在醫(yī)療植入物領(lǐng)域，材料的性能直接決定了植入物的使用壽命和患者的生活質(zhì)量。對(duì)于年輕患者而言，由于植入物需要在體內(nèi)長(zhǎng)期留存，因此對(duì)材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、耐久性和生物相容性提出了更高要求。采用HIP熱等靜壓技術(shù)致密化的先進(jìn)陶瓷，憑借其優(yōu)異的綜合性能，正在成為傳統(tǒng)植入物材料的優(yōu)化選項(xiàng)，為推動(dòng)高性能陶瓷醫(yī)療植入物的發(fā)展提供了關(guān)鍵支撐。
先進(jìn)陶瓷：強(qiáng)度與可靠性雙在線(xiàn)
符合氧化鋁-氧化鋯復(fù)合醫(yī)療植入物 ISO 標(biāo)準(zhǔn)（例如 ISO 6474-2，X 型）的陶瓷植入物，顯著降低了機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)，即使在高負(fù)荷、高磨損和腐蝕環(huán)境下，能保持結(jié)構(gòu)完整性，最高負(fù)荷關(guān)節(jié)的故障概率低于6σ水平，即每百萬(wàn)個(gè)植入物中少于3.4個(gè)。
不過(guò)，要讓脆性陶瓷達(dá)到這樣的高強(qiáng)度和可靠水平，需要大量的材料和加工知識(shí)。目前，大型先進(jìn)陶瓷制造商和研究機(jī)構(gòu)已能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。隨著相關(guān)知識(shí)體系的拓展，新的陶瓷增材制造商（AM）也有望達(dá)到X型標(biāo)準(zhǔn)。
要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，熱處理（脫脂、燒結(jié)和熱等靜壓）的策略和參數(shù)將決定最終性能。這些工藝可以使組件達(dá)到幾乎無(wú)孔隙的狀態(tài)，以確?；静牧蠌?qiáng)度，并使其能夠?qū)⒈砻嫜心ァ伖庵列枰谋砻娲植诙龋≧a在低納米級(jí)），從而最大限度地減少關(guān)節(jié)表面的侵蝕磨損。這需要：
嚴(yán)格執(zhí)行基礎(chǔ)陶瓷工藝
全方位控制化學(xué)成分與均勻性、晶粒尺寸分布、粘結(jié)劑和加工助劑、漿料、顆粒
每個(gè)步驟保持高度工藝衛(wèi)生水平
正確脫脂
燒結(jié)策略：盡可能低的燒結(jié)溫度
燒結(jié)溫度和時(shí)間達(dá)到封閉孔隙和氣密表面的狀態(tài)即可，為后續(xù)HIP操作創(chuàng)造條件。這能最大程度降低變形、反應(yīng)以及接觸點(diǎn)變形的風(fēng)險(xiǎn)。
降低晶粒異常生長(zhǎng)。晶粒生長(zhǎng)會(huì)降低基本材料強(qiáng)度，在冷卻過(guò)程中導(dǎo)致PSZ發(fā)生不必要的相變。
陶瓷材料不可在過(guò)高的溫度下燒結(jié)。高溫?zé)Y(jié)會(huì)導(dǎo)致晶粒尺寸過(guò)大或出現(xiàn)異常，則無(wú)法通過(guò)HIP熱等靜壓后處理進(jìn)行“修復(fù)”。
HIP熱等靜壓致密化
如果組件在燒結(jié)后獲得氣密性，那么在熱等靜壓過(guò)程中，利用高壓和高溫產(chǎn)生的活化能，將實(shí)現(xiàn)近乎完全致密化。HIP溫度通?？梢栽O(shè)定得低于燒結(jié)溫度，以避免晶粒生長(zhǎng)。優(yōu)化后的燒結(jié)和HIP工藝可使材料強(qiáng)度提升30%以上，在特定情況下可以超過(guò)100%。
大型醫(yī)療關(guān)節(jié)植入物市場(chǎng)：現(xiàn)狀與趨勢(shì)
2022年，美國(guó)植入的初次髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物超過(guò)200萬(wàn)個(gè)，翻修植入物約占10%。在陶瓷植入物發(fā)展方面，采用CoP（陶瓷聚合物）系統(tǒng)的髖關(guān)節(jié)股骨頭在2022年已在美國(guó)占據(jù)75%的市場(chǎng)份額，而使用陶瓷的其他關(guān)節(jié)植入物的比例較低。從未來(lái)趨勢(shì)看，出生率低且人均壽命延長(zhǎng)，未來(lái)幾十年對(duì)醫(yī)療植入物的需求將進(jìn)一步增加。
所用植入物類(lèi)型和材料體系
髖關(guān)節(jié)植入物：陶瓷材料主流選擇
醫(yī)用關(guān)節(jié)植入物中使用最多的陶瓷材料組合是CoP髖關(guān)節(jié)植入系統(tǒng)中用于股骨頭的ZTA（ZTA復(fù)合材料由CeramTec公司于2002年商業(yè)化，商品名為BIOLOX? delta）。這種陶瓷體系通過(guò)多種成份的協(xié)同作用，可為承受髖關(guān)節(jié)高磨損負(fù)荷的體內(nèi)關(guān)鍵骨科植入物提供所需的強(qiáng)度和斷裂韌性。陶瓷植入物的耐磨性和使用壽命顯著超越傳統(tǒng)的金屬組合，減少了與炎癥和植入物排斥反應(yīng)相關(guān)的金屬離子和聚合物碎片的數(shù)量。
膝關(guān)節(jié)植入物：金屬為主，陶瓷應(yīng)用漸增
在膝關(guān)節(jié)植入物中，金屬-聚合物（MoP）仍是最常見(jiàn)組合，但陶瓷的應(yīng)用也在增加。這對(duì)金屬過(guò)敏、因植入物引發(fā)炎癥的患者以及需要延長(zhǎng)翻修間隔的年輕患者有益。為應(yīng)對(duì)持續(xù)存在的植入物排斥問(wèn)題，行業(yè)最近開(kāi)發(fā)了陶瓷表面涂層，用于密封所有暴露的金屬表面，但要達(dá)到與本體陶瓷植入物相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性能還具有挑戰(zhàn)性。
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脊柱和手指植入物：新興材料嶄露頭角
鈦合金是脊柱植入物最常用的材料，但氮化硅（Si?N?）因其優(yōu)異的生物相容性和固有的抗感染特性，應(yīng)用日益增加。它具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性，且因良好的表面化學(xué)性質(zhì)能降低感染風(fēng)險(xiǎn)，特別適合高要求的脊柱植入應(yīng)用。陶瓷（氧化鋁、ATZ、氮化硅）手指關(guān)節(jié)植入物是未來(lái)的研究方向，其尺寸和復(fù)雜幾何形狀非常適合增材制造光聚合技術(shù)。
Quintus HIP技術(shù)：提升醫(yī)療陶瓷特性
Quintus HIP技術(shù)以其卓越的性能推動(dòng)著醫(yī)療植入物的革新，進(jìn)一步突破陶瓷材料性能邊界：
? 100%理論密度：徹底消除殘余孔隙，提升產(chǎn)品致密性。
? 最小化晶粒生長(zhǎng)：精準(zhǔn)控制微觀(guān)結(jié)構(gòu)，確保材料均一性。
? 獨(dú)家URC?均勻快速冷卻技術(shù)：全程精準(zhǔn)控制溫度（最高2000°C）、壓力（2070 bar）及冷卻速率，徹底消除材料內(nèi)部缺陷。
? 極限強(qiáng)度與可靠性：滿(mǎn)足嚴(yán)苛工況需求，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。
? 智能化降本增效：全數(shù)字化連接系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化能耗，單位部件運(yùn)營(yíng)成本降低30%以上。
Quintus HIP熱等靜壓技術(shù)是制造這些陶瓷醫(yī)療植入物不可或缺的工藝。借助Quintus控溫冷卻?(Steered Cooling?)技術(shù)和Quintus Purus?技術(shù)，可以大幅提高熱等靜壓生產(chǎn)率、確保高端先進(jìn)陶瓷醫(yī)療植入物熱等靜壓加工質(zhì)量一致性。
