全髖關節置換術（THA）是技術最成熟的外科手術之一，但是依然影響那些年輕、活動量大的患者的遠期療效。陶瓷材料具有硬度高、耐磨等優點，可以減少關節面產生的磨損顆粒，降低假體周圍骨溶解和假體松動的危險，從而延長人工關節壽命。目前，用于人工髖關節置換術的陶瓷材料主要有三種，即氧化鋁、氧化鋯、氧化鋯增韌氧化鋁復合陶瓷。
1970年，法國外科醫生Pierre Boutin首次在臨床上為患者成功植入氧化鋁陶瓷關節。但是，由于工藝水平、質量控制、假體設計等方面的局限，當時的氧化鋁陶瓷純度低、密度小、脆性大，容易導致氧化鋁陶瓷關節的破裂，使得全陶瓷人工關節置換術后并發癥發生率和關節翻修率都很高。在過去的30年里，得益于現代陶瓷材料加工工藝水平的提高和假體設計的改進，氧化鋁陶瓷材料的性能逐步得到改進。燒結助劑MgO加入后，MgO會在氧化鋁陶瓷晶界產生玻璃相，有助于降低燒結溫度和提高陶瓷致密性，但是，較高比例的玻璃相會降低材料的力學強度。因此，生產企業通過降低MgO含量，減少玻璃相的比例，同時采用熱等靜壓工藝，提高材料密度，并將氧化鋁陶瓷平均晶粒尺寸減小至2.5μm，從而大幅度提高了材料的彎曲強度和斷裂韌性。另外，陶瓷關節產品的標識采用激光蝕刻法代替原來的燒結前機械銑削刻字的方式，降低了局部應力集中導致陶瓷關節碎裂的風險。
圖 氧化鋁球頭，來源：CERAVER
同時，基于以往臨床使用的經驗數據，進一步改進陶瓷關節的設計，包括降低關節面表面粗糙度、提高關節面球度、優化球頭和內襯關節面間隙以提供液體潤滑等。在陶瓷球頭與股骨柄假體的錐連接部位，通過采取減小錐度公差、控制錐角和基準圓直徑、選擇合理的表面粗糙度等措施提高鎖定性能，以改善陶瓷球頭在受沖擊時的應力分布。氧化鋯（ZrO2）陶瓷具有良好的耐腐蝕性和生物相容性，而且斷裂韌性和彎曲強度均優于氧化鋁陶瓷。1985年左右，隨著氧化鋯股骨球頭植入人體，氧化鋯陶瓷開始應用于骨科領域。純氧化鋯陶瓷有三種晶體結構，分別是單斜相（monoclinic phase）、四方相（tetragonal phase）和立方相（cubic phase）。三種晶型的密度分別為：單斜相5.65g/cm3，四方相6.10g/cm3，立方相6.27g/cm3。燒結過程中，溫度從高溫降到1000℃左右時，氧化鋯會發生從四方相到單斜相的晶體結構轉變，并同時伴隨約4%的體積膨脹，使材料內部產生應力和微裂紋。四方相氧化鋯各個方向的晶格膨脹和剪切應變不同，導致純氧化鋯陶瓷燒結后內應力很大，甚至會導致燒結產品碎裂。因此，純氧化鋯陶瓷不能用于醫用材料，特別是不能用作負重關節假體。純氧化鋯陶瓷中加入適量的穩定劑（例如氧化釔、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈰等），可使氧化鋯變成部分穩定氧化鋯（PSZ），室溫下的PSZ晶體結構以無異常膨脹、收縮的立方相氧化鋯為主，并含有少量的四方相氧化鋯和單斜相氧化鋯。在純氧化鋯陶瓷中摻雜進入2%～3%氧化釔，可在室溫下獲得晶體結構以四方相氧化鋯為主的氧化釔四方氧化鋯多晶陶瓷（Y-TZP）。室溫Y-TZP中四方相氧化鋯的含量取決于晶粒尺寸、氧化釔的含量以及相鄰晶粒對晶粒的壓應力（即與Y-TZP陶瓷密度相關）。因為Y-TZP陶瓷的彎曲強度和斷裂韌性均優于氧化鋁陶瓷，因此人們期望Y-TZP陶瓷的破裂率低于氧化鋁陶瓷。2000年末，陶瓷關節產品制造商圣戈班集團獲知其同一批次的ProzyrZro2陶瓷髖關節假體中發生幾例破裂。2001年，廠家又陸續收到了其他多個批次的ProzyrZro2陶瓷髖關節球頭破裂的報道，這些破裂球頭的共同特點是在燒結時采用了隧道爐燒結工藝生產線。2001年8月，圣戈班集團開始召回所有可疑批次的球頭。與此同時，專家組開始對該陶瓷髖關節假體破裂失效的原因展開調查，結果顯示，隧道爐燒結工藝以及后續機加工過程與球頭在體內發生相變有關。2001年～2002年間，圣戈班集團總共收到約400個ProzyrZro2陶瓷球頭破裂的報告。由于破裂率高，ProzyrZro2陶瓷髖關節假體已停止使用。因此，材料學界開始關注Y-TZP陶瓷的低溫老化現象。氧化釔作為穩定劑，將高溫下存在的四方相氧化鋯結構保持到室溫，但四方相氧化鋯仍然是不穩定的。Y-TZP陶瓷的老化是指在水或水蒸氣環境下，Y-TZP陶瓷的表面可能發生氧化鋯四方相向單斜相的相變，導致表面粗糙度增大和產生微裂紋。相變最初發生在表面處的個別四方相氧化鋯晶粒，由于陶瓷球頭表面經過高度拋光等工藝處理，處于表面位置的個別四方相氧化鋯晶粒所受的基體壓應力較為松弛，從而容易發生四方相向單斜相的相變，同時伴隨4%的體積膨脹。相變引發四方相氧化鋯晶粒周圍區域的應力集中，從而生成微裂紋，同時，水分子沿微裂紋滲入材料內部。微裂紋的產生誘導周圍四方相氧化鋯晶粒發生相轉變，從而加劇了裂紋的擴展，相變區域不斷擴大，Y-TZP陶瓷的表面粗糙度增加。微裂紋的產生使水分子進一步向基體內部擴散，四方相氧化鋯晶粒的相變區域擴大，從材料表面傳遞到內部。由于相變引起體積膨脹，材料表面某些區域出現抬升。陶瓷關節在體內磨損的情況下，摩擦接觸面的晶粒拔出，從而形成坑洞。考慮到氧化鋁陶瓷的韌性較低和氧化鋯陶瓷易老化的問題，材料學界開始研究氧化鋁-氧化鋯復合陶瓷材料，利用氧化鋯相變增韌的優點，同時摒除其在體內環境老化的缺點。基于氧化鋁-氧化鋯復合陶瓷材料，CeramTec（賽瑯泰克）公司推出了BIOLOXdelta陶瓷關節假體。BIOLOXdelta陶瓷關節假體采用氧化鋯增韌氧化鋁復合陶瓷材料（ZTA），該材料由氧化鋁（保證復合材料良好的硬度和耐磨性）、氧化鋯（相變增韌以提高復合材料斷裂韌性）和少量其他氧化物組成。圖 BIOLOX?delta，來源：CeramTec（1）氧化鋯顆粒均勻地分布在氧化鋁基體中，相變導致晶粒體積膨脹，在裂紋尖端處產生局部壓應力，從而阻止裂紋擴展；（2）加入氧化鍶促使基體中形成板條狀晶粒，板條狀晶粒可以使已經出現的陶瓷裂紋發生偏轉，延長裂紋擴展所經過的距離，從而增加裂紋擴散所需要的能量。文章來源：
翟豹.陶瓷材料在人工髖關節假體中的應用[N].中國醫藥報,2020-03-10(004).
原文鏈接：https://bk.cnpharm.com/zgyyb/2020/03/10/309447.html艾邦建有醫療陶瓷產業微信群，歡迎產業鏈上下游企業加入，長按識別下方二維碼即可加入。
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原文始發于微信公眾號（陶瓷科技視野）：陶瓷材料在人工髖關節假體中的應用
