医用氧化铝陶瓷的应用与性能

医用氧化铝陶瓷的应用与性能

赵青苔

(唐山陶瓷集团,唐山　063000)

摘　要　主要介绍了医用氧化铝陶瓷的用途及其基本性能。

关键词　氧化铝;医用陶瓷;性能

Application and Property of Alumina2based

Ceramics in Medicine

Zhao Qingtai

(T angshan Ceramic G roup,T angshan　063000)

Abstract　The main uses and properties of alumina2based ceramics in medicine were indroduced in this paper.

K ey Words　aluminium oxide,medical ceramic,property

1　引言

目前,陶瓷最有发展前景的应用领域之一是医学,因为采用陶瓷材料可以大大提高医治众多矫形外科、口腔科、颌面科疾病的能力。另外,现代医用材料学中的一个全球性问题是研制人造骨,这就为陶瓷于修复外科、神经外科、口腔科的应用开辟了一个全新的途径。

2　陶瓷于医学中的应用简况

无论用何种陶瓷研制医用材料,都必须考虑如下基本要求:

在不良生物条件使用多年的能力;

机械稳定性和强度,及其长时的恒定性;

陶瓷移植物与人体软硬组织能良好结合,固定可靠;

极高的化学纯度。

陶瓷在医疗中可以起着不同的功能:在修复术中用陶瓷制作假骨部件;在制作金属移植物时用陶瓷作涂层;在口腔科中用陶瓷制作金属陶瓷义齿、瓷假齿、填齿料等。

陶瓷的另一个应用方向是研制医用工具:一次和多次使用的陶瓷手术刀,这种刀可以保障刀口良好愈合、减少失血和具有高抗菌保护作用;用于分离和净化生物液体的陶瓷过滤器和薄膜;通过皮肤引入药物的多孔材料等。

长时在医学中实际应用的陶瓷材料是具有良好整容性能的瓷体。但是,这种假体的抗磨性和物理机械指标在许多情况下都不符合标准的要求,因此对于经受高机械负荷的移植物都不使用瓷质体。在此方面成功地使用有氧化铝基陶瓷或刚玉单晶体。

3　氧化铝陶瓷的性能与应用

白宝石单晶体和多晶刚玉材料是最稳定的惰性氧化物陶瓷材料,可在矫形外科中用作骨组织的替代物,在颌面外科中用作义齿。刚玉陶瓷在关节的移植中具有良好的摩擦性能。这是由它的高强度、低摩擦系数和良好的抗磨性决定的。在与高分子聚合物材料相结合时,刚玉球窝关节比金属2聚合物复合材料具有一系列优点:关节球窝部分不磨损;没有与金属伴生的有害杂质;由于磨

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河北陶瓷 第29卷第4期 总第111期 2001年

损时形成的聚合物粒子较小,结缔组织的受损率大大降低。

根据与生物机体的相互作用情况,医用陶瓷通常分为两个主要类别:与机体具有极小的化学、电化学、表面催化强固作用的生物惰性陶瓷和参与机体生物化学过程的生物活性陶瓷。

刚玉陶瓷在与机体组织的结合方面属生物惰性材料。并且这种陶瓷还具有较高的机械强度、硬度、耐磨性和化学惰性。由于氧化铝表面的亲水性,构成了薄薄(<5nm)的水合层,该层吸收水并形成有助于生物良好相容的保护膜。此外,在长期存留于机体中的条件下,这种陶瓷能保持物理和生物化学性能,从而构成了无反应植入和长期使用的良好先决条件,也使它在作为口腔和骨移植物方面具有特殊的应用前景。医用刚玉陶瓷与其它材料的比较性能见表1。

表1　刚玉陶瓷与其它材料的性能比较

指 标

材 料

骨钛合金刚玉陶瓷

平均密度,g/cm3 4.5 3.9

抗弯强度,MPa90～170390～440490～590

弹性模量,G Pa15～18110～130300～400

线膨胀温度系数,10-6K-19.9 6.0～8.0 氧化铝医用陶瓷工艺中的一个最重要的问题是初始原料的纯度问题。此外,要制得能经受高使用负荷的制品,还须使用具有准确可调性能并能烧结至零开口气孔率而不明显再结晶的粉体。最终产品的晶体尺寸不应大于5μm,三点抗弯强度极限应不低于500MPa,临界应力强度系数应不小于7MPa·m1/2。在陶瓷制作过程中,必须形成均质坯体,以便在最终阶段制得接近理论密度的产品。只有考虑到上述各项因素,才能保障高的强度、硬度、耐冲击性要求,以及机械处理后的必要表面纯度。

用于替代骨体的特纯氧化铝基生物活性和生物惰性材料的性能应符合国际标准1S06474的要求。在该标准中,所有氧化铝基材料只分为两个

等级———A和B(见表2)。A级材料用于作经受高负荷作用的移植物(例如作关节支承面);B级材料用于作无大负荷作用的移植物(例如用于口腔中)。

表2　国际标准1S06474中A和B级氧化铝材料的性能指 标

材料等级

A B

平均密度,g/cm3>3.94>3.90化学组成,%:

Al2O3>99.5

MgO<0.3

杂质(R2O+CaO+S iO2)<0.1

晶体的平均尺寸,μm<4.5<7.0标准偏差,μm<2.6<3.5平均四点弯曲强度极限,MPa>250>150耐磨性(体积损耗),mm2<0.01未规定

业已确定,不含变性添加剂氧化物陶瓷材料的性能等级低,密度小,显微结构难以调整。众所周知,有很多添加剂都能对刚玉陶瓷的烧结产生积极的影响。但是,标准(见表2)对医用陶瓷生产用添加剂提出了额外的要求。根据这些要求和研究结果,仅有两种变性添加剂———MgO和Z rO2可以使用。取0.5wt%左右的添加剂就能产生积极的作用。

4　结语

刚玉陶瓷是可成功应用于医学领域的最具发展前景的材料之一。为了制得优质移植物,至关重要的是选定能保障烧结至零开口气孔率并不明显再结晶的烧成制度。这是由国际标准对陶瓷机械强度和可加工性提出的较高要求决定的。

收稿日期:2001-08-03

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