Development of hybrid titanium-zirconia based materials by pressure-assisted sintering for dental implants

Abstract

O desenvolvimento de novas soluções na área dos implantes dentários que visem colmatar os problemas das soluções existentes no mercado é um atual desafio, sob o ponto de vista científico e da saúde. Neste contexto, esta tese foca-se no desenvolvimento, produção e caracterização de materiais híbridos com base em titânio-zircónia produzidos por um processo de sinterização assistida por pressão (prensagem a quente) com o objetivo de criar um novo implante dentário (produto). Este implante híbrido é constituído por uma parte interna de titânio que confere resistência mecânica e uma parte externa de zircónia que evita a libertação de iões metálicos para os tecidos envolventes e, simultaneamente, confere características estéticas semelhantes ao dente natural. A técnica de prensagem a quente revelou ser uma técnica eficaz na obtenção de amostras de zircónia e híbridas titânio-zircónia, com boa densificação através da seleção de pressão e temperatura de sinterização adequadas. A pressão de sinterização mostrou ter um papel importante nas propriedades e comportamento ao desgaste da zircónia, bem como na reação da interface entre o titânio e a zircónia, nos materiais híbridos. Além disso, verificou-se uma alteração de cor da zircónia como resultado da reação da interface, que é potenciada pelo aumento da pressão de sinterização. Demonstrou-se que a camada de óxido produzida na superfície do titânio via anodização permitiu controlar a difusão entre o titânio e a zircónia e, assim, evitar a alteração da cor da zircónia. Os testes preliminares de compressão e torsão realizados nos materiais híbridos produzidos revelaram que estes materiais apresentam boa resistência mecânica. Com base nestes resultados foi apresentado o primeiro protótipo do novo implante dentário. A produção de uma superfície híbrida de titânio-zircónia por tecnologia laser e sinterização assistida por pressão levou a uma redução significativa da taxa de desgaste do titânio. No final, foram produzidas estratégias antibacterianas via produção de microrasgos e funcionalização da superfície, através da tecnologia laser, para evitar a entrada de bactérias e sua adesão. Parte do trabalho desenvolvido nesta tese deu origem à patente com a referência (PCT/IB2018/058404_DENTAL IMPLANT WITH FUNCTIONAL GRADIENT AND RESPECTIVE PROCESS FOR THEIR MANUFACTURING).

The development of new solutions regarding dental implants aiming to overcome the problems of the current solutions available at the market is, therefore, a current challenge from the scientific and healthcare points of view. In this context, this thesis is concerned with the development, production and characterization of hybrid titanium-zirconia based materials produced by hot pressing process with the purpose of create a new hybrid dental implant (product). This hybrid implant is composed by an inner material of Ti6Al4V which promotes mechanical resistance and an outer part of ZrO2 which avoids metallic ions release to surrounding tissues and, simultaneously, provides esthetic properties like natural teeth. Hot pressing showed to be an effective technique to produce zirconia and hybrid titaniumzirconia samples with near full densification through selection of adequate sintering pressure and temperature. Sintering pressure strongly influenced properties and wear behavior of zirconia as well as the interface reaction between titanium and zirconia of hybrid materials. Furthermore, a zirconia color change was attained resultant from the interface reaction which is potentiated by the sintering pressure increase. It was demonstrated that the produced continuous oxide layer via anodization process allowed to control diffusion between titanium and zirconia materials and, thus avoid blackening phenomenon of zirconia. The preliminary compression and torsion tests performed at hybrid titanium-zirconia materials revealed that these materials present good mechanical resistance. Based on these results, the first prototype of the new dental implant was presented. Hybrid titanium-zirconia surface produced by laser technology and hot pressing led to a significant reduction of titanium wear rate. Finally, antibacterial strategies, such as microgrooves and surface functionalization, were produced by laser technology to avoid bacteria entrance and its adhesion. Part of the work developed in this thesis gave rise to the patent with reference (PCT/IB2018/058404_DENTAL IMPLANT WITH FUNCTIONAL GRADIENT AND RESPECTIVE PROCESS FOR THEIR MANUFACTURING).