Hapen merkittävä rooli titaanimetallokeramian liitoslujuudessa

Vastaväittäjä: Timo Närhi, professori, Turun yliopisto

Kustos: Mauno Könönen, professori, Helsingin yliopisto

Esitarkastajat: Pekka Vallittu, professori, Turun yliopisto, Jarmo Hautaniemi, dosentti, Turun yliopisto

Ohjaajat: Mauno Könönen, professori, Helsingin yliopisto, Jorma Kivilahti, professori, Teknillinen korkeakoulu

Väitöskirja tarkastettiin 17.12.2010 Helsingin yliopistossa.

Tuotantotekninen kehitys (mm. CAD/CAM), korroosionkestävyys, bioyhteensopivuus ja edullisuus ovat tehneet titaanimetallokeramiasta varteenotettavan vaihtoehdon, jonka kysyntä kasvaa koko ajan. Titaaniin liittyy silti käyttöä rajoittavia ennakkoasenteita ja ratkaisemattomia käytännön ongelmia, kuten päällepolttoprosesseissa muodostuvat hauraat reaktiokerrokset, jotka tekevät liitoksista keraamimateriaaleihin verrattain heikkoja.

Titaania peittää normaalisti 3–8 nm natiivioksidikerros, joka on pääosin amorfista TiO₂:a. Titaanioksideja metallokeraamisissa liitoksissa on pidetty erittäin haitallisina. Väitöskirjassa esitetään kuitenkin, kuinka käytännön polttoprosesseissa paksukin TiO₂-kerros dissosioituu ja happi uunin sisäilmasta, hammaskeraamien SiO₂:sta ja oksidikerroksesta diffundoituu syvälle titaanitukirakenteeseen. Liitosta lähimpien osien plastisuus heikkenee verrannollisesti titaaniin liuenneen hapen pitoisuuteen. Liitokset murtuivat taivutustesteissä titaanirakenteen sisältä, Ti[O]_x-kiinteäliuoskerroksesta, eikä polttoja edeltävien TiO₂-kerrosten paksuus vaikuttanut. Keraamiuunien alipainepumput eivät riitä estämään hapen diffuusiota; vaaditaan muitakin menetelmiä haurastumisen ehkäisemiseksi.

Keraamiliitosaineiden tehokas leviäminen titaanipinnalle rajoittaa hapen pääsyä polttoympäristöstä liitosalueelle. Fotoindusoidusti voidaan aikaansaada TiO₂-pinnan täydellinen kostuvuus. Kuitenkin myös SiO₂ toimii hapenlähteenä kohonneissa polttolämpötiloissa, joten keraamibonderien käyttö ei voi yksin estää hapen pääsyä titaanin.

Väitöstyössä osoitetaan hopeavälikerrosten tehokkuus diffuusioesteenä. Al₂O₃-puhalletun pinnan hopeointi paransi taivutustestituloksia merkittävästi (p=1,27·10⁶). Liitoksessa haurain oli nyt keraamiosa, jossa havaittiin lukuisia haurasmurtumia titaanirakenteen säilyessä ehjänä. Plastinen hopeakerros myös vähentää jäähtymisen jäännösrasitusta.

Työssä myös verrataan fotolitografisesti etsattuja, Al₂O₃-puhallettuja ja kiillotettuja titaanipintoja. Titaanimetallokeramiassa heikoin kohta ei kuitenkaan ole varsinainen rajapinta keraamimateriaalin ja titaanin välillä, vaan runsashappinen Ti[O]_x-kiinteäliuos. Perinteisten karhennusmenetelmien tuottaman mekaanisen lukittumisen merkitys liitoslujuudelle on siis vähäinen, ellei hauraiden reaktiokerrosten muodostumista kontrolloida.

Titaanimetallokeramia on vakiintunut kliiniseen käyttöön, joten liitoslujuuden maksimoiminen on ensiarvoisen tärkeää. Väitöskirja antaa kaivattua tietoa liitosten heikkouksien syistä ja mahdollisuuksista vaikuttaa liitosten kestävyyteen. Materiaalitieteellinen ymmärrys lisää entisestään edullisen titaanin käyttömahdollisuuksia vähentäen kustannuksia niin potilaiden kuin hoitavan tahon osalta.

Tutkimus on tehty Helsingin yliopiston hammaslääketieteen laitoksella, HUS suu- ja leukasairauksien klinikalla ja Aalto-yliopiston Teknillisen korkeakoulun elektroniikan laitoksella.

Verkkojulkaisun osoite: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-6716-7 «http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-6716-7»1