Zirconia keramik er meget udbredt i klinisk praksis på grund af deres fremragende mekaniske egenskaber, biokompatibilitet og æstetiske fordele. Men når de udsættes for temperaturer i intervallet 150-400 grader og et fugtigt miljø over længere perioder, gennemgår zirconia keramik en transformation fra den tetragonale til den monokliniske fase. Denne faseovergang er ledsaget af volumenudvidelse, som genererer adskillige mikrorevner og kraftigt reducerer implantatets mekaniske styrke. Dette fænomen er kendt som lavtemperaturnedbrydning (LTD). Mikrorevnerne produceret ved denne proces giver veje for vanddamp i luften til yderligere at trænge ind i keramikken og derved accelerere yderligere fasetransformation og generere flere mikrorevner. Disse mikrorevner skærer, overlapper og forplanter sig til makroskopiske revner, hvilket i sidste ende fører til brud og svigt af tandimplantatet.
Ud over problemet med nedbrydning ved lav temperatur lider zirconia keramik også af mangel på bioaktivitet. Når zirconiamaterialer implanteres i mundhulen som implantater, kan de ikke danne en stabil kemisk binding med biologisk væv. Over tid dannes et lag af biofilm omkring implantatet og omslutter det, hvilket til sidst forårsager løsning og svigt af implantatet. Den bioinerte karakter af zirconia keramik begrænser i høj grad deres anvendelse inden for tandimplantation.
Bioinerte zirconiumoxid-keramiske overfladers manglende evne til at integrere med omgivende knoglevæv og andet væv er en primær årsag til in vivo implantatfejl. Bioaktive keramiske materialer danner derimod et knoglelignende hydroxyapatitlag i kroppen og binder sig kemisk til tilstødende knoglekomponenter. Derfor kan forøgelse af bioaktiviteten af zirconia forbedre succesraten for implantation. Bioaktivitet kan også verificeres gennem in vivo forsøg, hvor materialet implanteres i dyr i en vis periode. Ud over fraværet af inflammatoriske reaktioner vurderes bioaktiviteten ved at analysere integrationen mellem implantatet og knoglevævet-for eksempel ved at evaluere ny knogledannelse, morfologiske ændringer og fjernelsesmomenttest.
For at forbedre bioaktiviteten af inerte materialer anvendes overfladebehandling eller inkorporering af bioaktive stoffer generelt til at generere organiske funktionelle grupper (Zr-OH) eller aflejre bioaktive calcium-phosphat-belægninger (Ca-P) på overfladen og derved øge bioaktiviteten.
(1) Inkorporering af bioaktive stoffer
Inkorporering af bioaktive stoffer er den enkleste og mest direkte metode. Bioaktive komponenter blandes mekanisk med zirconia pulver for at forbedre bioaktiviteten af det zirconia keramiske materiale.
For eksempel har Kishi S. et al. tilsat nano-HA til ZrO₂-keramik for at danne et kompositmateriale, og i SBF-mineraliseringsforsøg dannedes et knoglelignende apatitlag på overfladen. Cortes DA et al. tilføjede wollastonit til Mg-PSZ keramik og sintrede kompositten ved 1550 grader. Efter iblødsætning i SBF og 1,5×SBF i 7 dage hver (med wollastonitpulver indlejret i SBF-opløsningen under den første nedsænkning), mineraliserede overfladen til HA. Nogiwa-Valdez AA et al. inkorporeret CaO‑SiO₂ bioaktivt glas i ZrO₂ for at producere et kompositmateriale, og HA dannet på prøveoverfladen i SBF mineraliseringsforsøg.
(2) Overflademodifikation
Sandblæsning er en veletableret overfladebehandlingsproces. Den bruger trykluft til at fremdrive slibende partikler med høj hastighed på objektets overflade, hvilket øger overfladens ruhed og renhed. I en tid med keramiske restaureringer af zirkoniumoxid er sandblæsning af aluminium den mest almindeligt anvendte overfladebehandling i produktionen. I øjeblikket anvender forskere forskellige sandblæsningsparametre, for det meste ved hjælp af aluminiumoxidpartikler på 50-100 μm, sprængningstryk på 0,1-0,5 MPa og sprængningstider på 10-30 s.
Termisk syreætsning kan forbedre bindingsstyrken mellem zirconia og finérporcelæn eller harpiks. Denne proces involverer imidlertid farlige industrikemikalier såsom methanol og saltsyre, hvilket kræver høje sikkerhedsstandarder og komplekse procedurer. På nuværende tidspunkt er der intet modent og pålideligt termisk syreætsningsudstyr tilgængeligt, hvilket begrænser dets promovering i produktionen.
Laserbehandling forbedrer også bindingsstyrken mellem zirconia og finérporcelæn eller harpiks gennem ru overflade.
Zirconia keramiske overflader mangler en glasfase og indeholder lidt eller ingen silica, hvilket gør det vanskeligt for dem at reagere kemisk med det finerede porcelænslag. Forskellige metoder er blevet brugt til at fremstille siliciumbelægninger på keramiske zirconia-overflader, hvilket gør deres overfladekemiske sammensætning lig med glasbaseret fineringsporcelæn og derved lette kemiske reaktioner, der øger zirconia-porcelæns bindingsstyrke. Den optimale siliciumbelægningstykkelse er dog endnu ikke fastlagt; nuværende siliciumbelægningsteknikker er talrige, og der er mangel på standardiserede prøveforberedelses- og testkriterier, hvilket resulterer i dårlig sammenlignelighed mellem forskellige undersøgelser. Desuden er noget udstyr, der bruges til at fremstille siliciumbelægninger, stadig i laboratoriestadiet, og processerne er komplekse, så de er endnu ikke egnede til storproduktion.
Lavtemperaturplasma kan forbedre bindingsstyrken mellem zirconia og finérporcelæn eller harpiks. Behandlingsparametrene varierer dog på tværs af undersøgelser, hvilket gør sammenligning vanskelig. Det er stadig uklart, hvilken plasmabehandling der giver de bedste resultater, og om lavtemperaturplasma indirekte kan inducere kemisk binding mellem zirconia og finérporcelæn eller harpiks er ikke blevet belyst.