[发明专利]氧化锆-钇铝石榴石复合陶瓷及由其制备的骨植入假体

说明书

本发明涉及氧化锆‑钇铝石榴石复合陶瓷，含有60～90wt％的Y‑TZ氧化锆和10～40wt％的钇铝石榴石。本发明进一步涉及制备氧化锆‑钇铝石榴石的方法以及由氧化锆‑钇铝石榴石复合陶瓷制备的骨植入假体。

技术领域

本发明涉及氧化锆-钇铝石榴石复合陶瓷，进一步涉及由该氧化锆-钇铝石榴石复合陶瓷制备的骨植入假体。

背景技术

采用人工假体来替换受损的关节(包括髋关节、膝关节、肘关节、腕关节或踝关节等)已经成为临床上治疗关节疾病的首要选择。目前，临床上用来替换受损髋关节或膝关节的人工假体有金属对聚乙烯型、金属对金属型、陶瓷对聚乙烯型和陶瓷对陶瓷型。其中，陶瓷对聚乙烯型和陶瓷对陶瓷型由于显著降低的磨损量而得到越来越普遍的应用。采用的陶瓷材料主要是氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、和氧化铝-氧化锆复合陶瓷。

氧化锆陶瓷有三种晶相：单斜相、四方相和立方相。当四方相转变为单斜相时，不仅伴随着能量的消耗，而且伴随着3-5％的体积膨胀。体积膨胀会导致压应力的产生。这种能量消耗和形成压应力的协同作用，有效地阻碍了裂纹的扩展，从而显著提高了氧化锆陶瓷的断裂韧性，使得四方相氧化锆陶瓷获得了“陶瓷钢”的美誉。

纯的氧化锆在1170℃以下时以单斜相存在，在1170～2370℃时以四方相形式存在，高于2370℃时以立方相形式存在。所以，人们为了在室温获得四方相氧化锆陶瓷，往往在氧化锆陶瓷中添加稳定剂，使得四方相能够保持到室温。常见的稳定剂有Y₂O₃、CeO₂、MgO等。其中，Y₂O₃稳定的四方相氧化锆陶瓷(以下简称为“Y-TZ”)，由于具有极高的断裂强度和断裂韧性，而得到了最广泛的应用。

随着科技的发展，人们进一步发现，现有的Y-TZ四方相氧化锆陶瓷在100～400℃的水热环境下，会自发地转变成单斜相。这种自发相变不仅会导致氧化锆陶瓷中出现亚微米裂纹，而且由于相变伴随的3-5％的体积变化，会导致氧化锆陶瓷的表面粗糙度发生改变。这一现象限制了Y-TZ四方相氧化锆陶瓷的进一步应用。

为了解决这一问题，以德国CeramTec公司为代表的研究人员研制了氧化铝-氧化锆复合陶瓷，其中氧化锆作为次要成分，含量大约15wt％，既利用其相变增韧的优点，又利用主要成分——氧化铝基质的钉扎作用(力学方式)，防止氧化锆在水热环境中的自发相变。这种思路取得了一定的效果，但是临床经验表明，氧化锆的自发相变仍然存在。

本发明则另辟蹊径，基于对氧化锆在水热环境中自发相变的机制——在烧结过程钇原子向晶界偏析，导致氧化锆晶体中心部位钇贫乏，从而导致在水热环境中失稳相变——的研究，创造性地将氧化锆和钇铝石榴石制成复合陶瓷。由于钇铝石榴石晶体中钇含量高，使得氧化锆/钇铝石榴石晶界处有高浓度的钇原子存在，降低了烧结过程中钇原子从氧化锆晶体中心部位向晶界部位扩散的势能，使得烧结后的复合陶瓷中，氧化锆晶体中钇原子分布均匀，从而极大地减少了氧化锆陶瓷在水热环境下的自发相变，获得了在水热环境中具有优异耐久性的氧化锆-钇铝石榴石复合陶瓷。

发明内容

本发明涉及氧化锆-钇铝石榴石复合陶瓷，含有60～90wt％的Y-TZ氧化锆和10～40wt％的钇铝石榴石。

根据本发明的实施方案，本发明的氧化锆-钇铝石榴石复合陶瓷中，Y-TZ氧化锆的晶粒度≤0.5微米，优选≤0.4微米，钇铝石榴石的晶粒度≤2.0微米，优选≤1.0微米