Was ist Transformation Toughening? Hat sie klinische Relevanz?

Das von Garvie et al. (1975) entdeckte Phänomen Transformation Toughening ist eine spannungsinduzierte Umwandlung von der metastabilen tetragonalen zur stabileren monoklinen Phase. Der Umwandlungsprozess geht mit einer Volumenausdehnung von etwa 3-4 % einher (Chevalier et al. 2009). Dieser reduziert die treibende Kraft, die zur Rissausbreitung im Material beiträgt (Green et al. 1989), und führt zu einer Erhöhung der Festigkeit im Vergleich zu nicht umwandelbaren Keramiken (Chevalier et al. 2020).

Das spannungsinduzierte Transformation Toughening ist insbesondere für Zirkoniumdioxidimplantate von Bedeutung, da sie hohen Kaukräften ausgesetzt sind. Unter mechanischer Belastung (z.B. Kauen, Implantatbelastung) wirkt das Transformation Toughening risshemmend und kann dazu beitragen, dass Zirkoniumdioxidimplantate stabil und bruchfest bleiben (Chevalier & Gremillard 2008; Chevalier et al. 2009). Dies deckt sich mit den Ergebnissen, die mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie zur Beobachtung des Transformation Toughenings in ceriumdioxidstabilisiertem Zirkoniumdioxid gewonnen wurden: Die spannungsinduzierte Umwandlung von der tetragonalen in monokline Phase in der Nähe von Rissspitzen trägt zur Zähigkeit bei, indem sie Druckkräfte erzeugt, die für die Risshemmung sorgen (Deville et al. 2005). 

Referenzen

Chevalier, B. Cales, and J. M. Drouin, "Low Temperature Aging of Y-TZP Ceramics," J. Am. Ceram. Soc., 82, 2150-4 (1999).

Chevalier, J., Liens, A., Reveron, H., Zhang, F., Reynaud, P., Douillard, T., ... & Courtois, N. (2020). Forty years after the promise of «ceramic steel?»: Zirconia‐based composites with a metal‐like mechanical behavior. Journal of the American Ceramic Society, 103(3), 1482-1513.

Chevalier, J., Gremillard, L., Virkar, A. V., & Clarke, D. R. (2009). The tetragonal‐monoclinic transformation in zirconia: lessons learned and future trends. Journal of the american ceramic society, 92(9), 1901-1920.

Chevalier J, Loh J, Gremillard L, Meille S, Adolfson E. Low-temperature degradation in zirconia with a porous surface. Acta Biomater. 2011 Jul;7(7):2986-93. doi: 10.1016/j.actbio.2011.03.006. Epub 2011 Mar 15. PMID: 21414426.

Chevalier, J., & Gremillard, L. (2008). Zirconia ceramics. In Bioceramics and their clinical applications (pp. 243-265). Woodhead Publishing.

Chevalier J. What future for zirconia as a biomaterial? Biomaterials 2006;27:535−543.

Chevalier, J. M. Drouin, and B. Cales, "Low Temperature Aging Behavior of Zirconia Hip Joint Heads," Bioceramics, 10, 135-8 (1997) ISBN 0080426921.

Deville, S., El Attaoui, H., & Chevalier, J. (2005). Atomic force microscopy of transformation toughening in ceria-stabilized zirconia. Journal of the European Ceramic Society, 25(13), 3089-3096.

C. Garvie, R. H. J. Hannink, and R. T. Pascoe, ‘‘Ceramic Steel,’’ Nature, 258, 703–4 (1975).

Green, D. J.; Hannink, R.; Swain, M. V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.