Stampa 3D di materiali ceramici a base di zirconia per applicazioni biomedicali = 3D printing of ceramic materials based on zirconia for biomedical applications

La zirconia è un materiale ceramico ampiamente utilizzato in ambito dentale per le sue proprietà meccaniche e chimiche ma presenta alcune limitazioni come la suscettibilità all'aging e la poca traslucenza del materiale che porta ad un aspetto non naturale della protesi sostitutiva. L’utilizzo della stampa 3D ha diversi vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali: permette di sprecare meno materiale, abbassando i costi di produzione, di fabbricare oggetti con forme complesse che necessitano di poche rifiniture successive e, nel contesto biomedico, di personalizzare per il singolo paziente il prodotto da stampare. L’utilizzo della stampa DLP (Digital Light Processing) in questo ambito è quindi sempre maggiore e tra i materiali ceramici ingegneristici che maggiormente vengono utilizzati vi è proprio la zirconia. In questo lavoro di tesi è stata valutata la possibilità di utilizzare una polvere di zirconia stabilizzata con 3 mol% di ittria (3Y-TZP CB), fornita dall’università di Stuttgart nell’ambito di una collaborazione, per la realizzazione di formulazioni stampabili per tramite di una stampante 3D operante con tecnologia DLP. In particolare, sono state studiate l’influenza del carico solido e della temperatura di sinterizzazione sulle proprietà fisiche, meccaniche e microstrutturali dei campioni stampati. I campioni stampati e sinterizzati a diverse temperature (da 1375°C a 1550°C) sono stati caratterizzati in termini di densità (geometrica e di Archimede), resistenza a flessione, attraverso 3 point bending test, e microstruttura, mediante osservazioni al FE-SEM. Infine, la presenza delle diverse fasi della zirconia (monoclina, tetragonale e cubica) è stata valutata attraverso l’utilizzo della diffrattometria ai raggi X. Inoltre, per tramite di prove dilatometriche è stata valutata l’influenza del carico solido e della temperatura di sinterizzazione sulla densificazione e sul ritiro dei diversi campioni stampati. Le prove effettuate hanno condotto alle seguenti conclusioni: all’aumentare della temperatura di sinterizzazione la resistenza a flessione diminuisce da 732 MPa a 552 MPa per i campioni sinterizzati rispettivamente a 1375°C e 1550°C così come la densità di Archimede (da 98,42 %TD a 97,76 %TD); all’opposto, sempre all’aumentare della temperatura di sinterizzazione, la fase cubica e la dimensione dei grani aumentano. I risultati sono stati confrontati con una polvere di zirconia commerciale che raggiunge valori simili di resistenza a flessione (727 MPa a 1550°C) ma con taglia di grano notevolmente superiore. Il ritiro percentuale medio (da 26,5% a 21,88%) risulta essere inversamente proporzionale al carico solido della slurry (da 74wt% a 80wt%) o, analogamente, alla densità del crudo. La distribuzione dei grani, se confrontata con i campioni prodotti per pressatura, è simile e la dimensione media aumenta con l’aumentare della temperatura (da 221,57 nm a 730 nm per gli stampati). L’obiettivo finale della tesi consisteva nella possibilità di impiegare queste formulazioni in ambito dentale, a patto che fossero rispettati gli standard delle norme ISO 13356 e ISO 6872. Essendo la taglia di grano sufficientemente fine e la resistenza a flessione superiore a quanto richiesto dalla norma, sono state quindi stampate delle corone dentali per ulteriori caratterizzazioni, in collaborazione con la dental school dell’Università di Torino.