Materiali ceramici Materiali inorganici non metallici

Caratteristiche materiali ceramici avanzati Elevata temperatura di fusione Stabiltà chimica Fragilità intrinseca (assenza di deformazione plastica) Fragilità estrinseca (porosità) Elevato modulo elastico (E) Bassa resistenza meccanica a trazione e flessione Buona resistenza meccanica a compressione Elevata durezza (H) Bassa tenacità (Gc) Bassa tenacità a frattura (KIc) Frattura fragile Bassa affidabilità

Processo ceramico per la realizzazione di componenti ceramici avanzati (1) Miscelazione di polveri di elevata purezza (2)Formatura (uniassiale o isostatica), si ottiene un verde privo di consistenza meccanica costituito da granuli di polvere compattata (3) Sinterizzazione

Formatura: pressatura uniassiale e isostatica

MaterialeFormula/ Composizione Risposta Allumina Zirconia Allumina tenacizzata con zirconia (ZTA) Fibre di carbonio (CNF) Carbonio pirolitico (PyC) Al 2 O 3 ZrO 2 Al 2 O 3/ ZrO 2 C bioinerte Idrossiapatite (HAp)Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 bioattivo (biostabile) Tricalcio fosfato (TCP)Ca 3 (PO 4 ) 2 bioattivo (bioriassorbibile) Calcio fosfato bifasico (BCP)HAp + TCPbioattivo Biovetri (Bioglass), BGNa 2 O-CaO-P 2 O 5 -SiO 2 bioattivo Vetroceramiche (Glass Ceramic, GC)es:Apatite/Wallastonite …. bioattivo Materiali ceramici per applicazioni biomedicali

Classificazione dei biomateriali Barbucci R. (1994)

Classificazione di biomateriali Biotollerati

Applicazioni Testine e cotili in protesi totali d’anca (Zirconia e Allumina) steli femorale compositi, dispositivi esterni di osteosintesi (CNFs) Valvole cardiache meccaniche (PyC) Piccoli impianti non sollecitati (HAp) Rivestimenti bioattivi (HAp, BCP, BG, GC) Riempitivi ossei (biovetri, TCP) Rinforzo particellare in compositi a matrice polimerica riassorbibile (HAp, TCP, biovetri, vetroceramiche) Scaffold per TE (calcio fosfati, biovetri, vetro-ceramiche)

Cotile Securfit con geometria esterna a terrazze, maggiore diametro equatoriale e rivestimento con idrossiapatite su superficie rugosa.

Distanziatori vertebrali, HAp Carbonio pirolitico, valvola meccanica Piccoli impianti per l’orecchio, HAp

Cilindro chronOS, porosità 70% β-tricalcio fosfato (TCP, Ca3(PO4)2) Ceppo chronOS, porosità 70% Cuneo chronOS, porosità 70% Granulato chronOS, porosità 60%, mm

Scaffold 3D di vetro bioattivo Innesto osseo di vetro bioattivo

Applicazione di biovetri in odontoiatria e chirurgia maxillo-facciale 32-year-old male patient, who presented with pain and swelling over the right molar region. On CT scans there was a radiolucent cyst which expanded and destructed the inner cortices of mandible. Size of the cyst was 34x22 mm's. Pre-operative biopsy was performed and reported as “odontogenic keratinocyst” (OKC). The patient was operated as cyst enucleation, sequestered inner cortex was removed and the mandible was reconstructed with a reconstruction plate and 5 cc bioactive glass (Figure 5). Radiological examinations demonstrated conversion of the majority of the reconstructed defect to bone density within 6 months, new bone was palpable in second year of the operation (Figure 6). There was no recurrence or complication in post-operative period (Figure 7).

Pre-operative view of the female patient with frontal bone defect secondary to the motor vehicle accident. Patient was operated with autogenous bone grafting before. 3D computed tomography Application of the bioactive glass to the patient with frontal bone defect Post- operative view of the patient

Application of the bioactive glass to the patient with nasal dermoid cyst. Patient with nasal bone defects secondary to the dermoid cyst were treated with cyst excision and reconstruction with bioactive glass. Patients were followed minimum 12 months regularly. The process of ossification was checked at 6-month intervals by means of clinical, radiological methods. Radiological examinations demonstrated conversion of the majority of the reconstructed defect to bone density within 6 months, new bone was palpable in end of first year of the operation. Per-operative view of the cyst – b and c. Post-operative X-Ray of the patient with median mandibulary cyst Pre-operative view of the patient with median mandibular cyst – b.Pre-operative X-Ray of the patient - c. Pre-operative CT of the patient

Magnesia, MgO Zirconia, ZrO 2 Allumina (Al 2 O 3 ) Allumina e Zirconia

Prova di trazione 

Frattura fragile (a) scarsa deformazione plastica in prossimità della cricca in propagazione (b) cricca “instabile” avanzamento rapido e spontaneo (1) frattura improvvisa e catastrofica (2) caratteristica di materiali a bassa tenacità

Visione dall’alto della struttura cristallina di NaCl che indica (a) lo scorrimento sul piano (110) e nella direzione [110] (linea AA’) e (b) lo scorrimento sul piano (100) nella direzione [010] (linea BB’).

Prova di piegamento o di flessione Modulo di rottura

L' equazione precedente, che descrive la condizione di frattura, viene più convenientemente messa nella forma: rappresenta la condizione di sforzo, viene indicato con il simbolo K (MNm -3/2 ), fattore di intensità degli sforzi proprietà intrinseca del materiale che viene indicata con il simbolo Kc (MNm -3/2 ),, fattore di intensità degli sforzi critico (TENACITA’ A FRATTURA)

A seconda della direzione di propagazione della cricca rispetto alla direzione di applicazione dello sforzo, per il fattore di intensità degli sforzi K si usano i simboli KIKI K II K III

Quando si verifica la frattura ?

Allumina (Al 2 O 3 )

ProprietàUnitàAlluminaMg PSZTZP Composizione chimica 99.9% AL 2 O 3 + MgOZrO 2 + 8/10mol% MgOZrO 2 + 3mol% Y 2 O 3 Densità g/cm 3 > 3,975,74 - 6> 6 Porosità %< 0,10 Resistenza a flessione MPa> Resistenza a compressione MPa Modulo di Young GPa Tenacità a frattura MPa/m 1/ Conducibilità termica W/m · °K 3022 Durezza Kg/mm Zirconia vs Allumina

Allo stato puro esiste in tre forme cristalline: monoclina …….da RT a 1170 °C tetragonale ……da 1170 °C a 2370 °C cubica………... da 2370 °C alla T fusione Zirconia (ZrO 2 )

Zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ)

La trasformazione della zirconia pura da T a M è di tipo martensitico ed è associata ad un incremento di volume del 9 %. La zirconia pura è quindi di fatto inutilizzabile. L'aggiunta di circa il 10 % mol di ossidi refrattari quali CaO, MgO ed Y 2 O 3 consente di stabilizzare la struttura cubica della zirconia a temperatura ambiente. Esempio: 9 % mol MgO + ZrO2 sinterizzato a 1800 ° C, con quench a RT si ottiene struttura C metastabile, scaldando a 1400 °C si ottiene un precipitato metastabile T. Il materiale è noto come Zirconia parzialmenete stabilizzata (PSZ). All'apice di piccole cricche, l' effetto della sollecitazione induce il cambiamento di fase dalla fase metastabile T alla fase stabile M provocando una espansione volumetrica del precipitato che ritarda la propagazione della cricca agendo con una sorta di meccanismo di chiusura del difetto. La PSZ è infatti dotata di una maggiore tenacità a frattura rispetto all’allumina.

Tenacizzazione (PSZ)

ProprietàUnitàAlluminaMg PSZTZP Composizione chimica 99.9% AL 2 O 3 + MgOZrO 2 + 8/10mol% MgOZrO 2 + 3mol% Y 2 O 3 Densità g/cm 3 > 3,975,74 - 6> 6 Porosità %< 0,10 Resistenza a flessione MPa> Resistenza a compressione MPa Modulo di Young GPa Tenacità a frattura MPa/m 1/ Conducibilità termica W/m · °K 3022 Durezza Kg/mm Zirconia vs Allumina

PARZIALMENTE STABILIZZATA (PSZ) COMPLETAMENTE STABILIZZATA (FSZ) PARZIALMENTE STABILIZZATA (plasma spruzzato) Densità (g/cm 3 ) 5,7 – 5,755,56 – 6,15,6 – 5,7 Durezza (GPa) 10 – 1110 – 15- Carico di rottura (MPa) – 80 Tenacità a frattura (MPa/m ½ ) 82,81,3 – 3,2 Modulo di Young (GPa) – Modulo di Poissons 0,230,23 – 0,320,25 Espansione termica (10 -6 /°K) 8 – 10,613,57,6 – 10,5 Conducibilità termica (W/m·K) 1,8 – 2,21,70,69 – 2,4 Calore specifico (J/Kg·K) Zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ) e totalmente stabilizzata (FSZ)

CERAMICA DI ZIRCONIA Proprietà CircostanzaUnitàPSZMgPSZYtFSZYt Meccanico Stabilizzazione MgOY2O3 Percentuale di stabilizzazione %5,03,08,0 Densità di volume 20 o Cg/cm 3 5,706,005,70 Resistenza a flessione 20 o CMPa Modulo elastico 20 o CGPa200 - Durezza 20 o CKg/mm 2 11,512- Tenacità a frattura 20 o CMPa·m 1/ Porosità 20 o C%000 Termico Max temperatura di funzionamento - o C Coef. di espansione termica o C10 -6 / o C10,110,310,5 Conducibilità termica 20 o CW/m o K2,72,2 Forme Disponibili IsoPres, Dado Pres, SlipCast, InjMold Zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ) con MgO o Y 2 O 3

Vetri

Composizione vetri comuni

Costituiti essenzialmente da SILICE (60-70%) ed altri OSSIDI inorganici e la sua composizione chimica determina le proprietà chimico-fisiche, quindi il suo campo d’impiego Composizione dei vetri

Struttura di un vetro nel sistema SiO 2 –CaO–Na 2 O Struttura vetrosa

Tetraedro di Silice Formatore di reticolo Modificatori fondenti Modificatori stabilizzanti

liquido, 10 Pa s facilmente deformabile, 10 3 Pa s max T minime variazioni dimensionali, Pa s rilascio tensioni interne, Pa s T< Tdef frattura fragile, Pa s

Biovetri

Composizione di biovetri e vetroceramiche

estrazionedissoluzione ripolimerizzazione precipitazione