Gốm sứ Zirconia được sử dụng rộng rãi trong thực hành lâm sàng do tính chất cơ học tuyệt vời, khả năng tương thích sinh học và lợi thế về mặt thẩm mỹ. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với nhiệt độ trong khoảng 150–400 độ và môi trường ẩm ướt trong thời gian dài, gốm zirconia sẽ trải qua quá trình chuyển đổi từ pha tứ giác sang pha đơn tà. Quá trình chuyển pha này đi kèm với sự giãn nở thể tích, tạo ra nhiều vết nứt nhỏ và làm giảm nghiêm trọng độ bền cơ học của bộ cấy ghép. Hiện tượng này được gọi là suy thoái ở nhiệt độ thấp (LTD). Các vết nứt vi mô được tạo ra bởi quá trình này tạo ra con đường cho hơi nước trong không khí thâm nhập sâu hơn vào gốm, do đó đẩy nhanh quá trình biến đổi pha hơn nữa và tạo ra nhiều vết nứt vi mô hơn. Các vết nứt vi mô này giao nhau, chồng lên nhau và lan truyền thành các vết nứt vĩ mô, cuối cùng dẫn đến gãy và hỏng trụ cấy ghép nha khoa.
Ngoài vấn đề suy thoái ở nhiệt độ thấp, gốm sứ zirconia còn bị thiếu hoạt tính sinh học. Khi vật liệu zirconia được cấy vào khoang miệng dưới dạng cấy ghép, chúng không thể hình thành liên kết hóa học ổn định với các mô sinh học. Theo thời gian, một lớp màng sinh học hình thành xung quanh bộ cấy và bao bọc nó, cuối cùng khiến bộ cấy bị lỏng và hỏng. Bản chất trơ sinh học của gốm zirconia hạn chế rất nhiều ứng dụng của chúng trong lĩnh vực cấy ghép nha khoa.
Việc bề mặt gốm zirconia trơ sinh học không có khả năng tích hợp với mô xương xung quanh và các mô khác là nguyên nhân chính gây ra thất bại trong cấy ghép in vivo. Ngược lại, vật liệu gốm hoạt tính sinh học tạo thành lớp hydroxyapatite giống như xương trong cơ thể và liên kết hóa học với các thành phần xương lân cận. Do đó, tăng cường hoạt tính sinh học của zirconia có thể cải thiện tỷ lệ cấy ghép thành công. Hoạt tính sinh học cũng có thể được xác minh thông qua các thí nghiệm in vivo, trong đó vật liệu được cấy vào động vật trong một thời gian nhất định. Ngoài việc không có phản ứng viêm, hoạt tính sinh học còn được đánh giá bằng cách phân tích sự tích hợp giữa mô cấy và mô xương-ví dụ: đánh giá sự hình thành xương mới, những thay đổi về hình thái và kiểm tra mô-men xoắn loại bỏ.
Để cải thiện hoạt tính sinh học của vật liệu trơ, việc xử lý bề mặt hoặc kết hợp các chất hoạt tính sinh học thường được sử dụng để tạo ra các nhóm chức hữu cơ (Zr-OH) hoặc lắng đọng lớp phủ canxi-phosphate (Ca-P) hoạt tính sinh học trên bề mặt, từ đó tăng cường hoạt tính sinh học.
(1) Kết hợp các chất có hoạt tính sinh học
Kết hợp các hoạt chất sinh học là phương pháp đơn giản và trực tiếp nhất. Các thành phần hoạt tính sinh học được trộn cơ học với bột zirconia để cải thiện hoạt tính sinh học của vật liệu gốm zirconia.
Ví dụ, Kishi S. và cộng sự. đã thêm nano‑HA vào gốm ZrO₂ để tạo thành vật liệu tổng hợp và trong các thí nghiệm khoáng hóa SBF, một lớp apatit giống như xương đã hình thành trên bề mặt. Cortes DA và cộng sự. thêm wollastonite vào gốm Mg-PSZ và nung kết hỗn hợp ở nhiệt độ 1550 độ. Sau khi ngâm trong SBF và 1,5×SBF trong 7 ngày mỗi lần (với bột wollastonite được nhúng vào dung dịch SBF trong lần ngâm đầu tiên), bề mặt được khoáng hóa thành HA. Nogiwa‑Valdez AA và cộng sự. đã kết hợp thủy tinh hoạt tính sinh học CaO‑SiO₂ vào ZrO₂ để tạo ra vật liệu composite và HA hình thành trên bề mặt mẫu trong các thí nghiệm khoáng hóa SBF.
(2) Sửa đổi bề mặt
Phun cát là một quy trình xử lý bề mặt được thiết lập tốt. Nó sử dụng khí nén để đẩy các hạt mài mòn ở tốc độ cao lên bề mặt vật thể, tăng độ nhám và độ sạch bề mặt. Trong thời đại phục hồi gốm zirconia, phun cát alumina là phương pháp xử lý bề mặt được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất. Hiện nay, các nhà nghiên cứu sử dụng các thông số phun cát khác nhau, chủ yếu sử dụng các hạt alumina có kích thước 50–100 μm, áp suất nổ 0,1–0,5 MPa và thời gian phun 10–30 giây.
Khắc axit nhiệt có thể tăng cường độ bền liên kết giữa zirconia và sứ hoặc nhựa dán veneer. Tuy nhiên, quá trình này liên quan đến các hóa chất công nghiệp nguy hiểm như metanol và axit clohydric, đòi hỏi tiêu chuẩn an toàn cao và quy trình phức tạp. Hiện tại, không có sẵn thiết bị khắc axit nhiệt hoàn thiện và đáng tin cậy, điều này hạn chế việc phát triển nó trong sản xuất.
Xử lý bằng laser cũng tăng cường độ bền liên kết giữa zirconia và sứ hoặc nhựa dán veneer thông qua việc làm nhám bề mặt.
Bề mặt gốm Zirconia thiếu pha thủy tinh và chứa ít hoặc không có silica, khiến chúng khó phản ứng hóa học với lớp sứ veneer. Nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để chuẩn bị lớp phủ silicon trên bề mặt gốm zirconia, làm cho thành phần hóa học bề mặt của chúng tương tự như thành phần hóa học của sứ phủ veneer thủy tinh và do đó tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học làm tăng độ bền liên kết của sứ zirconia. Tuy nhiên, độ dày lớp phủ silicon tối ưu vẫn chưa được xác định; Các kỹ thuật phủ silicon hiện tại rất nhiều và thiếu các tiêu chí thử nghiệm và chuẩn bị mẫu tiêu chuẩn, dẫn đến khả năng so sánh kém giữa các nghiên cứu khác nhau. Hơn nữa, một số thiết bị dùng để chuẩn bị lớp phủ silicon vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm và quy trình phức tạp nên chưa phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.
Plasma nhiệt độ thấp có thể tăng cường độ bền liên kết giữa zirconia và sứ hoặc nhựa dán veneer. Tuy nhiên, các thông số điều trị khác nhau giữa các nghiên cứu, khiến việc so sánh trở nên khó khăn. Hiện vẫn chưa rõ phương pháp xử lý bằng huyết tương nào mang lại kết quả tốt nhất và liệu huyết tương ở nhiệt độ thấp có thể gián tiếp tạo ra liên kết hóa học giữa zirconia và mặt dán sứ hoặc nhựa hay không vẫn chưa được làm rõ.