Development of bioactive materials for dental implants using powder metallurgy

Abstract

The long-term success of a dental implant is dictated by a crucial group of conditions. Beyond being able to withstand masticatory loads, the implant must also be able to promote a good integration of its surface with the surrounding bone (osseointegration). In this context, various studies have been made with the aim of improving the osseointegration process in these implants. Usually, dental implants are made from titanium, normally titanium alloy Ti6Al4V, due to its good mechanical properties. Currently, several studies have also introduced zirconia (ZrO2) and polyetherether- ketone (PEEK) due to their inherent mechanical properties. However, due to the inert nature of these materials, coating their surface with bioactive materials is an effective solution to improve the osseointegration process. Among the bioactive materials, the most commonly used in these applications are Hydroxyapatite (HAp) and tricalcium phosphate (generally β-TCP) since they are very similar to the inorganic phase of bone. However, during the implantation process, the detachment of the coating may occur. In the present work, in order to overcome this problem, various bioactive composites were produced by hot pressing (hot pressing) or by cold pressing followed by sintering (Press and sintering) where the matrix is constituted by the material owing suitable mechanical properties and the reinforcement is a bioactive material. In this sense, the composites produced were: Ti6Al4V reinforced with 10 vol% HAp (Ti6Al4V-10%HAp), Ti6Al4V-10%βTCP, ZrO2-10%HAp, ZrO2-10%βTCP, PEEK-10%HAp, PEEK-βTCP10% (vol.%) which were subsequently characterized through a microstructural and mechanical analysis (hardness and shear tests). This work allowed to conclude that all samples have reached an effective densification and that the addition of bioactive materials increased the hardness of the samples, when compared to the unreinforced metal, polymer or ceramic matrix. When comparing both processing methods, hot pressing was found more capable to promote full densification and consequently higher mechanical properties. Although, in all samples, the presence of bioactive materials caused a shear strength decrease, the benefits of having a bioactive material and also an implant design solution based in functionally graded materials (FGM) would largely compensate these results.

O sucesso a longo prazo de um implante dentário é ditado por um grupo de condições cruciais. Além de ser capaz de suportar cargas mastigatórias, o implante deve ser capaz de promover uma boa integração da sua superfície com o osso adjacente (osseointegração). Desta forma, vários estudos têm vindo a ser feitos com o intuito de melhorar o processo de osseointegração. Habitualmente, os implantes dentários são feitos em titânio, geralmente liga Ti6Al4V, devido às suas boas propriedades mecânicas. Atualmente, vários estudos têm introduzido a zirconia (ZrO2) e o poliéter- éter-cetona (PEEK) devido às suas propriedades mecânicas inerentes. No entanto, devido à natureza inerte destes materiais, o revestimento superficial com materiais bioativos é uma solução efetiva para melhorar o processo de osseointegração. De entre os materiais bioativos, os mais utilizados nestas aplicações são a hidroxiapatite (HAp) e os fosfatos de tricalcio (geralmente, β-TCP) uma vez que são materiais muito semelhantes à fase inorgânica do osso. No entanto, durante o processo de implantação, o destacamento do revestimento pode ocorrer. No presente trabalho, de forma a superar este problema, produziram-se vários compósitos bioativos por prensagem a quente (Hot pressing) ou por prensagem a frio seguido de sinterização (Press and sintering) onde a matriz é constituída pelo material que apresenta propriedades mecânicas adequadas e o reforço é um material bioativo. Desta forma, os compósitos produzidos foram: Ti6Al4V reforçado com 10 vol.% HAp (Ti6Al4V-10%HAp), Ti6Al4V-10%βTCP, ZrO2-10%HAp, ZrO2-10%βTCP, PEEK- 10%HAp, PEEK-10%βTCP (vol.%) que foram posteriormente caracterizados através de uma análise microestrutural e mecânica (ensaios de dureza e testes de corte). Este trabalho permitiu concluir que todas as amostras atingiram uma densificação eficaz e que a adição de materiais bioativos aumenta a dureza das amostras, quando comparadas com a matriz metálica, polimérica ou cerâmica não reforçada. Comparando ambos métodos de processamento, o hot pressing mostrou-se mais apto a promover uma densificação total e consequentemente, melhores propriedades mecânicas. Apesar de, em todas as amostras, a presença dos materiais bioativos ter causado a diminuição da resistência ao corte, os benefícios da presença do material bioativo e também a solução de um design do implante baseado em materiais com gradientes funcionais (FGM), compensa largamente estes resultados.