Στοχεύοντας στην εξέλιξη των βιοενεργών βιοϋλικών και την άμεση εφαρμογής τους στις βιοϊατρικές εφαρμογές όπως στην οδοντιατρική, ομάδες ερευνητών έχουν στρέψει το εδιαφέρων τους στην ανάπτυξη καινοτόμων συστάσεων υάλων και υαλοκεραμικών υλικών. Έτσι ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός νέων υαλοκεραμικών υλικών με καινοτόμες συστάσεις στο σύστημα CaO-MgO-SlO2 με σκοπό την εφαρμογή τους στη σύγχρονη οδοντιατρική κλινική πράξη και συγκεκριμένα για εφαρμογές οδοντικών εμφυτευμάτων. Δηλαδή, σε αυτή την εργασία προσπαθούμε να συμπεράνουμε κατά πόσο μπορούμε να παράγουμε με αποτελεσματικό τρόπο από την σύσταση της υάλου 1d (CaO-MgO-SlO2-Na2O- P2O5-CaF2), ένα νέο υαλοκεραμικό υλικό ώστε να αυξήσουμε τη μηχανική αντοχή σε επιθυμητά όρια, αλλά ταυτόχρονα να κρατήσουμε τη βιοενεργότητά στα ίδια επίπεδα, ώστε αυτό το υλικό να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί ως οδοντικό εμφύτευμα.
Συγκεκριμένα κατασκευάστηκε ύαλος στο προαναφερθέν σύστημα με προσθήκες P2O5, Na2O και CaF2 με τη μέθοδο της τήξης σε χωνευτήριο πλατίνας στους 1400 °C και με την απόχυση του τήγματος σε κρύο νερό λήφθηκε το δείγμα σε μορφή υαλοθραύσματος. Η κινητική της κρυστάλλωσης της υάλου, πριν τη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης, μελετήθηκε με θερμική ανάλυση και εκτιμήθηκαν οι θερμοκρασίες στις οποίες είναι εφικτή η κρυστάλλωση της. Δημιουργήθηκε σκόνη από το υλόθραυσμα το οποίο με εφαρμογή πίεσης σε μεταλλική μήτρα έδωσε δοκίμια σε σχήμα παραλληλεπίπεδης μπάρας. Ακλούθησε η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης στους 800 °C, 850 °C και 900 °C όπου ελήφθησαν πυκνά λευκά κρυσταλλικά υλικά. Ο χαρακτηρησμός τους με XRD και SEM, έδειξε ότι αποτελούνταν κυρίως από κρυστάλλους διοψίτη, γουολαστονίτη και φθοροαπατίτη μαζί με παραμένουσα υαλώδη φάση. Μελετήθηκαν οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των δειγμάτων όπως, η πυκνότητα, η συρρίκνωση κατά την πυροσυσσωμάτωση, η αντοχή σε κάμψη, το μέτρο ελαστικότητας, η σκληρότητα και η δυσθραυστότητα. Επίσης, έλαβε χώρα ο in vitro έλεγχος βιοενεργότητας των δειγμάτων, όπου τα υαλοκεραμικά δείγματα παρέμειναν σε SBF για 7, 14, 21, 60 και 90 ημέρες, και στη συνέχεια χαρακτηρίστηκαν με XRD και SEM/EDX για να διαπιστωθεί ο σχηματισμός επιφανειακού στρώματος ΗΑ (υδροξυαπατίτη). Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι το δείγμα που πυροσυσσωματώθηκε στους 850°C εμφάνισε τις πιο επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες με αντοχή σε κάμψη 170,82 MPa, μέτρο ελαστικότητας 26,57 GPa και δυσθραυστότητα 1,67 MPa-m0,5. Το υαλοκεραμικό υλικό μετά από παραμονή στο SBF, έδειξε σχηματισμό επιφανειακού στρώματος ΗΑ το οποίο επιβεβαιώθηκε αρχικά με την περίθλαση ακτίνων-Χ καθώς οι κορυφές που εμφάνισε ταίριαξαν απόλυτα με τις κορυφές της πρωτότυπης κάρτας του ΗΑ (01-086-0740). Ο σχηματισμός ΗΑ επιβεβαιώθηκε και με την παρατήρηση τις επιφάνειας του με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης/στοιχειακή ανάλυση όπου φάνηκε ξεκάθαρα η εξέλιξη σχηματισμού βιοενεργής επιφάνειας με την πάροδο του χρόνου, καθώς επίσης ο λόγος Ca/P υπολογίστηκε να είναι ίσος με 1,65. Τα βασικά συμπεράσματα που εξήχθησαν από την παρούσα εργασία είναι ότι η προς μελέτη σύσταση οδηγεί σε υαλοκεραμικό υλικό diopside-wollastonite-fluorapatite, με μέτρο ελαστικότητας και τιμές της δυσθραυστότητας να κυμαίνονται κοντά στις αντίστοιχες του συμπαγούς οστού. Το χρώμα του υαλοκεραμικού υλικού ήταν αισθητικά αποδεκτό, καθώς πλησιάζε αυτό της ρίζας του φυσικού δοντιού. Τέλος, το υαλοκεραμικό υλικό μετά από παραμονή σε SBF αποδείχτηκε ότι είναι βιοενεργό.
(EL)
Many research groups, that are dealing with bioactive biomaterials, like dental biomaterials, have turned their attention to the development of novel substances of glasses and glass-ceramic materials. Thus the aim of this thesis was to develop and characterize novel glass-ceramic materials in the ternary system CaO-MgO-SiO2 in order to be used on modern dental clinic applications as dental implants. That is, in this paper we are trying to find out whether we can efficiently produce, from the composition of glass 1d (CaO-MgO-SiO2-Na2O-P2O5-CaF2), a new glass-ceramic material in order to increase the mechanical strength to the desired limits, but at the same time maintain its bioactivity at a level that it would permit its usage as a dental implant. Parent glass was developed in the aforementioned system with the addition of P2O5, Na2O and CaF2 by melting the components in a platinum crucible at 1400 °C and by quenching the melt in cold water. The sample which was obtained was in the form of glass-frit. The kinetics of crystallization of the glass before the sintering process, was studied using thermal analysis methods (DSC, dilatometry) and the temperatures at which crystallization was feasible was estimated. Powder from glass-frit was created by applying pressure. Using a metal matrix, parallelepiped bar specimens were produced. The sintering process took place at 800 °C, 850 °C and 900 °C, and dense white crystalline materials were obtained. The characterization of the glass-ceramic material was carried out using XRD and SEM methods, and it was found that the material consisted of diopside-wollastonite and fluoroapatite crystals, coexisting with residual glass phase. The physical and mechanical properties of the samples, such as density, linear shrinkage, flexural strength, modulus of elasticity, hardness and fracture toughness, were also studied. Furthermore, in order to evaluate the in-vitro bioactivity, the glass ceramic samples were immersed in SBF for 7, 14, 21, 60 and 90 days, and then were characterized by XRD and SEM / EDX so that to determine the formation of a HA (hydroxyapatite) surface layer. The experimental results showed that the specimen sintered at 850 °C exhibited the most desirable mechanical properties with values of bending strength 170,82 MPa, modulus of elasticity 26,57 GPa and fracture toughness 1,67 MPa-m0,5. The in vitro bioactivity results showed that the glass-ceramic material had formed HA surface layer and this was evaluated firstly by X-ray diffraction, as the peaks that appeared fitted perfectly with the peaks of the HA card (01-086-0740). HA formation was also evaluated by observing its surface using scanning electron microscopy / energy dispersive X-ray spectroscopy, where the evolution of bioactive surface formation over time was clearly apparent, as well as the Ca/P ratio was 1,65. The main conclusions drawn from the present study are that the composition 1d resulted in a diopside-wollastonite-fluorapatite glass-ceramic material, with modulus of elasticity and fracture toughness values that were close to those of the human cortical bone. The color of the glass ceramic material was aesthetically acceptable as it resembled that of the root of the natural tooth. Finally, the glass-ceramic material after remaining in SBF proved to be bioactive.
(EN)
