Laser micropatterning of zirconia-based ceramics: effects on microstructure, wettability and mechanical strength

Abstract

A zircônia estabilizada com 3 mol% de ítria (3Y-TZP) possui um dos maiores valores de resistência a flexão (> 1000 MPa) e tenacidade à fratura (~5 MPavm) entre todos os materiais cerâmicos. No entanto, sua fragilidade intrínseca a torna suscetível a falhas catastróficas na presença de defeitos, como poros e trincas. Para contornar esse problema, nanocompósitos com base em zircônia estabilizada com céria (Ce-TZP) têm sido estudados por apresentarem maior tenacidade. Um exemplo é o compósito Ce-TZP/Al2O3/SrAl12O19, que pode apresentar uma tenacidade à fratura acima de 10 MPavm e resistência flexural de >1100 MPa, resultando em um material de alta resistência e confiabilidade, mesmo na presença de defeitos intrínsecos. Além disso, esse nanocompósito é imune ao fenômeno de envelhecimento, o que pode prejudicar a performance da zircônia 3Y-TZP. Para aprimorar a interação com tecidos vivos, a superfície do implante pode ser modificada estruturalmente, criando rugosidades controladas para facilitar a aderência e proliferação celular. Entre as técnicas de estruturação, destaca-se o processamento com laser, que permite um controle preciso para otimizar a resposta biológica. Assim, o objetivo desta tese é avaliar a texturização a laser em zircônia 3Y-TZP e no nanocompósito Ce-TZP/Al2O3/SrAl12O19 e a sua influência na morfologia, microestrutura, comportamento biológico e confiabilidade mecânica do material, utilizando diferentes parâmetros. Através da técnica convencional de Direct Laser Writing com uma fonte de laser picossegundo foi realizado um estudo paramétrico e avaliada a influência da energia do laser (fluência), frequência e velocidade do laser na morfologia da superfície. Neste estudo, foi possível criar texturas no formato de linhas com até 12 µm de largura e 6 µm de profundidade para a 3Y-TZP e 30 µm de largura e 26 µm de profundidade para o nanocompósito. Outra técnica de texturização utilizada foi a Direct Laser Interference Patterning (DLIP) com lasers de nanossegundo e picossegundo para verificar as diferenças nos danos microestruturais para cada duração de pulso. Utilizando o laser picossegundo, foi possível fabricar um padrão homogêneo sobre toda a amostra de ambos os materiais no formato de linhas com periodicidade de 6 µm, sem defeitos microestruturais significativos. No entanto, a molhabilidade de ambos os materiais foi diminuída após a texturização, com o ângulo de contato com água aumentando para ~140° para a zircônia e ~105° para o compósito, o que não é desejável em implantes, visto que a interação celular é aprimorada em superfícies hidrofílicas. Utilizando o laser nanossegundo também foi possível fabricar padrões semelhantes, no entanto foi observado um maior número de defeitos na microestrutura e morfologia dos materiais, relacionados à maior energia térmica depositada pelo laser com maior duração de pulso. Por outro lado, o laser nanossegundo melhorou a molhabilidade dos materiais, diminuindo o ângulo de contato para ~50°. Considerando que apresentaram maior número de defeitos, ou seja, o pior cenário em relação à uma diminuição da resistência mecânica, as amostras texturizadas com laser nanossegundo foram submetidas a testes de flexão biaxial. Foi verificada apenas uma diminuição estatisticamente não significativa na resistência da 3Y-TZP, enquanto para o nanocompósito foi observada uma diminuição mais considerável, mas que pode estar relacionada a tensões compressivas no grupo controle. No entanto, ambos os materiais exibiram menor variabilidade na resistência mecânica após a texturização, indicando maior confiabilidade. Testes de ciclagem mecânica e envelhecimento não afetaram a resistência mecânica. Portanto, a partir da correta parametrização do processamento, é possível produzir texturas controladas utilizando tecnologias de fabricação a laser em ambos os cerâmicos 3Y-TZP e Ce-TZP/Al2O3/SrAl12O19. O processo não compromete significativamente a confiabilidade mecânica dos materiais e, portanto, pode ser uma abordagem promissora para melhorar a interação com tecidos vivos em implantes cerâmicos.

Abstract: Zirconia stabilised with 3 mol% yttria (3Y-TZP) has one of the highest flexural strengths (>1000 MPa) and toughness (~5 MPavm) among ceramic materials. However, its brittleness renders it vulnerable to catastrophic failure in the presence of defects such as pores and cracks. To address this issue, nanocomposites based on ceria-stabilized zirconia (Ce-TZP) have been investigated due their high toughness. One such example is the Ce-TZP/Al2O3/SrAl12O19 composite, which can achieve a fracture toughness of over 10 MPavm and flexural strength of >1100 MPa, resulting in a highly resistant and reliable material, even in the presence of intrinsic defects. Moreover, this nanocomposite is immune to the ageing phenomenon, which can impair the performance of 3Y-TZP zirconia. To enhance interaction with living tissues, the implant surface can be structurally modified to create controlled roughness that facilitates cell adhesion and proliferation. Among the structuring techniques, laser processing stands out as it allows precise control to optimize the biological response. Therefore, this thesis aims to evaluate the influence of laser texturing on 3Y-TZP zirconia and the Ce-TZP/Al2O3/SrAl12O19 nanocomposite on morphology, microstructure, biological behavior, and mechanical reliability of the material using different parameters. By employing the conventional Direct Laser Writing technique with a picosecond laser source, we conducted a parametric study to evaluate the influence of laser energy (fluence), laser frequency, and laser speed on surface morphology. Our study allowed us to create textures in the form of lines up to 12 µm wide and 6 µm deep for 3Y-TZP and 30 µm wide and 26 µm deep for the nanocomposite, provided the processing parameters were appropriate. Furthermore, in this study, Direct Laser Interference Patterning (DLIP) was employed using both nanosecond and picosecond lasers to investigate the differences in microstructural damage for each pulse duration. The picosecond laser produced a homogeneous pattern over the entire sample of both materials in the form of lines with a periodicity of 6 µm, with no significant microstructural defects. However, the wettability of both materials was reduced after texturization, presenting a water contact angle of ~140°(3Y-TZP) e ~105° (composite), which is undesirable for biomedical applications. The nanosecond laser also produced similar patterns, but a greater number of defects were observed in the microstructure and morphology of the materials, which can be attributed to the greater thermal energy deposited by the laser with the longer pulse duration. On the other hand, the nanosecond laser improved the wettability of both materials, decreasing the water contact angle to ~50°. Considering the greater number of defects, which is the worst-case scenario in terms of impairment of mechanical strength, samples texturized with the nanosecond laser were subjected to biaxial bending tests. The strength of 3Y-TZP decreased only slightly and was statistically non-significant, while a more considerable decrease was observed for the nanocomposite, which may be related to compressive stresses in the control group. However, both materials exhibited less variability in mechanical strength, indicating greater reliability. Mechanical cycling and ageing tests did not affect mechanical strength. Therefore, with the correct processing parameterization, it is possible to produce controlled textures using laser manufacturing technologies in both 3Y-TZP and Ce-TZP/Al2O3/SrAl12O19. The process does not significantly compromise the mechanical reliability of the materials and could therefore be a promising approach to improving interaction with living tissue in ceramic implants.