Development of zirconia composites for orthopedic

Abstract

Zircónia e alumina são biocerâmicos bastante conhecidos, e são usados principalmente em aplicações ortopédicas. Estes materiais têm sido aplicados em implantes de anca e joelho graças à reduzida taxa de desgaste e à excelente biocompatibilidade que apresentam. No entanto, estes cerâmicos apresentam também algumas limitações: a fragilidade da alumina ao impacto e a sensibilidade da zircónia ao envelhecimento. Devido a estas limitações, o objectivo passou por desenvolver implantes mais resistentes e com uma resposta inflamatória menos intensa. Surgiram, então, estudos de compósitos de zircónia e alumina. Neste estudo, foram desenvolvidas três diferentes composições de Alumina reforçada com Zircónia (ZTA) com 80 wt% a 90 wt% de alumina, e três composições de Zircónia reforçada com Alumina (ATZ) com 80 wt% a 90 wt% de zircónia. Foram usados dois tipos diferentes de zircónia estabilizada: zircónia estabilizada com 3 mol% de yttria (3YSZ) que foi usada nos compósitos ATZ, e zircónia estabilizada com 2 mol% de yttria (2YSZ) aplicada nos compósitos ZTA. A composição ATZ com o melhor conjunto de propriedades foi também testada com a zircónia 2YSZ, de forma a produzir um compósito com melhores propriedades mecânicas e uma resistência à degradação semelhante à apresentada pelo compósito ATZ, com a zircónia 3YSZ. Foram seleccionados dois aditivos, óxido de lântanio e pentóxido de tântalo, que foram depois adicionados aos compósitos ATZ e ZTA com o melhor conjunto de propriedades (composição 80:20), com o objectivo de melhorar a resistência ao envelhecimento e as propriedades mecânicas dos materiais produzidos. Após uma etapa de moagem, os pós compósitos foram obtidos por atomização, a partir de suspensões estabilizadas, com uma distribuição de tamanho de partícula nanométrica controlada. Estes pós foram caracterizados através de várias técnicas tais como microscopia electrónica de varrimento, difracção de raios-X, fluorescência de raios-X, densidade real, e área superficial específica. De forma a aumentar a densidade dos corpos em verde, foram efectuadas duas diferentes prensagens, prensagem uniaxial e prensagem isostática a frio (CIP). Foram obtidos cerâmicos com uma elevada densidade (com densidade relativa entre 97% e 99%) a uma baixa temperatura de sinterização (1400ºC). O tamanho de grão das amostras sinterizadas foi observado por SEM e, de forma a verificar as fases cristalográficas presentes, foi realizada difracção de raios-X. Em todos os compósitos foi obtida uma microestrutura dispersa, com um tamanho de grão nanométrico (abaixo dos 500 nm). Este conjunto de etapas de produção aplicado levou à obtenção de compósitos com propriedades mecânicas melhoradas. Foram estudadas a dureza de Vickers, a tenacidade à fratura e resistência à flexão das amostras sinterizadas. Os compósitos ATZ atingiram os melhores valores de tenacidade à fractura e resistência à flexão (acima de 5 MPa.m1/2 e 1394 MPa respetivamente), enquanto os compósitos ZTA apresentaram os melhores valores de dureza (acima de 1846 HV). Como era esperado, o compósito ATZ com zircónia 2YSZ apresentou melhores propriedades mecânicas, tendo sido obtidos 7.94 MPa.m1/2 de tenacidade à fratura e 1498 MPa para a resistência à flexão. A aplicação dos dopantes nos compósitos ZTA e ATZ induziram alterações nas suas propriedades. A adição de Ta2O5 melhorou, com sucesso, as propriedades mecânicas dos dois tipos de compósitos. Foi verificado um aumento dos valores de dureza, tenacidade à fratura e resistência à flexão em relação às amostras sem dopantes. A adição de La2O3 não levou a melhorias nas propriedades mecânicas mas, no entanto, também não teve um efeito prejudicial, o que levou à sua preservação. Foram realizados testes de envelhecimento de acordo com a norma ISO13356 (2008) em todos os compósitos produzidos. A quantidade de zircónia monoclínica, indicador de degradação, foi determinada por difracção de raios-X após 5,12,24,48 e 96 horas de testes de envelhecimento. Foi determinado que os compósitos ZTA não dopados, não apresentaram zircónia monoclínica após 96 horas em ambiente agressivo. Para os compósitos ATZ, apesar de a quantidade de zircónia monoclínica aumentar proporcionalmente ao conteúdo de zircónia presente no compósito, foi verificado que a extensão da degradação foi mínima, e relegada apenas para a superfície do material. Esta evidência permitiu que as propriedades mecânicas se mantivessem durante todo o período dos testes de degradação. Como era esperado, o compósito com a zircónia menos estável, o ATZ com a zircónia 2YSZ, apresentou o conteúdo mais elevado de zircónia monoclínica. No entanto, o facto de as propriedades mecânicas se manterem ao longo dos testes de degradação, confirmou que a degradação, mais uma vez, não se expandiu para o interior do material. A adição dos dois dopantes levou a melhorias na resistência à degradação dos compósitos ATZ, que apresentaram um conteúdo de zircónica monoclínica menor em comparação com as amostras não dopadas, após 96 horas de testes de degradação. No entanto, a adição de Ta2O5 teve um efeito desestabilizador na zircónia 2YSZ presente no compósito ZTA, sendo que foi detectada 10% de zircónia monoclínica após as 96 horas de testes de degradação. De novo, foi confirmado que esta degradação esteve presente apenas à superfície do material, visto que as propriedades mecânicas se mantiveram após estes testes. Foi também testada a biocompatibilidade destes compósitos. Células MG63 foram cultivadas nas amostras sinterizadas e foram realizados ensaios MTT e ensaios de atividade da fosfatase alcalina. Para todos os compósitos produzidos foi verificado que a viabilidade/proliferação celular aumentou significativamente desde o dia 1 para o dia 4. Os compósitos ZTA, que possuíam um maior número de locais de adesão, apresentaram uma maior adesão e proliferação celular, em comparação com os compósitos ATZ. A adição de La2O3 e Ta2O5 não induziu diferenças significativas na viabilidade celular dos compósitos ATZ. No entanto, no compósito ZTA, a adição de Ta2O5 levou a um pior desempenho devido à sua verificada hidrofobicidade. O presente estudo mostra que podem ser obtidas composições óptimas destes compósitos, com excelentes propriedades mecânicas, resistência à degradação e biocompatibilidade satisfatória.

Zirconia and alumina are well known bioceramics, used in the field of orthopedics. These materials have been used as hip and knee bearings thanks to their reduced wear rate and excellent biocompatibility. However, these ceramics presented some limitations: the brittleness of alumina and the aging sensitivity of zirconia. The aim became to develop long-lasting hip implants, with less inflammatory response and better designs. Zirconia alumina composites were then studied. In this study, three different grades of alumina toughened zirconia composites (ATZ) from 80 wt% to 90 wt% of zirconia, and three grades of zirconia toughened alumina (ZTA) from 80 wt% to 90 wt% of alumina were developed. Two different types of stabilized zirconia were used: 3 mol% yttria stabilized zirconia (3YSZ) was applied on the ATZ samples, and a 2 mol% yttria stabilized zirconia (2YSZ) on the ZTA samples. The ATZ with the best set of properties (80Z20A) was also tested with the 2YSZ, in order to produce a composite with improved mechanical properties and similar aging resistance to the ATZ with 3YSZ. Two selected additives, lanthanum oxide and tantalum pentoxide were added to the best ATZ and ZTA composite (80:20 composition) with the aim of enhance the aging resistance and mechanical properties of the produced materials. After a wet milling stage, the composite powders were achieved by spray-drying, from stabilized suspensions with a controlled nanometric particle distribution. The obtained composite powders were characterized through several techniques, such as scanning electron microscopy, X-ray diffraction, X-ray fluorescence, true density and specific surface area. Two stages of pressing, uniaxial pressing and cold isostatic pressing, were performed in order to improve the density of the green pieces. High density ceramics (with a relative density between 97% and 99%) were achieved with a low sintering temperature (1400ºC). The grain size of the sintered pieces was determined by SEM, and X-ray diffraction was performed in order to verify the present crystallographic phases. A disperse microstructure was obtained for all composites, with a nanometric grain size (under 500 nm). This set of producing stages, lead to the obtention of composites with enhanced mechanical properties. The Vickers Hardness, fracture toughness and flexural strength of the sintered samples were evaluated. Higher values of fracture toughness and flexural strength were achieved for the ATZ samples (up to 5 MPa.m1/2 and 1394 MPa respectively), while ZTA samples presented higher values of hardness (up to 1846 HV). As expected, the ATZ with 2YSZ presented enhanced mechanical properties, with an outstanding fracture toughness of 7.94 MPa.m1/2, and 1498 MPa of flexural strength. The addition of the two dopants to both ZTA and ATZ composites induced changes in their properties. The addition of Ta2O5 successfully improved the mechanical properties of both composites. In comparison with the undoped ATZ and ZTA composites, improvements of the hardness, fracture toughness and flexural strength were verified. The addition of La2O3 did not lead to an enhancement of the mechanical properties; however, it did not led to a deleterious effect either, and these properties were maintained. Accelerated aging tests were made on all produced composites, accordingly to ISO13356 (2008). The amount of monoclinic zirconia, which is an indicator of degradation on these composites, was quantified by X-ray diffraction analysis for 5,12,24,48 and 96 hours of aging tests. It was determined that, the undoped ZTA samples did not present monoclinic zirconia after 96 hours on an aggressive environment. Regarding the ATZ composites, even though the monoclinic zirconia content increased proportionally to the zirconia content present in the composite, it was found that the extent of degradation was minimal, since it was relegated to the material surface. This fact allowed the maintaining of the mechanical properties of the material throughout all the duration of the aging tests. As expected, the less stable composite, the ATZ with 2YSZ, presented the highest content of monoclinic zirconia. Nonetheless, the mechanical properties tested on the aged composite confirmed that the degradation did not expand to the material bulk. The addition of both dopants, successfully improved the aging resistance of the ATZ composite, presenting a lower amount of monoclinic zirconia after 96 hours of aging tests in comparison with the undoped ones. However, the addition of Ta2O5 destabilized the 2YSZ present on the ZTA composites, and 10% of monoclinic zirconia was detected after 96 hours of aging tests. Still, the mechanical properties were maintained on all the doped composites, which again confirmed the presence of degradation only at the material surface. The biocompatibility of these composites was also tested. MG63 cells were seeded on the sintered samples and MTT and alkaline phosphatase activity (ALP) assays were performed. The cell viability/proliferation increased significantly from day 1 to day 4 for all the produced composites. The ZTA composites, with more anchorage sites, presented higher cell adhesion and proliferation in comparison with the ATZ composites. The addition of La2O3 and Ta2O5 did not induced significant changes on the cell viability of the ATZ composites. However, the addition of Ta2O5 on the ZTA composite led to a poor performance, due to its verified hydrophobicity. The present study shows that optimal compositions of these composites can be achieved, with improved mechanical properties, hydrothermal degradation resistance and satisfactory biocompatibility.