Le ceramiche di zirconio sono ampiamente utilizzate nella pratica clinica grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche, biocompatibilità e vantaggi estetici. Tuttavia, se esposte a temperature comprese tra 150 e 400 gradi e ad un ambiente umido per periodi prolungati, le ceramiche di zirconio subiscono una trasformazione dalla fase tetragonale a quella monoclina. Questa transizione di fase è accompagnata da un'espansione di volume, che genera numerose microfessurazioni e riduce fortemente la resistenza meccanica dell'impianto. Questo fenomeno è noto come degradazione a bassa temperatura (LTD). Le microfessure prodotte da questo processo forniscono percorsi al vapore acqueo nell'aria per penetrare ulteriormente nella ceramica, accelerando così un'ulteriore trasformazione di fase e generando più microfessure. Queste microfessure si intersecano, si sovrappongono e si propagano in fessure macroscopiche, portando infine alla frattura e al fallimento dell’impianto dentale.
Oltre al problema della degradazione a bassa temperatura, le ceramiche in zirconio soffrono anche di una mancanza di bioattività. Quando i materiali in zirconio vengono impiantati nella cavità orale come impianti, non possono formare un legame chimico stabile con i tessuti biologici. Nel corso del tempo, uno strato di biofilm si forma attorno all’impianto e lo avvolge, provocandone eventualmente l’allentamento e il fallimento. La natura bioinerte delle ceramiche di zirconio limita notevolmente la loro applicazione nel campo degli impianti dentali.
L’incapacità delle superfici ceramiche di zirconio bioinerti di integrarsi con il tessuto osseo circostante e altri tessuti è una delle cause principali del fallimento dell’impianto in vivo. I materiali ceramici bioattivi, al contrario, formano uno strato di idrossiapatite simile all'osso nel corpo e si legano chimicamente con i componenti ossei adiacenti. Pertanto, il miglioramento della bioattività della zirconia può migliorare il tasso di successo dell’impianto. La bioattività può essere verificata anche attraverso esperimenti in vivo, in cui il materiale viene impiantato negli animali per un certo periodo. Oltre all'assenza di reazioni infiammatorie, la bioattività viene valutata analizzando l'integrazione tra l'impianto e il tessuto osseo-ad esempio, valutando la formazione di nuovo osso, i cambiamenti morfologici e i test di coppia di rimozione.
Per migliorare la bioattività dei materiali inerti, si ricorre generalmente al trattamento superficiale o all'incorporazione di sostanze bioattive per generare gruppi funzionali organici (Zr‑OH) o depositare rivestimenti bioattivi di fosfato di calcio (Ca‑P) sulla superficie, migliorando così la bioattività.
(1) Incorporazione di sostanze bioattive
Incorporare sostanze bioattive è il metodo più semplice e diretto. I componenti bioattivi vengono miscelati meccanicamente con polvere di zirconio per migliorare la bioattività del materiale ceramico di zirconio.
Ad esempio, Kishi S. et al. ha aggiunto nano‑HA alla ceramica ZrO₂ per formare un materiale composito e, negli esperimenti di mineralizzazione SBF, sulla superficie si è formato uno strato di apatite simile a un osso. Cortes DA et al. ha aggiunto wollastonite alla ceramica Mg‑PSZ e ha sinterizzato il composito a 1550 gradi. Dopo l'immersione in SBF e 1,5×SBF per 7 giorni ciascuno (con polvere di wollastonite incorporata nella soluzione SBF durante la prima immersione), la superficie si è mineralizzata in HA. Nogiwa-Valdez AA et al. hanno incorporato il vetro bioattivo CaO‑SiO₂ in ZrO₂ per produrre un materiale composito e l'HA si è formato sulla superficie del campione negli esperimenti di mineralizzazione SBF.
(2) Modifica della superficie
La sabbiatura è un processo di trattamento superficiale ben consolidato. Utilizza l'aria compressa per spingere le particelle abrasive ad alta velocità sulla superficie dell'oggetto, aumentando la ruvidità e la pulizia della superficie. Nell’era dei restauri in ceramica all’ossido di zirconio, la sabbiatura con allumina è il trattamento superficiale più comunemente utilizzato nella produzione. Attualmente, i ricercatori utilizzano diversi parametri di sabbiatura, utilizzando principalmente particelle di allumina di 50–100 μm, pressioni di sabbiatura di 0,1–0,5 MPa e tempi di sabbiatura di 10–30 s.
La mordenzatura termica con acido può migliorare la forza di adesione tra la zirconia e la porcellana o resina di rivestimento. Tuttavia, questo processo coinvolge sostanze chimiche industriali pericolose come metanolo e acido cloridrico, che richiedono elevati standard di sicurezza e procedure complesse. Al momento non sono disponibili apparecchiature di incisione termica con acido mature e affidabili, il che ne limita la promozione nella produzione.
Il trattamento laser migliora anche la forza di adesione tra la zirconia e la porcellana o resina di rivestimento attraverso l'irruvidimento della superficie.
Le superfici in ceramica di zirconio sono prive di fase vetrosa e contengono poca o nessuna silice, rendendo difficile la loro reazione chimica con lo strato di porcellana di rivestimento. Sono stati utilizzati vari metodi per preparare rivestimenti in silicone su superfici in ceramica di zirconio, rendendo la loro composizione chimica superficiale simile a quella della porcellana di rivestimento a base di vetro e facilitando così le reazioni chimiche che aumentano la forza di adesione della zirconio-porcellana. Tuttavia, lo spessore ottimale del rivestimento in silicio non è stato ancora determinato; le attuali tecniche di rivestimento del silicio sono numerose e mancano criteri standardizzati per la preparazione dei campioni e i test, con conseguente scarsa comparabilità tra i diversi studi. Inoltre, alcune attrezzature utilizzate per la preparazione dei rivestimenti siliconici sono ancora in fase di laboratorio e i processi sono complessi, quindi non sono ancora adatti alla produzione su larga scala.
Il plasma a bassa temperatura può migliorare la forza di adesione tra la zirconia e la porcellana o resina di rivestimento. Tuttavia, i parametri di trattamento variano tra gli studi, rendendo difficili i confronti. Non è chiaro quale trattamento al plasma dia i migliori risultati e non è stato chiarito se il plasma a bassa temperatura possa indurre indirettamente un legame chimico tra la zirconia e la porcellana o resina di rivestimento.