I det här blogginlägget ska vi utforska egenskaperna hos zirkoniumkronor som används för tandimplantat och principerna bakom att öka deras styrka, samtidigt som vi undersöker hur moderna tandmaterial har utvecklats.

Vilken typ av material används zirkoniumoxid i tandimplantat?

När man tänker på skådespelaren Lee Byung-hun är det första som dyker upp i tankarna hans leende, vilket avslöjar hans vita, friska tänder. I filmen "Mannen som blev kung" sticker Lee Byung-hun en bit sjögräs mellan framtänderna och låtsas vara en dåre för att få drottninggemalen, som har tappat sitt leende, att skratta. Han Hyo-joo, som spelar drottninggemalen, brister så småningom ut i skratt. Men om Lee Byung-hun faktiskt hade saknat två framtänder, kanske Han Hyo-joo hade rekommenderat tandimplantatkirurgi snarare än att tycka att det var roligt.
Tandimplantatproceduren innebär vanligtvis att otillräckligt alveolärt ben förstärks med bentransplantatmaterial efter behov, sedan placeras en titanimplantatfixtur i käkbenet, en distans fästs på den och slutligen monteras en krona. Här syftar kronan på den yttre delen av tanden som vi faktiskt använder för att tugga. Kronor används ofta inte bara för tandimplantat utan även för att restaurera skadade tänder. Så, vad är egentligen zirkoniumoxid, och hur har det blivit ett material med en form och egenskaper som är så lika de hos naturliga tänder?

Hur har zirkoniumoxidens styrka ökat?

Zirkoniumoxid som används för tandimplantatkronor faller i stort sett under kategorin keramiska material. Inom materialteknik klassificeras material i metaller, keramik och polymerer. Keramik avser oxider, karbider och nitrider som bildas när element som kisel (Si), aluminium (Al) och zirkonium (Zr) kombineras med syre, kol, kväve och andra element. Keramiska produkter skapas genom att forma dessa keramiska material till önskad form och sedan sintra dem vid höga temperaturer för att säkerställa tillräcklig styrka.
När zirkoniumdioxid först upptäcktes hade den en elfenbensfärg som liknade tändernas och en densitet jämförbar med tändernas, vilket tyder på dess potential som ett dentalt material. Dess användningsområde var dock starkt begränsat på grund av dess mycket låga hållfasthet, vilket gjorde det benäget att gå sönder. Eftersom det var ett material som kunde användas inom olika områden om bara dess hållfasthet kunde förbättras, började materialingenjörer forskning för att öka zirkoniumdioxidens hållfasthet.
Ett materials hållfasthet beror på hur dess atomer och molekyler är placerade. Även för samma ämne kan kristallstrukturen variera beroende på förhållanden som temperatur, tryck och tillsatser under produktionsprocessen. Genom att kontrollera dessa yttre förhållanden på lämpligt sätt kan materialets hållfasthet förbättras avsevärt. Inom materialteknik kallas fenomenet att förändra ett materials egenskaper genom att framkalla sådana förändringar i dess kristallstruktur för martensitisk transformation. Tillämpningen av denna princip på zirkoniumoxid ledde till en betydande ökning av dess hållfasthet, och därefter började det användas inte bara i tandkronor utan även inom olika industriområden.

Hur fungerar martensitisk transformation?

Vilken mekanism används för att martensitisk transformation förbättrar hållfastheten hos keramik?
När zirkoniumoxid och magnesiumoxid (MgO) används tillsammans kan en mycket större variation av kristallstrukturer bildas än när de används som ett enda material. När zirkoniumoxid blandat med en specifik andel magnesiumoxid värms upp till hög temperatur bildas en kristallin struktur som skiljer sig från den ursprungliga. Efterföljande snabb kylning (släckning) skapar ett metastabilt tillstånd där denna kristallina struktur – som är instabil vid rumstemperatur – bibehålls.
Enkelt uttryckt syftar kylning på en snabb kylningsprocess. Det kan förstås som likt den process som smeder använde förr i tiden, då de brukade hamra glödande järn och sedan omedelbart sänka ner det i kallt vatten för att härda det.
Genom att genomgå denna värmebehandlingsprocess förändras kristallstrukturen, vilket avsevärt förbättrar materialets mekaniska egenskaper. I slutändan, när molekylernas arrangemang förändras, förändras även olika fysikaliska egenskaper – inklusive hållfasthet, smältpunkt och termiska expansionsegenskaper. Men eftersom de förhållanden som krävs för dessa förändringar i kristallstrukturen varierar för varje material, krävs omfattande forskning och experiment. Om denna forskning fortsätter att gå framåt kan även material som tidigare hade lite praktiskt värde återfödas som högpresterande material med nya funktioner.
Förr i tiden, när tänderna skadades, täcktes de ofta med guld eller silver, eller så användes proteser. Idag föredras dock material som i utseendet praktiskt taget är omöjliga att skilja från naturliga tänder, och tandimplantat används ofta för sina funktionella fördelar. Människor vill ha ett hälsosamt leende som nästan är omöjligt att skilja från sina naturliga tänder, snarare än tänder med synligt guld eller silver. Framsteg inom materialteknik har möjliggjort dessa krav, och de förväntas fortsätta driva utvecklingen av tandmaterial som är ännu mer naturliga och hållbara.