Medtec外科植入物材料大全之陶瓷 Ceramic for Surgical Implants
2023-10-24
大家都知道，现代人工髋关节的使用寿命较上世纪90年代有了质的提高，关节面磨损速率降低了90%以上，其根本原因是关节面材料的改进和制造技术的进步。其中，XLPE对PE材料的替代，以及，陶瓷材料对金属材料的替代，构成了材料改进的主体。本部分内容着重讨论用于人工关节的两种陶瓷材料，氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷。
氧化铝陶瓷 Alumina
这里说的氧化铝是指Al2O3。三氧化二铝是一种非常稳定的致密的材料。浓硝酸的陈放容器一般是铝罐，就是利用了浓硝酸与铝的化学反应，形成致密稳定的三氧化二铝薄膜，阻断了硝酸与铝的进一步化学反应的原理。
这样的特性也有它的缺点，就是很难把一整块铝全部氧化成氧化铝。为了获得大块的致密的氧化铝产品，一般采用氧化铝粉末，用烧结的办法。人工关节陶瓷部件就是用烧结的方法制成的。
医用金属以及医用橡塑材料的头部企业们今年悉数已参加医疗器械行业展览Medtec China，包括韦恩堡、庄信万丰贵金属、田中贵金属（上海）、ELGILOY特种金属、三铃制线、麦迪斯、美国奥博锐、古河科技、沈阳中核舰航、路博润、NuSil、迈图、科思创、艾曼斯、塞拉尼斯、索尔维、龙海化工、江苏君华等。他们展台人头攒动，商单不停，作为Medtec强势品类，每年都会吸引一大批具有采购需求的买家前来参观，目前展位正在销售中，点击立刻参展
氧化铝的熔点为2310°C。当其加热到1200°C时会不可逆地转变成比较稳定的⍺-相。⍺氧化铝是密排六方晶格 (close packed Hexagonal)。
⍺氧化铝俗称刚玉，含杂质的⍺氧化铝俗称金刚砂。由于其硬度非常高，金刚砂在骨科领域被用于髋关节和膝关节粗糙表面的喷砂处理。例如髋关节柄，膝关节股骨髁内表面和胫骨平台下表面的喷砂处理等。
目前可以大规模提供纯氧化铝关节制品的公司主要是德国的赛浪泰克(CeramTec)。Medtec China了解到这家公司的纯氧化铝关节制品在1995年发展到第三代的时候，开始得到大规模的应用。第三代纯氧化铝陶瓷称做Forte陶瓷。
Forte陶瓷的优点是：有优异的耐磨性，可以组成 CoC, CoPE, CoXLPE等配合，无过敏磨削。其主要缺点是有碎裂的风险。直径越大，碎裂率越低。
⍺氧化铝的理论密度是3.986g/cm3，Forte陶瓷就是用氧化铝粉末压制烧结后形成的⍺氧化铝，其纯度达到了99.8%，密度达到了3.97g/cm3，已经接近了理论值。从生产工艺角度考虑，想要通过继续提高纯度，减小晶粒度，增加密度的方法，来进一步提高强度的空间已经很小了。
为此，人们想到将一定量的氧化锆掺入氧化铝中，形成氧化锆增韧的氧化铝陶瓷。在进一步讨论它之前，我们先介绍一下氧化锆陶瓷。、全球高值医用耗材市场规模成长迅速，医用材料及部件受下游应用市场需求增长，或将迎来市场元年， Medtec特设材料，部件和加工设备专区，品类范围包括原材料、成型材料、转接器、刀片、夹紧用品、管接头和连接件、紧固件、垫片/圈、量规，测量仪表，计数器、铰链和插销、嵌件、封堵物、光学部件、移液器、密封件等，目前已有路博润、塞拉尼斯、迈图、奥美凯、Acme Monaco、Pulse、Wytech、韦恩堡、田中贵、罗信、康德莱等代表性企业实力加盟。
氧化锆陶瓷 Zirconia
氧化锆（ZrO2）是同素异相体，即一种化学式同时存在三种不同的晶相结构：立方晶体，四方晶体，单斜晶体
氧化锆的优点是韧性非常好，强度高。其四点弯曲强度≧800MPa。而氧化铝陶瓷只有≧500MPa。
单斜晶体加热到1170°C会转变成四方晶体，继续加热到2370°C会转变成立方晶体。立方晶体的熔点为 2680°C
氧化锆的三种金相转变是可逆的。当冷却时，从立方晶体转变成四方晶体体积增大2.5%，从四方晶体转变成单斜晶体体积增大5%
立方晶体是稳定晶体，四方晶体是亚稳定晶体，单斜晶体是稳定晶体。由于冷却时，相变是在固态下进行的，并且随着温度的降低，体积是增大的。受部件的体积约束和加工过程影响，只有部分亚稳定的四方晶体转变成了稳定的单斜晶体，未转变的部分使得整个部件组织不稳定，造成低温退化。表现在以下几方面：
(a)在室温下亚稳定的四方晶体继续转变，转变从材料表面开始并扩展到材料内部；
(b)这种转变导致部件的表面隆起，甚至表面开裂。如果部件是关节面，其表面粗糙度就会降低，故不可以用于CoC界面；
(c)随着裂纹的扩展，材料密度降低，陶瓷的强度和韧性降低。
氧化锆增韧的氧化铝陶瓷ZTA
纯氧化铝硬度高，导热性好，但易碎。纯氧化锆强度高，韧性好，但不稳定。可否将二者混合起来，得到优势互补的复合材料？
答案是肯定的。有两种混合方法。一种是以氧化锆为主混入少量的氧化铝，称作氧化铝增韧的氧化锆陶瓷，简称ATZ（Alumina Toughened Zirconia）。这种化合物可以保留氧化铝的硬度，刚度和导热性，同时具有氧化锆较高的断裂韧性和强度。但是，由于主要成分还是氧化锆，在体内体液的环境下，仍然不能完全阻止其相变导致的材料退化。
另一种是以氧化铝为主混入少量的氧化锆，称作氧化锆增韧的氧化铝陶瓷，简称ZTA（zirconia toughened alumina）。为了使混入的氧化锆既能增强材料的断裂韧性和强度，又不会产生相变导致的材料退化，氧化锆的比例必须精确控制。研究【1】表明，体积比为17%的氧化锆是使强度和断裂韧性同时提高的最佳的ZTA配比。另一项研究【2】表明，在水热环境下，氧化锆能够保持稳定不相变的最大体积含量为18-22%。
赛琅泰克（CeramTec）生产的Delta陶瓷是最成功的ZTA陶瓷，通过在纯氧化铝加入体积比为17%左右的氧化锆，使材料硬度基本保持不变，断裂韧性和强度大幅度提高，从而降低了碎裂风险。
Delta陶瓷。其也被称做第四代陶瓷。Delta陶瓷继承了Forte陶瓷的全部优点，同时大幅度提高了产品的强度和韧性，降低了产品的碎裂率。
讨论和比较Discussion & Comparison
材料标准
Forte陶瓷对应于标准GB/T 22750-2008《外科植入物用高纯氧化铝陶瓷材料》，等同于同名标准ISO 6474:1994。这个标准的最新版本是ISO 6474-1: 2019，名称变为《外科植入物陶瓷材料 第1部分：高纯氧化铝陶瓷材料》 。最新版本目前还没有对应的国内标准。
Delta陶瓷对应于标准YY/T 1294.2-2015《外科植入物陶瓷材料 第2部分：氧化锆增韧高纯氧化铝基复合材料》，等同于同名标准ISO 6474-2: 2012 。这个标准的最新版本是ISO 6474-2: 2019。
大家可能已经注意到了，国际标准都统一到ISO 6474-1和-2了，国内标准一个是GB标准，另一个是YY标准，还没有理顺。
氧化锆材料对应的标准是：YY/T 1715-2020 外科植入物 氧化钇稳定四方氧化锆（Y-TZP）陶瓷材料，等同于ISO 13356: 2015。
材料强度
氧化铝的四点弯曲强度≧500MPa
氧化锆的四点弯曲强度≧800MPa
ZTA陶瓷的四点弯曲强度≧1000MPa
材料密度
氧化铝的密度≧3.94 g/cm3
氧化锆的密度≧6.00 g/cm3
材料硬度
氧化铝的硬度为 20-21 GPa
氧化锆的硬度为 12-13 GPa
材料颜色
Forte陶瓷的颜色偏黄，人们习惯称作黄陶；类似地，Delta陶瓷被称作粉陶，粉色主要由添加的Cr2O3形成的。氧化锆的四方晶体呈白色，单斜晶体是透明的。二者的混合物呈白色。
氧化铝的导热系数为30 W/m K，比热为8-10×104 J/Kg。氧化锆的导热系数为2.5 W/m K，是氧化铝的1/12。有文献报道氧化铝陶瓷球头在运动时，在人体内可以达到43℃。氧化锆的导热系数为氧化铝的1/12，意味着关节面在活动产生的热更不容易传导出去，潜在的温度会更高，一方面会破坏周围的液体润滑组织，另一方面也加剧自身的退化。此外，氧化锆的导热系数较小，磨削加工时产生的热不易传导出去，也加大了产品加工的难度。
陶瓷关节部件的破碎率
Forte球头的碎裂率约为0.021%，Delta球头的碎裂率约为0.003%，直径越大，碎裂率越低。Delta臼衬与Forte臼衬的碎裂率无变化，都约为0.03%。也就是说，陶瓷材料从Forte改善到Delta，球头的碎裂率有很大的降低，臼衬的碎裂率没有明显改善。
氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷作为生物材料的应用主要在关节置换的关节面部件。陶瓷部件一旦碎裂，很难彻底从体内清理干净。由于陶瓷的硬度比其它金属材料的硬度高，在行翻修术时，残留的碎屑会在关节面形成三体磨损。所以一旦初次关节置换选择使用陶瓷关节材料，翻修也需要使用陶瓷材料。
参考文献 Reference
【1】Chevalier J, Gremillard L, Virkar AV, Clarke DR (2009) The tetragonal–monoclinic transformation in zirconia: lessons learned and future trends. J Am Ceram Soc 92:1901–1920
【2】Piconi C, Casarci M (2000) Purification of chemicals for the production of biomedical grade YTZP ceramics. In: Rammlair D, Mederer J, Oberthur RB, Petinghaus H (eds) Applied mineralogy. Balkema, Rotterdam, pp 205–207
