Piezoelectric ceramics with tailored microstructures for biomedical applications

Å bytte ut beinvev med et syntetisk materiale, for eksempel i et syntetisk hofteledd, er et vesentlig kirurgisk inngrep forbundet med lang restitusjon, hvilket igjen reduserer pasientens livskvalitet i tillegg til å utgjøre en stor kostnad for helsesystemet. Derfor er det veldig ønskelig å utvikle implantatmaterialer som fremskynder helbredelsesprosessen, og stimulerer til formasjon av en stabil binding mellom levende bein og implantat. Utviklingen av passende implantatmaterialer avhenger av kunnskap om vevsegenskaper og helbredelsesmekanismer. I bærende bein er helbredelsesprosessene sterkt påvirket av mekaniske spenninger, hvilket også fører til elektriske potensialer. Både mekanisk og elektrisk stimulans kan forårsake cellevekst, og er av den grunn viktige faktorer som styrer helbredelsesprosessen. Et optimalt syntetisk materiale etterligner de elektriske egenskapene til det levende vevet så godt som mulig. Prosjektet «Piezoimplants» tatt sikte på å etterligne denne elektriske stimulansen for beincellevekst ved å benytte piezoelektriske keramer som implantatmaterialer. Denne typen materialer danner elektriske potensialer under mekanisk belastning, i likhet med prosessen observert i bein. Foruten å vise piezoelektriske egenskaper, må disse keramene være biokompatible, mekanisk pålitelige, samt tilby en passende grad av porøsitet slik at levende beinceller kan vokse inn i porene for å gi en sterk sammenvekst. Derfor er det avgjørende å forstå samspillet mellom piezoelektriske- og mekaniske egenskaper i tillegg til keramets mikrostruktur og den kombinerte effekten på levende cellers adferd. Formålet med prosjektet «Piezoimplants» er å klargjøre forholdet mellom mikrostruktur, piezoelektrisk oppførsel og mekanisk pålitelighet for ulike typer biokompatible piezoelektriske keramer. Denne kunnskapen vil utgjøre grunnlaget for utviklingen av en ny generasjon implantatmaterialer. Kaliumnatriumniobat (KNN) og Bariumtitanat modifisert med kalsium og zirkonium (BCZT) har blitt valgt som potensielle piezoelektriske og biokompatible materialer. Begge har gode piezoeletriske egenskaper. For å kunne anvendes i biomedisinske applikasjoner må de keramiske materialene være inerte for omgivelsene. Alternativt må en mulig oppløsning i kroppen kunne kontrolleres. KNN har vist seg å være løselig i saltholdig kroppsliknende væske. Hvor raskt materialet løser seg opp er avhengig av prosesseringsparameterne brukt under syntesen. På bakgrunn av dette kan materialet tenkes å brukes som absorberende implantat hvorpå man ønsker at fremmedlegemet forsvinner over tid. I motsetning til KNN har BCZT vist seg å være stabil i kroppslig væske. BCZT kan derfor anvendes som implantat hvor den strukturelle integriteten må opprettholdes i et mye lengre tidsperspektiv. Det har vist seg at bare noen elementer blir frigjort fra keramikken i en betydelig mengde. Dette er relevant for å forstå påvirkningen av disse materialene på det omkringliggende vevet. I tillegg har BCZT vist seg å være meget kompatibelt med menneskeceller. Et alternativ til hel-keramiske implantater er å belegge et eksisterende implantatmateriale med et piezoelektrisk keram. De mest vanlige implantatmaterialer i dag er rustfritt stål og legeringer av titan. For å kunne belegge disse implantatene er det flere viktige faktorer som må tas i betraktning. Vi fant at det er nødvendig å bruke et beskyttende overgangssjikt for å forbedre utviklingen av et sterkt bindning mellom dem, samtidig som den kjemiske sammensetningen av det piezoelektriske laget ikke endres. Reaksjonsmekanismer mellom metallet og keramikken som oppstår under behandlingen ved høye temperaturer ble identifisert og retningslinjer for langsiktige stabile belegg ble utviklet.

The project led to the development and strengthening of interdisciplinary collaborations covering groups from medicine, bioengineering and microfluidics. Through them and the high number of presentations given, the awareness of the benefits to use piezoelectric materials in biomedical applications - a field that started to gain momentum not more than 5 years ago - has been increased over a wide range of disciplines. Furthermore, one PhD student and one PosDoc were educated on the topic. The research results highlight not only the relevance of our materials functionality for biomedical applications, but as well their potential as either inert or bioresorbable materials. This is of high relevance for device reliability and patient safety. Furthermore, we developed routines for the implementation of piezoelectric functionality onto medically accredited implant materials. This will ease the transition of piezoelectrically active implants from the lab bench to the surgery room.

The aim of this study is to develop piezoelectric ceramics for the use as bone replacement materials utilizing their piezoelectric behavior to stimulate cell attachment and growth. The work is based on the finding that mechanical and electrical stimuli act as triggers initiating attachment and spreading of cells necessary to heal fractures. As piezoelectric ceramics develop electric surface charges under mechanical load it is expected that their usage in load-bearing implants (such as hip or knee replacements) will accelerate the healing process and improve the bonding between bone and implant. The quality of cell ingrowth into the implant is determined by various factors such as biocompatibility, surface morphology and electric surface states of the implant. Especially its porosity is of crucial importance as the pores have to be open and large enough to allow ingrowth of bone and vascular cells. However, for ceramics increasing porosity alters the local piezoelectric behavior and by this the surface charges responsible for cell growth stimulation and leads to reduced mechanical strength, which can be an issue for load-bearing implants. Even though promising results using piezoelectric ceramics to stimulate cell growth are reported, no comprehensive knowledge on the influence of the voltage developed by piezoelectric ceramics under mechanical loading on the cells is available yet. It is thus crucial to investigate the relationship between microstructural features, piezoelectric and mechanical properties and their influence on the cells. Within the project 'Piezoimplants' we will develop processing routes for porous piezoelectric ceramics and tailor their microstructure for optimized performance as load-bearing implants. The knowledge gained will form the basis for the development of a new class of implant materials exploiting their piezoelectric characteristics to accelerate the healing process after surgery and create reliable interfacial bonds.