Surface treatments on 3Y-TZP ceramics to increase implants interaction with tissues

Due to their outstanding mechanical properties and excellent biocompatibility, the use of zirconia-based ceramics in dental and orthopedic applications has grown rapidly over the last decades. However, the main handicap concerning this class of materials is that they are bioinert, which hampers their implantation in direct contact with bone. Furthermore, infections remain one of the leading causes of implant failure. To address both issues, an improved surface design is required. Indeed, an adequate topography can promote osseointegration and limit bacterial adhesion. On the other hand, long-term reliability is a major concern for load-bearing implants, and zirconia-containing ceramics require special attention. As for other ceramics, surface alterations can impair their mechanical properties. Besides, the tetragonal to monoclinic phase transformation, which accounts for their exceptional toughness, can occur spontaneously in the presence of water, potentially deteriorating the material properties. The kinetics of this phenomenon, known as hydrothermal ageing, are highly sensitive to processing changes. Therefore, any surface modification of zirconia-containing ceramics should be accompanied by a careful assessment of its impact on implant reliability. Based on these observations, the objective of this thesis is to develop processes to modify the surface of zirconia-based implants in order to increase the interaction tissues-material and cells proliferation, but without compromising their mechanical properties and hydrothermal stability. The research effort was focused specifically on yttria-stabilized zirconia (3Y-TZP), which is increasingly used for prosthodontic applications such as crown and dental implants. The two selected surface treatments were laser patterning with different process conditions and chemical etching. They were performed both singularly and together on samples in order to understand in the clearest way possible their individual effect and the consequences of their combination. The attention was especially focused on mechanical properties (hardness, toughness and elastic modulus) and hydrothermal degradation susceptibility. In the first part of this work, their immediate and long term effects on samples properties were investigated. In the second part, biological tests were performed to analyze the interaction between cells and samples, in order to assess the effectiveness of the previously performed surface treatments. The reference parameter was cell viability along the first week after cells seeding. Finally, based on the collected data, the most suitable surface treatment conditions were defined, considering their impact on material mechanical properties, hydrothermal susceptibility and beneficial effects from the biological point of view.

Per merito delle loro grandiosi proprietà meccaniche nonché eccellente biocompatibilità, i materiali ceramici a base di zirconia negli ultimi decenni sono diventati oggetto di grande interesse per applicazioni dentali e protesi ortopediche. Tuttavia, il principale svantaggio riguardo questa classe di materiali è che essi sono bio-inerti e ciò ostacola il loro impianto a contatto diretto con ossa e tessuti. Inoltre, un altro problema di centrale rilevanza è rappresentato da possibili infezioni batteriche, le quali, recentemente, hanno costituito una delle cause principali per la rottura delle protesi. Di conseguenza, un approccio per cercare di risolvere entrambi questi problemi consiste nel studiare un apposito design superficiale, in quanto è dimostrato che un’adeguata topografia è in grado di favorire l’integrazione dell’impianto e limitare la proliferazione batterica. D’altro canto, l’affidabilità a lungo termine è un parametro fondamentale per quanto riguarda impianti soggetti quotidianamente a sforzi. Da questo punto di vista, i materiali ceramici a base di zirconia necessitano di particolare attenzione ed eseguire trattamenti superficiali può avere un notevole impatto peggiorativo sulle loro proprietà meccaniche. Inoltre, la trasformazione di fase da tetragonale a monoclinica, che è responsabile della loro eccezionale tenacità, può avvenire spontaneamente e in modo indesiderato in ambienti umidi, causando un potenziale degrado delle proprietà del materiale. La cinetica di questo fenomeno, conosciuto come invecchiamento idrotermico, è piuttosto sensibile a sollecitazioni esterne dovute a ogni tipo ti trattamento eseguito. Di conseguenza, ogni trattamento superficiale realizzato su materiali a base di zirconia deve essere accompagnato da un’attenta analisi finalizzata a valutare l’impatto che esso può avere sull’affidabilità del componente. Basandosi su queste osservazioni, l’obbiettivo di questa tesi è di sviluppare processi che permettano di modificare la topografia di impianti a base di zirconia in modo da aumentare l’interazione fra tessuto e materiale e, di conseguenza, la proliferazione cellulare a contatto con essi, senza però comprometterne le proprietà meccaniche e di stabilità idrotermica. Il materiale oggetto di questa ricerca è zirconia stabilizzata con yttria (3Y-TZP), il quale viene sempre più impiegato in campo biomedico specialmente per la realizzazione di protesi e corone dentali. I due trattamenti superficiale scelti sono il patternamento laser e l’etching chimico. Questi sono stati realizzati sia singolarmente che in successione su diversi campioni in modo da capire nel modo più chiaro possibile i loro effetti a livello individuale e in combinazione l’uno con l’altro. L’attenzione è stata posta principalmente su proprietà meccaniche (durezza, tenacità e modulo elastico) e suscettibilità al degrado idrotermico. Nella prima parte del lavoro sono stati investigati gli effetti a lungo termine dei trattamenti superficiali sulle proprietà dei campioni. Nella seconda, invece, sono stati fatti esperimenti biologici per analizzare l’interazione fra le cellule e la superficie dei campioni in modo da valutare l’efficacia dei trattamenti superficiali precedentemente eseguiti. Il primo capitolo consiste in una generica introduzione alle tematiche che verranno trattate nell’arco dell’intera tesi in modo da fornire una base teorica riguardo agli argomenti affrontati e inquadrare in modo preciso le principali problematiche. Inizialmente vengono descritte le caratteristiche della zirconia, considerando struttura cristallografica, proprietà meccaniche, forme di degrado e possibili applicazioni. Successivamente si introduce la tematica relativa all’interazione fra il materiale e i tessuti del corpo umano, focalizzando l’attenzione sulle applicazioni della zirconia in campo biomedico e sui fattori che ad oggi ne limitano l’impiego. Infine vengono descritti i più comuni trattamenti superficiali che possono essere utilizzati per funzionalizzare una superficie in modo da promuovere sviluppi in applicazioni biomediche. Nel secondo capitolo viene descritta la procedura sperimentale seguita per la realizzazione dei campioni utilizzati nel corso della tesi e tutti i test eseguiti su di essi. I risultati sperimentali sono presentati nel terzo capitolo, il quale, a sua volta, è diviso in tre sottocapitoli. Nel primo di questi sono presenti i risultati riguardo a test preliminari, svolti con il fine di stabilire i parametri di processo migliori per realizzare i campioni su cui eseguire gli studi nell’arco di tutto il lavoro. Nel secondo sottocapitolo vengono forniti risultati riguardo alla caratterizzazione dei campioni trattati superficialmente e all’impatto che i trattamenti hanno su proprietà meccaniche, struttura cristallografica e topografia. Nell’ultimo, infine, vengono presentati i dati riguardo a prove di vitalità cellulare eseguite sui campioni, in modo da valutare l’eventuale efficacia dei trattamenti eseguiti. Nel quarto capitolo viene fornita una discussione generale sui risultati ottenuti, valutando le conseguenze dei diversi trattamenti superficiali considerando sia gli effetti che questi hanno sulle proprietà del materiale sia sugli effetti dal punto di vista biologico. Nel quinto capitolo, infine, vengono elencate le conclusioni tratte al termine del lavoro e viene identificato il trattamento superficiale più efficace per i fini prestabiliti.