Ceramica ca material biomedical
Cuprins
Ceramica este asociată în mod obișnuit cu porțelanul, sticla sau elementele arhitecturale. În ingineria biomedicală, însă, termenul are o semnificație mult mai largă. Ceramica este un material anorganic, nemetalic, ale cărui componente principale sunt, de obicei, oxizi metalici, silicați, carburi sau nitruri. Acestea se caracterizează prin duritate ridicată, rezistență mare la compresiune, punct de topire ridicat și conductivitate electrică și termică foarte scăzută. La nivel atomic, proprietățile lor rezultă în principal din predominanța legăturilor ionice sau covalente și din numărul limitat de plane de alunecare posibile în rețeaua cristalină. Acesta este motivul pentru care ceramica, spre deosebire de metale, nu suferă o deformare plastică ușoară.
Principala consecință a acestei structuri este fragilitatea. Ceramica tinde să se fisureze în prezența microfisurilor, incluziunilor sau crestăturilor ascuțite. În loc să se deformeze treptat, așa cum fac metalele, aceasta se rupe brusc și relativ violent atunci când tensiunea din apropierea unui defect existent depășește o valoare critică. Acest lucru explică de ce rezistența la tracțiune a ceramicii este mult mai mică decât rezistența la compresiune. Interesant este că, în condiții ideale, când materialul este practic fără defecte, ceramica poate fi extrem de rezistentă – un exemplu sunt microfibrele de sticlă cu o rezistență la tracțiune de câteva gigapascali, depășind rezistența multor oțeluri de înaltă rezistență.
Ceramica este, de asemenea, un material care practic nu se deformează la temperatura camerei. În timp ce metalele se pot deforma treptat sub presiune prelungită, ceramica, datorită structurii sale rigide, își păstrează dimensiunile până la apariția unei fisuri. Această caracteristică este atât un avantaj, dacă ne gândim la transferul stabil al sarcinii, cât și un dezavantaj, deoarece incapacitatea de a „elibera” tensiunile prin deformare plastică favorizează fracturile bruște.
Domeniul bioceramicii a luat naștere atunci când ceramica a început să fie utilizată în mod conștient pentru contactul cu țesuturile corpului. S-a dovedit că compozițiile ceramice selectate în mod adecvat pot fi utilizate nu numai în industria electronică sau în industriile care utilizează temperaturi ridicate, ci și pentru a înlocui fragmente osoase, pentru a reconstrui dinți, pentru a construi implanturi articulare și chiar elemente care intră în contact cu sângele, cum ar fi valvele cardiace artificiale. Cu toate acestea, trebuie îndeplinite câteva criterii biologice de bază.
Pentru ca un material ceramic să fie considerat bioceramic, acesta trebuie să fie netoxic, necancerigen, nealergenic, să nu provoace reacții inflamatorii cronice și să fie biocompatibil, păstrându-și biofuncționalitatea pe întreaga perioadă de implantare prevăzută. Cu alte cuvinte, acesta nu trebuie să provoace daune, trebuie să își îndeplinească funcția mecanică sau biologică și nu trebuie să se degradeze în mod imprevizibil.
Pe această bază, bioceramica este împărțită în trei clase principale. Prima clasă este formată din ceramică neabsorbabilă, adică ceramică relativ biocompatibilă, care, după implantare, practic nu se dizolvă și nu suferă modificări structurale semnificative și este concepută să funcționeze timp de mulți ani. Al doilea grup este format din ceramica biodegradabilă (resorbabilă), care este concepută pentru a fi înlocuită treptat de țesutul în creștere al gazdei. A treia categorie este formată din bioceramica bioactivă, reactivă la suprafață, a cărei sarcină este de a forma o legătură chimică puternică cu osul sau alte țesuturi, în principal prin reacții care au loc numai în zona de suprafață.
Bioceramică relativ biocompatibilă
Bioceramica relativ biocompatibilă bioceramics își păstrează proprietățile fizice și mecanice în timpul utilizării pe termen lung în organism. Nu se dizolvă în mod semnificativ, este rezistentă la coroziune și uzură, iar contactul cu țesuturile se reduce de obicei la adaptare sau integrare mecanică, fără reacții chimice semnificative. Oxidul de aluminiu, oxidul de zirconiu și diferite tipuri de carbon, inclusiv carbonul pirolitic, sunt deosebit de importante în această grupă.
Oxidul de aluminiu, cunoscut și sub denumirea de alumină (Al₂O₃), este unul dintre cele mai utilizate materiale ceramice în implantologie. În aplicațiile biomedicale se utilizează o varietate alfa de înaltă puritate, în care conținutul de Al₂O₃ depășește 99,5%, iar cantitatea de impurități, precum siliciu și oxizi alcalini, este limitată la zecimi de procent. Alumina are o structură cristalină romboedrică și se găsește în natură sub formă de safir sau rubin, în funcție de impuritățile care îi conferă culoarea. Formele monocristaline ale acestui material pot fi obținute prin topirea treptată a pulberii pe un nucleu cristalin, din care este „extras” cristalul în creștere.
Proprietățile mecanice ale aluminei sunt impresionante. Modulul lui Young ajunge la câteva sute de gigapascali, rezistența la încovoiere depășește 400 MPa, iar duritatea variază între 20 și 30 GPa. Această din urmă valoare înseamnă că oxidul de aluminiu ocupă un loc foarte înalt pe scara Mohs (9/10), fiind al doilea după diamant. Cu toate acestea, rezistența și fiabilitatea aluminei policristaline depind în mod semnificativ de dimensiunea granulelor și de porozitate. Reducerea porozității și utilizarea unei structuri cu granulație fină sporește rezistența și reduce dispersia rezultatelor.
Această combinație de duritate, rezistență la uzură și inertitate chimică în mediul corpului face din aluminiu materialul preferat pentru construcția elementelor glisante în endoprotezele articulare, în special capetele protezelor de șold care interacționează cu cupe din polietilenă cu greutate moleculară ultra-ridicată. Studiile privind implanturile din oxid de aluminiu inserate în craniu nu au evidențiat toxicitate, semne de respingere și au arătat o toleranță foarte bună pe perioade lungi de observare. Alumina și-a găsit aplicații și în implanturile dentare, plăcile și șuruburile osoase, reconstrucțiile urechii medii și componentele care necesită duritate ridicată și inertitate chimică.
Al doilea material cheie din acest grup este oxidul de zirconiu (ZrO₂). În forma sa pură, acesta are o diagramă de fază complexă – la temperaturi diferite, capătă structuri cristaline diferite, însoțite de modificări semnificative ale volumului. O astfel de variabilitate este nefavorabilă din punctul de vedere al stabilității dimensionale, motiv pentru care în practică se utilizează zirconiu stabilizat parțial cu oxizi precum Y₂O₃. Datorită acestor aditivi, este posibilă stabilizarea fazelor de temperatură ridicată (tetragonale sau cubice) și la temperaturi mai scăzute, ceea ce îmbunătățește stabilitatea structurii după sinterizare.
Zirconiul parțial stabilizat are un modul de elasticitate mai mic decât alumina, ceea ce îl face puțin mai similar cu osul, prezentând în același timp o rezistență deosebit de bună la fractură. Acest lucru se datorează mecanismului de întărire transformativă – o tranziție de fază locală are loc în apropierea fracturii în propagare, însoțită de o ușoară creștere a volumului, care „închide” fractura și împiedică creșterea acesteia. Biocompatibilitatea zirconiului este foarte bună, iar parametrii săi de frecare și uzură atunci când este utilizat cu UHMWPE sunt atât de favorabili încât acest material și-a găsit aplicarea în capetele endoprotezelor articulare și în alte elemente de susținere a sarcinii.
Diferitele forme de carbon joacă un rol special în ceramica bio-inertă. Structura cristalină a grafitului, o formă clasică de carbon, constă din rețele hexagonale plate de atomi conectați prin legături covalente puternice, dispuse în straturi. Între straturi au loc interacțiuni mai slabe, ceea ce facilitează mișcarea lor relativă și explică lubrifierea grafitului. În materiale precum carbonul pirolitic sau carbonul vitros, aceste straturi hexagonale sunt parțial perturbate, deformate și amestecate cu zone amorfe. La scară macro, acest lucru duce la proprietăți mecanice mai izotrope.
Carbonul pirolitic este deosebit de valoros în implantologie, deoarece se caracterizează prin rezistență ridicată, modul de elasticitate decent și compatibilitate excelentă cu sângele. Acest material este utilizat cel mai adesea ca acoperire aplicată din faza gazoasă pe formele finale ale implanturilor, de exemplu, componente ale valvei cardiace sau proteze vasculare. Parametrii procesului, cum ar fi temperatura, presiunea, compoziția gazului, geometria reactorului și timpul de depunere, permit ajustarea foarte precisă a densității, anizotropiei, dimensiunii cristalitelor și prezenței defectelor în carbon. O densitate mai mare înseamnă, de obicei, o rezistență și un modul de elasticitate mai mari, ceea ce este crucial pentru siguranța pe termen lung a implanturilor.
Există, de asemenea, compozite carbon-carbon, în care fibrele de carbon întăresc matricea de carbon. Acestea ating o rezistență foarte mare în direcția fibrelor, dar sunt distinct anizotrope și poroase. Din punct de vedere mecanic, ele pot fi atractive, dar utilizarea lor necesită o planificare extrem de atentă a distribuției sarcinii în caroserie.
Bioceramică biodegradabilă
În multe aplicații, scopul nu este înlocuirea permanentă a țesutului, ci umplerea temporară a unui defect, asigurarea unui suport mecanic sau administrarea unui medicament, după care implantul trebuie înlocuit treptat prin regenerarea țesutului gazdă. În astfel de situații, ceramica resorbabilă, care se degradează în mod controlat, este alegerea ideală.
Istoric, unul dintre primele materiale de acest tip a fost tencuiala, sau sulfatul de calciu dihidrat, care era deja utilizat la sfârșitul secolului al XIX-lea ca substitut osos. Cu toate acestea, adevărata descoperire a avut loc în a doua jumătate a secolului al XX-lea, când au apărut fosfații de calciu complet sintetici și sisteme mai complexe, precum ceramica de aluminiu-calciu-fosfat (ALCAP), zinc-calciu-fosfat (ZCAP), zinc-sulfat-calciu-fosfat (ZSCAP) și fier-calciu-fosfat (FECAP).
Cel mai important reprezentant al acestui grup este hidroxiapatita (HA), similară din punct de vedere chimic cu faza minerală a oaselor și dinților. Are o formulă similară cu Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ și aparține familiei apatitelor. Din punct de vedere structural, formează prisme hexagonale în care ionii hidroxil sunt aranjați în coloane de-a lungul axei c, iar unii dintre ionii de calciu sunt puternic legați de aceștia. Ionii Ca²⁺ rămași completează rețeaua cristalină, asigurând stabilitatea structurii. Raportul molar dintre calciu și fosfor este de 10:6, iar densitatea teoretică este aproape de 3,2 g/cm³. Înlocuirea ionilor OH⁻ cu ioni F⁻ are ca rezultat o stabilitate chimică crescută, ceea ce explică de ce fluorizarea întărește smalțul dinților.
Hidroxiapatita este un material cu o biocompatibilitate excepțională, deoarece structura și compoziția sa chimică seamănă foarte mult cu cele ale țesutului osos natural. După implantarea sub formă de granule sau blocuri poroase, se formează rapid os spongios nou, iar granița dintre implant și os ia adesea forma unei legături chimice directe, fără o zonă fibroasă distinctă.
Proprietățile mecanice ale hidroxiapatitei pot varia semnificativ în funcție de metoda de fabricație, dimensiunea granulelor și porozitate. Modulul de elasticitate poate atinge o valoare comparabilă cu cea a țesuturilor dure naturale, cum ar fi smalțul, dentina sau osul compact. Acest lucru permite proiectarea de implanturi a căror rigiditate este adaptată țesutului înconjurător, reducând riscul apariției fenomenului advers cunoscut sub numele de protecție împotriva stresului, adică descărcarea și pierderea treptată a osului.
Pe lângă hidroxiapatită, trifosfatul de calciu β (β-TCP) joacă un rol important. Este mai solubil decât HA, ceea ce duce la o resorbție mai rapidă in vivo, menținând în același timp o bună osteoconductivitate. Acest lucru face ca materialul să fie potrivit ca umplutură temporară pentru defectele osoase, care dispare treptat pe măsură ce osul propriu al pacientului crește. La fel ca hidroxiapatita, TCP este adesea produs prin sinteză umedă din săruri de calciu și fosfat adecvate, urmată de calcinare și sinterizare. Poate forma compuși cu aminoacizi precum cisteina, care, atunci când sunt amestecați cu apă, se leagă și se întăresc la locul implantării, permițând materialului să se formeze direct în defect.
Sistemele ceramice mai complexe, precum ALCAP, ZCAP, ZSCAP și FECAP, sunt de obicei polifazice. Aceasta înseamnă că structura lor conține mai multe faze cristaline diferite, cu solubilitate și rate de resorbție variabile. Această structură permite proiectarea de materiale care se degradează în mai multe etape: unele faze dispar mai repede, altele mai lent, iar în timpul acestui proces sunt eliberați ioni importanți din punct de vedere biologic, precum zincul sau fierul. Acestea pot fi utilizate și ca purtători de medicamente – substanța activă este închisă într-o matrice ceramică și eliberată treptat pe măsură ce implantul se resorbează.
Un exemplu interesant de material resorbabil natural este corallina, adică scheletul coralilor, compus în principal din carbonat de calciu sub formă de aragonit. Fiecare specie de corali formează structuri poroase tridimensionale unice, care seamănă cu osul trabecular în ceea ce privește dimensiunea și distribuția porilor. Acest lucru face ca materialele precum Biocoral să fie ideale pentru umplerea defectelor osoase. Carbonatul de calciu suferă o resorbție treptată și este înlocuit de os. În plus, scheletele de corali pot fi transformate hidrotermic în hidroxiapatită, păstrându-și în același timp arhitectura naturală a porilor, combinând avantajele unei similitudini chimice strânse cu osul cu o microstructură spațială foarte favorabilă.
Bioceramică bioactivă reactivă la suprafață
Între ceramica extrem de inertă și materialele cu resorbție mai rapidă, există un al treilea grup extrem de important – bioceramica bioactivă, adică sticla cu suprafață reactivă, vitroceramica și anumite forme de hidroxiapatită. Caracteristica lor specială este că, deși volumul materialului rămâne relativ stabil, suprafața reacționează activ cu fluidele corporale, formând un strat care poate crea o legătură chimică puternică cu osul.
Un exemplu clasic îl reprezintă sticlele bioactive pe bază de silicat, precum materialele din familia Bioglass, și omoloagele lor cristalizate – vitroceramica. Aceste sisteme au la bază siliciu (SiO₂) cu aditivi de oxid de calciu, oxid de sodiu și oxid de fosfor (V). După implantarea în organism, pe suprafața acestor materiale are loc o serie de reacții: mai întâi, ionii Na⁺ și Ca²⁺ sunt schimbați cu mediul, provocând o schimbare locală a pH-ului și a activității ionice. Apoi, se formează un strat de gel bogat în siliciu, pe care precipită fosfații de calciu, care în timp se transformă într-o structură similară cu apatitul. Acest strat de apatit de suprafață permite osului să se ancoreze direct în sticlă, fără medierea țesutului fibros.
Bioactivitatea sticlei depinde în mare măsură de compoziția sa chimică, în special de conținutul de SiO₂ și de proporțiile de CaO, Na₂O și P₂O₅. Există un interval specific de compoziție în care se formează simultan atât un strat de siliciu, cât și unul de fosfat. În afara acestui interval, materialul este fie prea puțin reactiv pentru a forma o legătură durabilă cu țesutul, fie prea susceptibil la dizolvare.
Gresia ceramică, precum Bioglass cristalizat sau Ceravital, este produsă ca rezultat al cristalizării controlate a sticlei. În timpul producției, materialul este supus unei serii de tratamente termice, care duc la formarea unui număr mare de cristale minuscule (cu diametre de o fracțiune de micrometru) distribuite uniform în întreg volumul. Drept urmare, vitroceramica combină densitate ridicată, rezistență ridicată, rezistență bună la zgârieturi și proprietăți termice adecvate. O compoziție selectată cu atenție permite menținerea bioactivității, îmbunătățind în același timp parametrii mecanici în comparație cu sticla pur amorfă.
În ciuda acestor avantaje, sticla bioactivă și ceramica din sticlă rămân materiale relativ fragile. Rezistența lor la tracțiune, deși îmbunătățită, este încă prea scăzută pentru a fi utilizată ca componente independente în implanturi mari, care suportă sarcini, cum ar fi tijele protezelor articulare. Cu toate acestea, ele sunt utilizate pe scară largă ca acoperiri pe implanturi metalice, unde formează o conexiune directă cu osul, și ca umpluturi în compozite dentare, materiale pentru reconstrucția urechii medii și implanturi craniene mici.
Deteriorarea și uzura ceramicii din corp
La proiectarea implanturilor ceramice, este important să se ia în considerare nu numai proprietățile materialului imediat după fabricare, ci și modul în care aceste proprietăți se modifică în timp sub influența mediului biologic și a sarcinilor mecanice.
În cazul ceramicii neabsorbante, oboseala statică și dinamică joacă un rol semnificativ. Într-un mediu acvatic, care corespunde condițiilor fiziologice, apa poate accelera creșterea microfisurilor existente. Dacă materialul conține aditivi care facilitează pătrunderea apei, acest lucru poate duce la o reducere treptată a rezistenței în condiții de încărcare prelungită, chiar dacă solicitările sunt mai mici decât limita de rezistență determinată într-un test pe termen scurt. Acest fenomen a fost studiat în detaliu în cazul oxidului de aluminiu, printre alte materiale, observându-se relația dintre prezența urmelor de acțiune a apei pe suprafața de fractură și scăderea rezistenței.
Modelele statistice de rezistență, precum distribuția Weibull, sunt adesea utilizate pentru a descrie comportamentul ceramicii, în care probabilitatea de defectare depinde de un parametru constant de scară și formă m. Cu cât valoarea parametrului m este mai mare, cu atât dispersia rezistenței este mai mică și predictibilitatea comportamentului materialului este mai mare, ceea ce este crucial în proiectarea componentelor implanturilor. Testele de verificare, în care componentele finite sunt supuse unor solicitări mai mari decât sarcinile de funcționare preconizate, sunt, de asemenea, un instrument practic de inginerie a fiabilității. Probele mai slabe sunt distruse în timpul testării, iar pentru cele rămase se poate determina durata de viață minimă preconizată la un anumit nivel de sarcină.
În cazul acoperirilor cu carbon pe metale, testele de oboseală au arătat că integritatea acoperirii depinde în mare măsură de comportamentul substratului. Dacă substratul metalic nu suferă o deformare plastică semnificativă, carbonul pirolitic poate rămâne intact chiar și după un număr foarte mare de cicluri de încărcare, ceea ce este deosebit de important pentru valvele cardiace sau protezele vasculare acoperite.
Tehnici de fabricație a bioceramicii
Alegerea tehnicii de fabricație a bioceramicii depinde în mare măsură de utilizarea prevăzută a implantului. Dacă scopul este înlocuirea țesutului dur și transferul sarcinilor mecanice, prioritate vor avea densitatea ridicată, rezistența ridicată și un modul de elasticitate adecvat. În aplicațiile în care integrarea țesutului și vascularizarea intensivă sunt cele mai importante, porozitatea ridicată și distribuția corectă a dimensiunii porilor joacă un rol cheie.
Implanturile de susținere utilizează tehnici precum turnarea prin injecție, turnarea cu gel și metode de microemulsie, care permit obținerea unei densități ridicate (peste 97-99% din densitatea teoretică) cu o porozitate relativ scăzută. Aditivii selectați în mod adecvat, inclusiv fosfații de sodiu, litiul sau zirconiul parțial stabilizat, pot îmbunătăți sinterizabilitatea, crește microduritatea și rezistența la fractură și influența dezvoltarea microstructurii în timpul sinterizării. Trebuie avut întotdeauna în vedere faptul că prea mulți aditivi sau selectarea lor necorespunzătoare pot duce la formarea de faze nebiocompatibile sau excesiv de solubile.
Dacă obiectivul este integrarea rapidă cu osul și alte țesuturi, ceramica este proiectată să aibă o porozitate deschisă ridicată, cu pori cu un diametru care permite penetrarea vaselor de sânge și a celulelor (de obicei, cel puțin câteva zeci de micrometri). Aici, printre altele, se utilizează metoda de consolidare cu amidon, în care granulele de amidon sunt amestecate cu o suspensie ceramică și apoi se umflă în timpul uscării. În timpul sinterizării, amidonul arde, lăsând în locul său pori. Prin ajustarea proporției de amidon din amestec, este posibilă controlarea precisă a porozității finale și a distribuției dimensiunii porilor, obținându-se structuri cu pori cu dimensiuni cuprinse între câțiva micrometri și zeci de micrometri.
O altă tehnică este turnarea prin picurare, în care picăturile sau granulele sunt formate dintr-o suspensie de hidroxiapatită, de exemplu, prin picurarea acestora pe matrițe speciale sau în azot lichid. După uscare, calcinare și sinterizare, se obțin granule poroase de HA, care pot fi utilizate ca umpluturi pentru defectele osoase. Indiferent de detaliile procesului, scopul este de a crea o structură suficient de puternică pentru a rezista implantării și fazei inițiale de vindecare, oferind în același timp un grad ridicat de penetrare a țesutului.
Rezumat – Ceramica ca material biomedical
Bioceramica reprezintă în prezent unul dintre principalele grupuri de biomateriale utilizate în medicină. Aceasta include ceramica oxidică relativ bioinertă, precum alumina și zirconia, precum și fosfații de calciu resorbabili, structurile pe bază de corali, sistemele multicomponente care conțin zinc sau fier, precum și sticla bioactivă și vitroceramica. Fiecare dintre aceste materiale are propriul „rol” de jucat în organism: unele sunt destinate să fie înlocuitori osoși stabili și durabili, altele să cedeze treptat locul țesutului nou, iar altele să ofere o ancoră chimică puternică pentru implanturile osoase.
Cheia proiectării bioceramicii este înțelegerea relației dintre compoziția chimică, structura cristalină, microstructura, metoda de fabricație și comportamentul într-un mediu biologic. Implanturile moderne combină foarte des diferite materiale: metal pentru suportarea sarcinilor, ceramică bioactivă pentru o legătură durabilă cu osul, schele resorbabile pentru a susține regenerarea și acoperiri de carbon în componentele care intră în contact cu sângele. Bioceramica nu mai este doar un „material dur” – astăzi, este un instrument proiectat cu precizie pentru ingineria țesuturilor și implantologie, permițând o imitare din ce în ce mai bună a funcțiilor biologice și a structurii țesuturilor corpului.
