Tiskane izdaje
Dr. Andraž Kocjan je z nedavno predstavitvijo uporabnih izdelkov sodobne tehnične keramike, ki jo razvijajo na Institutu Jožef Stefan (IJS), pritegnil veliko pozornost v okviru projekta Znanost na cesti. Izpostavil je »izdelovanje keramike kot že več tisočletij staro metodo, ki temelji na oblikovanju in žganju oziroma sintranju gline. Tako imenovana napredna tehnična keramika, ki jo lahko razčlenimo na inženirsko in biokeramiko, pa temelji na oksidih, karbidih in nitridih. V ta sklop lahko uvrstimo ognjevarne keramične prevleke turbinskih lopatic kot tudi nanokeramične aplikacije, kot so nanostrukturirane, adhezijske zobne prevleke in pa kostni implantati iz biokeramike, ki se uporabljajo v zobozdravstvu in kirurgiji.«
Peč na IJS
Kako poteka oblikovanje in sintranje inženirske keramike z nanotehnologijo, je dr. Kocjan za Delo pokazal v laboratoriju odseka za inženirsko keramiko na IJS, ki je opremljen tudi z dragoceno pečjo (vredna je pol milijona evrov) za sintranje keramike na osnovi vročega enoosnega stiskanja v pulzirajočem toku (SPS – s park plasma sintering). Njihov oddelek je namreč nosilec razvoja in raziskav inženirske in biokeramike v Sloveniji. Raziskujejo mehanske, kemijske in termične lastnosti keramike. Zanimajo jih tudi mehanizmi propadanja med obratovalnimi pogoji, denimo, kaj se dogaja s keramičnim zobom, ko je izpostavljen kontaktnemu in temperaturnemu obremenjevanju v ustih.
V peči SPS za sintranje oziroma za zgoščevanje materiala poteka postopek takole: v grafitni model za stiskanje stresejo granulat cirkonijevega ali pa aluminijevega oksida, nato napolnjen model položijo v peč, ki se lahko v pičlih desetih minutah segreje na 1500 ali celo 2000 stopinj Celzija. »Ko na grafitni model, v katerem so granule (ali nanoprah), velike približno 100 mikrometrov in sestavljene iz 150 nanometrov velikih agregatov osnovnih kristalov, ki merijo le nekaj 10 nanometrov, poleg visoke temperature pritisne še tlak, se granule zdrobijo in potem ti majhni osnovni kristaliti oziroma nanodelci zapolnijo prostor. V začetni fazi sintranja je polovica volumna material in polovica pore, ob koncu sintranja so zapolnjene vse pore, gostota materiala pa je skoraj stoodstotna. S takšnim postopkom v tej peči dobimo prosojno keramiko, ki je tudi zelo trdna. Pri sintranju ne gre samo za difuzijo snovi prek stikov med posameznimi delci, ampak se zaradi pritiska, vakuuma in izredno hitrega segrevanja delci tudi sami zlagajo in urejajo v gostejši sklad, pri čemer zadržijo izvorne nanodimenzije in s tem izboljšane lastnosti. Bistveni pri nanokeramiki so namreč zelo majhni, torej nanodelci, katerih vsaj ena dimenzija mora biti v območju med 1 do 100 nanometrov. Ti delci so tisočkrat tanjši od človeškega lasu,« opisuje dr. Kocjan pridobivanje nanokeramike v peči za sintranje.
In kakšna je razlika med klasično in nanokeramiko? »Nanokeramika ima boljše lastnosti. Denimo, porozna keramična ognjevarna prevleka turbinskih lopatic, narejena po nanotehnološkem postopku, je boljši izolator od navadne, grobozrnate goste keramične prevleke, in sicer zato, ker vsebuje povečano število mej med nanodelci in ujetimi 'mezoporami'. Te so prav tako v nanoobmočju v materialu zapolnjene z zrni, zaradi česar je toplotna prevodnost materiala takih prevlek občutno znižana. Nanokeramika je lahko tudi trdnejša, bolj prosojna, boljši ionski prevodnik, v primerjavi z grobozrnatimi keramičnimi ekvivalenti,« pojasnjuje dr. Kocjan.
Porcelanski
Tako naj bi po napovedi dr. Kocjana »porcelanske zobe sčasoma nadomestile keramične konstrukcije iz cirkonijevega oksida, ki imajo lahko podobno prosojnost kot naravni zobje«. Na odseku za inženirsko keramiko prav zaradi potreb zobozdravstva v sodelovanju s katedro za stomatološko protetiko na ljubljanski medicinski fakulteti namenjajo velik del raziskav keramiki kot materialu, ki naj bi nadomestil druge materiale, kot na primer kovinske zobne implantate oziroma vsadke. Ker ti kovinski vsadki lahko povzročijo različne alergijske odzive organizma, iščejo nadomestilo za kovinske materiale, celo za titan, ki se najpogosteje uporablja za vsadke.
»Na trgu so sicer že keramični vsadki iz cirkonijevega oksida, ki bi lahko nadomestili tiste iz titana, toda ker je trg medicinskih materialov tog, zamenjava titana s keramiko najverjetneje ne bo hitra. Če imajo zdravniki neki material, ki je dobro uporaben, ga ne bodo zamenjali, čeprav je na trgu boljša alternativa. Pri tem gre tudi za vprašanje cene in zaupanja pacienta. Prav tako ne kaže zanemariti dejstva, da je ta trg zelo skoncentriran na velike igralce, za njimi pa so mnenjski voditelji,« razmišlja dr. Kocjan o ovirah, ki zadržujejo hitrejšo uveljavitev keramike v nišnih aplikacijah.
Kostni vsadki iz biokeramike
Druga zgodba pa so kostni vsadki, narejeni iz bioaktivne keramike. Ko dr. Kocjan načne to zgodbo, pokaže deblo kolčne endoproteze iz titana s sklopljeno keramično glavico.
»Za zdaj velja kombinacija, toda v prihodnje bo celoten vsadek lahko keramičen. Biokeramika iz cirkonijevega ali aluminijevega oksida je kemijsko bioinertna, zaradi česar je za organizem bolj sprejemljiva. Bioinertna lastnost keramike pomeni, da v telesu ne izzove nobenih negativnih reakcij, medtem ko kovine lahko povzročajo alergijske odzive, ker počasi spuščajo kovinske katione v telo. Kovine namreč vedno malo oksidirajo, na vsaki površini iz titana je tanka plast titanovega oksida, ki je bolj aktivna in se raztaplja.« Tako o sklopu inertnih keramik z odličnimi mehanskimi lastnostmi in možnostjo za dober estetski videz razlaga dr. Andraž Kocjan.
Prednost biokeramike na osnovi kalcijevih fosfatov pa je njena bioaktivnost, to pomeni, da lahko sproža in stimulira naravne regenerativne odzive v telesu. Aktivne snovi v biokeramiki se raztapljajo in povzročajo proliferacijo oziroma razmnoževanje celic, kar pomeni, da kost začne rasti.
»Če imamo vsadek iz bioaktivne keramike ali na primer kompozita iz bioinertne in bioaktivne keramike, ga privijemo v kost. Še vedno pa ostane majhen razmik med velikim delom površine naravne kosti in keramike. Površina vsadka iz bioaktivne keramike lahko sproži proces rasti kosti tako, da bo stara kost začela rasti proti novi ali pa se bo začela rast kosti prav na površini vsadka. Zgodi se, da organizem posvoji novo kost tako, kot da je iz naravnega materiala,« opisuje profesor nanoznanosti in nanotehnologij z Mednarodne podiplomske šole Jožefa Stefana.
3D-oblikovanje
Za večji uspeh pri implantiranju keramičnih kostnih vsadkov pa bo po njegovem potrebno še veliko interdisciplinarnega sodelovanja z biologi, kemiki, kirurgi, da bi zagotovili in povečali stopnjo preživetja implantatov. Pri kostnih implantatih je pomembna zlasti njihova trdnost in nosilnost, ki mora biti podobna tisti, kot jo ima denimo stegnenica kot nosilna kost. Razvoj bioaktivne keramike se bo moral približati tudi podobni poroznosti, kot jo imajo naravne kosti, a mora hkrati zagotavljati mehansko trdnost. Kosti so namreč luknjaste oziroma porozne zato, da omogočajo prenos rastnih snovi, kot so encimi, hormoni, krvničke in proteini.
Ker je nanokeramiko veliko težje oblikovati kot klasično, je to ena od njenih slabosti oziroma neizkoriščenosti kot materiala prihodnosti. Težava je namreč tudi v tem, da pri oblikovanju keramike lahko vnesemo napake, ki vplivajo na končne lastnosti in na zanesljivost, zato bo v nadaljnjem razvoju novih materialov najverjetneje več pozornosti namenjene prav oblikovanju. Nove možnosti pri tem se že odpirajo tudi s tridimenzionalnim (3D), aditivnim, sloj-za-slojem oblikovanjem keramike (podobno kot glina že tisočletja nazaj), ki omogoča doslej nedosegljive oblike izdelkov iz keramike.
Če bodo podobne tehnike v celoti osvojene, bo oblikovana keramika pripravljena hitreje, v manj korakih (v primeru laserskega 3D-tiskanja le v enem), z nič izmeta in brez drugih potrebnih orodij za oblikovanje, kot so svedri in modeli oziroma kalupi.
