Циркониевая керамика в эндопротезировании

Размер зерна циркониевой керамики (0,5 мкм) меньше, чем алюминиевой. Это обусловливает лучшую полируемость и высокую износостойкость циркониевых имплантатов.

Кристаллическую структуру циркониевой керамики стабилизируют введением 3-9% магнезии MgO или оксида иттрия Y2O3.В работе[41] рассматривается керамика марки ziolox forte. Благодаря ее высоким механическим свойствам она широко применяется при производстве эндопротезов [41]. Ее более ранним аналогом является керамика марки Mg-PSZ (partially stabilized zirconia - частично стабилизированная двуокисью магния керамика на основе оксида циркония). Обе марки выпускаются фирмой CeramTec, Германия. Введение стабилизаторов преследует следующую цель. Исходный ZrO2 может находиться в трех кристаллических фазах - моноклинной, тетрагональной и кубической. Превращения фаз, происходящие при остывании спеченного имплантата, сопровождаются изменениями их объема и образованием трещин. Добавки стабилизаторов инициируют оптимальное протекание фазовых превращений. В вершинах трещин возникают локальные напряжения сжатия, препятствующие росту трещин.

Циркониевая керамика уступает алюминиевой по параметрам прочности при сжатии, но значительно прочнее ее при изгибе. Ее модуль упругости при сжатии выше, чем у сплавов Co-Cr. Спекание имплантатов методом «горячего» изостатического прессования (ГИП) позволяет повысить их плотность и механические свойства. Биологический ответ на имплантаты из циркониевой керамики такой же спокойный, как и на имплантаты из алюминиевой. Испытания in vivo показали, что эндопротезы из циркониевой керамики сохраняют биосовместимость в течение десятков лет. Можно сказать,что надлежащим образом изготовленные керамические детали эндопротезов, несмотря на хрупкость керамики, достаточно надежны. Их отказы из-за поломок случаются гораздо реже, чем по другим причинам.

Из данных литературы в области теоретических исследований деформации пористых тел видно, что интенсивные исследования процессов деформирования пористых тел привели к возникновению в области порошкового материаловедения нового направления - механики деформируемых порошковых тел. Созданное направление, основанное на континуальных представлениях, в свою очередь, обусловило формирование новой системы взглядов на процессы консолидации порошков и пористых металлов. В противоположность воззрениям, существовавшим ранее и связанным с дискретными представлениями, новые представления используют понятия и методы механики сплошной среды - порошки и пористые тела рассматриваются как сплошные микронеоднородные тела, наделённые определёнными эффективными свойствами, главным из которых является необратимая макроскопическая объёмная сжимаемость. Иными словами механика пористых тел основана на ряде положений, среди которых особое место занимает принцип эквивалентности: свойства беспористого порошкового материала в микрообъёмах аналогичны свойствам поликристаллического материала.

Хрупкое разрушение пористой керамики протекает в две стадии: образование и рост трещины критического размера. При этом рост трещины может быть контролируемым и неконтролируемым. Типичный график такого вида разрушения представлен на рис. 4. На участке ОА в материале происходит постепенное накопление энергии, приводящее к зарождению трещины или началу движения имеющейся трещины и дальнейшему контролируемому её росту (участок АB). Далее, на участке BC происходит быстрый неконтролируемый рост трещины, на этот процесс расходуется часть запасённой в материале энергии. На заключительном этапе (участок CD) снова наблюдается контролируемый рост трещины вплоть до разрушения образца. Согласно критерию Грифитса, неконтролируемый рост трещины происходит, когда

sк³ c (2gE/ak)1/2 (1.1),

где sк - номинальное критическое разрушающее напряжение, g -эффективная поверхностная энергия разрушения, E - модуль упругости, ak - критический размер трещины, c - коэффициент, характеризующий геометрию нагружения. Для обеспечения контролируемого (медленного) роста трещины необходимо, чтобы напряжения в материале были меньше sк. С присутствием пор процесс деформирования керамики приобретает характер “относительно хрупкого” материала.

Рис.4. Общий вид диаграммы при относительно хрупком разрушении материала.

Медленное распространение трещин может быть обусловлено их взаимодействием с порами.

По типу структуры пористая керамика подразделяется на ячеистую и зернистую. Ячеистая керамика может иметь пористость до 90%, зернистая - до 40%. Материалы этих типов существенно различаются и по свойствам. Структура керамики зернистого строения представляется более регулируемой. Поэтому улучшения свойств и приближения к свойствам конструкционного материала можно ожидать в этом классе керамики.