陶瓷材料在人工髖關(guān)節(jié)假體中的應(yīng)用

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）是技術(shù)成熟的外科手術(shù)之一，但是依然影響那些年輕、活動(dòng)量大的患者的遠(yuǎn)期療效。陶瓷材料具有硬度高、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，可以減少關(guān)節(jié)面產(chǎn)生的磨損顆粒，降低假體周圍骨溶解和假體松動(dòng)的危險(xiǎn)，從而延長(zhǎng)人工關(guān)節(jié)壽命。目前，用于人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)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(fù)合陶瓷。本文圍繞陶瓷材料在人工髖關(guān)節(jié)假體中的應(yīng)用，對(duì)陶瓷材料的性能進(jìn)行介紹，并對(duì)臨床應(yīng)用中發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行分析。

氧化鋁陶瓷（α-Al2O3）

1970年，法國(guó)外科醫(yī)生Pierre Boutin在臨床上為患者成功植入氧化鋁陶瓷關(guān)節(jié)。但是，由于工藝水平、質(zhì)量控制、假體設(shè)計(jì)等方面的局限，當(dāng)時(shí)的氧化鋁陶瓷純度低、密度小、脆性大，容易導(dǎo)致氧化鋁陶瓷關(guān)節(jié)的破裂，使得全陶瓷人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率和關(guān)節(jié)翻修率都很高。在過(guò)去的30年里，得益于現(xiàn)代陶瓷材料加工工藝水平的提高和假體設(shè)計(jì)的改進(jìn)，氧化鋁陶瓷材料的性能逐步得到改進(jìn)。燒結(jié)助劑MgO加入后，MgO會(huì)在氧化鋁陶瓷晶界產(chǎn)生玻璃相，有助于降低燒結(jié)溫度和提高陶瓷致密性，但是，較高比例的玻璃相會(huì)降低材料的力學(xué)強(qiáng)度。因此，生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)降低MgO含量，減少玻璃相的比例，同時(shí)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(qiáng)度和斷裂韌性。另外，陶瓷關(guān)節(jié)產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)采用激光蝕刻法代替原來(lái)的燒結(jié)前機(jī)械銑削刻字的方式，降低了局部應(yīng)力集中導(dǎo)致陶瓷關(guān)節(jié)碎裂的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，基于以往臨床使用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步改進(jìn)陶瓷關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，包括降低關(guān)節(jié)面表面粗糙度、提高關(guān)節(jié)面球度、優(yōu)化球頭和內(nèi)襯關(guān)節(jié)面間隙以提供液體潤(rùn)滑等。在陶瓷球頭與股骨柄假體的錐連接部位，通過(guò)采取減小錐度公差、控制錐角和基準(zhǔn)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(shí)的應(yīng)力分布。

氧化鋯陶瓷（Y-TZP）

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(qiáng)度均優(yōu)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(kāi)始應(yīng)用于骨科領(lǐng)域。純氧化鋯陶瓷有三種晶體結(jié)構(gòu)，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：?jiǎn)涡毕?.65g/cm3，四方相6.10g/cm3，立方相6.27g/cm3。燒結(jié)過(guò)程中，溫度從高溫降到1000℃左右時(shí)，氧化鋯會(huì)發(fā)生從四方相到單斜相的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并同時(shí)伴隨約4%的體積膨脹，使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和微裂紋。四方相氧化鋯各個(gè)方向的晶格膨脹和剪切應(yīng)變不同，導(dǎo)致純氧化鋯陶瓷燒結(jié)后內(nèi)應(yīng)力很大，甚至?xí)?dǎo)致燒結(jié)產(chǎn)品碎裂。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。

純氧化鋯陶瓷中加入適量的穩(wěn)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(wěn)定氧化鋯（PSZ），室溫下的PSZ晶體結(jié)構(gòu)以無(wú)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(jìn)入2%～3%氧化釔，可在室溫下獲得晶體結(jié)構(gòu)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(duì)晶粒的壓應(yīng)力（即與Y-TZP陶瓷密度相關(guān)）。

因?yàn)閅-TZP陶瓷的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性均優(yōu)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(guān)節(jié)產(chǎn)品制造商圣戈班集團(tuán)獲知其同一批次的ProzyrZro2陶瓷髖關(guān)節(jié)假體中發(fā)生幾例破裂。2001年，廠家又陸續(xù)收到了其他多個(gè)批次的ProzyrZro2陶瓷髖關(guān)節(jié)球頭破裂的報(bào)道，這些破裂球頭的共同特點(diǎn)是在燒結(jié)時(shí)采用了隧道爐燒結(jié)工藝生產(chǎn)線。2001年8月，圣戈班集團(tuán)開(kāi)始召回所有可疑批次的球頭。與此同時(shí)，專家組開(kāi)始對(duì)該陶瓷髖關(guān)節(jié)假體破裂失效的原因展開(kāi)調(diào)查，結(jié)果顯示，隧道爐燒結(jié)工藝以及后續(xù)機(jī)加工過(guò)程與球頭在體內(nèi)發(fā)生相變有關(guān)。2001年～2002年間，圣戈班集團(tuán)總共收到約400個(gè)ProzyrZro2陶瓷球頭破裂的報(bào)告。由于破裂率高，ProzyrZro2陶瓷髖關(guān)節(jié)假體已停止使用。

因此，材料學(xué)界開(kāi)始關(guān)注Y-TZP陶瓷的低溫老化現(xiàn)象。氧化釔作為穩(wěn)定劑，將高溫下存在的四方相氧化鋯結(jié)構(gòu)保持到室溫，但四方相氧化鋯仍然是不穩(wěn)定的。Y-TZP陶瓷的老化是指在水或水蒸氣環(huán)境下，Y-TZP陶瓷的表面可能發(fā)生氧化鋯四方相向單斜相的相變，導(dǎo)致表面粗糙度增大和產(chǎn)生微裂紋。相變初發(fā)生在表面處的個(gè)別四方相氧化鋯晶粒，由于陶瓷球頭表面經(jīng)過(guò)高度拋光等工藝處理，處于表面位置的個(gè)別四方相氧化鋯晶粒所受的基體壓應(yīng)力較為松弛，從而容易發(fā)生四方相向單斜相的相變，同時(shí)伴隨4%的體積膨脹。相變引發(fā)四方相氧化鋯晶粒周圍區(qū)域的應(yīng)力集中，從而生成微裂紋，同時(shí)，水分子沿微裂紋滲入材料內(nèi)部。微裂紋的產(chǎn)生誘導(dǎo)周圍四方相氧化鋯晶粒發(fā)生相轉(zhuǎn)變，從而加劇了裂紋的擴(kuò)展，相變區(qū)域不斷擴(kuò)大，Y-TZP陶瓷的表面粗糙度增加。微裂紋的產(chǎn)生使水分子進(jìn)一步向基體內(nèi)部擴(kuò)散，四方相氧化鋯晶粒的相變區(qū)域擴(kuò)大，從材料表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部。由于相變引起體積膨脹，材料表面某些區(qū)域出現(xiàn)抬升。陶瓷關(guān)節(jié)在體內(nèi)磨損的情況下，摩擦接觸面的晶粒拔出，從而形成坑洞。

氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)合陶瓷（ZTA）

考慮到氧化鋁陶瓷的韌性較低和氧化鋯陶瓷易老化的問(wèn)題，材料學(xué)界開(kāi)始研究氧化鋁-氧化鋯復(fù)合陶瓷材料，利用氧化鋯相變?cè)鲰g的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)摒除其在體內(nèi)環(huán)境老化的缺點(diǎn)。基于氧化鋁-氧化鋯復(fù)合陶瓷材料，CeramTec（賽瑯泰克）公司推出了BIOLOXdelta陶瓷關(guān)節(jié)假體。BIOLOXdelta陶瓷關(guān)節(jié)假體采用氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)合陶瓷材料（ZTA），該材料由氧化鋁（保證復(fù)合材料良好的硬度和耐磨性）、氧化鋯（相變?cè)鲰g以提高復(fù)合材料斷裂韌性）和少量其他氧化物組成。ZTA材料主要存在兩種增韌機(jī)理：（1）氧化鋯顆粒均勻地分布在氧化鋁基體中，相變導(dǎo)致晶粒體積膨脹，在裂紋處產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，從而阻止裂紋擴(kuò)展；（2）加入氧化鍶促使基體中形成板條狀晶粒，板條狀晶?？梢允挂呀?jīng)出現(xiàn)的陶瓷裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展所經(jīng)過(guò)的距離，從而增加裂紋擴(kuò)散所需要的能量。

（作者單位：國(guó)家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心）