Cerámica de alúmina: el material biocerámico preferido para la reparación y regeneración del tejido óseo
Las cerámicas utilizadas como biomateriales para rellenar defectos en dientes y huesos, fijar injertos óseos, fracturas o prótesis, y reemplazar tejidos enfermos se denominan biocerámicas. Su uso en el campo médico se debe a sus excelentes propiedades, como alta resistencia, resistencia al desgaste, mayor resistencia a la compresión y a la flexión, y alta biocompatibilidad.La biocerámica surgió en el siglo XIX. En aquella época, se utilizaba un tipo de cerámica absorbible, el yeso de París, en experimentos y prácticas clínicas, lo que despertó un gran interés en el campo de la biocerámica. Desde principios hasta mediados del siglo XX, el investigador estadounidense Talbert fabricó prótesis con materiales cerámicos granulares (cerámica de alúmina) y las implantó en fémures de perros adultos, obteniendo así un gran éxito. La cerámica de alúmina también atrajo la atención de numerosos investigadores científicos.
①Cerámica de alúmina
El concepto de cerámica de alúmina abarca una amplia gama. Además de la cerámica de alúmina pura, cualquier material cerámico con un contenido de alúmina igual o superior al 45 % puede denominarse cerámica de alúmina. Existen numerosos cristales homogéneos y heterogéneos en la cerámica de alúmina, pero actualmente los más utilizados son únicamente α-Al₂O₃ y γ-Al₂O₃. Debido a sus diferentes estructuras cristalinas, presentan propiedades diferentes. Entre ellos, el α-Al₂O₃, también conocido como corindón, es la principal fase cristalina de la cerámica de alúmina, con alta resistencia mecánica, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión.
Generalmente, se considera que los productos con un contenido de alúmina superior al 99,9 % son de alta pureza. Esta alúmina posee excelentes propiedades, como un alto punto de fusión, alta dureza, alta resistencia eléctrica, excelente rendimiento catalítico, buenas propiedades mecánicas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, aislamiento y resistencia térmica.El uso de policristales de alúmina de alta pureza como materiales biofuncionales en el cuerpo humano comenzó en 1969. Existen dos tipos de cerámica fina de alúmina de alta pureza que se utilizan en ingeniería médica: monocristales y policristales sinterizados. La alúmina monocristalina presenta alta resistencia y buena resistencia al desgaste, y tras su procesamiento, se puede utilizar para fabricar fijadores de fracturas, raíces dentales artificiales, etc. La alúmina policristalina, caracterizada por su alta resistencia, se puede utilizar en la producción de articulaciones, raíces dentales artificiales, huesos artificiales, articulaciones de cadera artificiales de doble copa, etc.
2Aplicación de cerámica de alúmina en articulaciones artificiales
En 1972, Boutin informó sobre la fabricación de articulaciones de cadera humanas a partir de cerámica de alúmina y sus aplicaciones clínicas, entre otros aspectos. En 1977, Shikata et al. desarrollaron una prótesis de articulación de cadera compuesta por una cabeza femoral de cerámica de alúmina combinada con un acetábulo de polietileno de alto peso molecular. En 1982, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) aprobó formalmente la aplicación clínica en Estados Unidos de articulaciones de cadera artificiales compuestas por esferas de cerámica de Al₂O₃, acetábulos y vástagos de aleación de CoCrMo.
Las cerámicas de alúmina de alta pureza presentan un coeficiente de fricción muy bajo, alta dureza y buena humectabilidad, lo que las hace ideales para su uso como superficies de fricción en articulaciones. Según las regulaciones de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA), solo la alúmina de alta pureza puede utilizarse en el campo médico, y las impurezas que pueden formar fases límite de grano vítreas (como dióxido de silicio, silicatos metálicos y óxidos de metales alcalinos) deben ser inferiores al 0,1 % en peso. Esto se debe a que la degradación de dichas impurezas puede conducir a la formación de áreas de concentración de tensiones, donde se producirán grietas. Diversos estudios han demostrado que mediante la selección de parámetros de sinterización adecuados (temperatura, tiempo, velocidad de calentamiento/enfriamiento) y aditivos dopantes (como óxido de magnesio, óxido de circonio y óxido de cromo), se puede controlar el tamaño de grano y la porosidad de la alúmina, lo que puede mejorar eficazmente la tenacidad y la resistencia a la fractura de la alúmina.
Los compuestos formados por zirconia y alúmina se llaman alúmina endurecida con zirconia (ZTA) o zirconia endurecida con alúmina (ATZ), y también desempeñan un papel importante en los materiales para articulaciones artificiales. Estos dos compuestos dependen específicamente del contenido de los componentes principales. Combinan la capacidad de endurecimiento de la zirconia y la baja sensibilidad de la alúmina a la degradación en fluidos biológicos a baja temperatura. Según los requisitos de diseño del material, ATZ puede seleccionarse cuando se necesita enfatizar una alta tenacidad a la fractura, mientras que ZTA puede usarse cuando se necesita resaltar la dureza. Actualmente, no hay suficientes datos clínicos que demuestren que la superficie de carga de las articulaciones ZTA tenga mayores ventajas en términos de resistencia al desgaste. Los estudios han demostrado que la aplicación de ZTA y alúmina endurecida a base de zirconia (ZPTA) en cirugía articular es mucho mayor que la de ATZ.
③Aplicación de cerámica de alúmina en la restauración oral
La cerámica de alúmina presenta translucidez y un color similar al de los dientes naturales, con baja toxicidad. Su baja conductividad térmica es significativa, lo que reduce la estimulación de alimentos fríos y calientes sobre la pulpa dental. La cerámica de zirconio posee una notable resistencia al desgaste, a la corrosión y a las altas temperaturas, con un color similar al de los dientes naturales, lo que la hace adecuada para la restauración dental y posee una alta resistencia. Según las diferencias en la composición de las fases y el proceso de fabricación de los materiales cerámicos de alúmina, los cerámicos de alúmina utilizados en restauraciones de cerámica sin metal se pueden clasificar en las siguientes categorías:
(1) Cerámica de alúmina infiltrada con vidrio
Infiltración de vidrio, cuyo nombre completo es método de infiltración de vidrio por colada. La alúmina, como material matriz, presenta una estructura porosa, y el vidrio de lantano-boro-silicio que contiene colorantes se infiltra en ella. Tras su formación, presenta una microestructura donde se interpenetran las fases cristalinas de alúmina y de vidrio. La cerámica de alúmina infiltrada con vidrio presenta una alta resistencia mecánica, con una resistencia a la flexión de 250-600 MPa y una tenacidad a la fractura de 3-4 MPa·m¹/². Un producto representativo es la corona base del sistema In-Ceram Alumina de Vita (empresa alemana), que también es el primer sistema de restauración totalmente cerámico capaz de fabricar puentes de tres piezas en la zona posterior.
(2) Cerámica de alúmina totalmente sinterizada densa de alta pureza
Compuesto de alúmina con una pureza de hasta el 99,9 %, el polvo de alúmina se prensa en un cuerpo verde a presión extremadamente alta (conformado por prensado en seco) y posteriormente se sinteriza. El método de conformado por presión confiere a la cerámica de alúmina alta densidad y baja porosidad. Este material cerámico puede alcanzar una resistencia a la flexión de 500-700 MPa y una tenacidad a la fractura de 5-6 MPa·m¹/², por lo que puede utilizarse clínicamente como estructura de puente en la zona de los dientes posteriores.
(3) Cerámica de alúmina endurecida con zirconio infiltrado con vidrio
Este tipo de cerámica se forma añadiendo un 35 % de zirconio parcialmente estabilizado a polvo de alúmina con infiltración de vidrio. Tras el moldeado, se puede observar zirconio en fase tetragonal distribuido uniformemente en el interior del material. Además, es el material cerámico con mayor resistencia de la serie de cerámicas de alúmina. Debido a su baja translucidez, las cerámicas de alúmina endurecidas con zirconio se utilizan generalmente en la práctica clínica para la restauración de dientes posteriores, donde las exigencias estéticas no son elevadas.