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氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA)在医疗领域的应用

发布日期: 2025-03-07 13:44:37 浏览量: 2
氧化铝(Al2O3)是具有代表性的生物惰性陶瓷。1933 年 Rock 首先建议将Al2O3陶瓷用于临床医学。1963 年由 Smith 用于矫形外科。自此以后,Al2O3陶瓷用于人造牙根、髋关节、膝关节、髁骨、中耳听骨,在临床上逐渐推广应用,成为医用生物陶瓷中的一种重要材料但随着陶瓷材料自身所具有的脆性和自身裂纹扩展,患者失败案例也有过报道,由此,提升氧化铝陶瓷的断裂韧性成为行业内的研究重点之一。而氧化锆增韧氧化铝(zirconia toughened alumina,ZTA)陶瓷结合了氧化铝的高强度和硬度与氧化锆的韧性,成为备受关注的先进陶瓷材料。

一、氧化铝陶瓷的增韧方法

目前,提高氧化铝陶瓷断裂韧性有许多途径,主要可以分成以下三种:

1)引入第二相

在氧化铝陶瓷的基体中引入第二相,使其填充到氧化铝的晶界处,从而有利于阻断裂纹的传播,进而提高陶瓷的断裂韧性。

2)加入Al2O3籽晶

因为籽晶的加入,能促使晶粒的异向生长,异向生长会形成片状以及柱状的晶粒,这种晶粒类似于晶须,从而对陶瓷有裂纹偏移、晶粒拔出、连接增韧的作用。

3)形成缺陷分布

通过粉体的合成过程或陶瓷的制备过程中形成缺陷分布,从而改善氧化铝陶瓷的断裂韧性。

图  氧化铝增韧机理,来源CoorsTek

从整体上来看,应用价值最高的方式为氧化锆增韧,将氧化锆(ZrO2)引入到Al2O3陶瓷中,可制得氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA)。ZrO2在Al2O3陶瓷中能起到相变增韧和微裂纹增韧的作用,对Al2O3陶瓷进行增韧补强,从而改善Al2O3陶瓷的韧性。将氧化铝的稳定性和氧化锆的强度相结合,一旦出现裂痕扩散,氧化锆颗粒会产生气囊效应,吸收外界应力,板状晶体抑制裂纹扩展,从而增强强度和韧性。ZTA陶瓷由于其硬度高,生物相容性好等优点已经成功被应用于医疗领域。

二、ZTA陶瓷在医疗领域的应用

①陶瓷人工关节

人工关节置换术是治疗晚期关节炎、关节功能丧失等关节类疾病的重要手段之一。第3代氧化铝陶瓷假体应用于临床出现了一些破碎、异响的问题,至2003年,CeramTec 推出第4代用于关节置换的生物陶瓷BIOLOX®delta(粉陶),采用氧化锆增韧氧化铝(ZTA)复合材料。

图 髋关节部件陶瓷材料,来源网络

氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷约80%的基质是由高纯度氧化铝晶粒组成,另增约17%的四方氧化锆颗粒和3%的铬酸锶铝,形成板状晶体,而氧化锆颗粒的能量吸收作用和板状晶体的裂纹抑制作用可以达到增韧目的。此外,氧化铝基质中加入了粉红色的铬及钇的成分并形成固溶状态,以增加复合物的硬度和稳定性。

表 第3、4代陶瓷材料的主要力学性

ZTA陶瓷由于其硬度高、生物相容性好等优点已经被应用于人工关节(髋关节、膝关节)的制造。ZTA陶瓷人工关节耐腐蚀能力强,化学稳定性好,显著降低了骨溶解、假体松动以及感染等并发症的发生率。

图 人工关节陶瓷部件,来源网络

②牙科种植体

牙科陶瓷具有优良的生物相容性、力学性能、较佳的美学修复效果,复相陶瓷相比于单相陶瓷具有较高的韧性、硬度、抗腐蚀性和耐高温等特点,其中以ZTA复相陶瓷研究最为广泛。临床研究显示,ZTA既能显现出氧化铝的优点,又能显现氧化锆的高强度、高韧性的特性,在牙科(牙科植入物、正畸托槽等)中应用价值理想。

图 ZTA牙科种植体,来源:CeramTec

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