“外科医生不听材料科学家”这是菲舍尔博士 (德国杜伊斯堡-埃森大学) 在最近的髋关节置换讨论会在皇家外科医学院得出的结论。这是一个不应该发生但是实际存在的情况。本文将讨论一些更精细的细节材料的选择, 从材料科学家的角度来看, 材料科学洞察髋关节假体材料的新品种, 纳米复合氧化锆增韧氧化铝, 将可以作为一个新的选择。本文将总结最近在这一领域的研究和使用收集到的信息来开发一个理论上的声音髋关节假体探索, 将通过理论测试, 以评估材料的适用性, 从而找到适合身体的最佳材料。
髋关节置换需要支持人们在日常生活中的力量, 在1公里每小时的步行速度平均峰值的力量是病人的身体体重 (BW) 的约280%, 在5公里每小时是1480%BW, 而且步行的峰值力将总是高于在其他的运动模式的峰值, 例如跑步, 跳跃。植入物也需要有良好的循环疲劳, 平均1840万步每年的力量需要克服。在较长的一段时间内体内的材料必须是稳定的, 特别是在通常植入在年轻患者的髋关节表面的植入物。的植入物必须生存恶劣的环境中的任意组合组成的水, 水+水合离子, 氨基酸, 核酸, 脂类, 脂膜, 肽, 糖类, 多糖类, 泡囊, 脂质体, 蛋白质, ECT。最后, 该材料还必须同周围的骨组织有相似的刚度和抑制应力。应力会导致骨吸收按照沃尔夫的法律。正如你可以看到性能的材料必须符合所有这些标准, 并不是一件容易的事。目前的大部分材料是根据其要求取自航空航天业, 然而最近的证据已经发现, 许多这些材料实际上是有缺陷的。本文将讨论的陶瓷材料将会根据以上的要求进行探索。
从前几代的氧化铝植入得出的教训是高脆性是一个病态通缉。氧化铝和氧化锆的韧性和疲劳极限的差别是基于较高的韧性氧化锆相变增韧。转型增韧是高强度的一个关键。裂缝成因亚稳四方谷物转变成单斜相的裂纹尖端应力场。由相变引起的转化的能量, 将裂纹关闭。由于水的存在下, 此变换成核的表面上的晶粒和导致升力表面朝上, 以形成微裂纹, 并加强相邻表面颗粒, 从而将导致传播的变换。微裂纹将会使水渗透到下层, 进一步过程, 最终将导致陶瓷表面的粗糙化的, 增加球杯形摩擦和加速失败。
氧化锆增韧氧化铝材料是四方晶氧化锆颗粒的含氧化铝基质的一种材料。氧化铝和氧化锆的复合材料提供了许多优点。氧化锆增韧氧化铝的KIC值为5.4±0.2MPam (在10%氧化锆配比) 与氧化铝的晶粒尺寸为1.7μm, 和氧化锆的晶粒尺寸为0.7μm。同时, 在相同的测试条件下纯氧化铝KIC为4.2±0.22MPam, 氧化铝颗粒的直径为1.7µm。氧化锆增韧氧化铝的滑动磨损阻力的增加是由于增加的机械特性造成的氧化锆晶粒的增韧, 最终可以通过SEM看到马氏体相变的裂缝内的ZrO2的粒子。目前氧化锆增韧氧化铝材料很难在氧化铝基质内得到均匀的氧化锆颗粒的分散体, 因为ZrO2微粒浓度可以凝聚植入物的表面, 造成表面隆起。表面上的氧化锆相的体积百分数保持在3%～10%之间, 能够避免过度的表面隆起。如果一个表面置换髋关节假体用于内表面氧化锆界的3%～10%体积分数的氧化锆的分散不能被精确地控制, 所以不能确保陶瓷不会破坏该表面粒子限制。考虑到这一点, 氧化锆增韧氧化铝材料的髋关节表面置换材料的材料选择。
使用X-射线衍射发现, 不会存在一个临界的氧化锆晶粒尺寸低于该应力诱导相变的氧化锆晶粒。 (图1)
因此在纳米级氧化锆相变增韧, 这种相变增韧机制不足。通过增韧开始前的体积分数和单斜晶系断裂试验后, 并没有发现四方的转型。通过测量曲线的行为, 氧化锆和氧化铝-氧化锆复合材料的微裂纹扩展的韧性增加。这增加韧性的特点是初始的裂纹诱导相变增韧, 裂纹渗透, 从而提高韧性氧化锆颗粒四方相向单斜晶系转变。但是在纳米复合材料中, 可以看到的曲线是水平的, 表示没有变增韧。
临界应力强度为1.7mol%氧化锆-氧化铝纳米复合材料, 高于纯氧化铝, 氧化锆。如果不存在相变增韧, 一些新的机制一定导致了断裂韧性。低于该值不会有裂纹的增长, 使用纳米复合材料的韧性可以看出明显的优势。
氧化锆增韧氧化铝材料有两个首要的增韧机制, 第一个是基体晶粒内形成的压缩残余应力场, 这是由于分散的颗粒和颗粒周围的局部残余应力的矩阵生成的热膨胀系数之间的差异, 应力场消散迅速从粒子矩阵边界形成的正面过程区随着距离的增加。在冷却过程中 (烧结后) 附近的颗粒中的位错可以形成。当裂纹接近这些纳米裂纹沿子晶界, 位错将形成。这些可以提高材料的断裂韧性。第二个机制是建立氧化铝的氧化铝晶界晶间纳米粒子的局部压应力增加韧性。这主要是由于周围的晶间粒子的偏转断裂韧性导致的裂纹增长。氧化锆增韧氧化铝材料的最高临界断裂韧性是6.2±0.3MPam, 还没有陶瓷可以达到这个高断裂韧性, 所以在潜在应用范围内几乎不存在裂纹导致的断裂。
在纳米复合氧化锆增韧氧化铝材料水热稳定性的测试中, 有1.7%的氧化锆 (体积) , 平均晶粒尺寸为200nm。使用XRD相分析过去陶瓷材料的老化, 发现原来纳米复合氧化锆增韧氧化铝不完全四面体的老化, 甚至开始之前。有单斜晶相的体积分数为0.3, 这保持恒定为20小时的整个试验时间。有人指出, 在高压釜中的时间是1小时相当于4年体内。的断裂性能子部分, 本文中讨论的转化缺乏。该材料被认为是水热稳定。然而, 在高压釜中的近似1小时等于在体内4年的假设仍旧不能被完全证实在老龄化方面的转变, 由于压力不足是一个积极的结果。这意味着施加的压力可能不会增加老龄化的风险。只有这样, 才能真正测试在体内的水热稳定性。因为有更多的因素如环状应力, 该材料会发生在老化期间时所涉及的材料被植入。
陶瓷的强度在很大程度上取决于最弱的裂纹。碳化硅与纳米颗粒的氧化铝的强度的增加, 是由于引入位错, 以减轻在矩阵中的应力和沿着氧化铝晶粒边界的长度的纳米颗粒。位错作为应力集中的起源, 并引起在周边的主裂纹尖端纳米级裂纹会导致穿晶断裂。增加晶粒尺寸的多晶材料的强度增加, 但纳米复合氧化锆增韧氧化铝不遵循这个规则。在穿晶断裂的裂纹不能简单地生长在一条直线上, 但必须左右移动的方式中的任何颗粒。纳米复合氧化锆增韧氧化铝强度增加与氧化锆粒子的增加成正比。然而, 有一个点在10和15 (重量) 之间的收益递减, 这可能是由于穿强度已经减少了太多的裂缝可以很容易生长。
硬度是由加入的氧化锆决定的。陶瓷的问题是, 它们的高硬度是高度依赖于所施加的负荷。99%的纯氧化铝的硬度为20.2G P a。然而, 氧化锆纳米颗粒的加入, 导致硬度由于氧化锆含量的增加下降急剧。这是由于氧化锆比氧化铝软, 因此增加了在烧结过程中的氧化锆, 创建孔隙由于晶粒粗化, 这也对硬度值具有负面影响。这种额外的孔隙度由相对密度的减少。
从本文的论点以及实验的支持, 确定的最佳条件是在10%重量的纳米颗粒氧化锆增韧氧化铝材料是迄今为止理论上最适合人造髋关节的陶瓷材料。但仍旧需要通过进一步的实验确定。
摘要：本文将总结最近在髋关节假体材料这一领域收集到的信息来开发一个理论上的声音髋关节假体探索, 从而找到适合身体的最佳材料。
关键词：陶瓷材料,髋关节,探索
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