《外科植入物用高纯氧化铝陶瓷材料》ISO 6474-1:2010与ISO 6474 :1994主要差异解析

马春宝 李沅 姜熙 樊铂 天津市医疗器械质量监督检验中心 （天津 300384）

《外科植入物用高纯氧化铝陶瓷材料》ISO 6474-1:2010与ISO 6474 :1994主要差异解析

马春宝 李沅 姜熙 樊铂 天津市医疗器械质量监督检验中心 （天津 300384）

本文详细比较了《外科植入物用高纯氧化铝陶瓷材料》ISO 6474-1:2010新版标准与ISO 6474:1994原版标准之间的差异，并对新旧标准在分类、材料性能、样品制备、试验方法、试验报告等方面的差异进行了详细的分析和解读。本文可使相关人员加深对新版标准的理解，有助于更全面、系统地掌握和应用新版标准。

ISO 6474 差异 解析

1.关于高纯氧化铝陶瓷材料简介

全髋关节置换术是最成功的外科手术之一，20世纪60年代英国著名骨科专家Charnley倡导的由金属股骨头和超高分子量聚乙烯内衬组配而成的髋关节假体一度成为髋关节假体设计的金标准[1]。但是关节界面的磨损颗粒在体内导致的假体周围骨溶解、骨吸收、骨缺损，最终导致假体松动这一严重后果也不容忽视。

因此，努力降低关节假体的磨损颗粒，以及探寻低磨损率的关节面材料，成为人工关节材料学领域的重要课题。为了解决此问题，先后出现了金属对高交联聚乙烯关节面配伍和金属对金属关节面配伍。高交联聚乙烯比一般聚乙烯的磨损率低50%，但仍然没有从根本上解决磨损颗粒的问题。金属对金属配伍产生的磨损颗粒远低于传统的金属对聚乙烯配伍产生的磨损颗粒，但是金属对金属磨损产生的金属离子，会出现假体周围过敏反应，同样限制其大量应用。

氧化铝陶瓷以硬度高、浸润性好、优良的生物相容性、极低的摩擦系数等诸多优点逐渐被大家认可。上个世纪70年代，法国的Boutin教授首次使用陶瓷球头[2]，以减少聚乙烯臼杯的磨损。实验室的研究表明氧化铝陶瓷/聚乙烯的磨损率为0.1mm/年，是金属对聚乙烯磨损率（0.2）的1/2，而氧化铝陶瓷/氧化铝陶瓷的磨损率甚至达到了0.001mm/年，是金属对聚乙烯磨损率（0.2）的1/200。凭借其极低的磨损率，氧化铝陶瓷人工关节近年来在临床应用方面取得了重大成绩。

2.标准的变化情况

国际标准化组织(ISO)于1994年第一次发布了关于高纯氧化铝陶瓷的国际标准ISO 6474:1994[3]。我国将其等同转化为GB/T 22750-2008[4]，于2008年12月30日发布，并于2009年12月1日开始实施。从20世纪70年代氧化铝陶瓷首次使用以来，氧化铝陶瓷不断地发展进步，可以划分为三代。第一代氧化铝陶瓷是一种低密度材料，微观结构较粗。而目前第三代氧化铝陶瓷具有高密度、很小的晶粒尺寸、极高的化学纯度和稳定的晶体结构。为了适应和促进氧化铝陶瓷材料的发展，ISO组织于2010年又发布了ISO 6474-1:2010版[5]，代替了94版标准，2010版标准与94版标准相比，发生了许多重大的变化。

3.标准的主要差异解析

（1）标准体系的差别

ISO 6474:1994只有一个部分，即高纯氧化铝陶瓷材料。而ISO 6474: 2010版标准是一个系列标准，分为两个部分，即ISO 6474-1 高纯氧化铝陶瓷材料和ISO 6474-2 氧化锆增韧高纯氧化铝基复合材料，增加了第二部分。

（2）更新并增加了大量的规范性引用文件

（3）在分类中增加了测试分类的内容

ISO 6474:1994版标准在分类中只规定了材料的分类，新版标准将测试分为两类，一类是周期生产控制需要的测试，包括体积密度、化学组成、微观结构和强度。此类测试需要制造商生产每批产品均进行测试。另一类是代表通用材料规范需要的测试，此类测试除了周期生产控制需要的测试项目以外，还包括杨氏模量、断裂韧性、硬度、耐磨损性、疲劳性能。测试分类的优势在于制造商在对生产的产品性能充分了解之后，可以减少试验的数量，只控制那些在生产过程中可能发生变化，需要重点控制的过程和工艺。这样既保证了产品的性能稳定，又减少了试验数量，提高了工作效率。

（4）材料性能要求的变化

a. 体积密度的表述由“体积密度”更改为“平均体积密度”，这样的表述符合试验方法ISO 18754的描述。更正了ISO 6474: 1994版的错误，将体积密度的单位由“g/m3”修改为“kg/ m3×103”。

b. 将A类材料的Al2O3含量下限由99.5%提高到99.7%。

c. 降低了A类和B类材料中添加剂MgO的含量上限，由94版的0.3%降低到0.2%。

d. 放宽了B类材料中杂质限量的上限，由0.1%放宽到0.3%，并明确了碱金属氧化物的成分为Na2O。94版中氧化铝+MgO+杂质的含量上限总和为99.9%，理论上有0.1%的成分没有确定，而新标准中氧化铝+MgO+杂质的含量上限总和为100%。新版标准化学组成的修改使得氧化铝陶瓷的化学组成更加合理。

e. 提高了线性截距晶粒尺寸和线性截距晶粒尺寸标准偏差的要求，A类材料的线性截距晶粒尺寸由4.5µm下降到2.5µm，标准要求提高了44%，标准偏差由54%（2.6µm）下降到25%；B类材料的线性截距晶粒尺寸由7.0µm下降到3.5µm，标准要求提高了50%，标准偏差由50%（3.5µm）下降到25%。微观结构的重大变化，显示出氧化铝陶瓷的生产工艺取得了重大进步，特别是采用热等静压工艺以后生产的氧化铝陶瓷晶粒更细，尺寸更均匀。

f. 在材料的强度性能方面，新版标准将A类材料的平均双轴弯曲强度由250MPa提高到300MPa，新版标准将双轴弯曲强度的试验方法也进行了修订，由94版标准的5.4条款修改为参考美国标准ASTM C 1499，二者的主要区别在于94版的试验方法对夹具形状和尺寸做出了具体规定，而ASTM C 1499不对夹具进行具体规定，只要能够满足试验要求即可。此外新版标准还增加了材料强度试验的种类，除了94版规定的双轴弯曲试验以外又增加了四点弯曲试验可供选择。四点弯曲试验反应的是氧化铝陶瓷在单向受力状态下的抗弯曲能力，此试验试样制备简便，试验简单易行。由于陶瓷属于脆性材料，其强度值很分散，故在工程设计中不仅考虑强度平均值，还需从统计学角度注意其分散程度，新版标准又增加了Weibull模量来表征材料强度分散性。

g. 新版标准增加了杨氏模量的要求。杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。测定陶瓷材料的杨氏模量有多种试验方法，新版标准推荐的有声频共振法(ISO 17561)、脉冲激振法(ASTM C1198)和声速法（ASTM C1331）。其中声频共振法和脉冲激振法均是给试样一个信号，然后通过接收器接收反馈信号，得出测试材料的频率，再通过公式计算出测试材料的杨氏模量。声速法是通过给试样施加超声信号，测试信号在试样中的传播时间，得出传播速度，再通过公式计算杨氏模量。

h. 新版标准对A类材料增加了断裂韧性试验的要求。氧化铝陶瓷材料的晶体结构中，氧离子和铝离子通过强离子键结合在一起。强离子键赋予陶瓷材料很高的耐压强度、硬度及很好的化学惰性。但是这种强离子键的结合也带来了陶瓷材料的脆性，脆性使得裂纹容易在陶瓷材料中容易扩展，这是陶瓷材料在人工关节领域应用中最令人担忧的问题。陶瓷材料在制造过程中可能出现的微小气孔，手术中不可见的损伤以及患者术后剧烈运动或创伤都有可能导致陶瓷材料的破裂。根据临床数据统计，氧化铝陶瓷的破裂率为0.021%。因此新版标准增加了断裂韧性试验的要求。

断裂韧性表征的是材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。

新版标准推荐了三种断裂韧性试验方法，单边V型切口梁法（SEVNB，ISO 23146）、单边切口梁法（SEPB，ISO 15732）和表面裂纹弯曲法（SCF，ISO 18756）。

i. 新版标准增加了维氏硬度的要求(HV1)。硬度是陶瓷材料一个主要力学性能指标，它与材料的强度、耐磨性、韧性及材料成分、微观结构等有着密切关系。陶瓷材料的硬度是其内部结构牢固性的表现，主要取决于其内部化学键的类型和强度。常用的测试方法有维氏硬度、努普硬度和洛氏硬度。维氏硬度由英国科学家维克斯首先提出。使用相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头以9.807N（HV1）的负荷作用于材料表面，保持规定时间后，测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。

j. 新版标准取消了陶瓷与陶瓷部件接触时磨损体积的要求。因为植入物的磨损性能不是材料的单一性能，而是一种材料的综合特性。磨损性能与预期与它配伍的材料、预期的使用环境和手术技术等息息相关。因此，需要植入物制造商按照生产的陶瓷植入物部件的预期用途自行设计并进行磨损试验，并评价试验结果。制造商在进行磨损试验时可参考ISO 14242-1，ISO 14242-2，ISO 14242-3，ISO 14243-1，ISO 14243-2，ISO 14243-3进行试验设计和评价。

k.新版标准对A类材料增加了循环疲劳试验。人们对陶瓷材料是否存在疲劳性能存在争议，许多人认为陶瓷材料不存在疲劳效应[6]。许多学者对陶瓷材料在循环载荷作用下的断裂行为进行了研究，对于短期断裂分析，强度可看作材料常数，载荷达到强度值时就会发生破坏，而疲劳是指材料长期受低于强度值的载荷作用发生断裂的现象。周期性的载荷称为循环疲劳。从大量的静载荷和循环载荷作用的对比研究中发现，氧化铝陶瓷材料会表现出循环疲劳效应。在循环压缩载荷作用下陶瓷材料的应力集中处(如缺口)会产生垂直于压应力线的疲劳裂纹，随循环周次的增加裂纹的扩展由快到慢最终完全停止。一般认为，陶瓷材料的疲劳可分为两个过程[7]，先是由众多的微缺陷中慢慢发展出一条主裂纹的损伤过程，随后是主裂纹的缓慢亚临界扩展直至最后失稳断裂。

通常认为患者植入假体后的运动量为100万次/年，新版标准要求在200MPa的循环弯曲载荷下进行1000万次循环疲劳试验不得失效，是模拟陶瓷材料在人体中植入十年的疲劳状况。此试验与四点弯曲强度试验类似，只不过此试验是动态试验，试验方法可参考ISO 22214。

（5）新版标准增加了“样品的制备”一章

94版标准仅在试验方法中提到了微观结构试验、双轴弯曲试验和耐磨性试验的试样制备，没有关于样品制备独立的章节。新版标准与94版标准在样品的制备方面主要的区别在于规定了试样制备的通用原则，即试样的生产应与正常生产的植入物在原料、成型技术、高温烧结和机加工方面完全一致，能够反映正常生产的产品的性能。增加此条款后，使得新版标准更内容更全面，而且也更加合理和更具可操作性。

（6）新版标准更新了部分试验方法

新版标准将体积密度的试验方法由ISO 5017更新为ISO 18754；化学组成的试验方法由ASTM C573更新为ISO 12677，双轴弯曲强度的试验方法由ISO 6474-1994中的5.4条款更新为ASTM C1499。新版标准除了更新了原有的试验方法以外，对于新增加的四点弯曲强度、杨氏模量、 断裂韧性、硬度和循环疲劳试验均规定了详细的试验方法和参考标准。

（7）新版标准增加了试验报告一章

4.结论

ISO 6474-1:2010新版标准与ISO 6474:1994原版标准相比，明确了测试分类，减少了试验数量，提高了工作效率；在材料性能要求方面对原有的化学组成、微观结构、平均双弯曲强度的要求均有所提高，而且增加了平均四点弯曲强度、Weibull模量、杨氏模量、断裂韧性、硬度、循环疲劳等多项反映氧化铝陶瓷性能的技术指标；并且删除了原标准中陶瓷与陶瓷部件接触时磨损体积的要求。总之，新版标准一方面反映了氧化铝陶瓷在原材料和制造工艺方面的进步，另一方面比原标准更加完善、更加具体、更具可实施性，也与现行的相关标准相衔接。

[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 外科植入物用高纯氧化铝陶瓷材料

[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.

[7] 金宗哲,包亦望. 脆性材料力学性能评价与设计[M]. 中国铁道出版社,1996

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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