TW537907B - Artificial joint made from zirconia-alumina composite ceramic - Google Patents

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TW537907B
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Taiwan
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composite ceramic
artificial joint
zirconia
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TW090119110A
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Masahiro Nawa
Tomiharu Matsushita
Moriyoshi Kanamaru
Takashi Nakamura
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Matsushita Electric Works Ltd
Kobe Steel Ltd
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A7 B7 537907 8026pif.doc / 008 五、發明說明（I) 發明領域 本發明是有關於一種氧化鉻（Zr02)(zirc0nia)—鋁 (Alumina)複合陶瓷（Ceramic)製的人工關節，它具有優越 的耐磨損性以及高度的機械強度，可長期間提供高可靠 1生、良好的關節運動與機能。 發明背景 向來就一直使用人工關節來修復關節受傷或罹患關 節炎者的關節運動與機能。例如人工股關節是以超高分子 量聚乙烯（Polyethylene)製的白蓋杯狀部（cup)與鈷（c〇bah) 一鉻（Chromimn)合金製或氧化鋁（Al2〇3)及氧化锆之類的陶 瓷製骨構件所構成的。骨構件具有略呈球狀的骨頭，骨頭 與白蓋杯模的內表面滑動繫合’提供人工股關節的關節運 動。聚乙烯與金屬材料或陶瓷材料配合使用的場合，聚乙 烯的磨損量遠比金屬或陶瓷多。近年來的報告指出，使用 陶瓷材料，尤其是使用氧化锆的場合可有效減少聚乙烯的 磨損量。 另一方面，人工關節經過長期間使用的場合，會從 人工關節產生細微的磨損粉。例如產生大量的聚乙烯等磨 損粉時，會有以下嚴重的問題，即聚乙烯磨損粉是一種粒 徑達次微米（submicron)至數微米（micron)的細微粉末，是 造成誘發安裝在生物體內之人工關節周邊的骨頭產生溶解 現象的原因，且由於聚乙烯的磨損會在人工關節產生鬆驰 (loose)現象，結果在手術後約1〇〜15年之後，必須將生 物體內的人工股關節換成新的。 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規恪（21〇χ·297公釐） I.---------•-裝--------訂---------線# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 537907 A7 8〇26pif.doc/008 ___B/______________ 五、發明說明（> ) 一 習知的人工關節就如美國專利6,241，773號所開示的 氧化鋁陶瓷製的生物體構件。此氧化鋁陶瓷具有純度達 99.95°/。以上的氧化錦與1〇(^111以下的氧化耗（<：^1(^)或氧 化鎂（Magnesia)。此氧化鋁陶瓷具有優越的耐磨損性與超 過600Mpa的3點抗彎強度。但氧化錦陶瓷之機械特性的 誤差較大，因此，從長期間提供可靠性佳又安定之關節運 動的觀點來看，依然有改善的空間。而且也很難以咼良品 率穩定地提供上述的氧化鋁陶瓷° 另一方面，本發明人在日本公開專利公報No·1 ^ 228221號中提到生物體用氧化锆系複合陶瓷燒結體。此陶 瓷燒結體是由含有作爲安定正方晶氧化锆之安定劑的二氧 化鈽與二氧化鈦（Titania)之氧化銷粒子的第一相，與氧化 鋁粒子的第2相所構成。此陶瓷燒結體爲多孔質構造，與 l1〇Gpa的彈性率及一般的磷灰石(Apatite)相比，它具有高 度的抗彎強度，但經長期間在生物體內作爲人工關節使用 時’從提高耐磨損性及圓滑之關節運動的觀點來看，仍有 檢討的空間。 發明槪笔 因此，本發明的主要目的在經由改良氧化銷一鋁複 合陶瓷材料的組織，改善它的耐磨損性，並降低磨損粉的 產生量’提供以低摩擦係數達到圓滑關節運動的氧化锆一 鋁複合陶瓷製人工關節。 即本發明的人工關節具有以下的特徵，它是由第1 骨構件、與第1骨構件的一部分滑動繫合，形成關節部之 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
1 本紙張尺度適用中關ii^rNS)A.】祕石^孤 ）----- 537907 A7 B7 8026pif.doc/008 五、發明說明（）） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第2骨構件所構成的。第1骨構件與第2骨構件至少有一 方是由氧化銷一銘複合陶瓷所形成的。此氧化銷一銘複合 陶瓷包括由氧化锆粒子所形成的矩陣（matrix)相，與由分 散在矩陣相中的氧化鋁粒子所形成的第2相。矩陣相的氧 化銷粒子是以矩陣相爲主’其由正方晶氧化銷構成的含量 中，含有作爲安定劑的二氧化鈽。本發明中的氧化锆一鋁 複合陶瓷的平均粒徑在0.1〜Ιμιη，0.1〜0·8μιη更好，0.1 〜0·65μηι特佳。 在上述的人工關節中，第1以及第2骨構件是由複 合陶瓷所製成的，但關節部最好是由複合陶瓷間的滑動接 觸所形成的。在此情況下，可減少長期間在生物體內使用 人工關節時所產生的磨損粉，對防止人工關節周邊的骨頭 產生溶解現象特別有效。 上述複合陶瓷中第2相的含有量最好是25〜40容量 %。 而且，在上述的人工關節中，氧化鋁粒子的一部分 最好是分散在氧化銷粒子的內部。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 至於本發明的其他特徵及其所帶來的效果，一面參 照附圖，一面根據以下詳述之本發明的最佳實施例，當可 進一步理解本發明。 圖式之簡單說明 圖1爲根據本發明之實施例，氧化鍩一鋁複合陶瓷 製人工關節的分解斜視圖。 圖2是表示氧化锆一鋁複合陶瓷之組織的掃描式電 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規恪（2i〇x 297公釐） A7 B7 537907 g〇26pif.doc/008 五、發明說明) 子顯微鏡（SEM，Scanning Electron Microscopy)照片。 圖3是表示氧化锆一鋁複合陶瓷之組織的掃描式電 子顯微鏡照片（高倍率）。 gl忒之標記說明： 10··.柄（stem) 12.. .多孔部(porous) 20.··骨頭（第1骨構件） 21···開口 30…內側杯狀部（inner cup)(第2骨構件） 31 ...第1凹部 40.. .外側杯狀部（outer cup) 41…第2凹部 42·.·螺絲釘（screw) 43.. .多孔部 較住眚施例之詳細說明 以下將對本發明之氧化锆一鋁複合陶瓷製人工關節做 詳細的說明。 本發明之人工關節的例子如圖1所示，此人工關節具 有球形狀的骨頭20(第1骨構件）、一端插入設在骨頭20 下部的開口 21以保持骨頭用的柄(stem)10、內表面是由鏡 面硏磨面所構成，具有第1凹部31的內側杯狀部（inner cup)30(第2骨構件）、在外表面有將人工關節固定在人體 內部時所使用的螺絲釘（screw)42、以及具有可容納內側杯 狀物之第2凹部41的外側杯狀部(outer* cup) 40所構成的。 7 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 裝--------訂-----！-線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A!規恪（210 X 297公釐） A7 B7 537907 8026pif.doc/008 五、發明說明（t) 鏡面硏磨面的骨頭外表面於內側杯狀部的第1凹部31內 滑動繫合，形成關節部。圖中的12與43各表示設在柄10 以及外側杯狀部40之外表面的多孔(porous)部，多孔部以 固定（anchor)效果改善人工關節與骨之間的附著性。 像上述骨頭20般的第1骨構件與上述內側杯狀部30 般的第2骨構件，至少有一方是由氧化锆一鋁複合陶瓷所 形成的，而氧化鍩一鋁複合陶瓷則是由氧化锆粒子所形成 的矩陣相與分散在矩陣相中之氧化鋁粒子所形成之第2相 所構成的。 在本發明之複合陶瓷中，矩陣相的含有量佔50容量％ 以上，構成矩陣相的氧化锆粒子主要是由正方晶氧化鉻所 構成的，具體而言，矩陣相中之正方晶氧化锆的量佔9〇 容量％以上，佔95容量％以上則更佳。滿足此條件時，根 據從正方晶至單斜晶的應力誘發相變態，可謀求複合陶瓷 的高強度化。 因主要是提供以正方晶氧化锆所構成的矩陣相，故氧 化锆粒子含有作爲安定劑用的二氧化鈽。爲了獲得上述量 的正方晶氧化锆，對於氧化锆全部容量，最好將二氧化姉 的含有量設定在8〜I2莫耳(mole)%，設定在1〇〜12莫耳 %則更好。若不足8莫耳。/〇，就無法以充分的量獲得準安 疋相的正方日日，對正方晶之卓斜晶的比率增加的結果，可 遗會降低以應力誘發相變態改善機械強度的效果。反之， 若超過Π莫耳％，則會開始出現高溫安定相的立方晶，因 對正方晶之立方晶的比率增加之故，可能會與單斜晶的場 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al规格（210 X 297公餐） (請先閱讀背面之注音心事項再填寫本頁) 裝--------訂----- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 537907 8026pif.doc/008 五、發明說明（心） 合一樣，降低應力誘發相變態的效果。 而且，必要時矩陣相也可從二氧化鈦、氧化韩、氧化 鎂中至少選出一種以上加入。 二氧化鈦作爲正方晶氧化锆的安定劑使用，故可提高 應力誘發相變態所產生的臨界應力値，可進一步有效謀求 複合陶瓷的高強度化。而且，二氧化鈦還具有促進氧化錯 粒子之粒成長的效果，故如後所述，可使大量的氧化鋁粒 子分散在氧化锆粒子內，可進一步有效謀求複合陶瓷的高 強度化。爲了獲得上述的效果，相對於氧化锆全部容量， 二氧化鈦的含有量最好設定在0.02〜4莫耳％，設定在〇.〇5 〜1莫耳％則更好。二氧化鈦的含有量若在0.02莫耳％以 下，可能無法獲得氧化銷粒充分成長的效果。反之，二氧 化鈦的含有量若超過4莫耳％，則容易引起氧化銷粒子的 異常粒成長，而降低複合陶瓷的機械性強度與耐磨損性， 可能無法提供在生物體內長期間穩定的關節運動。因此， 必須特別注意二氧化鈦含有量的上限。 氧化鎂以及氧化鈣則作爲正方晶氧化锆的安定劑使 用，對複合陶瓷的高強度•高韌性有幫助，並可改善矩陣 相之氧化锆粒子與第2相之氧化鋁粒子的粒界整合性，可 有效提高複合陶瓷的粒界強度。爲了獲得上述的效果，氧 化鎂及氧化鈣至少有一方的含有量最好設定在0.005〜0.1 莫耳％，設定在〇.〇5〜0.1莫耳％則更好。若含有量在0.005 莫耳％以下，可能無法充分發揮其安定劑的效果。反之， 若超過0.1莫耳％，則可能會妨礙到正方晶氧化銷的安定 9 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) -裝--------訂---------· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 537907 五、發明說明（7 ) 性，尤其是氧化鎂含有量超過的場合，會出現以包含氧化 鎂之複合氧化物所形成的針狀結晶，把它視爲第3相，其 異常成長可能會使強度降低，因此，必須特別注意氧化鎂 添加量的上限管理。 第2相的氧化鋁粒子，分散在構成矩陣相之氧化锆粒 子的粒界以及（或）粒內。尤其當氧化鋁粒子存在氧化銷粒 子內時，它會強化氧化锆粒子並提高複合陶瓷的強度，此 效果在對於複合陶瓷中之全氧化鋁粒子，在氧化锆粒子內 之氧化鋁粒子的比率是2數量％以上時可發揮得淋漓盡 致。 複合陶瓷中之第2相的含有量，最好設定在0.5容量 %〜50容量％以下，設定在23〜40容量％則特佳。氧化鋁 的含有量不足〇·5容量％的場合，在複合陶瓷的耐磨損性 的提高以及氧化锆粒子的高強度化上，可能無法獲得充分 的效果。反之，若超過40容量％，氧化鋁粒子間會有燒結 的傾向，可能會造成複合陶瓷的強度誤差變大的結果。若 進一步超過50容量％，複合陶瓷的矩陣相是以氧化鋁粒子 構成的，其韌性會顯著降低，導致無法提供可靠性高之本 發明的人工關節。 將以氧化锆粒子所形成的矩陣相以及以氧化鋁粒子所 形成的第2相爲必要構成要素之本發明的複合陶瓷應用在 人工關節上時，本發明人發現了上述組成以外極爲重要的 因素，即如圖2以及圖3所示，本發明的氧化銷一鋁複合 陶瓷具有極細微之氧化锆及氧化鋁之結晶粒均一分散的組 10 本紙張尺度適用^國國家標準（CNS)Α‘丨規格（210 X 297公釐） 丨：----------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 537907 8026pif.doc/008 五、發明說明（¾ ) 織。具體而言，人工關節用氧化锆一銘複合陶瓷的平均粒 徑必須在0.1〜Ιμπι的範圍內，在0_1〜〇·8μηι的範圍內更 好，在〇·1〜〇_65μπι範圍內特佳。在人工關節的關節部中， 使第1骨構件在第2骨構件滑動繫合的場合，爲了獲得上 述圓滑的關節運動與機能，必須對上述複合陶瓷的滑動面 進行超鏡面（如表面粗度在0.005pmRa以下）的硏磨加工。 若平均粒徑超過Ιμπι，就容易在粒界產生氧化锆粒子與氧 化鋁粒子的脫落現象，而不易獲得超鏡面，且長期間在生 物體內使用中的人工關節也會發生粒子脫落以及耐磨損性 急速下降的現象。平均粒徑設定在0·8μηι以下時，在超鏡 面硏磨之人工關節的滑動面，其粒子的脫落現象顯著減 少，可獲得複合陶瓷安定的機械特性，高可靠性的人工關 節用材料。而平均粒徑不足Ο.ίμιη時，就不易獲得足夠細 緻的複合陶瓷，在製造工程中，原料粉末的處理性也顯著 變差。 接者舉例說明與本發明有關之氧化锆一鋁複合陶瓷製 人工關節的製造方法。首先將氧化锆粒子以及氧化鋁粒子 的混合粉末作成如上述的配合量，當做起始原料，必要時 在上述的配合量中尙可添加二氧化鈦、氧化鈣以及（或）氧 化鎂。且起始原料的製造過程與混合粉末條件並無特別限 定’但以適當的條件燒結混合粉末時，必須控制混合粉末 的平均粒子徑，以使所獲得的燒結體具有上述的平均粒 徑。接著以一軸加壓成形以及（或）靜水壓加壓成形等將此 混合粉末成形，取得所定形狀的壓粉體之後，將壓粉體放 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A·丨規恪（21〇x297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
Flt---111 訂---------線i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 537907 8〇26pif.doc/〇〇8 八’ -____B7_______^ 五、發明說明) 置在大氣lk下1400°C以上至1600°C以下的溫度，以吊^ 燒結。之所以要在140(TC以上常壓燒結，乃是因爲若在14 = °c以下的溫度要獲得細緻的燒結體需要非常長的燒結t 間，最後可能得不到高密度的燒結體之故。反之，若燒知 濫度超過l6〇〇°C以上，則容易引起粒成長，故很難一面維 持Ιμιη以下的平均粒徑一面控制燒結過程，尤其局部地方 會有出現氧化锆粒子異常粒成長的傾向。將這樣所獲得的 燒結体加工成所定的形狀，並將形成人工關節之關節部的 滑動面進行鏡面硏磨，如此一來就可獲得本發明的人工關 節。 但爲了將複合陶瓷的平均粒徑設定在0.1〜〇.65μηι的 範圍內’原料粉末的調整與燒結溫度的控制就顯得特別重 要。即混合粉末中所含之氧化锆粒子的比表面積是在1〇〜 2〇m2/g的範圍內，氧化鋁粒子的平均粒徑是在0β5μιη以 下°若將混合粉末的成型性也考慮進去的話，則使用比表 面積約l5m2/g的氧化鍩粒子與平均粒徑約0.2μιη氧化鋁 粒子所構成的混合粉末。另一方面，燒結溫度在150(rc以 上1600°C以下也可獲得平均粒徑爲1μιη以下的複合陶瓷， 要製造具有更細微之平均粒徑（〇·1μηι〜0·65μηι)的複合陶 瓷時’就要將燒結溫度控制在1400°C以上、1500Χ：或1500 °C以下的範圍內。像這樣配合原料粉末的調整與燒結溫度 的控制’就可穩定提供具有超細微組織的複合陶瓷。 本發明之人工關節的第1骨構件與第2骨構件，最好 至少有一方是上述複合陶瓷作成的。例如第1骨構件與第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規恪（210x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 产·丨！ S訂·丨—丨丨！ - ▲ Λ7 B7 537907 Q 〇26pif.doc/008 五、發明說明（（ύ) 2骨構件的一方是以本發明之複合陶瓷作成的場合，另一 方則可使用以超高分子量聚乙烯及氧化鋁爲主成分的氧化 物陶瓷。採用聚乙烯配合複合陶瓷的場合，人工關節的關 節部是藉著複合陶瓷與聚乙烯的滑動接觸而形成的。同樣 的，採用氧化物陶瓷配合複合陶瓷的場合，人工關節的關 節部是藉著複合陶瓷與氧化物陶瓷的滑動接觸而形成的。 而第1骨構件與第2骨構件兩者皆以本發明之複合陶 瓷作成的場合’在生物體內長期間使用人工關節的情況 下，在關節部所產生的磨損量遠比使用聚乙烯的場合少， 可避免人工關節周邊的骨頭產生溶解的問題，且複合陶瓷 具有高強度與高韌性，與使用氧化鋁爲主成分之氧化物陶 瓷的場合相比’它具有局可罪性的優點。因此，第1骨丰冓 件與第2骨構件兩者皆以本發明之複合陶瓷作成的人工關 節，除了適用於人工股關節之外，也可望適用在比在生物 體內更嚴酷的滑動條件下使用的人工膝關節、 或人工肘關節上。而且與本發明有關的氧化锆〜錦二合= 瓷製人工關節，具有優越的機械強度以及耐廳指机 嘴項丨生，耐用 罱命非常長，因此也可避免手術10〜15年絡&〜 再進行更換 舊人工關節的手術。 θ 實施例： (實施例1.以及比較例1〜3) 相對於氧化鉻全部容量，將含有10Γ \耳％的一氫仆 鈽、0.05莫耳％的二氧化鈦、0.05莫耳的J 一氧亿 氣化鈣的TF卞曰 氧化锆粉末（正方晶氧化锆的比率：98容乃曰曰 仓惠/。)與對氧化銷 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM1規格（2】〇χ297公f ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ，-裝-------訂------丨-線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Λ7 B7 537907 8〇26pif . doc/008 五、發明說明（丨I ) 一銘陶瓷全體30容量％的氧化銘粉末相混合，取得混合粉 末。然後以一軸加壓成形以及靜水壓加壓成形將此粉末成 形’取得所定形狀的粉壓體之後，將此粉壓體置於大氣中， 在1400。(：、5小時的條件之下進行常壓燒結，藉此取得平 均粒徑爲0·22μιη實施例1的氧化锆一鋁複合陶瓷。使用 蒸餾水作爲潤滑液進行盤上釘(pin of disk)試驗，來評價此 胃合陶瓷的耐磨損性以及摩擦係數。另外，將平均粒徑爲 1·43μπι的氧化鋁燒結體當做比較例i。相對於氧化锆全部 容量’把三氧化二釔(Yttria)當做安定劑，以含3莫耳％平 均粒徑爲0·19μιη之正方晶氧化锆燒結體做爲比較例2。 將與實施例1相同組成之混合粉末，在153CTC、5小時的 條件下進行常壓燒結所獲得之平均粒徑爲1.38μιη的氧化 銷一鋁複合陶瓷當做比較例3 ◦將所獲得之燒結體的硏磨 面經熱處理後，使用掃描型電子顯微鏡，在沒區別氧化锆 與氧化鋁的情況之下，以截斷（intercept)法求取其平均粒 徑。 接著說明盤上釘試驗的試驗片形狀。在直徑爲5mm， 長度爲15mm的圓柱狀釘(pin)的尖端設置頂角爲3〇。的圓 錐狀圓錐體’在圓錐體的尖端設置直徑爲l.5rnm的鏡面平 滑部’形成滑動面。以鏡面硏磨的方式將此滑動面的表面 粗度硏磨至〇.〇〇5MmRa以下。另一方面，圓盤（disk)的直 徑爲50mm，厚度爲8mm，以鏡面硏磨的方式將其與釘之 滑動面的表面粗度硏磨至〇.〇〇5|imRa以下。釘與圓盤都是 以相同種類之陶瓷材料所形成的。例如在實施例1中是使
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規恪（210 X (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼丨裝----—訂·----- ·線秦 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 537907 A7 B7 B026pif.doc/008 ι、發明說明（ 用本發明之複合陶瓷製的釘與圓盤實施盤上釘的試驗。 盤上釘試驗係將釘配置在距盤中心22mm的圓周上， 以不同的圓盤旋轉速度（60mm/sec、120mm/sec)與對釘的 附加荷重（20N、40N、60N、80N、120N)的條件下進行試 驗，滑動距離一定（25km)。釘的尖端直徑爲1.5mm，故施 予釘尖端之初期摩擦壓力分別爲1 lMPa(20N)、 22MPa(40N)、33MPa(60N)、44MPa(80N)、66MPa(120N)。 且以各種條件進行3次試驗，採用3次試驗結果的平均値 做爲數據，所獲得的試驗結果如表1所示。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM1規格（210x297公釐） 537907
8026pif.doc/00B 五、發明說明（丨> ) Λ7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 旋轉速度 附加荷重 比磨損量 摩擦係數 (mm/sec) (N) (mm3/Nm)x 1 0-7 實施例1 60 20 0.0584 0.34 60 40 0.0155 0.37 60 60 0.0584 0.29 60 80 0.0965 0.22 120 60 0.0986 0.38 比較例1 60 20 1.88 0.30 60 40 1.35 0.38 60 60 1.05 0.37 60 80 0.824 0.36 120 60 1.92 0.45 比較例2 60 20 0.0997 0.27 60 40 0.0419 0.28 60 60 0.126 0.35 60 80 230 0.42 120 60 480 0.49 比較例3 60 80 74.7 0.39 60 120 177 0.41 比磨損量（wf)係使用最小刻度爲〇·〇1π^的質量計測定 根據以下所示的公式算出釘所減少的質量。 Wf=(Wl-W2)/P · L · p 各符號所代表的意義如下： (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規恪（210 X 297公釐） A7 B7 537907 8026pif.doc/008 五、發明說明（
Wf ·比磨損量（mm3/Nm) W1 :試驗前釘的乾燥質量（g) W2 :試驗後釘的乾燥質量（g) P :附加荷重（N) L :滑動距離（m) P :試驗片的密度（g/mm” 而釘的乾燥質量是將釘置於蒸餾水中1〇分鐘，接著將它 放在乙醇（Ethanol)中以超音波洗淨10分鐘，然後將它放 在乾燥器（desiccator)中保存5日，使之充分乾燥之後測定 的。而各試驗片的密度是以水中阿基米得（Aixhimedes)原 理所測定的値，使用了 5.56xl0_3g/mm3 (實施例1、比較 例 3)、6.02xl0-3g/mm3 (比較例 1)、3.93xl0-3g/mm3(比較 例2)。 再根據以下的式子算出摩擦係數(Cf)。
Cf=F/T 各符號所代表的意義如下= F :摩擦力（g) (以應力計（stress gauge)測定保持釘加入張力後之荷重的 値） T :總荷重（g) (保持釘的張力加上荷重部分的總荷重） 從上述表1的結果可知，在實施例1中，在本試驗 所有的附加荷重範圍以及旋轉速度範圍內，都可獲得1x10-8 以下極低的比磨損量。且摩擦係數亦低，使實施例1之複 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --裝--------訂---------線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規格（2】〇χ 297公釐） 537907 8 〇2 6pif.d〇c/008 五、發明說明（丨<) 合陶瓷間滑動時，可獲得極圓滑的滑動繫合。另一方面’ 在比較例1中，在本試驗的附加荷重範圍以及旋轉範圍內 晷貝示具有1χ10_7〜1χ10_8較佳的比摩損量，但若與實施例 1做比較，其比磨損量則較多。而在比較例2中，在旋轉 速度爲60mm/sec的條件下，其附加荷重至60N時’顯不 其比磨損量極低，與實施例1差不多。但附加荷重爲SON 時，卻突然產生1x10-5等級(order)的大磨損。而且，即使 在附加荷重爲60N的條件下，將旋轉速度設定爲120mm/sec 時，也一樣產生大磨損。在比較例2中引起大磨損的試驗 il条件下，可觀察到潤滑液蒸溜水的溫度上升，水的蒸發量 多的現象，由此可推測在滑動面因滑動磨損產生了不少磨 擦熱。而且根據拉曼（Raman)分光分析亦可確g忍從正方晶 至單斜晶的結晶變態，一般認爲這是三氧化二釔安定化氧 化鉻特有的低溫劣化所引起的熱相轉變。這些結果顯示， 把三氧化二釔作爲安定劑使用之比較例2的複合陶瓷，因 缺乏可靠性，故不適合使用在人工膝關節與人工肩關節等 用途，因它是在嚴酷的滑動條件下進行關節運動。 而比較例3爲平均粒徑不同，但具有與實施例1相 同材料組成的氧化锆一鋁陶瓷。在附加荷重小的試驗條件 下，其耐磨損性與實施例1幾乎沒有什麼太大的差別，但 荷重一達到80N以上時，就會產生與比較例2 —樣的突發 个生大磨損的現象。一般認爲磨損量的大幅增加是因爲比較 例3的複合陶瓷的平均粒徑（1.38μιη)超過Ιμηι之故，以至 於氧化銷與氧化鋁之間的界面強度降低，粒子因摩擦而容 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I — * 1 ϋ 1_§ 1 mmm— i an 一-· ϋ ϋ 1 ϋ 1 ϋ _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規fM21〇x 297公坌） A7 B7 537907 8026pif.doc/008 五、發明說明“ d ) 易脫落。因此，從實施例1與比較例3之試驗結果的比較， 可知在本發明的氧化銷一鋁複合陶瓷中，平均粒徑對其耐 磨損性的影響甚大。 (實施例2〜5以及比較例4) 相對於氧化锆全部容量，在包含二氧化鈽1〇莫耳％、 二氧化鈦〇.〇5莫耳％的正方晶氧化锆粉末（正方晶氧化锆 的比率：98容量％)混合對氧化锆一鋁複合陶瓷全體35容 量％的氧化鋁粉末，取得混合粉末。以一軸加壓成形與靜 水壓加壓成形，將此粉末成形，獲得所定形狀的壓粉體之 後，在大氣壓中以表2所示之各種燒結溫度（1400°C〜1600 t )，在保存時間5小時的條件下，將此壓粉體常壓燒結， 以取得實施例2〜5以及比較例4的氧化锆一鋁複合陶瓷。 在比較例4中，將燒結溫度設定在1600°C的結果，所獲得 之複合陶瓷的平均粒徑達1.65μηι，故不符合本發明的複 合陶瓷。並且將所獲得之燒結體的硏磨面熱處理之後’使 用掃描型電子顯微鏡，在不區別氧化锆與氧化鋁的情況 下，以中途截斷法求取其平均粒徑。 對於所獲得的複合陶瓷，使用與實施例1相同的方 法進行盤上釘試驗，算出比磨損量與摩擦係數。而圓盤的 旋轉數爲60mm/sec，附加荷重爲60Ν，是一定不變的’所 獲得的結罘與複合陶瓷的平均粒徑如表2所示。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規格（210x297公f ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) to-裝—I—訂-------丨-線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印8 537907 8026pif.doc/008 A7 137 五、考务明說明（〇 ) 表2 燒結溫度 (°C) 平均粒徑 (μπι)_ 比磨損量 (mm3/Nm)xl 0_7 摩擦係數 實施例2 1400 0.20 0.0320 0.30 實施例3 1450 0.35 0.0525 0.33 實施例4 1500 0.65 0.0789 0.31 實施例5 1550 0.98 1.53 0.38 比較例4 1600 1.65 35.6 0.39 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 從表2的結果可知，複合陶瓷的比磨損量與平均粒 徑的關係相當密切。在實施例2〜4中，獲得lxl(K8以下 極低的比磨損量，但在平均粒徑接近Ιμηι的實施例5中， 其比磨損量卻增大至1.53x10-7。而在平均粒徑爲1.65μηι 的比較例4中，其比磨損量急速增大，約爲實施例5的2〇 倍。此比較例4的摩損量大致可與過去的人工關節所使用 之聚乙烯與陶瓷組合時的磨損量相匹敵。具有Ιμπι以上之 平均粒徑的複合陶瓷耐磨損性的劣化，一般認爲是氧化锆 粒子與氧化鋁粒子間的界面構造強度降低，粒子的脫落量 顯著增加所致。 使用在產業上的可行性： 如上所述，本發明的人工關節是由第1骨構件與第2 骨構件所構成的，其中第1骨構件與第2骨構件至少有一 方是含有作爲安定劑使用的二氧化鈽，且以結晶形態爲主 的正方晶氧化锆，由氧化锆粒子所構成的第1相，以及由 氧化鋁粒子所構成的第2相分散其間所構成的氧化鉻一鋁 20 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一 I φ ϋ I— an ϋ ϋ_§ I ϋ 一 · n 1 ϋ an
I §§ ϋ I s'. 本紙張足度適用中國國家標準（CNS)Al规恪（210x 297公坌） A7 B7 537907 8026pif.doc/008 五、發明說明（（¾) 複合陶瓷，其平均粒徑爲0.1〜Ιμηι，由0.1〜0.8μπι所形 成者則更佳，故具有高強度、高韌性與高耐磨損性，因此， 可提供耐用壽命長且品質優異的人工關節，可避免手術後 1 〇〜15年更換舊人工關節的手術。尤其本發明的人工關 節，即使在比習知之人工關節材料更嚴酷的條件下，依然 可維持良好的耐磨損性，因此，將來也可望被應用在人工 膝關節與人工肩關節上。 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁}
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A丨規格（210 x 297公釐）

Claims (1)

  1. 537907 so-….4 贫◦玉1 六、申請專利範圍 1·一種人工關節，由一第1骨構件及一第2骨構件所 構成’其中’ g亥弟2骨構件係和該第1骨構件之_'部份繫 合而形成一'關卽部’該弟1及g亥第2骨構件中至少之一^係. 由氧化锆粒子所構成的矩陣相，且該氧化锆粒子是以 矩陣相爲主，其由正方晶氧化锆粒子構成的含量中，含有 作爲安定劑的二氧化鈽;以及 由含有一第2相的氧化鉻一鋁複合陶瓷所形成，且該 複合陶瓷具有0.1〜Ιμιη的平均粒徑，其中，該第2相係由 分散於該矩陣相中的氧化鋁粒子所構成。 2. 如申請專利範圍第1項所述之人工關節，其中，該 第1及第2骨構件之一是由該複合陶瓷所製成，另一則是 聚乙烯所製成，而該關節部是利用該複合陶瓷與該聚乙儲 的滑動接觸所形成。 3. 如申請專利範圍第1項所述之人工關節，其中，該 第1及第2骨構件皆是由該複合陶瓷所製成，而該關節部 是利用該複合陶瓷彼此的滑動接觸所形成。 4. 如申請專利範圍第1項所述之人工關節，其中，該 第1及第2骨構件之一是由該複合陶瓷所製成，另一則是 是以氧化鋁爲主成分的氧化物陶瓷所製成，而該關節部是 由該複合陶瓷與該氧化物陶瓷的滑動接觸所形成。 5. 如申請專利範圍第1項所述之人工關節，其中，該 複合陶瓷具有〇.1〜〇.8μπι的平均粒徑。 6. 如申請專利範圍第1項所述的人工關節，其中，該 氧化鋁粒子的一部分分散在該氧化锆粒子的內部。 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） " I -----------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 537907 8 026pif. doc/008 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 7. 如申請專利範圍第1項所述的人工關節，其中，該 複合陶瓷中之第2相的含量爲25〜40容量％。 8. 如申請專利範圍第1項所述的人工關節，其中，該 矩陣相更包括：二氧化鈦、氧化鈣、氧化鎂及該等之組合 所製成之組群中的至少一種材質。 9. 如申請專利範圍第1項所述的人工關節，其中，該 複合陶瓷具有0.1〜〇.65μηι的平均粒徑。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·裝 訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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