치아와 뼈의 결함을 채우고, 뼈 이식, 골절 또는 보철물을 고정하고, 병든 조직을 대체하는 생체 재료로 사용되는 세라믹을 바이오세라믹이라고 합니다. 바이오세라믹은 고강도, 내마모성, 높은 압축 및 굽힘 강도, 높은 생체 적합성과 같은 우수한 특성으로 인해 의료 분야에서 널리 사용됩니다. 바이오세라믹은 19세기에 처음 등장했습니다. 당시 흡수성 세라믹의 일종인 석고가 실험과 임상에 사용되면서 바이오세라믹 분야에 대한 학자들의 관심이 크게 높아졌습니다. 20세기 초부터 중반까지 미국의 학자 Talbert는 입상 세라믹 재료(알루미나 세라믹)를 보철물로 만들어 성견의 대퇴골에 이식하여 마침내 성공을 거두었습니다. 알루미나 세라믹은 또한 많은 과학 연구자들의 관심을 끌었습니다.
①알루미나 세라믹
알루미나 세라믹의 개념은 매우 광범위합니다. 순수 알루미나 세라믹 외에도 알루미나 함량이 45% 이상인 모든 세라믹 재료를 알루미나 세라믹이라고 합니다. 알루미나 세라믹에는 균질 및 불균질 결정이 많이 있지만, 현재 가장 일반적으로 사용되는 것은 α-알₂O₃와 γ-알₂O₃입니다. 이들은 서로 다른 결정 구조로 인해 각기 다른 특성을 가지고 있습니다. 그중에서도 α-알₂O₃는 강옥(코런덤)으로도 알려져 있으며, 알루미나 세라믹의 주요 결정상이며 높은 기계적 강도, 고온 저항성, 내식성을 가지고 있습니다.
일반적으로 알루미나 함량이 99.9% 이상인 제품은 고순도 알루미나로 간주됩니다. 고순도 알루미나는 높은 융점, 높은 경도, 높은 전기 저항, 우수한 촉매 성능, 우수한 기계적 성질, 내마모성, 내부식성, 절연성 및 내열성 등 우수한 특성을 가지고 있습니다. 고순도 알루미나 다결정은 인체의 생체 기능성 소재로 1969년부터 사용되기 시작했습니다. 의료 공학에 사용되는 고순도 알루미나 파인 세라믹에는 단결정과 소결 다결정, 두 가지 유형이 있습니다. 단결정 알루미나는 강도와 내마모성이 우수하며, 가공 후 골절 고정제, 인공 치근 등으로 제작될 수 있습니다. 고강도를 특징으로 하는 다결정 알루미나는 관절, 인공 치근, 인공 뼈, 이중 컵 인공 고관절 등의 제작에 사용될 수 있습니다.
②인공관절에 알루미나 세라믹스의 적용
1972년, 부탱(부탱)은 알루미나 세라믹을 이용한 인체 고관절 제작 및 임상 적용에 대해 보고했습니다. 1977년, 시카타(시카타) 등은 알루미나 세라믹 대퇴골두와 고분자량 폴리에틸렌 비구(아세타불럼)를 결합한 고관절 보철물을 개발했습니다. 1982년, 미국 식품의약국(식품의약국)은 알₂O₃ 세라믹 볼, 비구, 그리고 코크롬모 합금 스템으로 구성된 인공 고관절의 미국 내 임상 적용을 공식 승인했습니다.
고순도 알루미나 세라믹은 마찰 계수가 매우 낮고 경도가 높으며 젖음성이 우수하여 관절 마찰 표면으로 사용하기에 적합합니다.미국 식품의약국(식품의약국) 규정에 따르면 의료 분야에서는 고순도 알루미나만 사용할 수 있으며, 유리질 입계상을 형성할 수 있는 불순물(이산화규소, 금속 규산염, 알칼리 금속 산화물 등)은 0.1wt% 미만이어야 합니다.이러한 불순물의 분해로 인해 균열이 발생하는 응력 집중 영역이 형성될 수 있기 때문입니다.연구에 따르면 적절한 소결 변수(온도, 시간, 가열/냉각 속도)와 도핑 첨가제(산화마그네슘, 산화지르코늄, 산화크롬 등)를 선택하면 알루미나의 입자 크기와 기공률을 제어하여 알루미나의 인성과 파괴 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.
지르코니아와 알루미나로 구성된 복합재료는 지르코니아 강화 알루미나(제타) 또는 알루미나 강화 지르코니아(아츠)라고 하며, 인공 관절 재료에서도 중요한 역할을 합니다. 이 두 복합재료는 주요 성분의 함량에 따라 결정됩니다. 지르코니아의 강화 능력과 저온 생체 유체에서의 분해에 대한 알루미나의 낮은 민감도를 결합합니다. 재료의 설계 요건에 따라 높은 파괴인성을 강조해야 할 때는 ATZ를 선택할 수 있고, 경도를 강조해야 할 때는 ZTA를 사용할 수 있습니다. 현재 제타 관절의 하중 지지 표면이 내마모성 측면에서 더 큰 이점을 가지고 있음을 보여주는 임상 데이터가 부족합니다. 연구에 따르면 관절 수술에서 ZTA와 지르코니아 기반 강화 알루미나(ZPTA)의 적용이 ATZ보다 훨씬 더 많습니다.
③구강보철에 알루미나 세라믹스의 적용
알루미나 세라믹은 반투명하고 자연치와 유사한 색상을 가지며 독성이 약합니다. 알루미나 세라믹은 열전도율이 낮아 치수에 가해지는 차갑고 뜨거운 음식의 자극을 줄여줍니다. 지르코니아 세라믹은 뛰어난 내마모성, 내식성, 내열성을 가지고 있으며, 자연치와 유사한 색상을 나타내 치과 수복에 적합하고 강도가 높습니다. 알루미나 세라믹 재료의 상 조성 및 제조 공정의 차이에 따라 올 세라믹 수복 분야에 사용되는 알루미나 세라믹은 다음과 같은 범주로 나눌 수 있습니다.
(1) 유리침투 알루미나 세라믹
유리 함침(유리 침투)은 정식 명칭이 슬립 캐스팅 유리 함침법입니다. 매트릭스 재료인 알루미나는 다공성 구조를 가지며, 착색제를 함유한 란탄-붕소-규소 유리가 그 안으로 함침됩니다. 성형 후, 알루미나 결정상과 유리 결정상이 상호 침투하는 미세 구조를 가지게 됩니다. 유리 함침 알루미나 세라믹은 높은 기계적 강도를 가지며, 굴곡 강도는 250~600 MPa, 파괴 인성은 3~4 MPa·m¹/²입니다. 대표적인 제품으로는 독일 회사인 Vita의 ~ 안에-세람 알루미나 시스템의 베이스 크라운이 있으며, 이는 구치부에서 3-유닛 브릿지를 제작할 수 있는 최초의 올 세라믹 수복 시스템이기도 합니다.
(2) 고순도 고밀도 소결 전알루미나 세라믹스
최대 99.9% 순도의 알루미나로 구성된 알루미나 분말을 초고압(건식 가압 성형)으로 성형한 후 소결합니다. 이 가압 성형 방식은 알루미나 세라믹에 높은 밀도와 낮은 기공률을 부여합니다. 이 세라믹 소재는 500~700 MPa의 굽힘 강도와 5~6 MPa·m¹/²의 파괴 인성을 달성할 수 있어, 임상적으로 구치부 브릿지 구조물로 사용될 수 있습니다.
(3) 유리침투 지르코니아 강화 알루미나 세라믹
이 유형의 세라믹은 유리 함침된 알루미나 세라믹 분말에 35%의 부분 안정화 지르코니아를 첨가하여 형성됩니다. 형성 후, 재료 내부에 균일하게 분포된 정방정계 지르코니아를 관찰할 수 있습니다. 또한 알루미나 세라믹 계열에서 가장 높은 강도를 가진 세라믹 재료입니다. 지르코니아 강화 알루미나 세라믹은 반투명성이 낮기 때문에 심미적 요구가 높지 않은 구치부 수복에 일반적으로 임상적으로 사용됩니다.