Electrophoretic Deposition (EPD) of Ceramics: a potential technique to improve mechanical properties in dental appliances

Abstract

The application of ceramics for dental purposes is a very important field currently, particularly due to the patient’s desire for invisible tooth-like restorations. This is why efforts are made to improve the mechanical properties of ceramics, in order to obtain a reliable material. In particular zirconia ceramics are attracting increasing interest for medical applications due to their excellent material properties. Tetragonal zirconia polycrystal (TZP) ceramics show a relatively high toughness due to a stress induced phase transformation which impedes crack propagation. Electrophoretic deposition (EPD) is attracting increasing interest for medical applications particularly due to its cost effectiveness and versatility currently. This versatility might be used to improve dental ceramic appliances such as crowns and bridges. In this sense, the EPD of ceramic particles has already been used in the WOL- CERAM®- system that is successfully applied in dental laboratories at present. An individual EPD set-up was developed in this work. The suspensions worked with, were TZ-3Y, TZ-8Y and alumina ethanol mixtures in dense samples or TZ-3Y water mixtures in porous samples. The experimental work performed in this thesis points out the prospect of using EPD to include different structural features in the dental ceramic construct. This might be of interest for the final clinical reliability. According to literature, layered ceramics are a promising design for the enhancement of mechanical properties in order to fulfill high mechanical requirements that are necessary in medical applications. This is also why TZ-3Y/TZ-8Y multilayered samples and TZ- 3Y/alumina multilayered samples were produced in this work. Moreover, initial trials combining a porous structure and a dense structure were performed. The samples were submitted to preliminary mechanical testing: Vickers indentation and nanoindentation. Scanning electron microscopy (SEM) investigations revealed different types of interfaces in the layered ceramic constructs. The layer quality depends upon the particle size of the electrophoretically deposited powders. Moreover, different porosity grades could be easily achieved with the trials performed in this work. However, the EPD set-up used in this work should be further optimized in order to obtain a reproducible size and distribution of the pores, for example by developing a new suspension composition and/or a new set-up design. Even though the EPD protocol needs to be improved, the results point out, that EPD is a potential technique to produce ceramic samples with different shapes and levels of hierarchy.

Die Anwendung von Keramiken für dentale Zwecke ist heutzutage ein sehr wichtiges Fachgebiet, besonders gefördert durch den Wunsch des Patienten für unsichtbare, zahnähnliche Restaurationen. Daher wird zurzeit viel Aufwand betrieben die mechanischen Eigenschaften von Keramiken zu verbessern, um ein verlässliches Material zu erhalten. Besonders Zirkondioxid Keramiken erlangen aufgrund ihrer exzellenten Materialeigenschaften zunehmend Aufmerksamkeit im Bereich der medizinischen Anwendung. TZP (tetragonal zirconia polycrystal) Keramiken weisen eine relativ hohe Festigkeit auf, die durch eine belastungsinduzierte Phasenumwandlung hervorgerufen wird, die die Rissausbreitung behindert. Die elektrophoretische Abscheidung (EPD) erhält aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit und Vielseitigkeit zurzeit viel Aufmerksamkeit. Diese Vielseitigkeit könnte genutzt werden, um die Eigenschaften von keramischen dentalen Kronen und Brücken zu verbessern. In diesem Sinne wird heutzutage die EPD von Keramiken in Form des WOL-CERAM® Systems erfolgreich in Dentallaboren angewandt. In dieser Arbeit wurde ein individueller Aufbau einer EPD-Zelle entwickelt. Die Lösungen, mit denen gearbeitet wurde, sind Mischungen aus TZ-3Y, TZ-8Y und Aluminiumoxid Pulvern und Ethanol für dichte Proben und Mischungen mit Wasser für poröse Proben. Die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente zeigen die Möglichkeit auf, die EPD anzuwenden, um unterschiedliche strukturelle Eigenschaften in die Dentalkeramik einzubringen. Dies könnte sich als interessant für die endgültige klinische Verlässlichkeit erweisen. Laut Literatur ist die Schichtung von verschiedenen Keramiken eine viel versprechende Konstruktion für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, um die hohen mechanischen Anforderungen zu erfüllen, die für medizinische Anwendungen nötig sind. Daher wurden in dieser Arbeit auch mehrschichtige TZ-3Y/TZ-8Y und TZ- 3Y/Aluminiumoxid Proben hergestellt. Außerdem wurden erste Versuche unternommen dichte und poröse Strukturen zu kombinieren. Die hergestellten Proben wurden vorläufigen mechanischen Tests unterzogen: Vickers-Härtemessung und Nanoindentation. Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop haben unterschiedliche Arten von Grenzflächen in den geschichteten Keramikproben gezeigt. Die Qualität der Schichten hängt ab von der Partikelgröße der elektrophoretisch abgeschiedenen Pulver. Außerdem konnten verschiedene Porositätsgrade einfach in den in dieser Arbeit durchgeführten Versuchen erreicht werden. Trotzdem muss der in dieser Arbeit verwendete EPD-Aufbau weiter optimiert werden, um eine reproduzierbare Größe und Verteilung der Poren zu erreichen, zum Beispiel mit der Entwicklung einer neuen Zusammensetzung der Lösung und/oder der Herstellung einer neuen Anordnung der EPD-Zelle. Obwohl das Produktionsprotokoll noch verbessert werden muss, zeigen die Ergebnisse, dass die EPD eine potentielle Methode ist, um keramische Proben mit unterschiedlichen Formen und hierarchischen Strukturen herzustellen.