中国粉体网讯 随着经济、科技及医学的不断发展，人口老龄化比例增加，老龄性骨关节炎日益严重。同时，工业、交通、运动等意外事故也会造成一定的骨创伤，这些问题均影响人类的生命质量。人工假体的植入可以大大减轻人们的疼痛，提高骨损伤患者的生活品质。基于此，如何通过生物医学技术与材料科学的融合优化人工关节材料成为制造领域的研究热点。学者们针对人体植物材料的研究不断深化取得了日新月异的成果，越来越多的陶瓷材料被应用于人体植入物。
（图片来源：CeramTec官网截图）
人工关节引入陶瓷材料
1891年，Gluck第一个将象牙制作的髋关节植入人体；1923年，Smith-Petersen引入“铸模关节置换术”概念；1937年，Venable和Stuck研制出钴-铬-钼合金；20世纪50年代，JohnCharnley提出“低摩擦人工关节理论；1958年，JohnCharnley将骨水泥首次用于股骨柄假体的固定；1962年，JohnCharnley将高分子聚乙烯首次植入人体；至1970年，Boutin引入陶瓷髋关节。发展至今，陶瓷关节取得了令人瞩目的效果，已成为一款具有非常大发展潜力的人工关节。
陶瓷材料在人工关节的研究及应用
（1）氧化铝
氧化铝陶瓷是所有氧化物中最稳定的，并且成本较低，是应用范围最为广泛的精细陶瓷，并且是一种用途较广的高温结构材料和耐磨材料。
氧化铝具有多种同质异晶体，但目前最常用的只有α-Al2O3和γ-Al2O3两种，由于其具有不同的晶体结构，导致其具有不同的性质。其中α-Al2O3是四种晶型中最稳定的晶体，机械强度高，耐高温，耐腐蚀，故用于人工关节的是α-Al2O3。
1972年，Boutin报告了由氧化铝陶瓷制作人体髋关节及其在临床上的应用等方面的内容。1977年，Shikata等研制了由氧化铝陶瓷股骨头与高分子量聚乙烯髋臼组合而成的髋关节假体。1982年，美国食品与药品管理局（FDA）正式批准采用A12O3陶瓷球、臼与CoCrMo合金柄组成的人工髋关节在美国临床应用。
高纯氧化铝陶瓷的摩擦系数很低、硬度高、浸润性好，很适合用作关节摩擦面。根据美国食品药品监督管理局（FDA）的规定，只有高纯度的氧化铝才能用于医疗领域，可形成玻璃晶界相的杂质（例如二氧化硅，金属硅酸盐和碱金属氧化物）必须低于0.1wt%，因为此类杂质降解会导致出现应力集中部位，在该部位会出现裂纹。研究发现通过选择合适的烧结参数（温度，时间，加热/冷却速率）并掺杂添加剂（例如氧化镁、氧化锆和氧化铬）能够控制氧化铝晶粒尺寸和孔隙率，可以有效提高氧化铝的韧性和断裂强度。
（2）氧化锆
氧化锆是常温下断裂韧性最高的氧化物陶瓷，作为一种新型材料，其具有良好的生物相容性和耐腐蚀性、易消毒、易成型等优点；二氧化锆对核磁共振成像无干扰，对X射线阻射。与氧化铝陶瓷相比，氧化锆陶瓷具有更高的常温强度和断裂韧性，弹性模量较低，但硬度和耐磨性能不如氧化铝陶瓷。
1985年左右，随着氧化锆股骨球头植入人体，氧化锆陶瓷开始应用于骨科领域。使用氧化锆陶瓷旨在降低氧化铝陶瓷突然失效的风险的同时，保持小直径球头和聚乙烯配合使用时达到良好的摩擦性能。纯氧化锆陶瓷有三种晶体结构，分别是单斜相、四方相和立方相。3种晶型存在于不同的温度范围，并在一定的温度下相互转化。
纯氧化锆不宜用作关节摩擦面材料，因为纯氧化锆不稳定，容易发生晶型转变，伴随形状和体积变化，容易出现裂纹。因此，纯氧化锆陶瓷不能用于医用材料，特别是不能用作负重关节假体。医疗上使用的主要是全四方相氧化锆陶瓷（即四方氧化锆多晶体，TZP）。通过加入适当的添加剂（如Y2O3、MgO、CaO、CeO2等）与ZrO2形成固溶体可使ZrO2的四方和立方晶型在室温下仍保持稳定或亚稳态。1988年，掺杂Y2O3的四方晶相氧化锆(Y-TZP)首次进行人工关节临床应用。但是在2001年批量召回氧化锆陶瓷球头事件发生后，国内外骨科头部公司实际放弃了纯氧化锆作为关节面材料的选项。
（3）复合陶瓷材料
复合材料定义为两种或更多种材料的组合，最终的组合呈现出独特的特性。陶瓷复合材料可包含诸如陶瓷-金属，陶瓷-聚合物或陶瓷-陶瓷的组合，这些材料同时具备了各组分的优点并弥补了单一材料产品的缺陷。当前陶瓷-陶瓷复合材料的实例主要有氧化铝-氧化锆复合材料，而利用氧化锆与氧化铝形成的复合材料被称为氧化锆增韧的氧化铝（ZTA）或氧化铝增韧的氧化锆（ATZ），它们在人工关节材料中有着重要的地位。这两种复合材料具体取决于主要成分的含量，这些复合材料结合了氧化锆的增韧能力以及氧化铝在低温生物流体中降解的低敏感特性。
根据材料的设计要求，需要突出高断裂韧性时可以选用ATZ，而要体现硬度时可以采用ZTA。ZTA材料是利用氧化锆来保持或改善氧化铝晶体的硬度、刚度和导热系数等性能，从而增加材料的断裂韧性和强度，这一性能便使其具有良好的应用前景。
ZTA是由氧化铝和氧化锆两相组成的，其中氧化锆颗粒均匀地分布在大量的氧化铝基体中，由于氧化锆的加入，ZTA材料的性能要优于单相的氧化铝和氧化锆，ZTA具有氧化铝高硬度，高强度的性质，氧化锆的加入使其强度和断裂韧性都较氧化铝高。目前尚没有充分的临床数据表明ZTA关节承重面在耐磨损方面有更大的优势。
在烧结过程中添加入氧化锶（SrO）与氧化铝反应，使晶体原位生长，形成铝酸锶（SHA）晶体。均匀分散在复合陶瓷基质中的SHA片状晶为阻止裂纹扩展提供了保障。该复合陶瓷材料也被称为氧化锆基增韧氧化铝（ZPTA）。ZTA和ZPTA 材料在关节外科的应用程度远远大于ATZ。
小结：
根据人工关节的要求，陶瓷材料若想作为一种符合医用生物材料要求的人工关节材料，就必须要在强度、断裂韧性、硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐老化以及生物相容性等各方面具有优异的性能，目前已经临床使用的氧化铝、ZTA复合陶瓷材料等，虽然每种材料在某一方面存在着一些缺陷，但是总体来说，陶瓷材料具有强度高，化学稳定性好和耐蚀性强以及良好的生物相容性等优势。随着人们对各种用于人工关节陶瓷材料的各方面性能的不断地研究，在合成工艺上的不断改进，各种用于人工关节的陶瓷材料的缺陷逐渐在被弥补，综合性能越来好，使得陶瓷材料在人工关节的应用上具有很大的前景。
参考来源：
1、张琳.ZTA陶瓷表面织构制备及其摩擦学增强效应研究
2、翟豹.陶瓷材料在人工髋关节假体中的应用
3、单菁.江西微晶陶瓷及改性产品的生物学特征研究
4、陈盛贵，李开武等.陶瓷增材制造技术在齿科领域的应用现状
5、叶建东，张婧.生物惰性陶瓷的改性与临床应用研究进展
6、陈威，邹辛祺等.生物陶瓷作为人体植入假体应用的研究现状及展望
（中国粉体网编辑整理/青黎）
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