Develompment of a zirconia composite/bioativo glass and study of micropatterned silica thin films containing nanohydroxiapatite applied to zirconia

Capítulo 1. A investigação teve como objetivo desenvolver filmes finos de sílica micropadronizada (FFSM) contendo micro-agregados de nanohidroxiapatita (nanoHA) que não ficassem totalmente cobertos pela sílica e assim pudessem interagir diretamente com as células vizinhas e o objetivo específico foi avaliar o efeito da presença de dois filmes (FFSM com ou sem a adição de nanohidroxiapatita) na resistência característica (?0) e no módulo de Weibull (m) de uma Y-TZP. Processamento sol-gel e litografia foram usados para aplicar o FFSM sobre os espécimes de Y-TZP. Três grupos experimentais foram produzidos: Y-TZP, Y-TZP+FFSM e Y-TZP+FFSM+nanoHA borrifada. Todas as superfícies foram caracterizadas por MEV/EDS e testadas em resistência à flexão em quatro pontos (n=30) em água a 37°C. A análise de Weibull foi usada para determinar ?0 e m (método de probabilidade máxima). A Y-TZP foi recoberta com êxito com o FFSM e FFSM+nanoHA. Micrografias indicaram que os micro-agregados de nanoHA não foram totalmente cobertos pela sílica. Não houve diferença estatisticamente significativa entre os grupos experimentais para ?0 e m. Essa investigação obteve sucesso em produzir filmes finos de sílica micropadronizada contendo micro-agregados de nanoHA que permaneceram expostos ao meio ambiente. Os filmes desenvolvidos não prejudicaram a confiabilidade estrutural da Y-TZP comercial, como confirmado pela estatística de Weibull. Capítulo 2. Objetivos: avaliar o efeito da concentração de vidro bioativo (VB), de zero e 10% em massa e da temperatura de sinterização (1.200°C e 1.300°C) na microestrutura, densidade relativa e resistência à flexão do compósito Y-TZP/VB. Material e métodos: os pós de Y-TZP e Y-TZP/VB foram prensados uniaxialmente e sinterizados a 1.200°C e 1.300°C por 1 hora. A microestrutura foi caracterizada pela análise de difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia dispersiva (EDS). A densidade relativa foi calculada por meio dos valores de densidade obtidos pelo princípio de Archimedes. Para a resistência à flexão, espécimes (n=6) foram fraturados no teste de resistência à flexão biaxial usando um dispositivo de pistão sobre 3 esferas em uma máquina universal de ensaios. Resultados: a adição de VB diminuiu o tamanho de grão do compósito, aumentou as porosidades e causou uma diminuição significativa na densidade relativa (Y-TZP/1.300°C=97,7%a; Y-TZP/1.200°C=91,1%b; Y-TZP/VB/1.300°C 79,7%c e Y-TZP/VB/1.200°C 77,4%d) e diminuiu também significativamente a resistência à flexão (em MPa, Y-TZP/1.300°C=628,3a; Y-TZP/1.200°C=560,8b; Y-TZP/VB=1.300°C=189,1c e Y-TZP/VB/1.200°C=153,0c). As fases cristalinas de zircônia cúbica estabilizada por cálcio e silicato de sódio zircônio foram formadas após a adição de VB. Conclusão: a adição de vidro bioativo na Y-TZP aumentou a porosidade e resultou na formação de zircônia cúbica estabilizada com cálcio e silicato de sódio zircônio. A adição de vidro também resultou na diminuição do tamanho de grão, densidade e resistência à flexão. Os espécimes sinterizados a 1.300°C mostraram valores de densidade superior e grãos maiores quando comparados ao grupo sinterizado a 1.200°C.Chapter 1. This investigation aimed at developing micropatterned silica thin films (MSTF) containing nanoHA micro-aggregates that were not completely covered by silica so that they could directly interact with the surrounding cells and the specific objectives was to evaluate the effect of the presence of two films (MSTF with or without nanoHA addition) on the characteristic strength (?0) and Weibull modulus (m) of a Y-TZP. Sol-gel process and soft-lithography were used to apply the MSTF onto the Y-TZP specimens. Three experimental groups were produced: Y-TZP, Y-TZP+MSTF and Y-TZP+MSTF+sprayed nanoHA. All surfaces were characterized by SEM/EDS and tested for four-point flexural strength (n=30) in water at 37°C. Weibull analysis was used to determine m and ?0 (maximum likelihood method). Y-TZP was successfully coated with MSFT and MSFT+nanoHA. SEM micrographs indicated that the micro-aggregates of nanoHA were not entirely covered by the silica. There was no statistically significant difference among the experimental groups for ?0 and m. This investigation was successful in producing a micropatterned silica thin film containing nanoHA micro-aggregates that remained exposed to the environment. The developed films did not jeopardize the structural reliability of a commercial Y-TZP, as confirmed by the Weibull statistics. Chapter 2. Objectives: to evaluate the effect the bioactive glass (BG) concentration (0 and 10wt%) and the sintering temperature (1.200°C and 1.300°C) on the microstructure, relative density and flexural strength of the composite Y-TZP/BG. Methods: The Y-TZP and Y-TZP/BG powders were uniaxially pressed and sintered at 1.200°C or 1.300°C for 1 h. The microstructure was characterized by X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy. Relative density was calculated from density values obtained using the Archimedes\' principle. For the flexural strength, specimens (n=6) were fractured in a biaxial flexural setup using a piston-on-3-balls fixture in a universal testing machine. Results: BG addition decreased the grain size of the composite, increased porosity and caused a significant decrease in the relative density (Y-TZP/1.300°C=97.7%a; Y-TZP/1.200°C=91.1%b; Y-TZP/BG/1.300°C 79.7%c and Y-TZP/BG/1.200°C 77.4%d) and flexural strength (in MPa, Y-TZP/1.300°C=628.3a; Y-TZP/1.200°C=560.8b; Y-TZP/BG=1.300°C=189.1c and Y-TZP/BG/1.200°C=153.0c). The crystalline phases of calcium stabilized cubic zirconia and sodium zirconium silicate were formed after the addition of BG. Conclusion: Addition of bioactive glass to Y-TZP increased porosity and resulted in the formation of calcium stabilized cubic zirconia and sodium zirconium silicate. Also, glass addition resulted in decrease in grain size, density and flexural strength. Composite specimens sintered at 1.300°C showed the highest density values and larger grains compared to those sintered at 1.200°