新颖的氧化锆表面增强骨整合的治疗方法:实验室特征

文摘

目的。本研究的目的是评估三个小说表面处理旨在改善氧化锆种植体的骨整合:选择性渗透腐蚀处理(您),融合溅射(FS)和低压粒子磨损(LPPA)。表面处理对粗糙度的影响,地形,硬度和孔隙度的植入物也被评估。材料和方法。直径45氧化锆光盘(19毫米×3毫米厚)收到了3种不同的表面处理:选择性渗透腐蚀,低压粒子与30磨损µm氧化铝,融合溅射而参与表面作为控制。表面粗糙度是评价定量使用profilometery,孔隙度是评价使用汞prosimetry,维氏显微硬度被用来评估表面硬度。表面形貌进行了分析使用扫描和原子力显微镜()。结果。关于表面粗糙度所有组之间有显著差异(,)、孔隙度(,),硬度(,)。扫描和原子力显微镜显示您的纳米多孔的表面特征,和FS导致表面微的创建,而LPPA导致有限的磨损表面。结论。在这项研究的局限性,氧化锆种植体的表面特征和地形的变化被观察到不同的表面处理方法。从而增强骨整合的可能性可能会另外提供。

1。介绍

常规牙科实践的发展,包括口腔治疗,通常是由新的牙科材料和加工技术的引入1]。

锆石自古被称为宝石。金属的名称,锆,来自阿拉伯语Zargon(金色的颜色)进而来自波斯的两个字Zar(黄金)和枪(颜色)。氧化锆金属二氧化碳(ZrO₂),是1789年由德国化学家马丁海因里希(2]。

氧化锆的晶形可以组织在三个不同的晶体结构;在室温下,氧化锆采用单斜(M)结构和转换成正方阶段在1170°C (T),紧随其后的是一个立方阶段(C)在2370°C。在冷却,从T M发生相变,与3 - 4%的体积膨胀。正方的单斜相的转换导致了表面裂缝的形成,可能导致表面退化或散装散装材料的失败3]。

为了获得机械稳定性在室温下,加入不同的金属氧化物,如采用、曹、Y₂O₃,在室温下稳定正方阶段导致全部或部分稳定氧化锆(PSZ) [4]。PSZ的高电阻与裂纹扩展是基于正方的单斜相的相变及其相关的扩张,称为转换增韧机制(3,5]。

在牙科移植学yttria-stabilized四方氧化锆多晶体陶瓷的发展(Y-TPZ)获得了极大的兴趣作为假肢和植入材料。Y-TPZ断裂阻力和挠曲强度高于以前可用的氧化铝陶瓷、减少应力集中敏感。也表现出温和的杨氏模量(200 GPa)氧化铝相比,表明更高的弹性变形能力(6]。

Y-TZP已被广泛用于骨科手术作为球头的材料在全髋关节置换术介绍1980年代以来(7]。在牙科,Y-TZP成功引入框架材料的建设主要涉及固定局部义齿修复(8]。今天,许多类型的氧化锆材料可用,但yttria-stabilized四方氧化锆多晶体(Y-TZP)是使用最广泛的9]。这yttria-stabilized材料提出了各种有趣的特性,如低孔隙度、高密度、高弯曲和压缩强度适合生物医学应用。此外,它明亮的颜色提供了审美的好处,使得氧化锆非常受欢迎的材料假肢牙医和牙科移植学[10]。

改善氧化锆种植体的表面特性,使用了两种主要的方法:改变表面化学使用不同材料的生物活性涂层(钙磷酸盐,二磷酸盐,胶原蛋白等)和优化表面结构和直接使用不同的技术(11]。空气粒子磨损称为喷砂技术是最常用的技术来提高氧化锆的表面粗糙度。然而,它与明显的表面损伤划痕和沟槽的形式大幅减少导致力学性能(12]。为了解决这个问题,低压颗粒磨损(LPPA)修改应用程序参数包括空气压力低,减少了爆破时间,使用小颗粒大小,以减少表面损伤(12]。

选择性渗透蚀刻技术(您)是最近的一个方法用来创建表面粗糙度的氧化锆纳米级(小于0.05μ米)使用燥热引起的成熟和晶界扩散原理将氧化锆表面相对光滑nonretentive转变为一个高度多孔和保持的表面13]。

研磨氧化锆的表面,而是融合溅射是一个简单的技术用来提高氧化锆的表面粗糙度和改变表面创建架构的圆形表面珠子融合的表面材料。绿色的身体氧化锆,未烧结的结构,喷解决方案丰富的氧化锆粒子。烧结后,喷洒的粒子成为融合结构。只有短期结果可用的性能融合气急败坏的氧化锆植入物(14]。

植入物与粗糙表面产生了更大的剪切强度和优良的骨并列而植入与光滑表面表现出不同程度的纤维组织封装(15,16]。微尺度粗糙度和微米大小的地形被证明有一个重要的角色在诱导骨细胞粘附和随后的细胞功能的变化17]。

不幸的是,没有足够的研究对预期的骨组织生物反应氧化锆种植体具有不同的表面处理。本研究的目的是调查和描述三个新颖的氧化锆种植体的表面处理:选择性渗透腐蚀,低压粒子磨损,融合溅射评估骨整合在一个单独的研究。

2。材料和方法

三个小说表面处理进行45氧化锆光盘被分成3组,15个,根据表面处理。表面性质和地形使用不同的实验室进行评估测试。相同的表面处理,在另一项研究中,进行氧化锆植入为了评估股骨的骨整合兔模型。

2.1。制造氧化锆的标本

一个特殊黄铜模具(19毫米直径×3毫米厚)是用于isostatically紧迫的氧化锆粉(3摩尔Y-TZP, E级生物氧化锆,Tosoh Inc .,日本)。60光盘在特殊电气炉烧结(Hanau Cercon热量,DeguDent GmbH,德国)与烧结项目的最高温度为4小时1350°C。光盘,此后,得到三种不同的表面处理。收到的光盘的表面处理而as-sintered光盘作为控制()。

2.2。选择性渗透腐蚀(您)13]

一个光盘表面涂上一层薄薄的一个渗透剂组成的低温融化玻璃与不同的添加剂,控制其粘度和热膨胀系数(10.1×10⁻⁶/°C)。露天的光盘被加热在850°C 2分钟使用一个计算机编程电子感应炉,然后冷却到室温的开门炉。痕迹的渗透剂完全溶解在氢氟酸溶液5%超声波浴15分钟,随后洗下软化水15分钟。

2.3。低压颗粒磨损(LPPA) [12]

收到的光盘空气粒子与30磨损μ米氧化铝粒子在0.15 MPa压力3厘米的距离在一个特殊的喷砂机(十年牙科实验室喷砂器P-G 400;德国巴登-符腾堡州Winterbach)。控制过程中,爆破的25 s /厘米²是使用。标本在蒸馏水超声清洗15分钟。

2.4。融合溅射技术(FS) [14]

5克的未烧结的(Y-TZP)粉(Tosoh氧化锆,E级、东京、日本)将被放置在一个塑料胶囊,用1毫米氧化锆球。密封胶囊是放置在一个电动搅拌机15分钟让细磨的氧化锆粉末。只有12 - 18μ米粒子选择使用细不锈钢网格。30克的选择的粒子被添加到一个玻璃罐满150毫升70%的酒精和30通用聚乙烯乙二醇。此后,混合物被放在超声波振动器允许均匀分布的颗粒。暂停被转移到一个喷涂容器与空气压力设定在0.3 MPa(獾155 - 19国歌155喷枪设置w / Modelflex油漆、美国)。一个未烧结的氧化锆光盘表面喷了5秒。表面气急败坏的光盘被储存在60°C 2小时,允许适当的干燥烧结前的表面。

2.5。轮廓曲线仪分析

光盘表面粗糙度的测量使用接触表面光度仪(泰勒霍布森精密形成表面光度仪60,莱斯特,英国)。标本被安装在一个XY轮廓曲线仪的交叉表,和三个轮廓5毫米长,相隔140年的总距离μm进行评估。以下粗糙度参数进行评估:(我)振幅参数(循环水蒸发表面结构),(2) 值的算术平均绝对值表面偏离均值的飞机在采样区域内(在μ米),(3) 值的均方根值采样区域(内表面离职μ米)。这个参数更敏感比极端值由于调整操作参数,(iv) 值的平均值的绝对高度五最高的山峰和的绝对值最深的山谷在采样区域内。

2.6。孔隙度和密度测量

标本检测使用汞孔隙度百分比porosimetry装置(QUANTACHROME仪器1900年,博因顿公司开车海滩,佛罗里达州,美国)。这是由标本沉浸于汞浴,然后压力(4000条)是应用,从而迫使非润湿性水星成越来越小的圆盘表面的毛孔。所需的压力侵入汞进入毛孔,毛孔的大小成反比。入侵成交记录每一点,转换为孔隙大小。体积和表面密度也计算。

2.7。维氏显微硬度试验

英斯特朗沃伯特维氏显微硬度测试仪(hmv - 2000,沃伯特威尔逊仪器,美国)使用金刚石压头,金字塔的形式正确的方体基座和136度的角之间相反的脸受到10公斤的负载。满载是申请15秒。切除后的缩进的两个对角线加载测量使用光学显微镜和他们的平均计算。倾斜的表面压痕的面积计算。维氏硬度是商载荷除以缩进的正方形区域: 高压=维氏硬度值,在公斤=负载,=两个对角线的算术平均值,d1和d2,在毫米。

2.8。扫描电子显微镜

表面形态和地形由不同的表面处理是由扫描电子显微镜(SEM)研究(Jeol地产- 5300、东京、日本)执行在不同的放大下15 keV的加速电压。

2.9。原子力显微镜

表面形态和地形在纳米和原子力显微镜(AFM)研究了ap - 0100(热显微镜自动探测器接触模式,美国)。一个表面三维(3 d)成像收集联系方式。

执行统计分析使用单向方差分析(方差分析)和Bonferroni事后测试()使用电脑软件(SPSS 15.0, SPSS,芝加哥,IL)。

3所示。结果

统计分析显示显著差异之间的表面粗糙度参数测试组(,)。FS和LPPA增加了表面粗糙度与表面as-sintered相比,虽然您没能增加表面直接。粗糙度参数总结在表1。轮廓曲线仪图是描绘在图1。

在孔隙面积有显著差异(,),孔隙直径(,),体积密度(,)和孔隙度百分比(,),如表所示1。也有显著差异VH四组之间的值作为as-sintered表面硬度值最低的是(),其次是您(),然后LPPA (FS),最高的是();见表1。

扫描电镜检查as-sintered氧化锆表面显示平行线由细抛光过程。选择性渗透蚀刻标本有纳米多孔表面没有突出表面表面粗糙度的变化特征;一些地区毛孔、海拔和抑郁症被观察到。LPPA图像显示微痕,凹槽,表面擦伤。整个表面粗糙,但是在一个不规则的图案。融合气急败坏的标本有粒状microrough表面覆盖着圆形的不规则的氧化锆粒子融合的外表面标本。表面颗粒平均10的高度μ米,占增加表面粗糙度测量()。表面颗粒均匀分布和一个完全相同的形态模式在整个表面,如图2。

三维(3 d)成像收集的AFM领域创造了一个考试μm。小考试领域提出了纳米形态描述,如图3。

4所示。讨论

Yttria-stabilized四方氧化锆多晶体陶瓷是最常用的氧化锆型牙科制造商(18]。主要涉及修复使用的不断增加导致需求增加的改善性能和可靠性(19]。改善氧化锆种植体的表面性质,三个小说表面处理。两个导致优化出(LPPA和FS)和一个优化nanoroughness(您)。

机械性能不仅取决于微观结构也在结构性缺陷的大小和分布,反过来,依赖于初始粉末的特点和在生产过程2]。表面纹理被认为发挥重要作用在影响强度和临床存活率的恢复20.]。积极的表面粗化技术导致表面缺陷的创建以显著恶化的机械性能的恢复13]。

选择性渗透蚀刻技术创建了一个nanoroughened表面粗糙度的意思μm和增加的总表面积标本不创建任何结构性缺陷(13,21]。大量研究治疗与不同的空气粒子氧化锆磨损系统(22,23]。在这项研究中,另一个新颖的治疗是介绍:低压颗粒磨损技术(LPPA)使用30μ米氧化铝粒子在0.15 MPa压力导致microroughened表面粗糙度的意思μm;同时,在先前的研究中,进行了喷砂使用粗参数为110μ米氧化铝粒子垂直地应用于表面和在更高的压力(2 - 3条)20.]。在这项研究中,观察microroughened表面由于低压颗粒磨损技术(LPPA)。

关于粒度,奎罗斯等人注意到一个大的区别和值在粒子擦伤标本由于存在深谷测试标本的表面。当145年μ米氧化铝粒子被使用,实现最高的价值,这表明大颗粒提升更守时的伤害比小颗粒表面,无论压力(24]。

通常情况下,值被用来表达变化在牙科氧化锆表面文学。然而,平均粗糙度()与2 d表面图像只提供有限信息和表面粗糙度会导致一个错误的解释。无法检测的差异表面不规则的间隔(高峰和低谷);因此,它不能提供信息关于他们的形状25]。在最近的研究中,,,表面形貌的测量提供一个更好的洞察力。

新的调节策略最近提议提高氧化锆的表面粗糙度,以氧化锆促进树脂粘合剂的粘合。Serkan et al。18]应用低压空气磨损(0.05 MPa / 0.5 bar)在测试之前传统的火泥密封树脂的粘结效果对待陶瓷将记住减少表面损伤(26,27]。

分析孔隙度测试表明孔隙度和密度之间的直接关系的存在使用不同参数之间的相关性作为孔隙,孔隙直径、容重、孔隙度百分比将记住,只有连接到表面的毛孔可以测量(28]。另一方面,他等人证明了表面粗糙度与减少孔隙度减小,孔隙度一般的存在对力学性能有负面影响毛孔会引起应力集中和恶化以来断裂阻力(29日]。这就解释了为什么孔隙度由您相当as-sintered表面。

表面孔隙度可以作为载体的氧化锆种植体表面生物活性材料。这种涂层技术可以解决分层问题观察当外套材料受到体液。组合化学的外套和优化microrough表面可以提高氧化锆种植体的性能,本研究的第二部分中给出的数据(30.]。

表面显微硬度(VHN)在当前的研究是在920 - 2173的范围。一般来说,所有组之间的显微硬度有显著差异的增加表面粗糙度与表面硬度的增加有关。这一发现与先前的研究报道,在分歧增加孔隙度和粗糙度相关的材料表面硬度较低(2,31日]。融合溅射与一个可观测的表面硬度增加;这是直接与融合的圆形珠子表面增加表面抵抗外加负载的能力(31日]。

传统的喷砂方法和大颗粒(> 100μ米)造成巨大Y-TZP表面溅射;因此,空气喷砂机与小型LPPA技术用于研究粒子(30μm)应该考虑减少由于潜在的挠曲强度和可能的物质损失和更大的粒子,尤其是沿着边缘的修复(32,33]。在一个不同的线,克恩等人应用低压空气磨损(0.05 MPa / 0.5 bar)在测试之前传统的结合有效性复合涂胶泥代理这样苦难的陶瓷表面,以减少损失。新的调节策略最近提出(26]。

5。结论

在本研究的局限性,表面形貌和氧化锆种植体的体系结构可以优化使用不同的表面处理。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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