中國粉體網訊 陶瓷作為生物材料用于填補牙齒和骨骼的缺陷，將骨移植、骨折或假體固定到骨
頭上，并替換病變組織，被稱為生物陶瓷。因其具有高強度、耐磨損、更高的抗壓、抗彎強度和高度的生物相容性等優良特點廣泛應用醫療領域。生物陶瓷最早于19世紀，在當時一種可吸收陶瓷-熟石膏就被用于試驗及臨床中，它極大地激發了學者對生物陶瓷領域的興趣。20世紀初到中，美國學者Talbert將顆粒狀陶瓷材料（氧化鋁陶瓷）制成假肢，植入成年狗的股骨中，最后取得了成功。氧化鋁陶瓷也引起眾多科學研究者的關注。
氧化鋁陶瓷
氧化鋁陶瓷的概念包括范圍比較廣，除了純氧化鋁陶瓷之外，任何氧化鋁含量在45%以上的陶瓷材料都可以稱為氧化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷有許多同質異晶體，但目前最常用的只有α-Al2O3和γ-Al2O3兩種，由于其具有不同的晶體結構，導致其具有不同的性質。其中α-Al2O3又稱剛玉，是氧化鋁陶瓷的主晶相，機械強度高，耐高溫，耐腐蝕。氧化鋁合成方法主要包括提拉法，導模法，焰熔法，氣相化學沉積生長等。根據制造方式的不同，主要分為單晶氧化鋁，多晶氧化鋁和多孔氧化鋁三種產物。
一般認為，氧化鋁含量大于99.9%的產品為高純氧化鋁。高純氧化鋁具有高熔點、高硬度、高電阻、催化性能優異、力學性能好、耐磨、耐蝕、絕緣耐熱等優良性能。高純氧化鋁多晶作為生物功能材料并應用于人體是1969年，高純氧化鋁精細陶瓷用于醫學工程的有單晶體和燒結的多晶體兩種。單晶氧化鋁強度高，耐磨性好，加工后可制作成骨折固定器、人工牙根等。多晶氧化鋁具有高強度特點，可用于關節、人工牙根、人工骨、雙杯式人工髖關節等的制作。
（圖片來源：CeramTec官網截圖）
氧化鋁陶瓷在人工關節的應用
1972年，Boutin報告了由氧化鋁陶瓷制作人體髖關節及其在臨床上的應用等方面的內容。1977年，Shikata等研制了由氧化鋁陶瓷股骨頭與高分子量聚乙烯髖臼組合而成的髖關節假體。1982年，美國食品與藥品管理局（FDA）正式批準采用Al2O3陶瓷球、臼與CoCrMo合金柄組成的人工髖關節在美國臨床應用。
高純氧化鋁陶瓷的摩擦系數很低、硬度高、浸潤性好，很適合用作關節摩擦面。根據美國食品藥品監督管理局（FDA）的規定，只有高純度的氧化鋁才能用于醫療領域，可形成玻璃晶界相的雜質（例如二氧化硅，金屬硅酸鹽和堿金屬氧化物）必須低于0.1wt%，因為此類雜質降解會導致出現應力集中部位，在該部位會出現裂紋。研究發現通過選擇合適的燒結參數（溫度，時間，加熱/冷卻速率）并摻雜添加劑（例如氧化鎂、氧化鋯和氧化鉻）能夠控制氧化鋁晶粒尺寸和孔隙率，可以有效提高氧化鋁的韌性和斷裂強度。
利用氧化鋯與氧化鋁形成的復合材料被稱為氧化鋯增韌的氧化鋁（ZTA）或氧化鋁增韌的氧化鋯（ATZ），它們在人工關節材料中也有著重要的地位。這兩種復合材料具體取決于主要成分的含量，這些復合材料結合了氧化鋯的增韌能力以及氧化鋁在低溫生物流體中降解的低敏感特性。根據材料的設計要求，需要突出高斷裂韌性時可以選用ATZ，而要體現硬度時可以采用ZTA。目前尚沒有充分的臨床數據表明ZTA關節承重面在耐磨損方面有更大的優勢。有研究顯示，ZTA和氧化鋯基增韌氧化鋁（ZPTA）在關節外科的應用程度遠遠大于ATZ。
氧化鋁陶瓷在口腔修復的應用
氧化鋁陶瓷具有與真牙匹配的透光性與色澤，并且毒性微弱。氧化鋁陶瓷低熱力傳導性顯著，減輕冷、熱食物對牙髓的刺激。氧化鋯陶瓷耐磨損、耐腐蝕、耐高溫作用顯著，且色澤與真牙相近，適用于牙齒的修復，并且強度較高。按照氧化鋁陶瓷材料的物相組成以及制作工藝的不同，可將應用于全瓷修復領域的氧化鋁陶瓷分為以下幾類：
（1）玻璃滲透氧化鋁陶瓷
玻璃滲透，全稱粉漿堆涂玻璃滲透法。氧化鋁作為基質材料呈現多孔狀結構，滲透入其內的為含有著色劑的鑭-硼-硅系玻璃，成形后為氧化鋁晶相和玻璃晶相相互貫穿的微觀結構。玻璃滲透氧化鋁陶瓷具有較高的機械強度，彎曲強度達到250-600MPa，斷裂韌性為3-4MPa.m1/2。代表產品為德國維他(Vita)公司的In-Ceram Alumina系統的基底冠，這個系統也是首個可以制作后牙區三單位橋的全瓷修復系統。
（2）高純度致密燒結全氧化鋁陶瓷
由純度達99.9%的氧化鋁組成，采用極大的壓力將氧化鋁粉末壓制成坯體（干法加壓成形），然后進行燒結。加壓成形的方法賦予了氧化鋁陶瓷高密度，低孔隙率。這種陶瓷材料的彎曲強度可以達到500-700MPa，斷裂韌性可達到5-6MPa.m1/2，因此在臨床上可以用作后牙區的橋體結構。代表產品是瑞典諾貝爾（Noble Biocare）公司的Procera ALLCream系統的基底冠。
（3）玻璃滲透氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷
該類陶瓷是由向玻璃滲透氧化鋁陶瓷粉末中加入35%部分穩定氧化鋯而形成。成形后的材料內部可以觀察到均勻分布的四方晶相氧化鋯。這也是氧化鋁陶瓷系列中強度最高的一種陶瓷材料。由于氧化鋯增韌的氧化鋁陶瓷半透明性較差，臨床一般用于對美觀效果要求不高的后牙區修復。代表產品是德國維他(Vita)公司的In-Ceram Zirconia系統基底冠。
小結：
在醫學工程中，高純氧化鋁陶瓷的應用已經取得了顯著的進展。隨著各種氧化鋁醫用制品的問世，氧化鋁陶瓷被應用于人工骨，人造齒根，人工關節，螺栓等方向。目前，包括美國、瑞士、荷蘭在內的多個國家正普遍采用多晶高純度納米氧化鋁材料來制造人造牙齒和人造骨。隨著科技的不斷發展，氧化鋁生物陶瓷材料在醫療領域中的應用越來越廣泛，而對于其的研究還會向具有更高附加值、更有前景的新興醫用方向邁進。
參考來源：
1、汪耀武.氧化鋁生物陶瓷材料微銑削殘余應力研究
2、劉治.選擇性激光熔覆氧化鋁/氧化鋯共晶陶瓷材料的實驗研究
3、趙百強.基于離散元法的Al2O3生物陶瓷材料加工特性研究
4、中國粉體網.陶瓷人工關節的應用與探索
5、韓軼臻，朱鯤鵬等.牙齒修復材料的臨床研究現狀
6、車軍劍.Sr2+、Mn2+改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料的制備及性能研究
7、交醫生命科學微信端：概述：生物醫用材料
8、彭倩倩，房輝等.精細氧化鋁應用研究進展
（中國粉體網編輯整理/青黎）
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