IL-42: Monokliner Phasenanteil in Y-stabilisiertem Zirkoniumoxid (ISO 13356)

Geschichte von Zirkoniumoxid

Als Garvie et al. [1] 1975 in der Zeitschrift Nature einen Artikel mit dem Titel "Ceramic Steel?" veröffent­lichten, wurde das Interesse an Zirko­nium­oxid (ZrO₂) für die Verwendung in Knochen- und Zahn­implan­taten geweckt. Aufgrund seiner hohen Härte, Zähig­keit, Ver­schleiss­festig­keit und chemischen Bestän­dig­keit schien Zir­ko­nium­oxid perfekt für last­tragende Kompo­nenten geeignet zu sein. Diese Erfolgs­geschichte wurde jedoch durch eine Serie von rund 400 Kompli­ka­tionen zwischen 1988 und 2001 über­schattet [2], die mit einer Umwand­lung von tetra­go­nalem ZrO₂ in die mono­kline Phase in Verbin­dung gebracht wurden. In den folgenden Jahren konzen­trierte sich die Forschung auf die Stabi­li­sierung der tetra­go­nalen Phase durch chemische Modi­fi­ka­tionen, von denen sich die Anrei­cherung mit Y₂O₃ als eine der viel­ver­sprechendsten Zusammen­setzungen heraus­stellte. Heut­zutage ist Y-stabili­siertes tetra­go­nales Zirko­nium­oxid (Y-TZP) in der Entwick­lung von orthopä­dischen und dentalen Implan­taten weit verbreitet.

Degradation bei niedrigen Temperaturen

Die Umwandlung in die mechanisch schwache mono­kline Phase wird durch den direk­ten Kon­takt mit Wasser begünstigt. Sie bewirkt eine loka­le Volumen­ex­pan­sion, die zu einer lang­samen Zerset­zung der Implan­tat­ober­fläche führt. Ein möglichst geringer Anteil mono­kliner Phase ist daher wichtig für eine lange Lebens­dauer des Implantats.

"Transformation toughening"

Die Umwandlung von Y-TZP in die monokline Phase erfolgt auch bei äusserer mechanischer Einwirkung, z. B. durch einen Schlag oder die Bildung eines Risses. Interessanter­weise blockiert in dieser Situation dieselbe Phasen­umwandlung die Aus­brei­tung von Rissen und leistet somit einen wichtigen Beitrag zu der ausser­gewöhnlich hohen Zähig­keit des Materials [3].

Bestimmung der Phasenanteile

Die unter­schied­lichen Phasen­anteile können mittels Röntgen­beugung (XRD) quan­ti­fi­ziert werden. Bestimmte Bear­bei­tungs­schritte hinter­lassen jedoch auf der Ober­fläche Spannungen, welche zu einer Verzerrung des XRD-Signals und dadurch zu einer Beein­träch­ti­gung der Phasen­quan­ti­fi­zierung führen (Abb. 1). Die RMS Foundation bietet die Analyse nach ISO 13356 zur Quan­ti­fi­zierung der monoklinen Phase als akkreditierte Dienst­leistung an. Unsere Methode wurde so implementiert, dass sie auch bei verzerrten XRD-Signalen zuver­lässige Resultate liefert.

Abbildung 1: XRD-Signale von Y-TZP mit (A, B) und ohne (C) Verzerrung (+) des tetragonalen Signals (*).

Anwendungen:

• Monokliner Phasenanteil in Y-TZP zur Anwendung in chirurgischen Implantaten nach ISO 13356

Geräte:

• Bruker D8 Advance Röntgendiffraktometer
• Systec HX-90 Autoklav

Literatur:

[1] Garvie, R.C., Hannink, R.H., Pascoe, R. T. "Ceramic Steel?", Nature 1975(258), 703-704.

[2] Guo, X. "Property degradation of tetragonal zirconia induced by low-temperature defect reaction with water molecules," Chem. Mater. 2004(16), 3988–3994.

[3] Piconi, C., Maccauro, G. "Zirconia as a ceramic biomaterial," Biomaterials 1999(20), 1-25.