Novel bioactive ceramics for dental applications

Abstract

An attachment between the dental ceramic and the surrounding marginal tissues in fixed prosthetic restorations could eliminate secondary carries prevalence. The development of dental ceramics with apatite forming ability could provide the biological surface required for selective spread and attachment of specific cell types able to promote tissue attachment. Consequently, the aim of the present PhD thesis is the synthesis, characterization and optimization of an experimental dental ceramic, which will attain both mechanical integrity and apatite-forming ability and could be possibly used in fixed prosthetic restorations prolonging the life expectancy of the restoration.This PhD dissertation is divided in two parts (Part A and Part B) consisting of four and five chapters, respectively. The theoretical background of this thesis is developed shortly in the first part (Part A) after extensive study of the literature. Specifically, the first chapter presents the scope of the present dissertation and the objectives, with which this goal is going to be implemented. The second chapter presents the two fundamental properties, according to which the optimum bioceramic material will be selected, while the third and fourth chapter presents the latest developments (state of the art) in the fields of bioactive glasses and dental ceramics for dental restorations, respectively.In the second part of this thesis (Part B), all experimental data are presented and discussed. Specifically, the first chapter presents a detailed characterization of the sol-gel derived 58S, which was chosen as the best bioactive glass because of its high surface area, which results in the rapid development of biological hydroxyapatite upon immersion in Simulated Body Fluid (SBF). In the second chapter of the thesis two families of bioceramic materials are synthesized by adding powder of feldspathic dental ceramic (IPS d-Sign and IPS InLine Margin - Ivoclar, Schaan, Liechtenstein) in various proportions during the mixing of the reactants in the sol-gel process. Based on the experimental data presented in chapter 2, the bioceramic material with 80 wt% of feldspathic dental ceramic (l-DC80) was chosen as the optimum, since it presented flexural strength values and Weibull modulus comparable to those of the commercial dental ceramic, while the onset of apatite formation was observed even after 9 days of immersion in SBF solution. In the third chapter of this thesis, l-DC80 was thoroughly characterized of this material using the techniques of Electron microscopy (TEM), Mercury intrusion porosimetry, Nitrogen porosimetry and BET analysis, while the in vitro bioactivity of the material as sintered specimens was further estimated.Furthermore, the fourth chapter of the thesis is a summary of the above experimental results, showing the significance as well as the limitations of this research, while topics for future investigation are suggested. Annex A deals with the use of l-DC80 as coating on ceramic and metallic substrates. The purpose of this application is to study the possibility of the complete replacement of the commercial dental ceramics from l-DC80 in the cervical region, or whether this should be used only as a coating on the dental ceramics that are currently used. Finally, in Annex B the possibility of using thermoluminescence (TL) for the discrimination between different bioactive responses in the case of the 58S bioactive glass is investigated.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο ¨Νέα Σύνθετα Βιοκεραμικά Υλικά για Οδοντιατρικές Αποκαταστάσεις¨, η οποία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Φασματοσκοπίας Υπερύθρου του τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο τμήμα Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, είναι η σύνθεση ενός πρότυπου σύνθετου βιοκεραμικού υλικού, το οποίο θα συνδυάζει τις βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες ενός κεραμικού υλικού για οδοντιατρικές αποκαταστάσεις με τη δυνατότητα ανάπτυξης βιολογικού υδροξυαπατίτη μιας βιοϋάλου. Η παρούσα διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη (Part A και Part B). Στο πρώτο μέρος (Part A) αναπτύσσεται συνοπτικά, κατόπιν εκτενούς μελέτης της διεθνούς βιβλιογραφίας, το θεωρητικό υπόβαθρο της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τρέχουσες τεχνολογικές εξελίξεις (state of the art) και ο σκοπός της παρούσας διατριβής. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι δύο βασικές ιδιότητες, σύμφωνα με τις οποίες θα γίνει η επιλογή του βέλτιστου βιοκεραμικού υλικού, ενώ στο τρίτο και τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι σύγχρονες τεχνολογικές εξελίξεις που αφορούν στις βιοϋάλους και τα οδοντιατρικά κεραμικά για οδοντιατρικές αποκαταστάσεις, αντίστοιχα.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής (Part Β) παρατίθενται και σχολιάζονται τα πειραματικά δεδομένα της διατριβής. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο μελετήθηκε ενδελεχώς η βιοΰαλος κολλοειδούς γέλης 58S (SiO2 60, CaO 36, P2O5 4 in wt %), ο χαρακτηρισμός της οποίας πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της Θερμοσταθμικής Ανάλυσης (TG-DTA) σε συνδυασμό με τις τεχνικές της φασματοσκοπίας υπερύθρου (FTIR), περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και μικροσκοπίας σάρωσης (SEM-EDS) για την αναγνώριση των θερμικών διεργασιών που συμβαίνουν κατά τα τελευταία θερμικά στάδια παρασκευής της βιοϋάλου. Η μελέτη του θερμογραφήματος υπέδειξε την ύπαρξη τριών διαφορετικών θερμικών διεργασιών, οι οποίες αντιστοιχούν στην απώλεια του προσροφημένου νερού, των οργανικών και το σχηματισμό μιας πυριτικής κρυσταλλικής φάσης. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η επίδραση της ανάδευσης κατά τη δημιουργία της γέλης στο ποσοστό κρυστάλλωσης του τελικού προϊόντος και αποδείχθηκε ότι αυξανομένου του ρυθμού ανάδευσης, αυξάνεται το ποσοστό της κρυσταλλικής φάσης, όπως αποδεικνύεται από τα φάσματα FTIR και τα ακτινογραφήματα XRD. Τέλος, η μελέτη της βιοϋάλου ολοκληρώθηκε με τον ενδελεχή χαρακτηρισμό της βιοϋάλου που παρασκευάστηκε με ρυθμό ανάδευσης 400rpm (58S400) πριν και μετά την έψηση με τις μεθόδους της ποροσιμετρίας υδραργύρου, ποροσιμετρίας αζώτου και ανάλυσης BET και με αυτές ολοκληρώθηκε ο δομικός χαρακτηρισμός του υλικού, ο οποίος είχε ξεκινήσει τα προηγούμενα έτη της διδακτορικής διατριβής και περιελάμβανε τις τεχνικές FTIR, XRD, SEM-EDS και TG-DTA. Τα αποτελέσματα των παραπάνω μεθόδων υπέδειξαν την πορώδη δομή της βιοϋάλου πριν την έψηση και κατέγραψαν τη δραστική μείωση του πορώδους και της ενεργούς επιφάνειας μετά την έψηση.Στο δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής αναφέρεται η σύνθεση δύο ομάδων βιοκεραμικών υλικών, τα οποία παρασκευάστηκαν με πρόσθεση σκόνης δύο αστριούχων οδοντιατρικών κεραμικών σε διάφορες αναλογίες κατά τη διαδικασία ανάμιξης των αντιδρώντων της καθαρής βιοϋάλου. Ο χαρακτηρισμός των προϊόντων πραγματοποιήθηκε με τις τεχνικές FTIR, SEM-EDS, XRD και μελετήθηκε in vitro η βιοενεργότητα τους. Η αποτίμηση των πειραματικών αποτελεσμάτων κατέδειξε την ομοιογενή σύνθεση των σύνθετων βιοκεραμικών υλικών και την ταχύτατη εκδήλωση σε αυτά στρώματος υδροξυαπατίτη, η όποια μειώνεται με την αύξηση του ποσοστού του κεραμικού στο σύνθετο υλικό. Αντίθετα με την ανάπτυξη βιολογικού υδροξυαπατίτη, η ψαθυρότητα των βιοκεραμικών μειώνεται με την αύξηση του αστριούχου κεραμικού στο σύνθετο υλικό και μόνο τα υλικά με ποσοστό αστριούχου κεραμικού μεγαλύτερο του 50 %κβ ήταν δυνατό να μορφοποιηθούν για την κατασκευή κεραμικών δοκιμίων για τη μελέτη των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Για το λόγο αυτό, η αντοχή στην κάμψη (flexural strength) και η πιθανότητα αστοχίας των παραγόμενων υλικών με την εφαρμογή Weibull ανάλυσης εκτιμήθηκαν μόνο στην περίπτωση των βιοκεραμικών με προσθήκη l-DC και υπέδειξαν το γεγονός ότι η προσθήκη αστριούχου κεραμικού οδηγεί σε συμπαγείς δομές κατάλληλες για χρήση σε μεταλλοκεραμικές αποκαταστάσεις. Με βάσει τα παραπάνω πειραματικά δεδομένα, επιλέχθηκε ως βέλτιστο το βιοκεραμικό υλικό με 80 % κ.β αστριούχου κεραμικού (l-DC80), αφού παρουσιάζει μετά την έψηση μέση τιμή αντοχής στη κάμψη και μέτρο Weibull συγκρίσιμα με το οδοντιατρικό κεραμικό και έναρξη σχηματισμού απατίτη μετά από 9 μέρες στο SBF. Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε ενδελεχής χαρακτηρισμός του συγκεκριμένου υλικού με τις τεχνικές της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διέλευσης (TEM), της ποροσιμετρίας υδραργύρου, ποροσιμετρία αζώτου και ανάλυση BET. Παράλληλα, επειδή το υλικό αυτό (l-DC80) προοριζόταν να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή επιστρώσεων, τόσο για το l-DC80 όσο και για το κεραμικό του υποστρώματος μετρήθηκαν οι συντελεστές θερμικής διαστολής (TEC), οι οποίοι κατέδειξαν μια διαφορά της τάξεως του 35%. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε περαιτέρω μελέτη της βιοενεργής του συμπεριφοράς- υπό μορφή δοκιμίων- σε υγρό προσομοίωσης του πλάσματος του αίματος (SBF) σε στατικές συνθήκες και τα παραγόμενα δοκίμια χαρακτηρίστηκαν με τις τεχνικές FTIR, SEM-EDS, XRD, ενώ η χημική ανάλυση του υγρού προσομοίωσης πριν και μετά την εμβάπτιση για συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα πραγματοποιήθηκε με την φασματοσκοπία Επαγωγικώς Συζευγμένου Πλάσµατος (ICP) για να μελετηθεί η μεταβολή της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίου (Ca) και πυριτίου (Si) στο SBF κατά τη διάρκεια των ιοντοανταλλαγών που λαμβάνουν χώρα κατά τα πρώτα στάδια του σχηματισμού υδροξυαπατίτη. Παράλληλα, μελετήθηκαν με τη μικροσκοπία SEM-EDS εγκάρσιες τομές των δοκιμίων μετά την εμβάπτιση στο SBF για συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα με σκοπό τη μελέτη του πάχους του αναπτυσσόμενου στρώματος υδροξυαπατίτη, οι οποίες υπέδειξαν τον σχηματισμό στρώματος πάχους 15-20μm μετά από 21 μέρες στο SBF.Στο τέταρτο κεφάλαιο της διατριβής δίνεται μια περίληψη των παραπάνω πειραματικών αποτελεσμάτων, παρουσιάζονται οι περιορισμοί αλλά και η σημαντικότητα της παρούσας έρευνας και προτείνονται θέματα για μελλοντική διερεύνηση.Τέλος, στο παράρτημα Α αναφέρεται η χρησιμοποίηση του βέλτιστου υλικού (l-DC80) για την κατασκευή επιστρώσεων τόσο σε κεραμικά όσο και σε μεταλλικά υποστρώματα, ενώ στο παράρτημα Β αναφέρονται οι πρώτες προσπάθειες χρησιμοποίησης της τεχνικής της Θερμοφωταύγειας (TL) για την αποτελεσματική χρήση της ως εναλλακτικής και καινοτόμου λύσης στη μελέτη της βιοενεργότητας.