中國粉體網(wǎng)訊 隨著經(jīng)濟(jì)、科技及醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，人口老齡化比例增加，老齡性骨關(guān)節(jié)炎日益嚴(yán)重。同時，工業(yè)、交通、運動等意外事故也會造成一定的骨創(chuàng)傷，這些問題均影響人類的生命質(zhì)量。人工假體的植入可以大大減輕人們的疼痛，提高骨損傷患者的生活品質(zhì)。基于此，如何通過生物醫(yī)學(xué)技術(shù)與材料科學(xué)的融合優(yōu)化人工關(guān)節(jié)材料成為制造領(lǐng)域的研究熱點。學(xué)者們針對人體植物材料的研究不斷深化取得了日新月異的成果，越來越多的陶瓷材料被應(yīng)用于人體植入物。
（圖片來源：CeramTec官網(wǎng)截圖）
人工關(guān)節(jié)引入陶瓷材料
1891年，Gluck第一個將象牙制作的髖關(guān)節(jié)植入人體；1923年，Smith-Petersen引入“鑄模關(guān)節(jié)置換術(shù)”概念；1937年，Venable和Stuck研制出鈷-鉻-鉬合金；20世紀(jì)50年代，JohnCharnley提出“低摩擦人工關(guān)節(jié)理論；1958年，JohnCharnley將骨水泥首次用于股骨柄假體的固定；1962年，JohnCharnley將高分子聚乙烯首次植入人體；至1970年，Boutin引入陶瓷髖關(guān)節(jié)。發(fā)展至今，陶瓷關(guān)節(jié)取得了令人矚目的效果，已成為一款具有非常大發(fā)展?jié)摿Φ娜斯りP(guān)節(jié)。
陶瓷材料在人工關(guān)節(jié)的研究及應(yīng)用
（1）氧化鋁
氧化鋁陶瓷是所有氧化物中最穩(wěn)定的，并且成本較低，是應(yīng)用范圍最為廣泛的精細(xì)陶瓷，并且是一種用途較廣的高溫結(jié)構(gòu)材料和耐磨材料。
氧化鋁具有多種同質(zhì)異晶體，但目前最常用的只有α-Al2O3和γ-Al2O3兩種，由于其具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其具有不同的性質(zhì)。其中α-Al2O3是四種晶型中最穩(wěn)定的晶體，機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫，耐腐蝕，故用于人工關(guān)節(jié)的是α-Al2O3。
1972年，Boutin報告了由氧化鋁陶瓷制作人體髖關(guān)節(jié)及其在臨床上的應(yīng)用等方面的內(nèi)容。1977年，Shikata等研制了由氧化鋁陶瓷股骨頭與高分子量聚乙烯髖臼組合而成的髖關(guān)節(jié)假體。1982年，美國食品與藥品管理局（FDA）正式批準(zhǔn)采用A12O3陶瓷球、臼與CoCrMo合金柄組成的人工髖關(guān)節(jié)在美國臨床應(yīng)用。
高純氧化鋁陶瓷的摩擦系數(shù)很低、硬度高、浸潤性好，很適合用作關(guān)節(jié)摩擦面。根據(jù)美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的規(guī)定，只有高純度的氧化鋁才能用于醫(yī)療領(lǐng)域，可形成玻璃晶界相的雜質(zhì)（例如二氧化硅，金屬硅酸鹽和堿金屬氧化物）必須低于0.1wt%，因為此類雜質(zhì)降解會導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中部位，在該部位會出現(xiàn)裂紋。研究發(fā)現(xiàn)通過選擇合適的燒結(jié)參數(shù)（溫度，時間，加熱/冷卻速率）并摻雜添加劑（例如氧化鎂、氧化鋯和氧化鉻）能夠控制氧化鋁晶粒尺寸和孔隙率，可以有效提高氧化鋁的韌性和斷裂強(qiáng)度。
（2）氧化鋯
氧化鋯是常溫下斷裂韌性最高的氧化物陶瓷，作為一種新型材料，其具有良好的生物相容性和耐腐蝕性、易消毒、易成型等優(yōu)點；二氧化鋯對核磁共振成像無干擾，對X射線阻射。與氧化鋁陶瓷相比，氧化鋯陶瓷具有更高的常溫強(qiáng)度和斷裂韌性，彈性模量較低，但硬度和耐磨性能不如氧化鋁陶瓷。
1985年左右，隨著氧化鋯股骨球頭植入人體，氧化鋯陶瓷開始應(yīng)用于骨科領(lǐng)域。使用氧化鋯陶瓷旨在降低氧化鋁陶瓷突然失效的風(fēng)險的同時，保持小直徑球頭和聚乙烯配合使用時達(dá)到良好的摩擦性能。純氧化鋯陶瓷有三種晶體結(jié)構(gòu)，分別是單斜相、四方相和立方相。3種晶型存在于不同的溫度范圍，并在一定的溫度下相互轉(zhuǎn)化。
純氧化鋯不宜用作關(guān)節(jié)摩擦面材料，因為純氧化鋯不穩(wěn)定，容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，伴隨形狀和體積變化，容易出現(xiàn)裂紋。因此，純氧化鋯陶瓷不能用于醫(yī)用材料，特別是不能用作負(fù)重關(guān)節(jié)假體。醫(yī)療上使用的主要是全四方相氧化鋯陶瓷（即四方氧化鋯多晶體，TZP）。通過加入適當(dāng)?shù)奶砑觿ㄈ鏨2O3、MgO、CaO、CeO2等）與ZrO2形成固溶體可使ZrO2的四方和立方晶型在室溫下仍保持穩(wěn)定或亞穩(wěn)態(tài)。1988年，摻雜Y2O3的四方晶相氧化鋯(Y-TZP)首次進(jìn)行人工關(guān)節(jié)臨床應(yīng)用。但是在2001年批量召回氧化鋯陶瓷球頭事件發(fā)生后，國內(nèi)外骨科頭部公司實際放棄了純氧化鋯作為關(guān)節(jié)面材料的選項。
（3）復(fù)合陶瓷材料
復(fù)合材料定義為兩種或更多種材料的組合，最終的組合呈現(xiàn)出獨特的特性。陶瓷復(fù)合材料可包含諸如陶瓷-金屬，陶瓷-聚合物或陶瓷-陶瓷的組合，這些材料同時具備了各組分的優(yōu)點并彌補(bǔ)了單一材料產(chǎn)品的缺陷。當(dāng)前陶瓷-陶瓷復(fù)合材料的實例主要有氧化鋁-氧化鋯復(fù)合材料，而利用氧化鋯與氧化鋁形成的復(fù)合材料被稱為氧化鋯增韌的氧化鋁（ZTA）或氧化鋁增韌的氧化鋯（ATZ），它們在人工關(guān)節(jié)材料中有著重要的地位。這兩種復(fù)合材料具體取決于主要成分的含量，這些復(fù)合材料結(jié)合了氧化鋯的增韌能力以及氧化鋁在低溫生物流體中降解的低敏感特性。
根據(jù)材料的設(shè)計要求，需要突出高斷裂韌性時可以選用ATZ，而要體現(xiàn)硬度時可以采用ZTA。ZTA材料是利用氧化鋯來保持或改善氧化鋁晶體的硬度、剛度和導(dǎo)熱系數(shù)等性能，從而增加材料的斷裂韌性和強(qiáng)度，這一性能便使其具有良好的應(yīng)用前景。
ZTA是由氧化鋁和氧化鋯兩相組成的，其中氧化鋯顆粒均勻地分布在大量的氧化鋁基體中，由于氧化鋯的加入，ZTA材料的性能要優(yōu)于單相的氧化鋁和氧化鋯，ZTA具有氧化鋁高硬度，高強(qiáng)度的性質(zhì)，氧化鋯的加入使其強(qiáng)度和斷裂韌性都較氧化鋁高。目前尚沒有充分的臨床數(shù)據(jù)表明ZTA關(guān)節(jié)承重面在耐磨損方面有更大的優(yōu)勢。
在燒結(jié)過程中添加入氧化鍶（SrO）與氧化鋁反應(yīng)，使晶體原位生長，形成鋁酸鍶（SHA）晶體。均勻分散在復(fù)合陶瓷基質(zhì)中的SHA片狀晶為阻止裂紋擴(kuò)展提供了保障。該復(fù)合陶瓷材料也被稱為氧化鋯基增韌氧化鋁（ZPTA）。ZTA和ZPTA 材料在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ATZ。
小結(jié)：
根據(jù)人工關(guān)節(jié)的要求，陶瓷材料若想作為一種符合醫(yī)用生物材料要求的人工關(guān)節(jié)材料，就必須要在強(qiáng)度、斷裂韌性、硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐老化以及生物相容性等各方面具有優(yōu)異的性能，目前已經(jīng)臨床使用的氧化鋁、ZTA復(fù)合陶瓷材料等，雖然每種材料在某一方面存在著一些缺陷，但是總體來說，陶瓷材料具有強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好和耐蝕性強(qiáng)以及良好的生物相容性等優(yōu)勢。隨著人們對各種用于人工關(guān)節(jié)陶瓷材料的各方面性能的不斷地研究，在合成工藝上的不斷改進(jìn)，各種用于人工關(guān)節(jié)的陶瓷材料的缺陷逐漸在被彌補(bǔ)，綜合性能越來好，使得陶瓷材料在人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用上具有很大的前景。
參考來源：
1、張琳.ZTA陶瓷表面織構(gòu)制備及其摩擦學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)研究
2、翟豹.陶瓷材料在人工髖關(guān)節(jié)假體中的應(yīng)用
3、單菁.江西微晶陶瓷及改性產(chǎn)品的生物學(xué)特征研究
4、陳盛貴，李開武等.陶瓷增材制造技術(shù)在齒科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀
5、葉建東，張婧.生物惰性陶瓷的改性與臨床應(yīng)用研究進(jìn)展
6、陳威，鄒辛祺等.生物陶瓷作為人體植入假體應(yīng)用的研究現(xiàn)狀及展望
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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