum Ersatz von erkranktem Gewebe eingesetzt werden, werden als Biokeramiken bezeichnet. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit, hoher Druck- und Biegefestigkeit sowie hoher Biokompatibilität finden sie breite Anwendung in der Medizin. Biokeramiken entstanden erstmals im 19. Jahrhundert. Damals wurde eine Art resorbierbare Keramik – Gips – in Experimenten und klinischen Studien verwendet, was das Interesse der Wissenschaftler an diesem Gebiet stark weckte. Vom Beginn bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts fertigte der amerikanische Wissenschaftler Talbert Prothesen aus körnigen Keramikmaterialien (Aluminiumoxidkeramik) und implantierte diese erfolgreich in die Oberschenkelknochen erwachsener Hunde. Aluminiumoxidkeramik erregte daraufhin die Aufmerksamkeit zahlreicher weiterer Wissenschaftler.
① Aluminiumoxidkeramik
Der Begriff Aluminiumoxidkeramik ist weit gefasst. Neben reiner Aluminiumoxidkeramik kann jedes keramische Material mit einem Aluminiumoxidgehalt von mindestens 45 % als Aluminiumoxidkeramik bezeichnet werden. Aluminiumoxidkeramik enthält viele homogene und heterogene Kristalle, wobei derzeit α-Al₂O₃ und γ-Al₂O₃ am häufigsten verwendet werden. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallstrukturen weisen sie verschiedene Eigenschaften auf. α-Al₂O₃, auch Korund genannt, ist die Hauptkristallphase der Aluminiumoxidkeramik und zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus.
Es gilt allgemein als erwiesen, dass Produkte mit einem Aluminiumoxidgehalt von über 99,9 % hochreines Aluminiumoxid darstellen. Hochreines Aluminiumoxid zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften wie einen hohen Schmelzpunkt, hohe Härte, hohen elektrischen Widerstand, ausgezeichnete katalytische Aktivität, gute mechanische Eigenschaften, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Isolationsfähigkeit und Hitzebeständigkeit aus. Die Verwendung von hochreinen Aluminiumoxid-Polykristallen als biofunktionelle Materialien im menschlichen Körper begann 1969. In der Medizintechnik werden zwei Arten von hochreinem Aluminiumoxid-Feinkeramik verwendet: Einkristalle und gesinterte Polykristalle. Einkristallines Aluminiumoxid besitzt eine hohe Festigkeit und gute Verschleißfestigkeit und kann nach der Verarbeitung zu Frakturfixatoren, künstlichen Zahnwurzeln usw. verarbeitet werden. Polykristallines Aluminiumoxid, das sich durch hohe Festigkeit auszeichnet, findet Anwendung in der Herstellung von Gelenken, künstlichen Zahnwurzeln, künstlichen Knochen, Doppelgelenkprothesen für Hüfte usw.
② Anwendung von Aluminiumoxidkeramik in künstlichen Gelenken
1972 berichtete Boutin unter anderem über die Herstellung von Hüftgelenken aus Aluminiumoxidkeramik und deren klinische Anwendung. 1977 entwickelten Shikata et al. eine Hüftgelenkprothese, bestehend aus einem Femurkopf aus Aluminiumoxidkeramik und einer Hüftpfanne aus hochmolekularem Polyethylen. 1982 genehmigte die US-amerikanische Arzneimittelbehörde FDA die klinische Anwendung von künstlichen Hüftgelenken in den Vereinigten Staaten. Diese bestehen aus Kugeln und Pfannen aus Al₂O₃-Keramik sowie Schäften aus CoCrMo-Legierung.
Hochreine Aluminiumoxidkeramiken weisen einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, eine hohe Härte und gute Benetzbarkeit auf und eignen sich daher hervorragend als Gleitflächen in Gelenken. Gemäß den Richtlinien der US-amerikanischen Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde (FDA) darf im medizinischen Bereich ausschließlich hochreines Aluminiumoxid verwendet werden. Verunreinigungen, die glasartige Korngrenzenphasen bilden können (wie Siliziumdioxid, Metallsilikate und Alkalimetalloxide), dürfen maximal 0,1 Gew.-% betragen. Der Abbau solcher Verunreinigungen kann zur Bildung von Spannungskonzentrationen und damit zu Rissbildung führen. Studien haben gezeigt, dass durch die Wahl geeigneter Sinterparameter (Temperatur, Zeit, Aufheiz-/Abkühlrate) und den Einsatz von Dotierstoffen (wie Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid und Chromoxid) die Korngröße und Porosität von Aluminiumoxid gezielt beeinflusst werden können. Dies verbessert effektiv die Zähigkeit und Bruchfestigkeit des Aluminiumoxids.
Komposite aus Zirkonoxid und Aluminiumoxid werden als zirkonoxidverstärktes Aluminiumoxid (ZTA) oder aluminiumoxidverstärktes Zirkonoxid (ATZ) bezeichnet und spielen eine wichtige Rolle bei künstlichen Gelenkmaterialien. Die Eigenschaften dieser beiden Komposite hängen maßgeblich vom Anteil ihrer Hauptkomponenten ab. Sie vereinen die Zähigkeit von Zirkonoxid mit der geringen Empfindlichkeit von Aluminiumoxid gegenüber Degradation in biologischen Flüssigkeiten bei niedrigen Temperaturen. Je nach Materialanforderungen kann ATZ gewählt werden, wenn eine hohe Bruchzähigkeit im Vordergrund steht, während ZTA zum Einsatz kommt, wenn Härte wichtig ist. Derzeit liegen noch nicht genügend klinische Daten vor, die belegen, dass die lasttragende Oberfläche von ZTA-Gelenken hinsichtlich der Verschleißfestigkeit überlegen ist. Studien haben jedoch gezeigt, dass ZTA und zirkonoxidverstärktes Aluminiumoxid (ZPTA) in der Gelenkchirurgie deutlich häufiger eingesetzt werden als ATZ.
③ Anwendung von Aluminiumoxidkeramik in der oralen Restauration
Aluminiumoxidkeramiken zeichnen sich durch Transluzenz und eine der natürlichen Zahnfarbe ähnliche Farbe bei geringer Toxizität aus. Ihre niedrige Wärmeleitfähigkeit ist von Bedeutung, da sie die Reizung der Zahnpulpa durch kalte und heiße Speisen reduziert. Zirkonoxidkeramiken bieten bemerkenswerte Verschleiß-, Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit und weisen eine der natürlichen Zahnfarbe ähnliche Farbe auf. Dadurch eignen sie sich für die Zahnrestauration und besitzen eine hohe Festigkeit. Aufgrund der Unterschiede in der Phasenzusammensetzung und im Herstellungsverfahren lassen sich die in der Vollkeramik verwendeten Aluminiumoxidkeramiken in folgende Kategorien einteilen:
(1) Glasinfiltrierte Aluminiumoxidkeramik
Die Glasinfiltration, auch Schlickerguss-Glasinfiltrationsverfahren genannt, nutzt Aluminiumoxid als Matrixmaterial mit poröser Struktur. In dieses Matrixmaterial infiltriert ein farbstoffhaltiges Lanthan-Bor-Silizium-Glas. Nach der Aushärtung entsteht ein Mikrogefüge, in dem sich Aluminiumoxid- und Glaskristallphasen durchdringen. Glasinfiltrierte Aluminiumoxidkeramiken weisen eine hohe mechanische Festigkeit auf, mit einer Biegefestigkeit von 250–600 MPa und einer Bruchzähigkeit von 3–4 MPa·m¹/². Ein repräsentatives Produkt ist die Basiskrone des In-Ceram Alumina-Systems der deutschen Firma Vita. Dieses System ist zugleich das erste vollkeramische Restaurationssystem, mit dem dreigliedrige Brücken im Seitenzahnbereich hergestellt werden können.
(2) Hochreine, dichte, gesinterte Vollaluminiumoxidkeramik
Das aus Aluminiumoxid mit einem Reinheitsgrad von bis zu 99,9 % bestehende Material wird aus Aluminiumoxidpulver unter extrem hohem Druck (Trockenpressen) zu einem Grünling verpresst und anschließend gesintert. Durch dieses Pressverfahren weist die Aluminiumoxidkeramik eine hohe Dichte und geringe Porosität auf. Das Keramikmaterial erreicht eine Biegefestigkeit von 500–700 MPa und eine Bruchzähigkeit von 5–6 MPa·m¹/² und eignet sich daher für den klinischen Einsatz als Brückenkonstruktion im Seitenzahnbereich.
(3) Mit Glas infiltrierte, zirkonoxidverstärkte Aluminiumoxidkeramik
Diese Keramikart entsteht durch die Zugabe von 35 % teilstabilisiertem Zirkonoxid zu glasinfiltriertem Aluminiumoxid-Keramikpulver. Nach der Formgebung ist im Material gleichmäßig verteiltes tetragonales Zirkonoxid zu erkennen. Es handelt sich um die härteste Keramik der Aluminiumoxid-Keramikreihe. Aufgrund ihrer geringen Transluzenz werden zirkonoxidverstärkte Aluminiumoxid-Keramiken klinisch hauptsächlich für die Restauration von Seitenzähnen eingesetzt, wenn die ästhetischen Anforderungen nicht hoch sind.