中國(guó)粉體網(wǎng)訊  陶瓷作為生物材料用于填補(bǔ)牙齒和骨骼的缺陷，將骨移植、骨折或假體固定到骨

頭上，并替換病變組織，被稱為生物陶瓷。因其具有高強(qiáng)度、耐磨損、更高的抗壓、抗彎強(qiáng)度和高度的生物相容性等優(yōu)良特點(diǎn)廣泛應(yīng)用醫(yī)療領(lǐng)域。生物陶瓷最早于19世紀(jì)，在當(dāng)時(shí)一種可吸收陶瓷-熟石膏就被用于試驗(yàn)及臨床中，它極大地激發(fā)了學(xué)者對(duì)生物陶瓷領(lǐng)域的興趣。20世紀(jì)初到中，美國(guó)學(xué)者Talbert將顆粒狀陶瓷材料（氧化鋁陶瓷）制成假肢，植入成年狗的股骨中，最后取得了成功。氧化鋁陶瓷也引起眾多科學(xué)研究者的關(guān)注。

氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷的概念包括范圍比較廣，除了純氧化鋁陶瓷之外，任何氧化鋁含量在45%以上的陶瓷材料都可以稱為氧化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷有許多同質(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又稱剛玉，是氧化鋁陶瓷的主晶相，機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫，耐腐蝕。氧化鋁合成方法主要包括提拉法，導(dǎo)模法，焰熔法，氣相化學(xué)沉積生長(zhǎng)等。根據(jù)制造方式的不同，主要分為單晶氧化鋁，多晶氧化鋁和多孔氧化鋁三種產(chǎn)物。

一般認(rèn)為，氧化鋁含量大于99.9%的產(chǎn)品為高純氧化鋁。高純氧化鋁具有高熔點(diǎn)、高硬度、高電阻、催化性能優(yōu)異、力學(xué)性能好、耐磨、耐蝕、絕緣耐熱等優(yōu)良性能。高純氧化鋁多晶作為生物功能材料并應(yīng)用于人體是1969年，高純氧化鋁精細(xì)陶瓷用于醫(yī)學(xué)工程的有單晶體和燒結(jié)的多晶體兩種。單晶氧化鋁強(qiáng)度高，耐磨性好，加工后可制作成骨折固定器、人工牙根等。多晶氧化鋁具有高強(qiáng)度特點(diǎn)，可用于關(guān)節(jié)、人工牙根、人工骨、雙杯式人工髖關(guān)節(jié)等的制作。 

（圖片來源：CeramTec官網(wǎng)截圖）

氧化鋁陶瓷在人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用

1972年，Boutin報(bào)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(guó)食品與藥品管理局（FDA）正式批準(zhǔn)采用Al₂O₃陶瓷球、臼與CoCrMo合金柄組成的人工髖關(guān)節(jié)在美國(guó)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(rùn)性好，很適合用作關(guān)節(jié)摩擦面。根據(jù)美國(guó)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?yàn)榇祟愲s質(zhì)降解會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中部位，在該部位會(huì)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(shí)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。

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?cè)谌斯りP(guān)節(jié)材料中也有著重要的地位。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(jì)要求，需要突出高斷裂韌性時(shí)可以選用ATZ，而要體現(xiàn)硬度時(shí)可以采用ZTA。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(shì)。有研究顯示，ZTA和氧化鋯基增韌氧化鋁（ZPTA）在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ATZ。

氧化鋁陶瓷在口腔修復(fù)的應(yīng)用

氧化鋁陶瓷具有與真牙匹配的透光性與色澤，并且毒性微弱。氧化鋁陶瓷低熱力傳導(dǎo)性顯著，減輕冷、熱食物對(duì)牙髓的刺激。氧化鋯陶瓷耐磨損、耐腐蝕、耐高溫作用顯著，且色澤與真牙相近，適用于牙齒的修復(fù)，并且強(qiáng)度較高。按照氧化鋁陶瓷材料的物相組成以及制作工藝的不同，可將應(yīng)用于全瓷修復(fù)領(lǐng)域的氧化鋁陶瓷分為以下幾類：

（1）玻璃滲透氧化鋁陶瓷

玻璃滲透，全稱粉漿堆涂玻璃滲透法。氧化鋁作為基質(zhì)材料呈現(xiàn)多孔狀結(jié)構(gòu)，滲透入其內(nèi)的為含有著色劑的鑭-硼-硅系玻璃，成形后為氧化鋁晶相和玻璃晶相相互貫穿的微觀結(jié)構(gòu)。玻璃滲透氧化鋁陶瓷具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度達(dá)到250-600MPa，斷裂韌性為3-4MPa.m^1/2。代表產(chǎn)品為德國(guó)維他(Vita)公司的In-Ceram Alumina系統(tǒng)的基底冠，這個(gè)系統(tǒng)也是首個(gè)可以制作后牙區(qū)三單位橋的全瓷修復(fù)系統(tǒng)。

（2）高純度致密燒結(jié)全氧化鋁陶瓷

由純度達(dá)99.9%的氧化鋁組成，采用極大的壓力將氧化鋁粉末壓制成坯體（干法加壓成形），然后進(jìn)行燒結(jié)。加壓成形的方法賦予了氧化鋁陶瓷高密度，低孔隙率。這種陶瓷材料的彎曲強(qiáng)度可以達(dá)到500-700MPa，斷裂韌性可達(dá)到5-6MPa.m^1/2，因此在臨床上可以用作后牙區(qū)的橋體結(jié)構(gòu)。代表產(chǎn)品是瑞典諾貝爾（Noble Biocare）公司的Procera ALLCream系統(tǒng)的基底冠。

（3）玻璃滲透氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷

該類陶瓷是由向玻璃滲透氧化鋁陶瓷粉末中加入35%部分穩(wěn)定氧化鋯而形成。成形后的材料內(nèi)部可以觀察到均勻分布的四方晶相氧化鋯。這也是氧化鋁陶瓷系列中強(qiáng)度最高的一種陶瓷材料。由于氧化鋯增韌的氧化鋁陶瓷半透明性較差，臨床一般用于對(duì)美觀效果要求不高的后牙區(qū)修復(fù)。代表產(chǎn)品是德國(guó)維他(Vita)公司的In-Ceram Zirconia系統(tǒng)基底冠。

小結(jié)：

在醫(yī)學(xué)工程中，高純氧化鋁陶瓷的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。隨著各種氧化鋁醫(yī)用制品的問世，氧化鋁陶瓷被應(yīng)用于人工骨，人造齒根，人工關(guān)節(jié)，螺栓等方向。目前，包括美國(guó)、瑞士、荷蘭在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家正普遍采用多晶高純度納米氧化鋁材料來制造人造牙齒和人造骨。隨著科技的不斷發(fā)展，氧化鋁生物陶瓷材料在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，而對(duì)于其的研究還會(huì)向具有更高附加值、更有前景的新興醫(yī)用方向邁進(jìn)。

參考來源：

1、汪耀武.氧化鋁生物陶瓷材料微銑削殘余應(yīng)力研究

2、劉治.選擇性激光熔覆氧化鋁/氧化鋯共晶陶瓷材料的實(shí)驗(yàn)研究

3、趙百強(qiáng).基于離散元法的Al₂O₃生物陶瓷材料加工特性研究

4、中國(guó)粉體網(wǎng).陶瓷人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用與探索

5、韓軼臻，朱鯤鵬等.牙齒修復(fù)材料的臨床研究現(xiàn)狀

6、車軍劍.Sr²⁺、Mn²⁺改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料的制備及性能研究

7、交醫(yī)生命科學(xué)微信端：概述：生物醫(yī)用材料

8、彭倩倩，房輝等.精細(xì)氧化鋁應(yīng)用研究進(jìn)展

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）

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