Keramiek als biomedisch materiaal
Inhoudsopgave
Keramiek wordt vaak geassocieerd met porselein, glas of architecturale elementen. In biomedische technologie heeft de term echter een veel bredere betekenis. Keramiek is een anorganisch, niet-metaalhoudend materiaal waarvan de belangrijkste componenten meestal metaaloxiden, silicaten, carbiden of nitriden zijn. Ze worden gekenmerkt door een hoge hardheid, hoge druksterkte, hoog smeltpunt en een zeer lage elektrische en thermische geleidbaarheid. Op atomair niveau zijn hun eigenschappen voornamelijk het gevolg van het overwicht van ionische of covalente bindingen en het beperkte aantal mogelijke glijvlakken in het kristalrooster. Daarom ondergaat keramiek, in tegenstelling tot metalen, geen gemakkelijke plastische vervorming.
Het belangrijkste gevolg van deze structuur is kwetsbaarheid. Keramiek heeft de neiging om te barsten in aanwezigheid van microscheurtjes, insluitsels of scherpe inkepingen. In plaats van geleidelijk te vervormen, zoals metalen doen, breken ze plotseling en relatief heftig wanneer de spanning in de buurt van een bestaand defect een kritische waarde overschrijdt. Dit verklaart waarom hun treksterkte veel lager is dan hun druksterkte. Interessant is dat keramiek onder ideale omstandigheden, wanneer het materiaal vrijwel defectvrij is, extreem sterk kan zijn. Een voorbeeld hiervan zijn glasmicrovezels met een treksterkte van enkele gigapascal, wat de sterkte van veel hoogwaardige staalsoorten overtreft.
Keramiek is ook een materiaal dat bij kamertemperatuur vrijwel niet kruipt. Terwijl metalen onder langdurige spanning geleidelijk kunnen vervormen, behoudt keramiek dankzij zijn stijve bindingsstructuur zijn dimensionale eigenschappen totdat er een scheur ontstaat. Deze eigenschap is zowel een voordeel wanneer we denken aan een stabiele belastingsoverdracht, als een nadeel, omdat het onvermogen om spanningen door plastische vervorming ‘vrij te geven’ plotselinge breuken bevordert.
Het gebied van biokeramiek ontstond toen keramiek bewust werd gebruikt voor contact met lichaamsweefsels. Het bleek dat zorgvuldig geselecteerde keramische samenstellingen niet alleen kunnen worden gebruikt in de elektronica of in industrieën waar hoge temperaturen heersen, maar ook om botfragmenten te vervangen, tanden te herstellen, gewrichtsimplantaten te construeren en zelfs elementen die in contact komen met bloed, zoals kunstmatige hartkleppen. Er moet echter aan een aantal fundamentele biologische criteria worden voldaan.
Om als biokeramisch te worden beschouwd, moet een keramisch materiaal niet-toxisch, niet-carcinogeen en niet-allergeen zijn, mag het geen chronische ontstekingsreacties veroorzaken, moet het biocompatibel zijn en moet het zijn biofunctionaliteit gedurende de gehele verwachte implantatieperiode behouden. Met andere woorden, het mag geen schade veroorzaken, moet zijn mechanische of biologische functie vervullen en mag niet op onvoorspelbare wijze degraderen.
Op basis hiervan worden biokeramiek onderverdeeld in drie hoofdklassen. De eerste klasse bestaat uit niet-absorbeerbare keramiek, d.w.z. relatief biocompatibele keramiek, die na implantatie praktisch niet oplost of significante structurele veranderingen ondergaat en ontworpen is om vele jaren mee te gaan. De tweede groep bestaat uit biologisch afbreekbaar (resorbeerbaar) keramiek, dat is ontworpen om geleidelijk te worden vervangen door het groeiende weefsel van de gastheer. De derde categorie bestaat uit bioactief, oppervlaktereactief biokeramiek, dat tot taak heeft een sterke chemische binding te vormen met bot of ander weefsel, voornamelijk door reacties die alleen in de oppervlaktezone plaatsvinden.
Relatief biocompatibele biokeramiek
Relatief biocompatibele biokeramiek behoudt zijn fysische en mechanische eigenschappen tijdens langdurig gebruik in het lichaam. Het lost niet op in significante mate, is bestand tegen corrosie en slijtage, en contact met weefsels komt meestal neer op mechanische aanpassing of integratie zonder significante chemische reacties. Aluminiumoxide, zirkoniumoxide en verschillende soorten koolstof, waaronder pyrolytische koolstof, zijn bijzonder belangrijk in deze groep.
Aluminiumoxide, ook bekend als alumina (Al₂O₃), is een van de meest gebruikte keramische materialen in de implantologie. In biomedische toepassingen wordt een zeer zuivere alfa-variant gebruikt, waarin het Al₂O₃-gehalte meer dan 99,5% bedraagt en de hoeveelheid onzuiverheden, zoals silica en alkalioxiden, beperkt is tot tienden van een procent. Aluminiumoxide heeft een romboëdrische kristalstructuur en komt in de natuur voor als saffier of robijn, afhankelijk van de aanwezige kleurgevende onzuiverheden.
Monokristallijne vormen van dit materiaal kunnen worden verkregen door poeder geleidelijk te smelten op een kristalzaadje, waaruit het groeiende kristal wordt “getrokken”.
De mechanische eigenschappen van aluminiumoxide zijn indrukwekkend. De elasticiteitsmodulus bedraagt enkele honderden gigapascal, de buigsterkte is hoger dan 400 MPa en de hardheid varieert van 20 tot 30 GPa. Deze laatste waarde betekent dat aluminiumoxide zeer hoog scoort op de schaal van Mohs (9/10), op diamant na. De sterkte en betrouwbaarheid van polykristallijn aluminiumoxide zijn echter sterk afhankelijk van de korrelgrootte en porositeit. Door de porositeit te verminderen en een fijnkorrelige structuur te gebruiken, wordt de sterkte vergroot en de spreiding van de resultaten verminderd.
Deze combinatie van hardheid, slijtvastheid en chemische inertie in het lichaam maakt aluminiumoxide tot het materiaal bij uitstek voor de constructie van glijelementen in gewrichtsendoprothesen, met name heupprothesekoppen die in wisselwerking staan met cups van polyethyleen met een ultrahoge moleculaire massa. Studies naar aluminiumoxide-implantaten die in de schedel zijn ingebracht, hebben geen toxiciteit, geen tekenen van afstoting en een zeer goede tolerantie gedurende lange observatieperiodes aangetoond. Aluminiumoxide wordt ook toegepast in tandheelkundige implantaten, botplaten en -schroeven, middenoorreconstructies en onderdelen die een hoge hardheid en chemische inertie vereisen.
Het tweede belangrijke materiaal in deze groep is zirkoniumoxide (ZrO₂). In zijn zuivere vorm heeft het een complex fasediagram – bij verschillende temperaturen neemt het verschillende kristalstructuren aan, wat gepaard gaat met aanzienlijke volumeveranderingen. Een dergelijke variabiliteit is ongunstig vanuit het oogpunt van dimensionale stabiliteit, daarom wordt in de praktijk zirkoniumoxide gebruikt dat gedeeltelijk is gestabiliseerd met oxiden zoals Y₂O₃. Dankzij dergelijke additieven is het mogelijk om fasen bij hoge temperaturen (tetragonaal of kubisch) ook bij lagere temperaturen te stabiliseren, wat de stabiliteit van de structuur na sinteren verbetert.
Gedeeltelijk gestabiliseerd zirkoniumoxide heeft een lagere elasticiteitsmodulus dan aluminiumoxide, waardoor het iets meer op bot lijkt, terwijl het ook een bijzonder goede breukweerstand vertoont. Dit komt door het mechanisme van transformationele versterking: er vindt een lokale faseovergang plaats in de buurt van de zich voortplantende breuk, gepaard gaande met een lichte toename in volume, waardoor de breuk wordt “gesloten” en verdere groei wordt belemmerd. De biocompatibiliteit van zirkoniumoxide is zeer goed en de wrijvings- en slijtageparameters bij gebruik met UHMWPE zijn zo gunstig dat dit materiaal toepassing heeft gevonden in gewrichtsendoprothesekoppen en andere dragende elementen.
Verschillende vormen van koolstof spelen een bijzondere rol bij bio-inert keramiek. De kristalstructuur van grafiet, een klassieke vorm van koolstof, bestaat uit platte, zeshoekige netwerken van atomen die met elkaar verbonden zijn door sterke covalente bindingen, gerangschikt in lagen. Tussen de lagen vinden zwakkere interacties plaats, wat hun beweging ten opzichte van elkaar vergemakkelijkt en de smerende werking van grafiet verklaart. In materialen zoals pyrolytische koolstof of glasachtige koolstof zijn deze zeshoekige lagen gedeeltelijk verstoord, vervormd en vermengd met amorfe gebieden. Op macroschaal leidt dit tot meer isotrope mechanische eigenschappen.
Pyrolytische koolstof is bijzonder waardevol in de implantologie, omdat het wordt gekenmerkt door een hoge sterkte, een behoorlijke elasticiteitsmodulus en een uitstekende bloedcompatibiliteit. Dit materiaal wordt meestal gebruikt als een coating die vanuit de gasfase wordt aangebracht op de uiteindelijke vormen van implantaten, bijvoorbeeld hartklepcomponenten of vasculaire prothesen. Procesparameters zoals temperatuur, druk, gassamenstelling, reactorgeometrie en depositietijd maken een zeer nauwkeurige aanpassing mogelijk van de dichtheid, anisotropie, kristallietgrootte en aanwezigheid van defecten in de koolstof. Een hogere dichtheid betekent doorgaans een hogere sterkte en elasticiteitsmodulus, wat cruciaal is voor de veiligheid van implantaten op lange termijn.
Er zijn ook koolstof-koolstofcomposieten, waarin koolstofvezels de koolstofmatrix versterken. Ze bereiken een zeer hoge sterkte in de richting van de vezels, maar zijn duidelijk anisotroop en poreus. Vanuit mechanisch oogpunt kunnen ze aantrekkelijk zijn, maar hun gebruik vereist een uiterst zorgvuldige planning van de belastingverdeling in het lichaam.
Biologisch afbreekbare biokeramiek
In veel toepassingen is het doel niet om weefsel permanent te vervangen, maar om tijdelijk een defect op te vullen, mechanische ondersteuning te bieden of een medicijn toe te dienen, waarna het implantaat geleidelijk moet worden vervangen door regenererend gastheerweefsel. In dergelijke situaties zijn resorbeerbare keramische materialen, die op een gecontroleerde manier worden afgebroken, de ideale keuze.
Historisch gezien was gips, of calciumsulfaatdihydraat, een van de eerste materialen van dit type. Dit werd al aan het einde van de 19e eeuw gebruikt als botvervanger. De echte doorbraak kwam echter in de tweede helft van de 20e eeuw, toen volledig synthetische calciumfosfaten en complexere systemen zoals aluminium-calcium-fosfaatkeramiek (ALCAP), zink-calcium-fosfaat (ZCAP), zinksulfaat-calcium-fosfaat (ZSCAP) en ijzer-calcium-fosfaat (FECAP) op de markt kwamen.
De belangrijkste vertegenwoordiger van deze groep is hydroxyapatiet (HA), dat chemisch gezien vergelijkbaar is met de minerale fase van botten en tanden. Het heeft een formule die vergelijkbaar is met Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ en behoort tot de apatietfamilie. Structureel vormt het zeshoekige prisma’s waarin hydroxylionen in kolommen langs de c-as zijn gerangschikt en sommige calciumionen sterk aan hen zijn gebonden. De resterende Ca²⁺-ionen completeren het kristalrooster en zorgen voor de stabiliteit van de structuur. De molaire verhouding van calcium tot fosfor is 10:6 en de theoretische dichtheid ligt dicht bij 3,2 g/cm³. De vervanging van OH⁻-ionen door F⁻-ionen resulteert in een verhoogde chemische stabiliteit, wat verklaart waarom fluoridering het tandglazuur versterkt.
Hydroxyapatiet is een materiaal met een uitzonderlijke biocompatibiliteit, aangezien de structuur en chemische samenstelling ervan sterk lijken op die van natuurlijk botweefsel. Na implantatie in de vorm van korrels of poreuze blokken wordt snel nieuw poreus bot gevormd en neemt de grens tussen het implantaat en het bot vaak de vorm aan van een directe chemische binding, zonder een duidelijke vezelige zone.
De mechanische eigenschappen van hydroxyapatiet kunnen aanzienlijk variëren, afhankelijk van de productiemethode, korrelgrootte en porositeit. De elasticiteitsmodulus kan een waarde bereiken die vergelijkbaar is met die van natuurlijke harde weefsels zoals glazuur, dentine of compact bot. Hierdoor kunnen implantaten worden ontworpen waarvan de stijfheid is afgestemd op het omliggende weefsel, waardoor het risico op het ongewenste fenomeen van stress shielding, d.w.z. ontlasting en geleidelijk botverlies, wordt verminderd.
Naast hydroxyapatiet speelt ook β-calciumtrifosfaat (β-TCP) een belangrijke rol. Het is beter oplosbaar dan HA, waardoor het in vivo sneller wordt geresorbeerd, terwijl het een goede osteoconductiviteit behoudt. Dit maakt het materiaal zeer geschikt als tijdelijke vuller voor botdefecten, die geleidelijk verdwijnt naarmate het eigen bot van de patiënt groeit. Net als hydroxyapatiet wordt TCP vaak geproduceerd door natte synthese uit geschikte calcium- en fosfaatzouten, gevolgd door calcineren en sinteren. Het kan composieten vormen met aminozuren zoals cysteïne, die, wanneer ze met water worden gemengd, zich binden en uitharden op de implantatieplaats, waardoor het materiaal zich direct in het defect kan vormen.
Meer complexe keramische systemen, zoals ALCAP, ZCAP, ZSCAP en FECAP, zijn meestal polyfasisch. Dit betekent dat hun structuur verschillende kristallijne fasen bevat met verschillende oplosbaarheid en resorptiesnelheden. Deze structuur maakt het mogelijk om materialen te ontwerpen die in meerdere fasen afbreken: sommige fasen verdwijnen sneller, andere langzamer, en tijdens dit proces komen biologisch belangrijke ionen, zoals zink of ijzer, vrij. Ze kunnen ook worden gebruikt als dragers voor geneesmiddelen – de werkzame stof wordt in een keramische matrix ingesloten en geleidelijk vrijgegeven naarmate het implantaat resorbeert.
Een interessant voorbeeld van een natuurlijk voorkomend resorbeerbaar materiaal is corallina, d.w.z. het skelet van koralen, dat voornamelijk bestaat uit calciumcarbonaat in de vorm van aragoniet. Afzonderlijke koraalsoorten vormen unieke, driedimensionale poreuze structuren die qua grootte en poriënverdeling lijken op trabeculair bot. Dit maakt materialen zoals Biocoral ideaal voor het opvullen van botdefecten. Calciumcarbonaat wordt geleidelijk geresorbeerd en vervangen door bot. Bovendien kunnen koraalskeletten hydrothermisch worden omgezet in hydroxyapatiet met behoud van hun natuurlijke poriënarchitectuur, waardoor de voordelen van een grote chemische gelijkenis met bot worden gecombineerd met een zeer gunstige ruimtelijke microstructuur.
Bioactieve oppervlaktereactieve biokeramiek
Tussen extreem inerte keramiek en sneller resorbeerbare materialen bestaat er een derde, uiterst belangrijke groep: bioactieve biokeramiek, d.w.z. oppervlaktereactieve glazen, glaskeramiek en bepaalde vormen van hydroxyapatiet. Hun bijzondere eigenschap is dat, hoewel het bulkvolume van het materiaal relatief stabiel blijft, het oppervlak actief reageert met lichaamsvloeistoffen en een laag vormt die een sterke chemische binding met bot kan aangaan.
Een klassiek voorbeeld hiervan zijn bioactieve silicaatglazen, zoals materialen uit de Bioglass-familie, en hun gekristalliseerde tegenhangers: glaskeramiek. Deze systemen zijn gebaseerd op silica (SiO₂) met toevoegingen van calciumoxide, natriumoxide en fosfor(V)oxide. Na implantatie in het lichaam vindt er een reeks reacties plaats op het oppervlak van dergelijke materialen: eerst worden Na⁺- en Ca²⁺-ionen uitgewisseld met de omgeving, wat een lokale verandering in pH en ionische activiteit veroorzaakt. Vervolgens wordt een gel-laag gevormd die rijk is aan silica, waarop calciumfosfaten neerslaan, die na verloop van tijd veranderen in een structuur die lijkt op apatiet. Deze apatietlaag aan het oppervlak zorgt ervoor dat het bot zich direct in het glas kan verankeren, zonder tussenkomst van vezelachtig weefsel.
De bioactiviteit van glas is sterk afhankelijk van de chemische samenstelling, voornamelijk het SiO₂-gehalte en de verhoudingen van CaO, Na₂O en P₂O₅. Er is een specifiek bereik van samenstelling waarin zowel een silica- als een fosfaatlaag tegelijkertijd worden gevormd. Buiten dit bereik is het materiaal ofwel te weinig reactief om een duurzame binding met weefsel te vormen, ofwel te gevoelig voor oplossing.
Glaskeramiek, zoals gekristalliseerd Bioglass of Ceravital, wordt geproduceerd door middel van gecontroleerde glaskristallisatie. Tijdens de productie ondergaat het materiaal een reeks warmtebehandelingen, die leiden tot de vorming van een groot aantal kleine kristallieten (met een diameter van een fractie van een micrometer) die gelijkmatig over het volume zijn verdeeld. Als gevolg hiervan combineren glaskeramiek een hoge dichtheid, hoge sterkte, goede krasbestendigheid en geschikte thermische eigenschappen. Een zorgvuldig geselecteerde samenstelling zorgt ervoor dat de bioactiviteit behouden blijft, terwijl de mechanische parameters worden verbeterd in vergelijking met puur amorf glas.
Ondanks deze voordelen blijven bioactief glas en glaskeramiek relatief broze materialen. Hun treksterkte is weliswaar verbeterd, maar nog steeds te laag om als zelfstandige componenten te worden gebruikt in grote, dragende implantaten zoals stelen voor gewrichtsprothesen. Ze worden echter veel gebruikt als coating op metalen implantaten, waar ze een directe verbinding met het bot vormen, en als vulmiddel in tandheelkundige composieten, materialen voor middenoorreconstructie en kleine schedelimplantaten.
Aantasting en vermoeidheid van keramiek in het lichaam
Bij het ontwerpen van keramische implantaten is het belangrijk om niet alleen rekening te houden met de eigenschappen van het materiaal direct na de productie, maar ook met hoe deze eigenschappen in de loop van de tijd veranderen onder invloed van de biologische omgeving en mechanische belastingen.
Bij niet-absorberend keramiek spelen statische en dynamische vermoeidheid een belangrijke rol. In een aquatische omgeving, die overeenkomt met fysiologische omstandigheden, kan water de groei van bestaande microscheurtjes versnellen. Als het materiaal additieven bevat die waterpenetratie vergemakkelijken, kan dit leiden tot een geleidelijke vermindering van de sterkte bij langdurige belasting, zelfs als de spanningen lager zijn dan de sterktegrens die in een kortetermijntest is bepaald. Dit fenomeen is onder andere bij aluminiumoxide uitvoerig bestudeerd, waarbij de relatie tussen de aanwezigheid van sporen van waterwerking op het breukoppervlak en de afname van de sterkte is geobserveerd.
Statistische sterkte modellen, zoals de Weibull-verdeling, worden vaak gebruikt om het gedrag van keramiek te beschrijven, waarbij de kans op defecten afhankelijk is van een constante schaal- en vormparameter m. Hoe hoger de waarde van parameter m, hoe kleiner de sterkteverspreiding en hoe groter de voorspelbaarheid van het gedrag van het materiaal, wat cruciaal is bij het ontwerpen van implantaatcomponenten. Proefonderzoeken, waarbij afgewerkte componenten worden blootgesteld aan spanningen die hoger zijn dan de verwachte bedrijfsbelastingen, zijn ook een praktisch hulpmiddel voor betrouwbaarheidstechniek. Zwakkere monsters worden tijdens het testen vernietigd en voor de overgebleven monsters kan de minimale verwachte levensduur bij een bepaald belastingsniveau worden bepaald.
In het geval van koolstofcoatings op metalen hebben vermoeidheidstests aangetoond dat de integriteit van de coating sterk afhankelijk is van het gedrag van het substraat. Als het metalen substraat geen significante plastische vervorming ondergaat, kan pyrolytische koolstof zelfs bij een zeer groot aantal belastingscycli intact blijven, wat met name belangrijk is voor gecoate hartkleppen of vasculaire prothesen.
Productietechnieken voor biokeramiek
De keuze van de productietechniek voor biokeramiek hangt grotendeels af van het beoogde gebruik van het implantaat. Als het doel is om hard weefsel te vervangen en mechanische belastingen over te brengen, zullen een hoge dichtheid, hoge sterkte en een geschikte elasticiteitsmodulus prioriteit hebben. Bij toepassingen waarbij weefselintegratie en intensieve vascularisatie het belangrijkst zijn, spelen een hoge open porositeit en de juiste poriegrootteverdeling een sleutelrol.
Ondersteunende implantaten maken gebruik van technieken zoals spuitgieten, gelgieten en micro-emulsiemethoden, waarmee een hoge dichtheid (boven 97-99% van de theoretische dichtheid) kan worden bereikt met een relatief lage porositeit. Op de juiste wijze geselecteerde additieven, waaronder natriumfosfaten, lithium of gedeeltelijk gestabiliseerd zirkoniumoxide, kunnen de sinterbaarheid verbeteren, de microhardheid en breukweerstand verhogen en de ontwikkeling van de microstructuur tijdens het sinteren beïnvloeden. Er moet altijd rekening mee worden gehouden dat te veel additieven of een onjuiste selectie ervan kan leiden tot de vorming van niet-biocompatibele of overmatig oplosbare fasen.
Als het doel een snelle integratie met bot en andere weefsels is, worden keramische materialen ontworpen met een hoge open porositeit, met poriën met een diameter die bloedvaten en cellen kunnen binnendringen (meestal minstens enkele tientallen micrometers). Hier wordt onder andere de zetmeelconsolidatiemethode gebruikt, waarbij zetmeelkorrels worden gemengd met een keramische suspensie en vervolgens tijdens het drogen opzwellen. Tijdens het sinteren verbrandt het zetmeel, waardoor er poriën achterblijven. Door de hoeveelheid zetmeel in het mengsel aan te passen, is het mogelijk om de uiteindelijke porositeit en poriegrootteverdeling nauwkeurig te regelen, waardoor structuren worden verkregen met poriën variërend van enkele micrometers tot tientallen micrometers.
Een andere techniek is druppelgieten, waarbij druppels of korrels worden gevormd uit een hydroxyapatietsuspensie, bijvoorbeeld door ze op speciale mallen of in vloeibare stikstof te druppelen. Na drogen, calcineren en sinteren worden poreuze HA-korrels verkregen, die kunnen worden gebruikt als vulmiddel voor botdefecten. Ongeacht de details van het proces is het doel om een structuur te creëren die sterk genoeg is om de implantatie en de vroege genezingsfase te doorstaan, en tegelijkertijd een hoge mate van weefselpenetratie biedt.
Samenvatting – Keramiek als biomedisch materiaal
Biokeramiek is momenteel een van de belangrijkste groepen biomaterialen die in de geneeskunde worden gebruikt. Hiertoe behoren relatief bio-inert oxide keramiek, zoals aluminiumoxide en zirkoniumoxide, evenals resorbeerbare calciumfosfaten, op koraal gebaseerde structuren, meercomponenten systemen die zink of ijzer bevatten, en bioactief glas en glaskeramiek. Elk van deze materialen heeft zijn eigen “rol” in het lichaam: sommige zijn bedoeld als stabiele, duurzame botvervangers, andere om geleidelijk plaats te maken voor nieuw weefsel en weer andere om een sterke chemische verankering te bieden voor implantaten in botten.
De sleutel tot het ontwerpen van biokeramiek is het begrijpen van de relatie tussen chemische samenstelling, kristalstructuur, microstructuur, productiemethode en gedrag in een biologische omgeving. Moderne implantaten combineren vaak verschillende materialen: metaal voor het dragen van belasting, bioactieve keramiek voor een duurzame verbinding met het bot, resorbeerbare scaffolds ter ondersteuning van regeneratie en koolstofcoatings in componenten die in contact komen met bloed. Biokeramiek is niet langer alleen maar een ‘hard materiaal’ – tegenwoordig is het een nauwkeurig ontworpen hulpmiddel voor weefselengineering en implantologie, waarmee de biologische functies en structuur van lichaamsweefsels steeds beter kunnen worden nagebootst.
