Laser micro-patterning of dental zirconia: effects on microstructure and reliability

Abstract

Tetragonal polycrystalline zirconia stabilized with 3% mol of yttria (3Y-TZP) is a popular bioceramic, increasingly used for dental applications thanks to its good mechanical properties, biocompatibility and aesthetic outcome. The addition of stabilizers oxides retains the metastable tetragonal structure, which can transform to the stable monoclinic form upon mechanical or chemical solicitation with its associated volume increment. If the phase transformation is induced by high stresses at the tip of an advancing crack, transformation toughening mechanisms are activated hindering further propagation of the crack and making this material more tough and damage tolerant. On the other hand, when 3Y-TZP is exposed to humid environment at moderate temperatures water species diffuse inside the tetragonal lattice triggering progressive phase transformation and the consequent degradation of the surface. This is known as low temperature degradation (LTD), hydrothermal degradation or aging and is one of the main drawbacks of this family of materials, especially for biomedical applications. There has been a growing interest in modifying the surface topography in order to influence the biological response to these biomaterials. Among the available methods, laser patterning is one of the most promising because it is a non-contact and therefore not-contaminating technique and it allows great precision. In particular, Direct Laser Interference Patterning (DLIP) allows patterning at the micrometric- and nanometric-scale in a single-step process. Laser beams interference creates a periodical distribution of intensity that produces the desired pattern on the surface. It has been successfully applied on metals, polymers and ceramics for different applications spanning from antimicrobial coatings to tribological applications. Its application to 3Y-TZP seems therefore promising but needs a thorough characterization in order to ensure the short and long term stability. This work contributes to understand how nanosecond laser interference patterning modifies the topography and microstructure of 3Y-TZP and how these changes influence the integrity and reliability of the material after the laser treatment. DLIP in the nanosecond regime is a suitable technique to introduce periodical topography at the micrometric scale on the surface of 3Y-TZP. Laser-material interaction mainly results in thermal effects, producing the desired topography alteration thanks to material melting and liquid flow. Pattern geometry and overall surface roughness can be modified independently varying laser fluence and number of pulses. The surface treatment is not free of collateral damage due to thermal shock. Microcracking, recrystallization, residual stresses, phase transformation and texturization are produced on the treated surface. These microstructural modifications are concentrated in a thin layer of material (1 µm thick) and are not a concern for mechanical integrity of the treated material. However, pre-existing defects on the surface can interact with the laser beam, becoming larger critical defects that lower the overall mechanical resistance. Therefore, a good surface finish, ideally free of defects, would ensure an optimal outcome of the surface treatment. Finally, the LTD resistance is reduced by the laser treatment because of the monoclinic phase and residual stresses induced by thermal shock. An annealing treatment is capable of restoring the LTD resistance, even more than before the laser treatment thanks to the texture induced in the tetragonal phase. Therefore, to ensure the good outcome of such laser patterning on 3Y-TZP a thermal treatment (at 1200°C for 1 hour) is recommended to ensure the long term reliability and a defect-free surface is recommendrecommended to ensure the long term reliability and a defect-free surface is advisable to reduce the detrimental effect of laser on mechanical properties.

La circona poli-cristalina estabilizada con el 3% mol de yttria (3YTZP) es un material cerámico comúnmente utilizado en aplicaciones biomédicas y prótesis dentales gracias a sus buenas propiedades mecánicas, su biocompatibilidad y estética. La incorporación de óxidos estabilizantes permite retener la fase tetragonal de manera meta estable, tal que se pueda trasformar en fase monoclínica por acción mecánica o química y aumentar consecuentemente de volumen. Si la transformación de fase es inducida por las tensiones en la punta de una grieta que avanza, se activa el mecanismo de tenacizacion por trasformación impidiendo una mayor propagación de la grieta y haciendo que este material sea más tenaz y tolerante al daño. Por otro lado, cuando se expone la 3Y-TZP a ambientes húmedos a temperaturas moderadas, las moléculas de agua difunden dentro de la red tetragonal, lo que desencadena una transformación de fase progresiva y la consecuente degradación de la superficie. Esto se conoce como degradación a baja temperatura (Low Temperature Degradation, LTD), degradación hidrotermal o envejecimiento y es uno de los principales inconvenientes de esta familia de materiales, especialmente para aplicaciones biomédicas. Hay un interés creciente en modificar la topografía de la superficie con el fin de influir en la respuesta biológica de estos biomateriales. Entre los métodos disponibles, el patrón de láser es uno de los más prometedores, ya que es una técnica sin contacto y, por lo tanto, no contaminante y permite una gran precisión. En particular, el Patrón Láser Directo por Interferencia (Direct Laser Interference Patterning, DLIP) permite el modelado a escala micrométrica y nanométrica en un solo paso. La interferencia de rayos láser crea una distribución periódica de intensidad que produce el patrón deseado en la superficie. Esa técnica se ha aplicado con éxito en metales, polímeros y cerámicas con diferentes aplicaciones que abarcan desde revestimientos antimicrobianos hasta aplicaciones tribológicas. Su aplicación a la 3Y-TZP parece prometedora, pero necesita una caracterización exhaustiva para garantizar la estabilidad a corto y largo plazo del material tratado. Este trabajo contribuye a comprender cómo el DLIP de nanosegundos modifica la topografía y la microestructura de 3Y-TZP y cómo estos cambios influyen en la integridad y fiabilidad del material después del tratamiento con láser. Se ha prestado especial atención a la resistencia a la degradación hidrotermal de esta familia de materiales después del patrón del láser, debido a su susceptibilidad a los cambios microestructurales causados por los tratamientos de superficie. El DLIP de nanosegundos es una técnica adecuada para introducir una topografía periódica a escala micrométrica en la superficie de 3Y-TZP. La interacción del láser con el material produce principalmente efectos térmicos, creando la alteración de topografía deseada gracias a la fusión del material y al flujo de material líquido. La geometría del patrón y la rugosidad de la superficie se pueden modificar de forma independiente variando la fluencia del láser y el número de pulsos. El tratamiento de superficie no está libre de daños colaterales debido al choque térmico. Se producen microagrietamento, recristalización, tensiones residuales, transformación de fase y texturización en la superficie tratada. Estas modificaciones microestructurales se concentran en una capa superficial de material (1 μm de espesor) y no afectan la integridad mecánica del material tratado. Sin embargo, los defectos preexistentes en la superficie pueden interactuar con el rayo láser, convirtiéndose en defectos críticos más grandes que disminuyen la resistencia mecánica general. Por lo tanto, un buen acabado superficial, idealmente libre de defectos, garantizaría un resultado óptimo del tratamiento superficial. Finalmente, la resistencia a la degradación hidrotermal se reduce mediante el tratamiento con láser debido a la fase monoclínica y las tensiones residuales inducidas por el choque térmico. Un tratamiento de recocido es capaz de restablecer la resistencia a la degradación hidrotermal, incluso mayor que la de antes del tratamiento con láser, gracias a la textura inducida en la fase tetragonal. Por lo tanto, para garantizar el buen resultado de dicho patrón láser en 3Y-TZP, se recomienda un tratamiento térmico (a 1200 ° C durante 1 hora) para garantizar la fiabilidad a largo plazo y un acabado superficial libre de defectos superficiales es aconsejable para reducir el efecto perjudicial del láser en propiedades mecánicas