馬春寶 李沅 姜熙 樊鉑 天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 （天津 300384）

《外科植入物用高純氧化鋁陶瓷材料》ISO 6474-1:2010與ISO 6474 :1994主要差異解析

馬春寶 李沅 姜熙 樊鉑 天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 （天津 300384）

本文詳細(xì)比較了《外科植入物用高純氧化鋁陶瓷材料》ISO 6474-1:2010新版標(biāo)準(zhǔn)與ISO 6474:1994原版標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，并對(duì)新舊標(biāo)準(zhǔn)在分類(lèi)、材料性能、樣品制備、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)報(bào)告等方面的差異進(jìn)行了詳細(xì)的分析和解讀。本文可使相關(guān)人員加深對(duì)新版標(biāo)準(zhǔn)的理解，有助于更全面、系統(tǒng)地掌握和應(yīng)用新版標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 6474 差異 解析

1.關(guān)于高純氧化鋁陶瓷材料簡(jiǎn)介

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是最成功的外科手術(shù)之一，20世紀(jì)60年代英國(guó)著名骨科專(zhuān)家Charnley倡導(dǎo)的由金屬股骨頭和超高分子量聚乙烯內(nèi)襯組配而成的髖關(guān)節(jié)假體一度成為髖關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)的金標(biāo)準(zhǔn)[1]。但是關(guān)節(jié)界面的磨損顆粒在體內(nèi)導(dǎo)致的假體周?chē)侨芙?、骨吸收、骨缺損，最終導(dǎo)致假體松動(dòng)這一嚴(yán)重后果也不容忽視。

因此，努力降低關(guān)節(jié)假體的磨損顆粒，以及探尋低磨損率的關(guān)節(jié)面材料，成為人工關(guān)節(jié)材料學(xué)領(lǐng)域的重要課題。為了解決此問(wèn)題，先后出現(xiàn)了金屬對(duì)高交聯(lián)聚乙烯關(guān)節(jié)面配伍和金屬對(duì)金屬關(guān)節(jié)面配伍。高交聯(lián)聚乙烯比一般聚乙烯的磨損率低50%，但仍然沒(méi)有從根本上解決磨損顆粒的問(wèn)題。金屬對(duì)金屬配伍產(chǎn)生的磨損顆粒遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的金屬對(duì)聚乙烯配伍產(chǎn)生的磨損顆粒，但是金屬對(duì)金屬磨損產(chǎn)生的金屬離子，會(huì)出現(xiàn)假體周?chē)^(guò)敏反應(yīng)，同樣限制其大量應(yīng)用。

氧化鋁陶瓷以硬度高、浸潤(rùn)性好、優(yōu)良的生物相容性、極低的摩擦系數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸被大家認(rèn)可。上個(gè)世紀(jì)70年代，法國(guó)的Boutin教授首次使用陶瓷球頭[2]，以減少聚乙烯臼杯的磨損。實(shí)驗(yàn)室的研究表明氧化鋁陶瓷/聚乙烯的磨損率為0.1mm/年，是金屬對(duì)聚乙烯磨損率（0.2）的1/2，而氧化鋁陶瓷/氧化鋁陶瓷的磨損率甚至達(dá)到了0.001mm/年，是金屬對(duì)聚乙烯磨損率（0.2）的1/200。憑借其極低的磨損率，氧化鋁陶瓷人工關(guān)節(jié)近年來(lái)在臨床應(yīng)用方面取得了重大成績(jī)。

2.標(biāo)準(zhǔn)的變化情況

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1994年第一次發(fā)布了關(guān)于高純氧化鋁陶瓷的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6474:1994[3]。我國(guó)將其等同轉(zhuǎn)化為GB/T 22750-2008[4]，于2008年12月30日發(fā)布，并于2009年12月1日開(kāi)始實(shí)施。從20世紀(jì)70年代氧化鋁陶瓷首次使用以來(lái)，氧化鋁陶瓷不斷地發(fā)展進(jìn)步，可以劃分為三代。第一代氧化鋁陶瓷是一種低密度材料，微觀結(jié)構(gòu)較粗。而目前第三代氧化鋁陶瓷具有高密度、很小的晶粒尺寸、極高的化學(xué)純度和穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)和促進(jìn)氧化鋁陶瓷材料的發(fā)展，ISO組織于2010年又發(fā)布了ISO 6474-1:2010版[5]，代替了94版標(biāo)準(zhǔn)，2010版標(biāo)準(zhǔn)與94版標(biāo)準(zhǔn)相比，發(fā)生了許多重大的變化。

3.標(biāo)準(zhǔn)的主要差異解析

（1）標(biāo)準(zhǔn)體系的差別

ISO 6474:1994只有一個(gè)部分，即高純氧化鋁陶瓷材料。而ISO 6474: 2010版標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)，分為兩個(gè)部分，即ISO 6474-1 高純氧化鋁陶瓷材料和ISO 6474-2 氧化鋯增韌高純氧化鋁基復(fù)合材料，增加了第二部分。

（2）更新并增加了大量的規(guī)范性引用文件

（3）在分類(lèi)中增加了測(cè)試分類(lèi)的內(nèi)容

ISO 6474:1994版標(biāo)準(zhǔn)在分類(lèi)中只規(guī)定了材料的分類(lèi)，新版標(biāo)準(zhǔn)將測(cè)試分為兩類(lèi)，一類(lèi)是周期生產(chǎn)控制需要的測(cè)試，包括體積密度、化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。此類(lèi)測(cè)試需要制造商生產(chǎn)每批產(chǎn)品均進(jìn)行測(cè)試。另一類(lèi)是代表通用材料規(guī)范需要的測(cè)試，此類(lèi)測(cè)試除了周期生產(chǎn)控制需要的測(cè)試項(xiàng)目以外，還包括楊氏模量、斷裂韌性、硬度、耐磨損性、疲勞性能。測(cè)試分類(lèi)的優(yōu)勢(shì)在于制造商在對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品性能充分了解之后，可以減少試驗(yàn)的數(shù)量，只控制那些在生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生變化，需要重點(diǎn)控制的過(guò)程和工藝。這樣既保證了產(chǎn)品的性能穩(wěn)定，又減少了試驗(yàn)數(shù)量，提高了工作效率。

（4）材料性能要求的變化

a. 體積密度的表述由“體積密度”更改為“平均體積密度”，這樣的表述符合試驗(yàn)方法ISO 18754的描述。更正了ISO 6474: 1994版的錯(cuò)誤，將體積密度的單位由“g/m3”修改為“kg/ m3×103”。

b. 將A類(lèi)材料的Al2O3含量下限由99.5%提高到99.7%。

c. 降低了A類(lèi)和B類(lèi)材料中添加劑MgO的含量上限，由94版的0.3%降低到0.2%。

d. 放寬了B類(lèi)材料中雜質(zhì)限量的上限，由0.1%放寬到0.3%，并明確了堿金屬氧化物的成分為Na2O。94版中氧化鋁+MgO+雜質(zhì)的含量上限總和為99.9%，理論上有0.1%的成分沒(méi)有確定，而新標(biāo)準(zhǔn)中氧化鋁+MgO+雜質(zhì)的含量上限總和為100%。新版標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)組成的修改使得氧化鋁陶瓷的化學(xué)組成更加合理。

e. 提高了線性截距晶粒尺寸和線性截距晶粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差的要求，A類(lèi)材料的線性截距晶粒尺寸由4.5μm下降到2.5μm，標(biāo)準(zhǔn)要求提高了44%，標(biāo)準(zhǔn)偏差由54%（2.6μm）下降到25%；B類(lèi)材料的線性截距晶粒尺寸由7.0μm下降到3.5μm，標(biāo)準(zhǔn)要求提高了50%，標(biāo)準(zhǔn)偏差由50%（3.5μm）下降到25%。微觀結(jié)構(gòu)的重大變化，顯示出氧化鋁陶瓷的生產(chǎn)工藝取得了重大進(jìn)步，特別是采用熱等靜壓工藝以后生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷晶粒更細(xì)，尺寸更均勻。

f. 在材料的強(qiáng)度性能方面，新版標(biāo)準(zhǔn)將A類(lèi)材料的平均雙軸彎曲強(qiáng)度由250MPa提高到300MPa，新版標(biāo)準(zhǔn)將雙軸彎曲強(qiáng)度的試驗(yàn)方法也進(jìn)行了修訂，由94版標(biāo)準(zhǔn)的5.4條款修改為參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 1499，二者的主要區(qū)別在于94版的試驗(yàn)方法對(duì)夾具形狀和尺寸做出了具體規(guī)定，而ASTM C 1499不對(duì)夾具進(jìn)行具體規(guī)定，只要能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)要求即可。此外新版標(biāo)準(zhǔn)還增加了材料強(qiáng)度試驗(yàn)的種類(lèi)，除了94版規(guī)定的雙軸彎曲試驗(yàn)以外又增加了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可供選擇。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)反應(yīng)的是氧化鋁陶瓷在單向受力狀態(tài)下的抗彎曲能力，此試驗(yàn)試樣制備簡(jiǎn)便，試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行。由于陶瓷屬于脆性材料，其強(qiáng)度值很分散，故在工程設(shè)計(jì)中不僅考慮強(qiáng)度平均值，還需從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度注意其分散程度，新版標(biāo)準(zhǔn)又增加了Weibull模量來(lái)表征材料強(qiáng)度分散性。

g. 新版標(biāo)準(zhǔn)增加了楊氏模量的要求。楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。根據(jù)胡克定律，在物體的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比值被稱(chēng)為材料的楊氏模量，它是表征材料性質(zhì)的一個(gè)物理量，僅取決于材料本身的物理性質(zhì)。楊氏模量的大小標(biāo)志了材料的剛性，楊氏模量越大，越不容易發(fā)生形變。測(cè)定陶瓷材料的楊氏模量有多種試驗(yàn)方法，新版標(biāo)準(zhǔn)推薦的有聲頻共振法(ISO 17561)、脈沖激振法(ASTM C1198)和聲速法（ASTM C1331）。其中聲頻共振法和脈沖激振法均是給試樣一個(gè)信號(hào)，然后通過(guò)接收器接收反饋信號(hào)，得出測(cè)試材料的頻率，再通過(guò)公式計(jì)算出測(cè)試材料的楊氏模量。聲速法是通過(guò)給試樣施加超聲信號(hào)，測(cè)試信號(hào)在試樣中的傳播時(shí)間，得出傳播速度，再通過(guò)公式計(jì)算楊氏模量。

h. 新版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A類(lèi)材料增加了斷裂韌性試驗(yàn)的要求。氧化鋁陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)中，氧離子和鋁離子通過(guò)強(qiáng)離子鍵結(jié)合在一起。強(qiáng)離子鍵賦予陶瓷材料很高的耐壓強(qiáng)度、硬度及很好的化學(xué)惰性。但是這種強(qiáng)離子鍵的結(jié)合也帶來(lái)了陶瓷材料的脆性，脆性使得裂紋容易在陶瓷材料中容易擴(kuò)展，這是陶瓷材料在人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域應(yīng)用中最令人擔(dān)憂的問(wèn)題。陶瓷材料在制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的微小氣孔，手術(shù)中不可見(jiàn)的損傷以及患者術(shù)后劇烈運(yùn)動(dòng)或創(chuàng)傷都有可能導(dǎo)致陶瓷材料的破裂。根據(jù)臨床數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，氧化鋁陶瓷的破裂率為0.021%。因此新版標(biāo)準(zhǔn)增加了斷裂韌性試驗(yàn)的要求。

斷裂韌性表征的是材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)。當(dāng)裂紋尺寸一定時(shí)，材料的斷裂韌性值愈大，其裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力就愈大；當(dāng)給定外力時(shí)，若材料的斷裂韌性值愈高，其裂紋達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的臨界尺寸就愈大。

新版標(biāo)準(zhǔn)推薦了三種斷裂韌性試驗(yàn)方法，單邊V型切口梁法（SEVNB，ISO 23146）、單邊切口梁法（SEPB，ISO 15732）和表面裂紋彎曲法（SCF，ISO 18756）。

i. 新版標(biāo)準(zhǔn)增加了維氏硬度的要求(HV1)。硬度是陶瓷材料一個(gè)主要力學(xué)性能指標(biāo)，它與材料的強(qiáng)度、耐磨性、韌性及材料成分、微觀結(jié)構(gòu)等有著密切關(guān)系。陶瓷材料的硬度是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)牢固性的表現(xiàn)，主要取決于其內(nèi)部化學(xué)鍵的類(lèi)型和強(qiáng)度。常用的測(cè)試方法有維氏硬度、努普硬度和洛氏硬度。維氏硬度由英國(guó)科學(xué)家維克斯首先提出。使用相對(duì)面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭以9.807N（HV1）的負(fù)荷作用于材料表面，保持規(guī)定時(shí)間后，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，再按公式來(lái)計(jì)算硬度的大小。

j. 新版標(biāo)準(zhǔn)取消了陶瓷與陶瓷部件接觸時(shí)磨損體積的要求。因?yàn)橹踩胛锏哪p性能不是材料的單一性能，而是一種材料的綜合特性。磨損性能與預(yù)期與它配伍的材料、預(yù)期的使用環(huán)境和手術(shù)技術(shù)等息息相關(guān)。因此，需要植入物制造商按照生產(chǎn)的陶瓷植入物部件的預(yù)期用途自行設(shè)計(jì)并進(jìn)行磨損試驗(yàn)，并評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果。制造商在進(jìn)行磨損試驗(yàn)時(shí)可參考ISO 14242-1，ISO 14242-2，ISO 14242-3，ISO 14243-1，ISO 14243-2，ISO 14243-3進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。

k.新版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A類(lèi)材料增加了循環(huán)疲勞試驗(yàn)。人們對(duì)陶瓷材料是否存在疲勞性能存在爭(zhēng)議，許多人認(rèn)為陶瓷材料不存在疲勞效應(yīng)[6]。許多學(xué)者對(duì)陶瓷材料在循環(huán)載荷作用下的斷裂行為進(jìn)行了研究，對(duì)于短期斷裂分析，強(qiáng)度可看作材料常數(shù)，載荷達(dá)到強(qiáng)度值時(shí)就會(huì)發(fā)生破壞，而疲勞是指材料長(zhǎng)期受低于強(qiáng)度值的載荷作用發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。周期性的載荷稱(chēng)為循環(huán)疲勞。從大量的靜載荷和循環(huán)載荷作用的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，氧化鋁陶瓷材料會(huì)表現(xiàn)出循環(huán)疲勞效應(yīng)。在循環(huán)壓縮載荷作用下陶瓷材料的應(yīng)力集中處(如缺口)會(huì)產(chǎn)生垂直于壓應(yīng)力線的疲勞裂紋，隨循環(huán)周次的增加裂紋的擴(kuò)展由快到慢最終完全停止。一般認(rèn)為，陶瓷材料的疲勞可分為兩個(gè)過(guò)程[7]，先是由眾多的微缺陷中慢慢發(fā)展出一條主裂紋的損傷過(guò)程，隨后是主裂紋的緩慢亞臨界擴(kuò)展直至最后失穩(wěn)斷裂。

通常認(rèn)為患者植入假體后的運(yùn)動(dòng)量為100萬(wàn)次/年，新版標(biāo)準(zhǔn)要求在200MPa的循環(huán)彎曲載荷下進(jìn)行1000萬(wàn)次循環(huán)疲勞試驗(yàn)不得失效，是模擬陶瓷材料在人體中植入十年的疲勞狀況。此試驗(yàn)與四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)類(lèi)似，只不過(guò)此試驗(yàn)是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法可參考ISO 22214。

（5）新版標(biāo)準(zhǔn)增加了“樣品的制備”一章

94版標(biāo)準(zhǔn)僅在試驗(yàn)方法中提到了微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、雙軸彎曲試驗(yàn)和耐磨性試驗(yàn)的試樣制備，沒(méi)有關(guān)于樣品制備獨(dú)立的章節(jié)。新版標(biāo)準(zhǔn)與94版標(biāo)準(zhǔn)在樣品的制備方面主要的區(qū)別在于規(guī)定了試樣制備的通用原則，即試樣的生產(chǎn)應(yīng)與正常生產(chǎn)的植入物在原料、成型技術(shù)、高溫?zé)Y(jié)和機(jī)加工方面完全一致，能夠反映正常生產(chǎn)的產(chǎn)品的性能。增加此條款后，使得新版標(biāo)準(zhǔn)更內(nèi)容更全面，而且也更加合理和更具可操作性。

（6）新版標(biāo)準(zhǔn)更新了部分試驗(yàn)方法

新版標(biāo)準(zhǔn)將體積密度的試驗(yàn)方法由ISO 5017更新為ISO 18754；化學(xué)組成的試驗(yàn)方法由ASTM C573更新為ISO 12677，雙軸彎曲強(qiáng)度的試驗(yàn)方法由ISO 6474-1994中的5.4條款更新為ASTM C1499。新版標(biāo)準(zhǔn)除了更新了原有的試驗(yàn)方法以外，對(duì)于新增加的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度、楊氏模量、 斷裂韌性、硬度和循環(huán)疲勞試驗(yàn)均規(guī)定了詳細(xì)的試驗(yàn)方法和參考標(biāo)準(zhǔn)。

（7）新版標(biāo)準(zhǔn)增加了試驗(yàn)報(bào)告一章

4.結(jié)論

ISO 6474-1:2010新版標(biāo)準(zhǔn)與ISO 6474:1994原版標(biāo)準(zhǔn)相比，明確了測(cè)試分類(lèi)，減少了試驗(yàn)數(shù)量，提高了工作效率；在材料性能要求方面對(duì)原有的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、平均雙彎曲強(qiáng)度的要求均有所提高，而且增加了平均四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度、Weibull模量、楊氏模量、斷裂韌性、硬度、循環(huán)疲勞等多項(xiàng)反映氧化鋁陶瓷性能的技術(shù)指標(biāo)；并且刪除了原標(biāo)準(zhǔn)中陶瓷與陶瓷部件接觸時(shí)磨損體積的要求?？傊掳鏄?biāo)準(zhǔn)一方面反映了氧化鋁陶瓷在原材料和制造工藝方面的進(jìn)步，另一方面比原標(biāo)準(zhǔn)更加完善、更加具體、更具可實(shí)施性，也與現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相銜接。

[1] Charnley, J., et al, The Nine and Ten Year Result Low-Friction Arthroplasty of the Hip, Clinical Orthopaedics and Related Research, Vol. 95:9-25, 1973.

[2] Boutin, P, Arthroplastie Totale de Hanche par Prosthes en Alumine Fritte, Rev Chir Orthop, Vol. 58:229-246, 1972.

[3] ISO 6474：1994 Implants for surgery—Ceramic material based on high purity alumina

[4] GB/T 22750-2008 外科植入物用高純氧化鋁陶瓷材料

[5] ISO 6474-1:2010 Implants for surgery—Ceramic material—Part 1 : Ceramic material based on high purity alumina

[6] S.Surech, Fatigue of Materials, Cambridge University, 1991.

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MA Chun-bao LI Yuan JIANG Xi FAN Bo Supervision and Testing Center for Medical Devices of TianJin (TianJin 300384)

This paper compares the differencesImplants for Surgery-Ceramic materials based on high purity aluminabetween ISO 6474-1:2010 new standard and ISO 6474:1994 original standard. The old and new standards in the classification, material properties, sample preparation, test method, test report and other differences are analyzed in detail and explanation. In this paper, the relevant person deepen the understanding of the new standards, conduce to more comprehensive, systematic mastery and application of new edition standard.

ISO 6474, difference, parse

Parse of Primary Difference Between ISO 6474-1:2010 and ISO 6474:1994Implants for Surgery-Ceramic Materials Based on High Purity Alumina

1006-6586(2013)04-0039-05

R318.08

A

2012-11-26

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