Aging resistance improvement of 3y-TZP: laser texturization and coating (12CE-TZP and 5y-PSZ)

Abstract

Abstract: Zirconia-based ceramics have been successfully used in the dentistry field. However, in the recent past, several HIP implants, containing zirconia pieces, were surgically replaced due to a phenomenon called aging. Because of this, many studies have been performed aiming at avoiding this phenomenon. Some alternatives found were grain size decrease and yttria replaced by cerium oxide in order to stabilize the zirconia tetragonal phase. Notwithstanding, this replacement has a disadvantage on mechanical strength. As an alternative to reduce aging, two approaches were used in this work: the manufacturing of a protective layer, by dip coating, and recrystallization, by laser treatment, of yttria stabilized zirconia. Moreover, adhesion issues and weak biological connection of zirconia-based ceramics have been extensively discussed and laser treatments are reported as an alternative to overcome these problems. In this thesis, in order to evaluate the effect of these surface modifications, a 3 mol% yttria stabilized zirconia commercial powder was used as bulk material. This powder was uniaxially pressed (200 MPa) into discs and the green bodies were dip coated using suspensions containing 12 mol% ceria stabilized zirconia or 5 mol% yttria stabilized zirconia. After sintering, samples showed a good coating-bulk homogeneity and aging protection for about 36 years in-vivo. Regarding mechanical properties, coating quality seems to play a more significant role than the material used, decreasing the resistance from ~1600 MPa to ~700 MPa. Laser treatments were performed in the same bulk material described, pressed and sintered. This approach was effective in aging kinetics reducing due to zirconia grains recrystallization, decreasing the monoclinic content from ~20% to ~10 after 18 h of accelerated aging. Samples mechanical strength was reduced regarding parameters used. The highest bending strength was measured as ~1400 MPa and the worst ~600 MPa.

Cerâmicas à base de zircônia têm sido usadas com sucesso na área odontológica. Entretanto, em um passado recente, diversas próteses coxofemorais, com componentes fabricados em zircônia, necessitaram ser reimplantadas devido a um fenômeno chamado envelhecimento. Por conta disto, muitos estudos têm sido realizados em busca de minimizar este fenômeno. Algumas alternativas encontradas foram a redução do tamanho de grão deste material ou a substituição da ítria por óxido de cério para a estabilização da fase tetragonal da zircônia. Todavia, esta substituição traz consigo a desvantagem da redução da resistência à flexão deste material. Como alternativa para minimizar os efeitos do envelhecimento duas abordagens foram utilizadas neste trabalho: a criação de uma camada resistente ao envelhecimento, via dip coating e a recristalização, via tratamento a laser, da zircônia estabilizada com ítria. Além disso, problemas de adesão e fraca conexão biológica das cerâmicas à base de zircônia já são amplamente discutidos, podendo os tratamentos a laser serem também aplicados visando contornar esta lacuna. Para o estudo do efeito destas modificações superficiais, foi utilizado como material base um pó comercial de zircônia estabilizada com ítria a 3 mol%. Este pó foi compactado via prensagem uniaxial (200 MPa) e nestas amostras a verde foram realizados recobrimentos, via dip coating, utilizando suspensões contendo pós de zircônia estabilizada com céria a 12 mol% ou zircônia estabilizada com ítria a 5 mol%. Após sinterizadas, as amostras mostram boa coesão recobrimento-substrato e capacidade de proteção ao envelhecimento por, pelo menos, 36 anos in vivo. Em relação às propriedades mecânicas, a qualidade do revestimento parece desempenhar um papel mais significativo do que o material utilizado, diminuindo a resistência de ~ 1600 MPa para ~ 700 MPa. Os tratamentos com laser foram realizados no mesmo substrato descrito, prensado e sinterizado. Esta abordagem foi eficaz na redução do envelhecimento devido à recristalização dos grãos de zircônia, diminuindo o conteúdo monoclínico de ~ 20% para ~ 10% após 18 h de autoclave. A maior resistência à flexão foi medida em ~ 1400 MPa e a menor ~ 600 MPa, de acordo com os parâmetros utilizados no laser.