Les céramiques utilisées comme biomatériaux pour combler les défauts dentaires et osseux, fixer les greffes osseuses, les fractures ou les prothèses, et remplacer les tissus malades sont appelées biocéramiques. Elles sont largement utilisées en médecine grâce à leurs excellentes propriétés, telles qu'une résistance élevée, une grande résistance à l'usure, une résistance supérieure à la compression et à la flexion, et une biocompatibilité élevée. Les biocéramiques sont apparues au XIXe siècle. À cette époque, un type de céramique résorbable, le plâtre, était utilisé dans des expériences et des pratiques cliniques, ce qui a considérablement stimulé l'intérêt des chercheurs pour ce domaine. Au début et au milieu du XXe siècle, le chercheur américain Talbert a fabriqué des prothèses à partir de matériaux céramiques granulaires (céramiques d'alumine) et les a implantées dans les fémurs de chiens adultes, obtenant ainsi des résultats concluants. Les céramiques d'alumine ont également attiré l'attention de nombreux chercheurs.
① Céramique d'alumine
Le terme « céramique d'alumine » recouvre une vaste gamme de matériaux. Outre l'alumine pure, tout matériau céramique contenant au moins 45 % d'alumine peut être qualifié de céramique d'alumine. On trouve dans les céramiques d'alumine de nombreux cristaux homogènes et hétérogènes, mais les plus couramment utilisés sont actuellement les phases α-Al₂O₃ et γ-Al₂O₃. Leurs structures cristallines différentes leur confèrent des propriétés distinctes. Parmi elles, la phase α-Al₂O₃, également appelée corindon, est la phase cristalline principale des céramiques d'alumine. Elle présente une résistance mécanique élevée, une bonne tenue aux hautes températures et une excellente résistance à la corrosion.
On considère généralement que les produits dont la teneur en alumine est supérieure à 99,9 % sont de l'alumine de haute pureté. L'alumine de haute pureté possède 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 et à la corrosion, ainsi que des propriétés isolantes et une résistance à la chaleur. L'utilisation de polycristaux d'alumine de haute pureté comme biomatériaux 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 ; après transformation, elle peut être utilisée pour fabriquer des fixateurs externes, des racines dentaires artificielles, etc. L'alumine polycristalline, caractérisée par sa haute résistance mécanique, peut être utilisée pour la fabrication d'articulations, de racines dentaires artificielles, d'os artificiels, de prothèses de hanche à double cupule, etc.
2. Application des céramiques d'alumine dans les articulations artificielles
En 1972, Boutin a présenté ses travaux sur la fabrication de prothèses de hanche en céramique d'alumine et leurs applications cliniques, entre autres. En 1977, Shikata et al. ont mis au point une prothèse de hanche composée d'une tête fémorale en céramique d'alumine et d'un cotyle en polyéthylène à haut poids moléculaire. En 1982, la FDA (Food and Drug Administration) américaine a officiellement approuvé l'utilisation clinique aux États-Unis de prothèses de hanche constituées de têtes fémorales et de cotyles en céramique d'Al₂O₃, ainsi que de tiges en alliage CoCrMo.
Les céramiques d'alumine de haute pureté présentent un coefficient de frottement très faible, une dureté élevée et une bonne mouillabilité, ce qui les rend particulièrement adaptées aux surfaces de friction des joints. Conformément à la réglementation de la FDA (Food and Drug Administration) 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 (telles que 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 démontré qu'en sélectionnant des paramètres de frittage appropriés (température, durée, vitesse de chauffage/refroidissement) et des additifs de dopage (tels que l'oxyde de magnésium, l'oxyde de zirconium et l'oxyde de chrome), il est possible de contrôler la taille des grains et la porosité de l'alumine, ce qui permet d'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) et jouent un rôle important dans les matériaux pour articulations artificielles. Ces deux composites se distinguent par la composition de leurs principaux constituants. Ils combinent la ténacité 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, l'ATZ est privilégiée lorsqu'une ténacité élevée est requise, tandis que la ZTA est utilisée lorsque la dureté est primordiale. À l'heure actuelle, les données cliniques sont insuffisantes pour démontrer que la surface portante des articulations en ZTA présente une résistance à l'usure supérieure. Des études ont montré que l'utilisation de la ZTA et de l'alumine renforcée à base de zircone (ZPTA) en chirurgie articulaire est bien plus fréquente que celle de l'ATZ.
③ Application des céramiques d'alumine en restauration orale
Les céramiques d'alumine présentent une translucidité et une couleur similaires à celles des dents naturelles, ainsi qu'une faible toxicité. Leur faible conductivité thermique est un atout majeur, car elle réduit l'irritation de la pulpe dentaire causée 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 proche de celle des dents naturelles, ce qui les rend particulièrement adaptées à la restauration dentaire. Elles présentent également une grande résistance mécanique. En fonction de leur composition de phase et de leur procédé de fabrication, les céramiques d'alumine utilisées en restauration tout céramique peuvent être classées dans les catégories suivantes :
(1) Céramiques d'alumine infiltrées de verre
L'infiltration de verre, également appelée méthode de coulage en barbotine, utilise l'alumine comme matrice poreuse. Un verre de lanthane-bore-silicium contenant des colorants s'y infiltre. Après formation, la céramique présente une microstructure où s'interpénètrent les phases cristallines d'alumine et de verre. Les céramiques d'alumine infiltrées de verre offrent 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. La couronne de base du système In-Ceram Alumina de Vita (entreprise allemande) en est un exemple. Ce système est également le premier système de restauration tout céramique permettant la fabrication de bridges de trois éléments pour les dents postérieures.
(2) Céramiques d'alumine frittées denses de haute pureté
Composée d'alumine d'une pureté pouvant atteindre 99,9 %, la poudre d'alumine est pressée à très haute pression (moulage à sec) pour former un corps cru, puis frittée. Ce procédé de formage sous pression confère aux céramiques d'alumine une densité élevée et une faible porosité. Ce matériau céramique présente une résistance à la flexion de 500 à 700 MPa et une ténacité à la rupture de 5 à 6 MPa·m¹/², ce qui permet son utilisation clinique comme structure de bridge dans la région postérieure.
(3) Céramiques d'alumine renforcées à la zircone infiltrée de verre
Ce type de céramique est obtenu par l'ajout de 35 % de zircone partiellement stabilisée à une poudre de céramique d'alumine infiltrée de verre. Après formage, on observe une distribution uniforme de la zircone en phase tétragonale au sein du matériau. Il s'agit également du matériau céramique le plus résistant de la série des céramiques d'alumine. Du fait de leur faible translucidité, les céramiques d'alumine renforcées à la zircone sont généralement utilisées en clinique pour la restauration des dents postérieures, où les exigences esthétiques sont moins élevées.