Desarrollo y propiedades de cerámicos zirconia/vidrio bioactivo con aplicaciones odontológicas

• Autores: Soubelet, Clara
• Año de publicación: 2022
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Albano, María Patricia
• Materia: Ingeniería; zirconia; vidrio bioactivo; propiedades; microestructura; biomateriales
• Institución: Universidad Nacional de La Plata

Durante las últimas seis décadas, el dióxido de zirconio (ZrO2) estabilizado con 3 mol % Y2O3 (Y-TZP), se ha utilizado con excelentes resultados en prótesis ortopédicas (de cadera y cabeza de femur), en implantes y restauraciones dentales. La elección de este biocerámico en las aplicaciones mencionadas, se basa en una combinación favorable de propiedades tales como alta dureza y en consecuencia velocidades de desgaste bajas, alta resistencia mecánica, buena biocompatibilidad y buena apariencia estética en semejanza con los dientes naturales. La zirconia pura se encuentra en la naturaleza en tres formas cristalográficas: monoclínica (m) desde temperatura ambiente hasta 1170 °C, tetragonal (t) hasta 2370 °C y cúbica (c) hasta su temperatura de fusión a 2680 °C. La microestructura de Y-TZP sinterizado consiste principalmente de granos finos de ZrO2 tetragonal con menores contenidos de granos de ZrO2 cúbica. La transformación t-m ZrO2 inducida por esfuerzo es la fuente de tenacidad de los cerámicos basados en ZrO2, fenómeno conocido como endurecimiento por transformación o transformación tenaz. La transformación t-m también se puede inducir de manera no intencional, cuando el cerámico se implanta en el ambiente húmedo de la cavidad oral. Este proceso denominado degradación hidrotérmica o añejamiento de la zirconia tiene un impacto negativo en sus propiedades mecánicas a mediano plazo y constituye un factor crítico para su aceptación en la práctica diaria. Los cerámicos de Y-TZP se fabrican por sinterización en estado sólido a temperaturas que oscilan entre 1500 y 1600 °C. La adición de pequeñas cantidades de vidrio a Y-TZP, que generan un flujo viscoso durante el proceso de sinterización, constituye una forma atractiva de acelerar su densificación. En este trabajo de tesis se ha investigado la incorporación a Y-TZP de diferentes contenidos de un vidrio en el sistema SiO2-CaO-P2O5, denominado 64S por su composición. Considerando que dicha formulación es refractaria y no funde a las temperaturas de sinterización estudiadas (1300-1500 °C), su incorporación a Y-TZP promoverá su sinterización por un mecanismo de difusión en estado sólido; con la posibilidad de obtener fases secundarias conteniendo Ca y P que estimulen la biocompatibilidad de Y-TZP. También se producirán biocerámicos basados en Y-TZP dopado con Al2O3 (AY-TZP) con el objeto reducir la inestabilidad hidrotérmica que caracteriza a Y-TZP. El objetivo del presente trabajo de tesis fue el desarrollo de biocerámicos basados en zirconia con fases secundarias conteniendo Ca, P y Si, a partir de Y-TZP y de AY-TZP con aditivos de un vidrio refractario 64S. Se evaluarán sus propiedades mecánicas, biológicas y estabilidad hidrotérmica, para una potencial aplicación de los mismos en el área odontológica. Para tal fin, se ha puesto especial énfasis en esta tesis en lograr ciertos resultados que se detallan a continuación: - Acelerar el proceso de sinterización de Y-TZP. - Incrementar la biocompatibilidad de Y-TZP, conservando sus propiedades mecánicas en valores cercanos a la zirconia densificada. - Reducir la degradación hidrotérmica de Y-TZP. Con el objeto de obtener un balance satisfactorio entre las propiedades mecánicas, biológicas y estabilidad hidrotérmica, se debe seleccionar el contenido de 64S adecuado para incrementar la biocompatibilidad de Y-TZP y reducir su inestabilidad hidrotérmica, sin alterar significativamente sus buenas propiedades mecánicas. Se desarrollaron cerámicos densos por procesamiento coloidal de suspensiones concentradas conteniendo 5 %, 10 % y 20 % (% v/v) de 64S, con posterior sinterización a 1300-1500°C. Se estudiaron las propiedades de dispersión y el comportamiento reológico de las suspensiones para obtener piezas coladas de alta calidad con mínimos defectos. Se investigó el comportamiento de sinterización de los compactos de Y-TZP y AY-TZP con los distintos contenidos de 64S, estableciendo las temperaturas de sinterización de cada composición. Se efectuó la caracterización microestructural de los cerámicos sinterizados analizando cuantitativamente las fases presentes y la distribución de tamaño de grano de la matriz de ZrO2. Se evaluaron las propiedades mecánicas (dureza Vickers, resistencia a la flexión y tenacidad a la fractura) y biológicas (adhesión, viabilidad celular y mineralización de la matriz extracelular) de los biocerámicos desarrollados. Por último, se estudió la transformación t-m de ZrO2 inducida por tratamiento hidrotérmico en los biocerámicos producidos, y su impacto en la resistencia a la flexión y en la respuesta celular osteoblástica in vitro. El aporte novedoso de la tesis en el tema propuesto es que la incorporación de 5 y 10 % v/v 64S a Y-TZP y AY-TZP produce biocerámicos con biocompatibilidad y resistencia al añejamiento superior, que poseen valores de dureza y tenacidad a la fractura cercanos a la ZrO2 estabilizada con 3 mol% Y2O3. Entre los biocerámicos desarrollados, aquellos producidos a partir de Y-TZP con 10 % v/v 64S en primer lugar y luego Y-TZP con 5 % v/v 64S sinterizados a 1400 °C, exhibieron el balance más satisfactorio entre las propiedades biológicas y estabilidad hidrotérmica sin comprometer las buenas propiedades mecánicas de Y-TZP. Dichos biocerámicos poseen un gran potencial para utilizarlos en implantes y restauraciones dentales, ya que cumplen con los requisitos requeridos para los cerámicos dentales de las clases 1 a 5 establecidos en la norma ISO 6872 (Dentistry - Ceramic materials), como también con los requisitos para implantes dentales de la norma ISO 13356 (Implants for surgery - Ceramic materials based on yttria-stabilized tetragonal zirconia (Y-TZP)).
Doctor en Ingeniería
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ingeniería