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人工关节材料作为重要的生物材料组成部分,近百年来,特别是近20年来得到了长足的发展。现有的金属/金属、金属/聚乙烯、陶瓷/聚乙烯、金属/陶瓷人工关节磨损率高,会产生各种各样的磨屑,特别是聚乙烯磨屑会引起生物反应,导致骨吸收而引起移植体松动。无菌性移植体松动是矫形外科医生现在遇到的最大难题。陶瓷/陶瓷人工关节磨损率低,是一种很有希望的配对组合。目前用于人工关节的陶瓷材料主要是Al2O3和Y-TZP,但Al2O3由于强度低,撞击和应力集中会导致关节破坏,因而还需要进一步的改进。尽管Y-TZP的抗弯强度和断裂韧性较好,但Y-TZP的低温老化现象严重。Ce-TZP与Y-TZP相比,具有更高的抗低温老化特性,对于整形外科应用Ce-TZP/Al2O3结合了氧化铝和氧化锆两者的优势,比单相具有更高的可靠性。
本文首先采用共沉淀法制备了组成分别为8,10,12 mol％Ce-TZP的Zr(OH)4和Ce(OH)4混合胶体,然后在混合胶体中分别添加90 vol％、80 vol％日本低温易烧结氧化铝粉料及80vol％国产高纯纳米氧化铝,制备了10 vol％Ce-TZP/90 vol％Al2O3和20vol％Ce-TZP/80 vol％Al2O3两种复合材料(分别记为JZTA-90％Al2O3、JZTA-80％Al2O3和CZTA-80％Al2O3)。通过在700℃下煅烧得到所需粉料,并进行XRD相分析。经干压和等静压成型的ZTA材料分别在1350℃,1400℃,1450℃,1500℃,1550℃和1600℃常压下保温2 h烧成,结合SEM、XRD测试研究了烧成温度、稳定剂CeO2和不同氧化铝起始原料对ZTA复合材料烧结性能、表面和断口的ZrO2相组成、显微结构和力学性能的影响。烧成后的ZTA试样在37℃的SBF溶液中研究了ZTA试样的耐磨性；试样浸泡在37℃的SBF溶液中一个月,考察其体外相稳定性。
XRD分析显示,采用此工艺方法制备的ZTA粉料中ZrO2均为t-ZrO2,国产纳米Al2O3比日本Al2O3粉料粒度细,从而更易于t-ZrO2的异质成核和抑制t-ZrO2晶粒长大；同时CeP2在一定程度上有抑制t-ZrO2晶粒长大的作用。1500℃烧成的8JZTA-90％Al2O3、8JZTA-80％Al2O3与10CZTA-80％Al2O3获得最高的抗弯强度,分别是579 MPa、790 MPa、824 MPa。JZTA中,1450℃烧成的10JZTA-90％Al2O3和10JZTA-80％A12O3取得最大硬度,分别为18.9 GPa、17.8 GPa;CZTA-80％Al2O3中获得最大硬度的是在1500℃烧成的10CZTA-80％Al2O3,为16.3 Gpa。采用直接压痕法测得的最大断裂韧性值为:JZTA中在1500℃烧成8JZTA-90％Al2O3、8JZTA-80％Al2O3的断裂韧性值最大,分别是5.9MPa·m1/2和7.6 MPa·m1/2,CZTA-80％Al2O3中8CZTA-80％Al2O3在1500℃烧成时的断裂韧性值最大,为7.9 MPa·m1/2;采用单边切口梁法测得的最大断裂韧性值为：JZTA-90％Al2O3中8JZTA-90％Al2O3在1500℃烧成时的断裂韧性最大,为13.7MPa·m1/2;JZTA-80％Al2O3中8JZTA-80％Al2O3在1500℃烧成时的断裂韧性最大,为14.2 MPa·m1/2;CZTA-80％Al2O3中10JZTA-80％Al2O3在1550℃烧成时的断裂韧性最大,为18.4 MPa·m1/2。在37℃SBF溶液中滑动2 km后,JZTA-90％Al2O3中以8JZTA-90％Al2O3-1500℃的体积磨损率最低,为0.96×10-6 mm3/Nm：8JZTA-80％Al2O3-1500℃以1.26×10 mm3/Nm的体积磨损率在JZTA-80％Al2O3的耐磨性能比较中位居最佳；而在CZTA-80％Al2O3的耐磨性测试中,体积磨损率最低的是10CZTA-80％Al2O3-1500℃,为1.70×10-6 mm3/Nm,ZTA材料的t-ZrO2→m-ZrO2的相变有助于提高其耐磨性。ZTA试样在SBF溶液中浸泡一个月后,其可抗弯强度略有减小,抛光表面的m-ZrO2相含量虽有一定的变化,但与相稳定无关。