陶瓷材料在人工髖關(guān)節(jié)假體中的臨床應(yīng)用

陶瓷材料在人工髖關(guān)節(jié)假體中的臨床應(yīng)用（原創(chuàng)2020-02-20CMDE中國器審）

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）已經(jīng)成為最成功、技術(shù)最成熟的外科手術(shù)之一，但是，對那些年輕、活動量大的患者，諸如界面磨損、骨溶解及假體松動等現(xiàn)象依然影響其遠(yuǎn)期療效。陶瓷材料具有硬度高、耐磨性能好等優(yōu)點，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的危險，從而延長人工關(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、氧化鋯增韌高純氧化鋁基復(fù)合陶瓷。本文圍繞陶瓷材料在人工髖關(guān)節(jié)假體中的臨床應(yīng)用，對陶瓷材料的性能進(jìn)行介紹，并對臨床應(yīng)用中發(fā)生的問題進(jìn)行分析。

一、氧化鋁陶瓷（α-Al2O3）

1970年，法國外科醫(yī)生PierreBoutin首次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)計等方面的局限，導(dǎo)致氧化鋁陶瓷的純度低、密度小、脆性大，造成氧化鋁全陶瓷關(guān)節(jié)假體的破裂，使得全陶瓷人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后并發(fā)癥和翻修率很高。在過去的30年內(nèi)，得益于現(xiàn)代陶瓷材料制備加工工藝水平和假體設(shè)計的改進(jìn)，Al2O3陶瓷材料的性能逐步得到改進(jìn)。燒結(jié)助劑MgO的加入會在Al2O3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降低材料的力學(xué)強(qiáng)度。通過降低MgO的含量，減少玻璃相的比例，同時采用熱等靜壓工藝，提高了材料密度，并將α-Al2O3平均晶粒尺寸減小至2.5μm，從而大幅度提供了材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。另外，陶瓷關(guān)節(jié)產(chǎn)品的標(biāo)識采用了激光蝕刻法，代替了原來的燒結(jié)前機(jī)械銑削刻字的方式，降低了局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的陶瓷關(guān)節(jié)碎裂的風(fēng)險。

同時，基于以往臨床使用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步改進(jìn)陶瓷關(guān)節(jié)的設(shè)計，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(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的應(yīng)力分布。

二、氧化鋯陶瓷（yttriatetragonalzirconiapolycrystal，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Al2O3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。ZrO2陶瓷有三種晶體結(jié)構(gòu)，分別是單斜相（monoclinicphase）、四方相（tetragonalphase）和立方相（cubicphase）。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(jié)過程中，從高溫降到1000℃左右時，ZrO2會發(fā)生從四方相到單斜相的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并同時伴隨約4%的體積膨脹，是材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和微裂紋。由于四方相ZrO2的各個方向晶格膨脹和剪切應(yīng)變不同，從而導(dǎo)致純ZrO2多晶陶瓷燒結(jié)后內(nèi)應(yīng)力很大，甚至燒結(jié)產(chǎn)品碎裂。因此，純ZrO2陶瓷不能作為醫(yī)用材料，特別是用作負(fù)重關(guān)節(jié)假體。ZrO2陶瓷中加入某些適量的穩(wěn)定劑（例如Y2O3、CaO、MgO、CeO2等），可使ZrO2變成部分穩(wěn)定ZrO2，室溫下PSZ晶體結(jié)構(gòu)以無異常膨脹、收縮的c-ZrO2為主，并含有少量的t-ZrO2和m-ZrO2。在ZrO2中摻雜進(jìn)入2%～3%Y2O3，室溫下獲得晶體結(jié)構(gòu)以t-ZrO2為主的Y2O3四方ZrO2多晶陶瓷（Y-TZP）。室溫下Y-TZP中t-ZrO2的含量取決于晶粒尺寸、Y2O3的含量以及相鄰晶粒對晶粒的壓應(yīng)力（即與Y-TZP陶瓷密度相關(guān)），如圖1所示。

圖1晶粒尺寸、Y2O3的含量以及Y-TZP陶瓷密度對Y-TZP中t-ZrO2的含量的影響因為Y-TZP氧化鋯陶瓷的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性均優(yōu)于高純氧化鋁陶瓷，因此人們期望Y-TZP氧化鋯陶瓷的破裂率低于氧化鋁陶瓷。2000年末，陶瓷關(guān)節(jié)產(chǎn)品領(lǐng)先制造商St.GobainDesmarquest獲知一個批次生產(chǎn)的Prozyr?ZrO2陶瓷髖關(guān)節(jié)假體中發(fā)生幾例破裂。到2001年中期，廠家又陸續(xù)收到了其他多個批次的ZrO2球頭破裂的報道。這些破裂球頭的共同特點是在燒結(jié)時采用了隧道爐燒結(jié)工藝生產(chǎn)線(tunnelsintering)，于1998年1月開始應(yīng)用，用以替代箱式爐燒結(jié)工藝(batchsintering)，提高生產(chǎn)效率。2001年8月，St.GobainDesmarquest開始召回所有未植入的可疑批次的球頭。但是，這些批次的股骨球頭已經(jīng)被植入到患者體內(nèi)。2001年8月，一個獨立國際專家組開始對Prozyr?ZrO2陶瓷髖關(guān)節(jié)假體破裂失效的原因展開調(diào)查，結(jié)果顯示隧道燒結(jié)工藝以及后續(xù)機(jī)加工過程與球頭在體內(nèi)發(fā)生相變有關(guān)。2001～2002年間，Desmarquest公司總共收到約400個ZrO2陶瓷球頭破裂的報告。由于破裂率高，Prozyr?ZrO2陶瓷髖關(guān)節(jié)假體已停止使用。

材料學(xué)界開始更加關(guān)注Y-TZP陶瓷的低溫老化現(xiàn)象（lowtemperaturedegradation，LTD）。Y2O3作為穩(wěn)定劑，將高溫下存在的ZrO2四方結(jié)構(gòu)（t-ZrO2）保持到室溫，但t-ZrO2仍然是不穩(wěn)定的。Y-TZP陶瓷的老化是指在水或水蒸汽環(huán)境下，Y-TZP陶瓷的表面可能發(fā)生t-ZrO2向單斜相（m-ZrO2）的相變，導(dǎo)致表面粗糙度增大和產(chǎn)生微裂紋，機(jī)理如圖2所示。相變最初發(fā)生在表面處的個別t-ZrO2晶粒。由于陶瓷球頭表面經(jīng)過高度拋光等工藝處理，處于表面位置的個別t-ZrO2晶粒所受的基體壓應(yīng)力較為松弛，從而容易發(fā)生t-ZrO2向m-ZrO2的相變，同時伴隨4%的體積膨脹。相變引發(fā)t-ZrO2晶粒周圍區(qū)域的應(yīng)力集中，從而生成微裂紋。同時，H2O分子沿微裂紋滲透進(jìn)入材料內(nèi)部（圖2a所示）。微裂紋的產(chǎn)生誘導(dǎo)周圍t-ZrO2晶粒發(fā)生相轉(zhuǎn)變，從而加劇了裂紋的增殖，相變區(qū)域不斷擴(kuò)大，Y-TZP陶瓷的表面粗糙度增加（圖2b所示）。微裂紋的產(chǎn)生使水分子進(jìn)一步向基體內(nèi)部擴(kuò)散，t-ZrO2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（圖2c所示）。陶瓷關(guān)節(jié)在體內(nèi)磨損的情況下，摩擦接觸面（球頭的極點和赤道線位置）的晶粒拔出，從而形成坑洞（圖2d所示）。

圖2Y-TZP陶瓷老化過程示意圖三、氧化鋯增韌高純氧化鋁基復(fù)合陶瓷（ZirconiatoughenedAlumina，ZTA）

考慮到Al2O3的斷裂韌性較低和Y-TZP老化問題，材料學(xué)界開始研究Al2O3-ZrO2復(fù)合陶瓷材料，利用ZrO2相變增韌（transformationtoughening）的優(yōu)點，同時摒除其在體內(nèi)環(huán)境老化的缺點?；贏l2O3-ZrO2復(fù)合陶瓷材料，CeramTec公司推出了BIOLOX?delta陶瓷關(guān)節(jié)假體，自BIOLOX?delta產(chǎn)品上市以后，全球已售出660萬個球頭和200多萬個內(nèi)襯（截至2017年12月底）。BIOLOX?delta陶瓷關(guān)節(jié)假體采用ZrO2增韌Al2O3復(fù)合陶瓷材料（ZTA），該材料由Al2O3（保證復(fù)合材料良好的硬度和耐磨性）、Y-TZP（相變增韌以提高復(fù)合材料斷裂韌