Zirkoniumoxide-keramiek wordt veel gebruikt in de klinische praktijk vanwege hun uitstekende mechanische eigenschappen, biocompatibiliteit en esthetische voordelen. Wanneer het keramiek van zirkoniumoxide echter gedurende langere perioden wordt blootgesteld aan temperaturen tussen de 150 en 400 graden en aan een vochtige omgeving, ondergaat het een transformatie van de tetragonale naar de monokliene fase. Deze faseovergang gaat gepaard met volume-expansie, waardoor talrijke microscheuren ontstaan en de mechanische sterkte van het implantaat ernstig wordt verminderd. Dit fenomeen staat bekend als degradatie bij lage temperaturen (LTD). De microscheuren die door dit proces worden geproduceerd, bieden mogelijkheden voor waterdamp in de lucht om verder in het keramiek te dringen, waardoor verdere fasetransformatie wordt versneld en meer microscheuren worden gegenereerd. Deze microscheuren kruisen elkaar, overlappen en planten zich voort in macroscopische scheuren, wat uiteindelijk leidt tot breuk en falen van het tandheelkundig implantaat.
Naast het probleem van degradatie bij lage temperaturen heeft zirkoniumoxide-keramiek ook te kampen met een gebrek aan bioactiviteit. Wanneer zirkoniumoxidematerialen als implantaten in de mondholte worden geïmplanteerd, kunnen ze geen stabiele chemische binding met biologische weefsels vormen. Na verloop van tijd vormt zich een laag biofilm rond het implantaat en omhult het, waardoor het implantaat uiteindelijk losraakt en faalt. De bio-inerte aard van zirkoniumoxide-keramiek beperkt de toepassing ervan op het gebied van tandheelkundige implantatie aanzienlijk.
Het onvermogen van bio-inerte keramische oppervlakken van zirkoniumoxide om te integreren met omringend botweefsel en andere weefsels is een primaire oorzaak van in vivo implantaatfalen. Bioactieve keramische materialen vormen daarentegen een botachtige hydroxyapatietlaag in het lichaam en binden zich chemisch met aangrenzende botcomponenten. Daarom kan het verbeteren van de bioactiviteit van zirkoniumoxide het succespercentage van implantatie verbeteren. De biologische activiteit kan ook worden geverifieerd via in vivo experimenten, waarbij het materiaal gedurende een bepaalde periode in dieren wordt geïmplanteerd. Naast de afwezigheid van ontstekingsreacties wordt de bioactiviteit beoordeeld door de integratie tussen het implantaat en botweefsel te analyseren-bijvoorbeeld door nieuwe botvorming, morfologische veranderingen en verwijderingskoppeltests te evalueren.
Om de bioactiviteit van inerte materialen te verbeteren, wordt over het algemeen oppervlaktebehandeling of de integratie van bioactieve stoffen gebruikt om organische functionele groepen (Zr-OH) te genereren of bioactieve calciumfosfaat-coatings (Ca-P) op het oppervlak aan te brengen, waardoor de bioactiviteit wordt verhoogd.
(1) Integratie van bioactieve stoffen
Het inbouwen van bioactieve stoffen is de eenvoudigste en meest directe methode. Bioactieve componenten worden mechanisch gemengd met zirkoniumoxidepoeder om de bioactiviteit van het keramische materiaal van zirkoniumoxide te verbeteren.
Kishi S. et al. voegde nano-HA toe aan ZrO₂-keramiek om een composietmateriaal te vormen, en in SBF-mineralisatie-experimenten vormde zich een botachtige apatietlaag op het oppervlak. Cortes DA et al. wollastoniet toegevoegd aan Mg-PSZ-keramiek en het composiet gesinterd bij 1550 graden. Na weken in SBF en 1,5 x SBF gedurende elk 7 dagen (met wollastonietpoeder ingebed in de SBF-oplossing tijdens de eerste onderdompeling), mineraliseerde het oppervlak tot HA. Nogiwa-Valdez AA et al. verwerkte CaO-SiO₂ bioactief glas in ZrO₂ om een composietmateriaal te produceren, en HA vormde zich op het monsteroppervlak in SBF-mineralisatie-experimenten.
(2) Oppervlaktemodificatie
Zandstralen is een beproefd oppervlaktebehandelingsproces. Het maakt gebruik van perslucht om schurende deeltjes met hoge snelheid op het oppervlak van het object te drijven, waardoor de oppervlakteruwheid en netheid toeneemt. In het tijdperk van keramische restauraties met zirkoniumoxide is zandstralen met aluminiumoxide de meest gebruikte oppervlaktebehandeling in de productie. Momenteel gebruiken onderzoekers verschillende zandstraalparameters, meestal met behulp van aluminiumoxidedeeltjes van 50–100 μm, straaldrukken van 0,1–0,5 MPa en straaltijden van 10–30 s.
Thermisch zuuretsen kan de hechtsterkte tussen zirkoniumoxide en fineerporselein of hars verbeteren. Bij dit proces zijn echter gevaarlijke industriële chemicaliën zoals methanol en zoutzuur betrokken, die hoge veiligheidsnormen en complexe procedures vereisen. Momenteel is er geen volwassen en betrouwbare thermische zuuretsapparatuur beschikbaar, wat de promotie ervan in de productie beperkt.
Laserbehandeling verbetert ook de hechtsterkte tussen zirkoniumoxide en fineerporselein of hars door het opruwen van het oppervlak.
Keramische oppervlakken van zirkoniumoxide hebben geen glasfase en bevatten weinig of geen silica, waardoor ze moeilijk chemisch kunnen reageren met de fineerporseleinlaag. Er zijn verschillende methoden gebruikt om siliciumcoatings op keramische oppervlakken van zirkoniumoxide aan te brengen, waardoor de chemische samenstelling van het oppervlak vergelijkbaar is met die van fineerporselein op glasbasis en daardoor chemische reacties mogelijk worden gemaakt die de hechtsterkte van zirkoniumoxide en porselein vergroten. De optimale dikte van de siliciumcoating is echter nog niet bepaald; De huidige siliciumcoatingtechnieken zijn talrijk en er is een gebrek aan gestandaardiseerde monstervoorbereidings- en testcriteria, wat resulteert in een slechte vergelijkbaarheid tussen verschillende onderzoeken. Bovendien bevindt een deel van de apparatuur die wordt gebruikt voor de vervaardiging van siliciumcoatings zich nog in het laboratoriumstadium en zijn de processen complex, zodat ze nog niet geschikt zijn voor productie op grote schaal.
Plasma bij lage temperaturen kan de hechtsterkte tussen zirkoniumoxide en fineerporselein of hars verbeteren. De behandelingsparameters variëren echter tussen de onderzoeken, wat vergelijkingen moeilijk maakt. Het blijft onduidelijk welke plasmabehandeling de beste resultaten oplevert, en of plasma bij lage temperatuur indirect chemische binding tussen zirkoniumoxide en fineerporselein of hars kan veroorzaken, is niet opgehelderd.