中国粉体网讯 陶瓷作为生物材料用于填补牙齿和骨骼的缺陷，将骨移植、骨折或假体固定到骨
头上，并替换病变组织，被称为生物陶瓷。因其具有高强度、耐磨损、更高的抗压、抗弯强度和高度的生物相容性等优良特点广泛应用医疗领域。生物陶瓷最早于19世纪，在当时一种可吸收陶瓷-熟石膏就被用于试验及临床中，它极大地激发了学者对生物陶瓷领域的兴趣。20世纪初到中，美国学者Talbert将颗粒状陶瓷材料（氧化铝陶瓷）制成假肢，植入成年狗的股骨中，最后取得了成功。氧化铝陶瓷也引起众多科学研究者的关注。
氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷的概念包括范围比较广，除了纯氧化铝陶瓷之外，任何氧化铝含量在45%以上的陶瓷材料都可以称为氧化铝陶瓷。氧化铝陶瓷有许多同质异晶体，但目前最常用的只有α-Al2O3和γ-Al2O3两种，由于其具有不同的晶体结构，导致其具有不同的性质。其中α-Al2O3又称刚玉，是氧化铝陶瓷的主晶相，机械强度高，耐高温，耐腐蚀。氧化铝合成方法主要包括提拉法，导模法，焰熔法，气相化学沉积生长等。根据制造方式的不同，主要分为单晶氧化铝，多晶氧化铝和多孔氧化铝三种产物。
一般认为，氧化铝含量大于99.9%的产品为高纯氧化铝。高纯氧化铝具有高熔点、高硬度、高电阻、催化性能优异、力学性能好、耐磨、耐蚀、绝缘耐热等优良性能。高纯氧化铝多晶作为生物功能材料并应用于人体是1969年，高纯氧化铝精细陶瓷用于医学工程的有单晶体和烧结的多晶体两种。单晶氧化铝强度高，耐磨性好，加工后可制作成骨折固定器、人工牙根等。多晶氧化铝具有高强度特点，可用于关节、人工牙根、人工骨、双杯式人工髋关节等的制作。
（图片来源：CeramTec官网截图）
氧化铝陶瓷在人工关节的应用
1972年，Boutin报告了由氧化铝陶瓷制作人体髋关节及其在临床上的应用等方面的内容。1977年，Shikata等研制了由氧化铝陶瓷股骨头与高分子量聚乙烯髋臼组合而成的髋关节假体。1982年，美国食品与药品管理局（FDA）正式批准采用Al2O3陶瓷球、臼与CoCrMo合金柄组成的人工髋关节在美国临床应用。
高纯氧化铝陶瓷的摩擦系数很低、硬度高、浸润性好，很适合用作关节摩擦面。根据美国食品药品监督管理局（FDA）的规定，只有高纯度的氧化铝才能用于医疗领域，可形成玻璃晶界相的杂质（例如二氧化硅，金属硅酸盐和碱金属氧化物）必须低于0.1wt%，因为此类杂质降解会导致出现应力集中部位，在该部位会出现裂纹。研究发现通过选择合适的烧结参数（温度，时间，加热/冷却速率）并掺杂添加剂（例如氧化镁、氧化锆和氧化铬）能够控制氧化铝晶粒尺寸和孔隙率，可以有效提高氧化铝的韧性和断裂强度。
利用氧化锆与氧化铝形成的复合材料被称为氧化锆增韧的氧化铝（ZTA）或氧化铝增韧的氧化锆（ATZ），它们在人工关节材料中也有着重要的地位。这两种复合材料具体取决于主要成分的含量，这些复合材料结合了氧化锆的增韧能力以及氧化铝在低温生物流体中降解的低敏感特性。根据材料的设计要求，需要突出高断裂韧性时可以选用ATZ，而要体现硬度时可以采用ZTA。目前尚没有充分的临床数据表明ZTA关节承重面在耐磨损方面有更大的优势。有研究显示，ZTA和氧化锆基增韧氧化铝（ZPTA）在关节外科的应用程度远远大于ATZ。
氧化铝陶瓷在口腔修复的应用
氧化铝陶瓷具有与真牙匹配的透光性与色泽，并且毒性微弱。氧化铝陶瓷低热力传导性显著，减轻冷、热食物对牙髓的刺激。氧化锆陶瓷耐磨损、耐腐蚀、耐高温作用显著，且色泽与真牙相近，适用于牙齿的修复，并且强度较高。按照氧化铝陶瓷材料的物相组成以及制作工艺的不同，可将应用于全瓷修复领域的氧化铝陶瓷分为以下几类：
（1）玻璃渗透氧化铝陶瓷
玻璃渗透，全称粉浆堆涂玻璃渗透法。氧化铝作为基质材料呈现多孔状结构，渗透入其内的为含有着色剂的镧-硼-硅系玻璃，成形后为氧化铝晶相和玻璃晶相相互贯穿的微观结构。玻璃渗透氧化铝陶瓷具有较高的机械强度，弯曲强度达到250-600MPa，断裂韧性为3-4MPa.m1/2。代表产品为德国维他(Vita)公司的In-Ceram Alumina系统的基底冠，这个系统也是首个可以制作后牙区三单位桥的全瓷修复系统。
（2）高纯度致密烧结全氧化铝陶瓷
由纯度达99.9%的氧化铝组成，采用极大的压力将氧化铝粉末压制成坯体（干法加压成形），然后进行烧结。加压成形的方法赋予了氧化铝陶瓷高密度，低孔隙率。这种陶瓷材料的弯曲强度可以达到500-700MPa，断裂韧性可达到5-6MPa.m1/2，因此在临床上可以用作后牙区的桥体结构。代表产品是瑞典诺贝尔（Noble Biocare）公司的Procera ALLCream系统的基底冠。
（3）玻璃渗透氧化锆增韧氧化铝陶瓷
该类陶瓷是由向玻璃渗透氧化铝陶瓷粉末中加入35%部分稳定氧化锆而形成。成形后的材料内部可以观察到均匀分布的四方晶相氧化锆。这也是氧化铝陶瓷系列中强度最高的一种陶瓷材料。由于氧化锆增韧的氧化铝陶瓷半透明性较差，临床一般用于对美观效果要求不高的后牙区修复。代表产品是德国维他(Vita)公司的In-Ceram Zirconia系统基底冠。
小结：
在医学工程中，高纯氧化铝陶瓷的应用已经取得了显著的进展。随着各种氧化铝医用制品的问世，氧化铝陶瓷被应用于人工骨，人造齿根，人工关节，螺栓等方向。目前，包括美国、瑞士、荷兰在内的多个国家正普遍采用多晶高纯度纳米氧化铝材料来制造人造牙齿和人造骨。随着科技的不断发展，氧化铝生物陶瓷材料在医疗领域中的应用越来越广泛，而对于其的研究还会向具有更高附加值、更有前景的新兴医用方向迈进。
参考来源：
1、汪耀武.氧化铝生物陶瓷材料微铣削残余应力研究
2、刘治.选择性激光熔覆氧化铝/氧化锆共晶陶瓷材料的实验研究
3、赵百强.基于离散元法的Al2O3生物陶瓷材料加工特性研究
4、中国粉体网.陶瓷人工关节的应用与探索
5、韩轶臻，朱鲲鹏等.牙齿修复材料的临床研究现状
6、车军剑.Sr2+、Mn2+改性β-TCP仿骨多孔生物陶瓷材料的制备及性能研究
7、交医生命科学微信端：概述：生物医用材料
8、彭倩倩，房辉等.精细氧化铝应用研究进展
（中国粉体网编辑整理/青黎）
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