Aluminiumoxidkeramik: das bevorzugte biokeramische Material für die Reparatur und Regeneration von Knochengewebe
Keramiken, die als Biomaterialien zum Füllen von Defekten in Zähnen und Knochen, zur Befestigung von Knochentransplantaten, Frakturen oder Prothesen an Knochen und zum Ersetzen erkrankten Gewebes verwendet werden, werden als Biokeramiken bezeichnet. Sie werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hoher Festigkeit, Verschleißfestigkeit, hoher Druck- und Biegefestigkeit sowie hoher Biokompatibilität häufig im medizinischen Bereich eingesetzt.Biokeramik tauchte erstmals im 19. Jahrhundert auf. Damals wurde eine Art resorbierbarer Keramik – Gips – in Experimenten und klinischen Anwendungen eingesetzt, was das Interesse der Wissenschaftler an der Biokeramik stark weckte. Vom frühen bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts fertigte der amerikanische Wissenschaftler Talbert körnige Keramikmaterialien (Aluminiumoxidkeramik) zu Prothesen an und implantierte sie in die Oberschenkelknochen erwachsener Hunde – mit Erfolg. Aluminiumoxidkeramik erregte auch die Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftler.
①Aluminiumoxidkeramik
Das Konzept der Aluminiumoxidkeramik umfasst ein breites Spektrum. Neben reiner Aluminiumoxidkeramik kann jedes Keramikmaterial mit einem Aluminiumoxidgehalt von 45 % oder mehr als Aluminiumoxidkeramik bezeichnet werden. Aluminiumoxidkeramik enthält viele homogene und heterogene Kristalle, die derzeit am häufigsten verwendeten sind jedoch nur α-Al2O3 und γ-Al2O3. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallstrukturen weisen sie unterschiedliche Eigenschaften auf. Darunter ist α-Al2O3, auch Korund genannt, die Hauptkristallphase der Aluminiumoxidkeramik mit hoher mechanischer Festigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Es wird allgemein angenommen, dass Produkte mit einem Aluminiumoxidgehalt von mehr als 99,9 % hochreines Aluminiumoxid sind. Hochreines Aluminiumoxid verfügt über hervorragende Eigenschaften wie einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Härte, einen hohen elektrischen Widerstand, eine hervorragende katalytische Leistung, gute mechanische Eigenschaften, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Isolierung und Hitzebeständigkeit.Die Verwendung hochreiner Aluminiumoxid-Polykristalle als biofunktionelle Materialien im menschlichen Körper begann 1969. In der Medizintechnik werden zwei Arten hochreiner Aluminiumoxid-Feinkeramiken verwendet: Einkristalle und gesinterte Polykristalle. Einkristallines Aluminiumoxid weist eine hohe Festigkeit und gute Verschleißfestigkeit auf und kann nach der Verarbeitung zu Frakturfixatoren, künstlichen Zahnwurzeln usw. verarbeitet werden. Polykristallines Aluminiumoxid zeichnet sich durch hohe Festigkeit aus und kann zur Herstellung von Gelenken, künstlichen Zahnwurzeln, künstlichen Knochen, künstlichen Doppelschalen-Hüftgelenken usw. verwendet werden.
②Anwendung von Aluminiumoxidkeramik in künstlichen Gelenken
1972 berichtete Boutin unter anderem über die Herstellung menschlicher Hüftgelenke aus Aluminiumoxidkeramik und deren klinische Anwendung. 1977 entwickelten Shikata et al. eine Hüftgelenkprothese, die aus einem Hüftkopf aus Aluminiumoxidkeramik und einer Hüftpfanne aus hochmolekularem Polyethylen bestand. 1982 genehmigte die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) die klinische Anwendung künstlicher Hüftgelenke aus Al₂O₃-Keramikkugeln, Hüftpfannen und Schaften aus CoCrMo-Legierung in den USA.
Hochreine Aluminiumoxidkeramiken haben einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, eine hohe Härte und eine gute Benetzbarkeit, wodurch sie sich gut als Gelenkreibungsflächen eignen. Gemäß den Vorschriften der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) darf im medizinischen Bereich nur hochreines Aluminiumoxid verwendet werden, und der Gehalt an Verunreinigungen, die glasartige Korngrenzenphasen bilden können (wie Siliziumdioxid, Metallsilikate und Alkalimetalloxide), muss unter 0,1 Gewichtsprozent liegen. Der Abbau solcher Verunreinigungen kann nämlich zur Bildung von Spannungskonzentrationsbereichen führen, in denen Risse auftreten. Studien haben ergeben, dass durch die Wahl geeigneter Sinterparameter (Temperatur, Zeit, Heiz-/Abkühlrate) und Dotierungszusätze (wie Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid und Chromoxid) die Korngröße und Porosität von Aluminiumoxid gesteuert werden können, wodurch sich die Zähigkeit und Bruchfestigkeit von Aluminiumoxid wirksam verbessern lassen.
Verbundwerkstoffe aus Zirkonoxid und Aluminiumoxid werden als zirkonoxidverstärktes Aluminiumoxid (ZTA) bzw. aluminaverstärktes Zirkonoxid (ATZ) bezeichnet und spielen auch bei künstlichen Gelenkmaterialien eine wichtige Rolle. Diese beiden Verbundwerkstoffe hängen insbesondere vom Gehalt der Hauptkomponenten ab. Sie vereinen die Härtungsfähigkeit von Zirkonoxid mit der geringen Empfindlichkeit von Aluminiumoxid gegenüber Abbau in biologischen Flüssigkeiten mit niedrigen Temperaturen. Je nach Designanforderungen des Materials kann ATZ ausgewählt werden, wenn eine hohe Bruchzähigkeit gefordert ist, während ZTA verwendet werden kann, wenn die Härte im Vordergrund steht. Zurzeit liegen nicht genügend klinische Daten vor, die belegen, dass die tragende Oberfläche von ZTA-Gelenken hinsichtlich der Verschleißfestigkeit größere Vorteile aufweist. Studien haben gezeigt, dass ZTA und zirkonoxidbasiertes gehärtetes Aluminiumoxid (ZPTA) in der Gelenkchirurgie weitaus häufiger eingesetzt werden als ATZ.
③Anwendung von Aluminiumoxidkeramik in der oralen Restauration
Aluminiumoxidkeramiken sind lichtdurchlässig und farblich an natürliche Zähne angepasst, weisen aber eine geringe Toxizität auf. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxidkeramiken ist signifikant, wodurch die Reizung des Zahnmarks durch kalte und warme Speisen reduziert wird. Zirkonoxidkeramiken zeichnen sich durch eine bemerkenswerte Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit aus. Ihre Farbe ähnelt der natürlicher Zähne, wodurch sie sich für die Zahnrestauration eignet und eine hohe Festigkeit aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Phasenzusammensetzung und des Herstellungsprozesses von Aluminiumoxidkeramiken lassen sich die im Bereich der Vollkeramikrestauration verwendeten Aluminiumoxidkeramiken in folgende Kategorien einteilen:
(1) Glasinfiltrierte Aluminiumoxidkeramik
Glasinfiltration, deren vollständiger Name Schlickerguss-Glasinfiltrationsverfahren lautet. Aluminiumoxid als Matrixmaterial weist eine poröse Struktur auf, in die das farbstoffhaltige Lanthan-Bor-Silizium-Glas eindringt. Nach der Formung weist es eine Mikrostruktur auf, in der sich Aluminiumoxid- und Glaskristallphasen gegenseitig 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 des deutschen Unternehmens Vita, das zugleich das erste vollkeramische Restaurationssystem ist, mit dem dreigliedrige Brücken im Seitenzahnbereich hergestellt werden können.
(2) Hochreine, dicht gesinterte Vollaluminiumoxidkeramik
Aluminiumoxidpulver besteht aus Aluminiumoxid mit einer Reinheit von bis zu 99,9 %, das unter extrem hohem Druck zu einem Grünkörper gepresst (Trockenpressverfahren) und anschließend gesintert wird. Das Druckformverfahren verleiht Aluminiumoxidkeramik eine hohe Dichte und geringe Porosität. Dieses Keramikmaterial erreicht eine Biegefestigkeit von 500–700 MPa und eine Bruchzähigkeit von 5–6 MPa·m¹/² und kann daher klinisch als Brückenkonstruktion im Seitenzahnbereich eingesetzt werden.
(3) Glasinfiltrierte Zirkonoxid-verstärkte Aluminiumoxidkeramik
Dieser Keramiktyp wird durch Zugabe von 35 % teilstabilisiertem Zirkonoxid zu glasinfiltriertem Aluminiumoxidkeramikpulver hergestellt. Nach der Formgebung ist im Material gleichmäßig verteiltes Zirkonoxid in der tetragonalen Phase erkennbar. Es ist zudem das Keramikmaterial mit der höchsten Festigkeit innerhalb der Aluminiumoxidkeramikreihe. Aufgrund der geringen Lichtdurchlässigkeit von Zirkonoxid-verstärkter Aluminiumoxidkeramik wird sie klinisch üblicherweise zur Restauration von Seitenzähnen eingesetzt, wenn keine hohen ästhetischen Anforderungen gestellt werden.