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.