陶瓷材料人造髖關節的探索

摘 要：本文將總結最近在髖關節假體材料這一領域收集到的信息來開發一個理論上的聲音髖關節假體探索，從而找到適合身體的最佳材料。

關鍵詞：陶瓷材料 髖關節 探索

中圖分類號：TQ325.67 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0230-02

“外科醫生不聽材料科學家”這是菲舍爾博士（德國杜伊斯堡-埃森大學）在最近的髖關節置換討論會在皇家外科醫學院得出的結論。這是一個不應該發生但是實際存在的情況。本文將討論一些更精細的細節材料的選擇，從材料科學家的角度來看，材料科學洞察髖關節假體材料的新品種，納米復合氧化鋯增韌氧化鋁，將可以作為一個新的選擇。本文將總結最近在這一領域的研究和使用收集到的信息來開發一個理論上的聲音髖關節假體探索，將通過理論測試，以評估材料的適用性，從而找到適合身體的最佳材料。

1 髖關節材料

髖關節置換需要支持人們在日常生活中的力量，在1公里每小時的步行速度平均峰值的力量是病人的身體體重（BW）的約280％，在5公里每小時是1480％BW，而且步行的峰值力將總是高于在其他的運動模式的峰值，例如跑步，跳躍。植入物也需要有良好的循環疲勞，平均1840萬步每年的力量需要克服。在較長的一段時間內體內的材料必須是穩定的，特別是在通常植入在年輕患者的髖關節表面的植入物。的植入物必須生存惡劣的環境中的任意組合組成的水，水+水合離子，氨基酸，核酸，脂類，脂膜，肽，糖類，多糖類，泡囊，脂質體，蛋白質，ECT。最后，該材料還必須同周圍的骨組織有相似的剛度和抑制應力。應力會導致骨吸收按照沃爾夫的法律。正如你可以看到性能的材料必須符合所有這些標準，并不是一件容易的事。目前的大部分材料是根據其要求取自航空航天業，然而最近的證據已經發現，許多這些材料實際上是有缺陷的。本文將討論的陶瓷材料將會根據以上的要求進行探索。

從前幾代的氧化鋁植入得出的教訓是高脆性是一個病態通緝。氧化鋁和氧化鋯的韌性和疲勞極限的差別是基于較高的韌性氧化鋯相變增韌。轉型增韌是高強度的一個關鍵。裂縫成因亞穩四方谷物轉變成單斜相的裂紋尖端應力場。由相變引起的轉化的能量，將裂紋關閉。由于水的存在下，此變換成核的表面上的晶粒和導致升力表面朝上，以形成微裂紋，并加強相鄰表面顆粒，從而將導致傳播的變換。微裂紋將會使水滲透到下層，進一步過程，最終將導致陶瓷表面的粗糙化的，增加球杯形摩擦和加速失敗。

氧化鋯增韌氧化鋁材料是四方晶氧化鋯顆粒的含氧化鋁基質的一種材料。氧化鋁和氧化鋯的復合材料提供了許多優點。氧化鋯增韌氧化鋁的KIC值為5.4±0.2MPam（在10％氧化鋯配比）與氧化鋁的晶粒尺寸為1.7μm，和氧化鋯的晶粒尺寸為0.7μm。同時，在相同的測試條件下純氧化鋁KIC為4.2±0.22MPam，氧化鋁顆粒的直徑為1.7mm。氧化鋯增韌氧化鋁的滑動磨損阻力的增加是由于增加的機械特性造成的氧化鋯晶粒的增韌，最終可以通過SEM看到馬氏體相變的裂縫內的ZrO2的粒子。目前氧化鋯增韌氧化鋁材料很難在氧化鋁基質內得到均勻的氧化鋯顆粒的分散體，因為ZrO2微粒濃度可以凝聚植入物的表面，造成表面隆起。表面上的氧化鋯相的體積百分數保持在3％～10％之間，能夠避免過度的表面隆起。如果一個表面置換髖關節假體用于內表面氧化鋯界的3％～10％體積分數的氧化鋯的分散不能被精確地控制，所以不能確保陶瓷不會破壞該表面粒子限制。考慮到這一點，氧化鋯增韌氧化鋁材料的髖關節表面置換材料的材料選擇。

2 材料斷裂韌性

使用X-射線衍射發現，不會存在一個臨界的氧化鋯晶粒尺寸低于該應力誘導相變的氧化鋯晶粒。（圖1）

因此在納米級氧化鋯相變增韌，這種相變增韌機制不足。通過增韌開始前的體積分數和單斜晶系斷裂試驗后，并沒有發現四方的轉型。通過測量曲線的行為，氧化鋯和氧化鋁-氧化鋯復合材料的微裂紋擴展的韌性增加。這增加韌性的特點是初始的裂紋誘導相變增韌，裂紋滲透，從而提高韌性氧化鋯顆粒四方相向單斜晶系轉變。但是在納米復合材料中，可以看到的曲線是水平的，表示沒有變增韌。

臨界應力強度為1.7mol％氧化鋯-氧化鋁納米復合材料，高于純氧化鋁，氧化鋯。如果不存在相變增韌，一些新的機制一定導致了斷裂韌性。低于該值不會有裂紋的增長，使用納米復合材料的韌性可以看出明顯的優勢。

氧化鋯增韌氧化鋁材料有兩個首要的增韌機制，第一個是基體晶粒內形成的壓縮殘余應力場，這是由于分散的顆粒和顆粒周圍的局部殘余應力的矩陣生成的熱膨脹系數之間的差異，應力場消散迅速從粒子矩陣邊界形成的正面過程區隨著距離的增加。在冷卻過程中（燒結后）附近的顆粒中的位錯可以形成。當裂紋接近這些納米裂紋沿子晶界，位錯將形成。這些可以提高材料的斷裂韌性。第二個機制是建立氧化鋁的氧化鋁晶界晶間納米粒子的局部壓應力增加韌性。這主要是由于周圍的晶間粒子的偏轉斷裂韌性導致的裂紋增長。氧化鋯增韌氧化鋁材料的最高臨界斷裂韌性是6.2±0.3MPam，還沒有陶瓷可以達到這個高斷裂韌性，所以在潛在應用范圍內幾乎不存在裂紋導致的斷裂。

3 材料老化

在納米復合氧化鋯增韌氧化鋁材料水熱穩定性的測試中，有1.7％的氧化鋯（體積），平均晶粒尺寸為200nm。使用XRD相分析過去陶瓷材料的老化，發現原來納米復合氧化鋯增韌氧化鋁不完全四面體的老化，甚至開始之前。有單斜晶相的體積分數為0.3，這保持恒定為20小時的整個試驗時間。有人指出，在高壓釜中的時間是1小時相當于4年體內。的斷裂性能子部分，本文中討論的轉化缺乏。該材料被認為是水熱穩定。然而，在高壓釜中的近似1小時等于在體內4年的假設仍舊不能被完全證實在老齡化方面的轉變，由于壓力不足是一個積極的結果。這意味著施加的壓力可能不會增加老齡化的風險。只有這樣，才能真正測試在體內的水熱穩定性。因為有更多的因素如環狀應力，該材料會發生在老化期間時所涉及的材料被植入。

4 材料強度與硬度

陶瓷的強度在很大程度上取決于最弱的裂紋。碳化硅與納米顆粒的氧化鋁的強度的增加，是由于引入位錯，以減輕在矩陣中的應力和沿著氧化鋁晶粒邊界的長度的納米顆粒。位錯作為應力集中的起源，并引起在周邊的主裂紋尖端納米級裂紋會導致穿晶斷裂。增加晶粒尺寸的多晶材料的強度增加，但納米復合氧化鋯增韌氧化鋁不遵循這個規則。在穿晶斷裂的裂紋不能簡單地生長在一條直線上，但必須左右移動的方式中的任何顆粒。納米復合氧化鋯增韌氧化鋁強度增加與氧化鋯粒子的增加成正比。然而，有一個點在10和15（重量）之間的收益遞減，這可能是由于穿強度已經減少了太多的裂縫可以很容易生長。

硬度是由加入的氧化鋯決定的。陶瓷的問題是，它們的高硬度是高度依賴于所施加的負荷。99％的純氧化鋁的硬度為20.2GPa。然而，氧化鋯納米顆粒的加入，導致硬度由于氧化鋯含量的增加下降急劇。這是由于氧化鋯比氧化鋁軟，因此增加了在燒結過程中的氧化鋯，創建孔隙由于晶粒粗化，這也對硬度值具有負面影響。這種額外的孔隙度由相對密度的減少。

5 結語

從本文的論點以及實驗的支持，確定的最佳條件是在10％重量的納米顆粒氧化鋯增韌氧化鋁材料是迄今為止理論上最適合人造髖關節的陶瓷材料。但仍舊需要通過進一步的實驗確定。