Mehr als eine Million Dentalimplantate werden pro Jahr in Deutschland inseriert. Ästhetik und Verträglichkeit sprechen für keramisches Material statt für den Standardwerkstoff Titan. Für diesen Einsatz, der in Hinblick auf Festigkeit, Biokompatibilität, Be- und Verarbeitbarkeit komplexe Ansprüche stellt, ist Zirkoniumdioxid (ZrO2), genauer Yttriumoxid stabilisiertes ZrO2 (Y-TZP), geeignet. Schwachpunkt ist jedoch die geringere Toleranz von Keramik gegenüber Oberflächendefekten, die sich festigkeitsmindernd auswirken. Die Oberflächenaufrauung ist für eine bessere Einheilung in den Knochen allerdings unabdingbar. Durch Oberflächenmodifizierung im dichtgesinterten Zustand kann die Festigkeit sowohl erhöht als auch erniedrigt werden, da Strukturumwandlungen im polymorphen Y-TZP in Abhängigkeit der Herstellungsparameter stattfinden. Das Ziel dieser Arbeit ist durch holistische Analyse des Herstellungsprozesses eines Y-TZP Implantates diesen zu optimieren. Die Bewertung erfolgt in den drei Eigenschaftskategorien: Physikochemie, Mechanik, Topographie und schließt mit einer zellbiologischen Prüfung ab. Die Physikochemie wird mit drei Hydrophilierungsmethoden verändert (UV, UV-Ozon, Plasma) und optimale Behandlungsparameter werden mittels Kontaktwinkelmessungen gefunden. Die Plasmabehandlung stellt die effektivste Methode dar. Zur Konservierung der Hydrophilie wird die Lagerung unter Luftabschluss in Isopropanol (zum Erhalt der Sterilität) untersucht. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Aufrauung im Weißzustand negativ beeinflusst. Durch Material- und Prozessanpassung wird eine Erhöhung der Festigkeit (~30 %) und der Alterungsbeständigkeit erreicht. Um der nach Aufrauung bestehenden Festigkeitsreduzierung entgegen zu wirken, wird ein Prozess zur Oberflächenverstärkung mittels Festigkeitsstrahlen (SP) für raue Oberflächen erarbeitet. Neben der Umwandlung von tetragonal zu monoklin werden weitere Strukturen in der Literatur kontrovers diskutiert. Daher werden umfassende diffraktometrische Analysen durchgeführt, um zukünftig die Festigkeitsbeeinflussungen klarer vorhersagen zu können. Nach SP lassen sich statisch und dynamisch eine um ~30% erhöhte Festigkeit am rauen Produkt belegen, während die Makrotopographie der osseointegrativen Oberfläche erhalten bleibt. Die topographischen Eigenschaften werden durch Profilmessung bestimmt und durch 3D-Oberflächenaufnahmen zur Charakterisierung von Hybridparametern für die abrundende zellbiologische Untersuchung betrachtet. In vitro schneiden alle ZrO2 Serien vergleichbar zur sandgestrahlt und geätzten Titan-Referenzoberfläche ab.
In Germany, every year, over a million dental implants are inserted. Rather than employing the standard material of titanium, a strong case can be made for using ceramics, especially from the aesthetic point of view. For this usage, which poses complex challenges in terms of biocompatibility, workability and processing capabilities, the material zirconium dioxide (ZrO2) or, more precisely, “yttria stabilised zirconia” (Y-TZP), is suitable. A shortcoming of ceramic materials, however, is their low tolerance against surface defects, which can cause a reduction in strength. The strength can be affected positively and negatively through modification in densely sintered state. This is controlled by structural changes depending on the manufacturing process. The challenge is posed by surface roughening being imperative to achieve better bone healing. The aim of this thesis is to investigate these complex interactions with the implant material Y-TZP and to develop surface modification methods which can be integrated into an existing production process in a cost-efficient manner. The evaluation will be conducted in three property categories of an implant: physio chemistry, mechanics and topography. To improve the physico-chemical properties of Y-TZP, three methods of hydrophilization are tested and optimum treatment parameters are identified with contact angle measurement. Plasma treatment proves to be the most effective method. Conservation of this effect through airtight storage in isopropyl has been proven. The mechanical properties are negatively influenced by the surface roughening in presintered state. Material selection and process optimization produces an increase in strength of 30% and results in an improved resistance to low-temperature degradation. To counteract the sustained strength reduction by surface roughening a special surface reinforcement procedure is developed using shot peening. Effects of controversial discussed phase transformation processes are examined alongside the tetragonal-monoclinic transformation to predict the influence of strength by mechanical surface roughening technologies using diffractometric analysis. The implementation of shot peening demonstrates an increase in strength of the implant of ~ 30%, while the macrotopography of the osseointegrative surface is conserved. After optimisation, the topographical properties are determined using profile measurement and 3D surface imaging, so that the hybrid parameters in various lateral measuring fields can be characterized, leading to additional results for the concluding in vitro study. In in vitro study, all ZrO2 surfaces perform similarly to the topographically and physio-chemically differing sandblasted and acid etched titanium implant surface.
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