Laser micro-patterning of dental zirconia : effects on microstructure and reliability

Abstract

Tetragonales, polykristallines Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 3 Mol-% Yttriumoxid (3Y-TZP), ist eine beliebte Biokeramik für Dentalanwendungen, die aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften sowie Biokompatibilität und der erzielten ästhetischen Ergebnisse zunehmend Verwendung findet. Es besteht ein wachsendes Interesse an der Modifizierung der Oberflächentopographie, um die biologische Reaktion auf diese Biomaterialien zu beeinflussen. Die Laserstrahlinterferenz (Direct Laser Interference Patterning, kurz: DLIP) erzeugt eine periodische Intensitätsverteilung, die das gewünschte Muster im Mikro- oder Nanometerbereich in die Oberfläche einbringt und das in einem einstufigen Prozess. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin zu verstehen, wie Nanosekunden-Laserinterferenzmuster die Topographie und Mikrostruktur von 3Y-TZP verändern und wie diese Veränderungen die Integrität und Zuverlässigkeit des Materials beeinflussen. Besonderes Augenmerk wurde auf die hydrothermale Abbaubeständigkeit nach der Laserstrukturierung gelegt, da diese Materialfamilie anfällig ist für Gefügeveränderungen durch Oberflächenbehandlungen. Aufgrund von Thermoschock kommt es zu Mikrorissbildung, Rekristallisation, Restspannungen, Phasentransformationen und Texturierung werden auf der behandelten Oberfläche. Diese mikrostrukturellen Modifikationen sind hinsichtlich der mechanischen Integrität des behandelten Materials unbedenklich. Allerdings wird die LTD-Resistenz von 3Y-TZP durch eine derartige Laserbehandlung reduziert. Dementsprechend wird empfohlen durch eine anschliessende thermische Behandlung (bei 1200 ° C für 1 Stunde) langfristige Zuverlässigkeit.

Tetragonal polycrystalline zirconia stabilized with 3% mol of yttria (3Y-TZP) is a popular bioceramic, increasingly used for dental applications thanks to its good mechanical properties, biocompatibility and aesthetic outcome. There has been a growing interest in modifying the surface topography in order to influence the biological response to these biomaterials. Among the available methods, Direct Laser Interference Patterning (DLIP) allows patterning at the micrometric- and nanometric-scale in a single-step process. Its application to 3Y-TZP seems promising but needs a thorough characterization in order to ensure the short and long term stability. Laser-material interaction mainly results in thermal effects, producing the desired topography alteration thanks to material melting and liquid flow. Pattern geometry and overall surface roughness can be modified independently varying laser fluence and number of pulses. Microcracking, recrystallization, residual stresses, phase transformation and texturization are produced on the treated surface due to thermal shock. These microstructural modifications are concentrated in a thin layer of material (1 μm thick) and are not a concern for mechanical integrity of the treated material. However, pre-existing defects on the surface can interact with the laser beam, becoming larger critical defects that lower the overall mechanical resistance. Low Temperature Degradation (LTD) resistance is reduced by the laser treatment because of the monoclinic phase and residual stresses induced by thermal shock. To ensure the good outcome of such laser patterning on 3Y-TZP a thermal treatment (at 1200°C for 1 hour) is recommended to ensure the long term reliability.