Design, manufacturing & analysis of smart ceramics for biomedical applications: zirconia functionalization with barium titanate

Abstract

No processo de design de um novo biomaterial, vários fatores devem ser considerados. Neste trabalho, o desafio foi encarado com uma perspectiva de engenharia. Como fazer amostras com propriedades ajustáveis que surtam respostas biológicas? Materiais para diferentes aplicações dentárias e ortopédicas têm funções específicas e, portanto, propriedades diferentes. Por exemplo, o parafuso de um implante dentário deve formar um bom contacto osso-implante e, desta forma, as superfícies rugosas adequam-se ao propósito. Na zona onde a gengiva deve-se formar um contacto firme com o material de forma a evitar a invasão bacteriana de tal forma que as superfícies lisas são melhores. Assim, a funcionalidade alcançada deve ser ajustável para diferentes tecidos, nomeadamente para efeitos antibacterianos. A funcionalização da zircônia estabilizada com ítria (YSZ), um biomaterial inerte, visa a criação de um novo ambiente microeletromecânico para aplicações odontológicas. Este trabalho apresenta um novo compósito cerâmico-piezocerâmico com potencial para aplicações odontológicas e ortopédicas. A incorporação de titanato de bário piezoelétrico, BaTiO3 (BT) permite que dois tipos diferentes de sinais elétricos existam na interface célula-material. Cargas de superfície estáticas e pulsos elétricos induzidos pela deformação são, em certa medida, ajustáveis pelo tamanho e distribuição das partículas de BT. As propriedades do BT, como carga superficial (±) e resposta piezoelétrica, podem ser ajustadas. As amostras deste trabalho foram processadas através do método convencional de prensagem e sinterização. A presença de fases foi estudada com espectroscopia Raman e difração de raios-x. A resposta piezoelétrica foi medida numa partícula com um medidor de d33. As inclusões foram também identificadas como ferroelétricas através de espectroscopia micro-Raman. É provável que este revestimento compósito possa ser processado com mètodos mais adequados para geometrias complexas. A estabilidade térmica foi igualmente estudada. O envelhecimento ocorre quando em contacto com a água e também a presença de tensões aceleram este processo. Portanto, o teste de degradação a baixa temperatura foi realizado. A taxa de transformação de fase monoclínica foi confirmada como aceitável para um envelhecimento simulado de 15-20 anos. A superfície também mostrou ter baixa capacidade de ligação às proteínas. A viabilidade de Fibroblastos Gengivais Humanos (HGF) e células precursoras de Osteoblastos derivadas de calvária de rato (MC3T3-E1) mostraram que o composto não è biotóxico. A análise de orientação do HGF revelou um comportamento interessante que deve ser investigado com mais detalhe.

In this work the leading idea was to employ piezoceramics in dental or orthopaedic biomaterials to create artificial electromechanical stimulus to the cells. In this work we approached the challenge with ”an engineering perspective”. How to make samples with tunable properties that arise biological responses? Materials for different dental and orthopaedic applications have specific functions and therefore different properties. For example, the screw of a dental implant has to form a good boneimplant contact and rough surfaces fit the purpose. Where the gingiva should form a tight contact to the material and prevent bacterial invasion, smooth surfaces are better. Thereby the achieved functionality should be tunable for different tissues and for instance antibacterial effects. Functionalization of an already established but rather inert biomaterial, Yttria stabilized zirconia (YSZ), aims for creating a new micro-electromechanical environment for particularly dental applications. This work introduces a new piezoceramic-ceramic composite that has potential for dental and orthopaedic applications. The incorporation of piezoelectric Barium titanate, BaTiO3 (BT) allows two different kinds of electrical cues to exist at the cell-material interface. Static surface charges and deformation induced electrical pulses are to some extent tunable by the size and distribution of the BT particles. BT properties such as surface charge and piezoelectric response, can be tuned. Samples for this work were processed through conventional press and sinter method. The phase composition was studied with Raman spectroscopy and x-ray diffraction. Piezoelectric response was measured on single particle with d33-meter. The inclusions were verified as ferroelectric also by micro-Raman spectroscopy. It is likely that this composite coating can be processed with methods better suited for complex geometries. This in mind, thermal stability was studied within post-processing temperatures. Ageing occurs when in contact with water and stresses accelerates the process. Therefore low temperature degradation test was conducted. Monoclinic phase transformation rate was confirmed acceptable for simulated 15-20 years of ageing. The surface was also shown to have low protein binding character. The viability of Human Gingival Fibroblasts (HGF) and A type of osteoblast precursor cells derived from mouse calvaria (MC3T3-E1) showed that the composite is not bio-toxic. Orientation analysis of HGF revealed interesting behaviour that should be investigated further.