Céramique d'alumine : le matériau biocéramique privilégié pour la réparation et la régénération des tissus osseux
Les céramiques utilisées comme biomatériaux pour combler les défauts dentaires et osseux, fixer des greffes osseuses, des fractures ou des prothèses, et remplacer des tissus malades sont appelées biocéramiques. Elles sont largement utilisées dans le domaine médical en raison de leurs excellentes propriétés, telles qu'une résistance mécanique élevée, une résistance à l'usure, une résistance accrue à la compression et à la flexion, et une biocompatibilité élevée.La biocéramique est apparue au XIXe siècle. À cette époque, une sorte de céramique résorbable, le plâtre de Paris, était utilisée dans les expériences et les pratiques cliniques, ce qui a fortement stimulé l'intérêt des chercheurs pour ce domaine. Du début au milieu du XXe siècle, le chercheur américain Talbert a transformé des matériaux céramiques granulaires (céramiques d'alumine) en prothèses et les a implantées dans les fémurs de chiens adultes, avec succès. La céramique d'alumine a également attiré l'attention de nombreux chercheurs scientifiques.
1Céramique d'alumine
Le concept de céramique d'alumine couvre un large éventail de domaines. Outre les céramiques d'alumine pures, on peut également parler de céramique d'alumine pour tout matériau céramique dont la teneur en alumine est supérieure ou égale à 45 %. Les céramiques d'alumine présentent de nombreux cristaux homogènes et hétérogènes, mais les plus couramment utilisés sont actuellement les α-Al₂O₃ et γ-Al₂O₃. Leurs structures cristallines différentes leur confèrent des propriétés spécifiques. Parmi ces cristaux, l'α-Al₂O₃, également appelé corindon, est la principale phase cristalline des céramiques d'alumine, offrant une résistance mécanique, une résistance aux températures élevées et une résistance à la corrosion élevées.
On considère généralement que les produits dont la teneur en alumine est supérieure à 99,9 % sont de l'alumine de haute pureté. Cette alumine présente d'excellentes propriétés, telles qu'un point de fusion élevé, une dureté élevée, une résistance électrique élevée, d'excellentes performances catalytiques, de bonnes propriétés mécaniques, une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion, une bonne isolation et une bonne résistance à la chaleur.L'utilisation de polycristaux d'alumine de haute pureté comme matériaux biofonctionnels dans le corps humain a débuté en 1969. Deux types de céramiques fines d'alumine de haute pureté sont utilisés en ingénierie médicale : les monocristaux et les polycristaux frittés. L'alumine monocristalline présente une résistance mécanique élevée et une bonne résistance à l'usure, et peut être transformée en fixateurs de fractures, en racines dentaires artificielles, etc. L'alumine polycristalline, caractérisée par sa résistance mécanique élevée, peut être utilisée dans la production d'articulations, de racines dentaires artificielles, d'os artificiels, d'articulations de hanche artificielles à double cupule, etc.
②Application de la céramique d'alumine dans les articulations artificielles
En 1972, Boutin a publié un rapport sur la fabrication d'articulations de hanche humaines à partir de céramique d'alumine et leurs applications cliniques, entre autres aspects. En 1977, Shikata et al. ont développé une prothèse de hanche composée d'une tête fémorale en céramique d'alumine associée à un acétabulum en polyéthylène de haut poids moléculaire. En 1982, la Food and Drug Administration (FDA) américaine a officiellement approuvé l'application clinique aux États-Unis d'articulations de hanche artificielles constituées de billes en céramique Al₂O₃, d'acétabules et de tiges en alliage CoCrMo.
Les céramiques d'alumine de haute pureté présentent un très faible coefficient de frottement, une dureté élevée et une bonne mouillabilité, ce qui les rend idéales pour les surfaces de frottement articulaires. Conformément à la réglementation de la Food and Drug Administration (FDA) américaine, seule l'alumine de haute pureté peut être utilisée dans le domaine médical, et la teneur en impuretés susceptibles de former des phases vitreuses aux joints de grains (comme le dioxyde de silicium, les silicates métalliques et les oxydes de métaux alcalins) doit être inférieure à 0,1 % en poids. En effet, la dégradation de ces impuretés peut entraîner la formation de zones de concentration de contraintes propices à l'apparition de fissures. Des études ont montré qu'en sélectionnant des paramètres de frittage appropriés (température, durée, vitesse de chauffage/refroidissement) et des additifs dopants (tels que l'oxyde de magnésium, l'oxyde de zirconium et l'oxyde de chrome), il est possible de contrôler la granulométrie et la porosité de l'alumine, ce qui peut améliorer efficacement sa ténacité et sa résistance à la rupture.
Les composites formés de zircone et d'alumine sont appelés alumine renforcée à la zircone (ZTA) ou zircone renforcée à l'alumine (ATZ). Ils jouent également un rôle important dans les matériaux pour articulations artificielles. Ces deux composites dépendent spécifiquement de la composition de leurs principaux composants. Ils combinent la capacité de renforcement de la zircone et la faible sensibilité de l'alumine à la dégradation dans les fluides biologiques à basse température. Selon les exigences de conception du matériau, l'ATZ peut être choisie lorsqu'une résistance élevée à la rupture est requise, tandis que le ZTA peut être utilisé lorsque la dureté est requise. Actuellement, les données cliniques sont insuffisantes pour démontrer que la surface portante des articulations en ZTA présente de meilleurs avantages en termes de résistance à l'usure. Des études ont montré que l'application du ZTA et de l'alumine renforcée à base de zircone (ZPTA) en chirurgie articulaire est bien supérieure à celle de l'ATZ.
③Application de la céramique d'alumine dans la restauration orale
Les céramiques d'alumine sont translucides et d'une couleur identique à celle des dents naturelles, avec une faible toxicité. Leur faible conductivité thermique est significative, ce qui réduit la stimulation de la pulpe dentaire par les aliments chauds et froids. Les céramiques de zircone offrent une résistance remarquable à l'usure, à la corrosion et aux hautes températures, avec une couleur similaire à celle des dents naturelles, ce qui les rend adaptées à la restauration dentaire et leur confère une grande résistance. Selon les différences de composition de phase et de procédé de fabrication des céramiques d'alumine, les céramiques d'alumine utilisées dans le domaine de la restauration tout-céramique peuvent être classées selon les catégories suivantes :
(1) Céramiques d'alumine infiltrées de verre
L'infiltration de verre, dont le nom complet est « méthode d'infiltration de verre par coulage en barbotine », est une technique d'infiltration de verre. L'alumine, comme matériau matriciel, présente une structure poreuse dans laquelle s'infiltre le verre lanthane-bore-silicium contenant des colorants. Après formage, la microstructure est composée d'une interpénétration des phases cristallines d'alumine et de verre. Les céramiques d'alumine infiltrées de verre présentent une résistance mécanique élevée, avec une résistance à la flexion de 250 à 600 MPa et une ténacité à la rupture de 3 à 4 MPa·m¹/². Un produit représentatif est la couronne de base du système In-Ceram Alumina de Vita (entreprise allemande), qui est également le premier système de restauration tout céramique capable de fabriquer des bridges à trois éléments dans la zone postérieure.
(2) Céramiques entièrement en alumine frittée dense de haute pureté
Composée d'alumine d'une pureté allant jusqu'à 99,9 %, la poudre d'alumine est pressée sous très haute pression (formage par pressage à sec) pour obtenir un corps cru, puis frittée. Ce procédé de formage sous pression confère à la céramique d'alumine une densité élevée et une faible porosité. Ce matériau céramique peut atteindre une résistance à la flexion de 500 à 700 MPa et une ténacité à la fracture de 5 à 6 MPa·m¹/², ce qui lui permet d'être utilisé en clinique comme structure de pont dans la zone dentaire postérieure.
(3) Céramiques d'alumine renforcées à la zircone infiltrée de verre
Ce type de céramique est obtenu en ajoutant 35 % de zircone partiellement stabilisée à une poudre de céramique d'alumine infiltrée de verre. Après formage, on observe une phase tétragonale de zircone uniformément répartie à l'intérieur du matériau. C'est également la céramique présentant la plus grande résistance parmi les céramiques d'alumine. En raison de leur faible translucidité, les céramiques d'alumine renforcées à la zircone sont généralement utilisées en clinique pour la restauration des dents postérieures, lorsque les exigences esthétiques sont faibles.