CN1398172A

CN1398172A - 以二氧化锆为基的材料,由二氧化锆为基的材料制成的外科切割工具,由二氧化锆为基的材料制成的工具

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Publication number: CN1398172A
Application number: CN99817088.7A
Authority: CN
Inventors: 奥列格·叶夫根尼耶维奇·波罗丁科夫; E·E·洛莫诺瓦; I·V·西林斯卡亚; M·A·保利克
Original assignee: Alexander Sergeyevich Vorobev
Current assignee: Jin Shu
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2003-02-19
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: WO2001041660A1; AU3338700A; CN1201702C

Abstract

一种用氧化钇稳定的以二氧化锆为基的材料，它包含另外的金属氧化物作为稳定组分，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土元素的氧化物。所述各组分的比例如下(摩尔％)：氧化钇：0.5－4.5；稳定组分：0.1－4.5；氧化锆：余量。本发明的外科切割工具包括刀，该刀有柄和将柄刚性固定的刀架。该刀由以二氧化锆为基的材料的一种晶体制成。该晶体具有微区尺寸为200纳米的纳米晶体结构但不具有相界面。该材料用氧化钇稳定，并且包含另外的稳定组分如金属氧化物，该金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土元素的氧化物。所述各组分的比例如下(摩尔％)：氧化钇：0.5－4.5；稳定组分：0.1－4.5；氧化锆：余量。所述材料也可用于制造工艺用的工具如辊、模头、平面轴承。

Description

以二氧化锆为基的材料，由二氧化锆为基的材料制成的外科切割工具，由二氧化锆为基的材料制成的工具

发明的领域

本发明涉及医用器材，尤其是涉及以二氧化锆为基的材料，由二氧化锆为基的材料制成的外科切割工具，以及由二氧化锆为基的材料制成的工具。

已有技术

已知有一种用氧化钇稳定的以二氧化锆为基的材料(例如参见Green，D.J.，Hannink，R.H.J.和Swain，M.V.的《陶瓷的转化增韧》(TransformationToughening of Ceramics)，CRC Press，Inc.，Boca Ration，Florida，1989.J)，它是一种多晶材料，包含镁、钙和钇的氧化物作为稳定添加剂。所述材料的特征在于其弯曲强度为430-980MPa，损坏粘度(应力强度系数)为5.8-9.0MPa·m^1/2。

这种材料的一个缺点在于在所述材料中存在晶粒界面，这就不能制得其与晶粒度相近即切割刃锐度(cutting edge sharpness)≤1μm的高质量、耐磨的切割工具。

已知有一种用氧化钇稳定的以二氧化锆为基的单晶材料(例如参见Savage，J.A.的《用于光学用途的硬质结晶材料的制备和性能》(Preparation andProperties of Hard Crystalline Materials for Optical Application)-评述，J.Cryst.Growth，1991，113卷，708页)，它包含88摩尔％的ZrO₂和12摩尔％的Y₂O₃。所述材料的特征在于其显微硬度为1100-1400kg/mm²，弯曲强度为200-330MPa。

这种材料的缺点在于强度低并且耐磨性不够，这是因为其脆性较高。

已知有一种用氧化钇稳定的以二氧化锆为基的材料，它包含至少一种混合氧化物(例如参见英国专利No.1373888，IPC 04 B35/50,35/48)，所述混合氧化物包含10-20摩尔％Y₂O₃和0.01-5重量％着色混合氧化物。所述材料的特征在于其显微硬度为1200-1300kg/mm²。

这种材料的一个缺点在于其耐磨性不够，这是因为其脆性较高。

已知有一种用氧化钇稳定的以二氧化锆为基的材料(例如参见Marscher，G.N.，Pirouz，P.和Heuer，A.N.的《氧化钇稳定的氧化锆单晶的硬度与温度的关系》(Temperature Dependence of Hardness in Yttria-StabilizedZirconia Single Crystals)，J.Am.Ceram.Soc.，1991，74卷，491页)，它包含90.5摩尔％ZrO₂和9.5摩尔％Y₂O₃。所述材料的特征在于其显微硬度为1400-1500kg/mm²，弯曲和压缩强度为200-330MPa。

这种材料的缺点在于晶体的尺寸小，强度低并且耐磨性不够，这是因为其脆性较高。

与本发明材料最接近的已有技术材料是用氧化钇部分稳定的以二氧化锆为基的材料(例如参见G.A.Gogotsi，E.E.Lomonova，V.G.Peichev的《氧化锆晶体的强度和断裂韧性》(Strength and Fracture Toughness of ZirconiaCrystals)，J.Eur.Ceram.Soc.，11卷，123-132页，1993)，它包含97摩尔％ZrO₂和3摩尔％Y₂O₃。所述材料的特征在于其弯曲和压缩强度为500-800MPa，损坏粘度(应力强度系数)为5-16Mpa^1/2。

这种材料的缺点在于耐磨性不够，这是因为其弯曲强度较低，并且损坏粘度值的范围宽，这是因为所述材料的显微结构和相组成不均匀。

为了切割外科手术中的生物组织，通常使用一次性钢刀，它以无菌包装的形式提供，在使用之前才固定在支架柄上。

术语“一次性”对所述的刀既有形式上又有实际的含义，这是因为它们变钝得非常快，并且在一次手术中必须使用好几把一次性刀来完成复杂的切割。

这种刀的缺点是显而易见的。首先，用于金属刀和解剖刀的不锈钢与活生物体的组织是不相容的，被其所排斥。这样会形成微血栓，从而导致阻塞细小的血管。

第二，钢刀的钝化是一个物理/化学过程，该过程会导致在人体中引入金属微细(或较大)颗粒以及金属与淋巴和血液中腐蚀性环境之间化学反应的产物，从而引起各种后处理的复杂性。

第三，由于刀变钝得非常快并且需要更换一把新刀，外科医生的触觉感受将发生变化，从而导致对组织进行难以控制的切割。

第四，不锈钢的物理结构使它不能达到高质量切割所需的小于1微米的切割刃锐度。而且，加工技术使切割刃呈“锯齿”状的形状。所有这些都会导致切割组织时的明显变形和创伤。组织会被压碎和损坏。

已知有一种外科切割工具(例如参见俄罗斯专利2053718)，它包括一个刀柄和与所述刀柄相连的刀刃，所述刀刃是由以氧化铝为基的陶瓷制成，该手术刀刃通过紧固材料牢固地连接到刀柄上，它由以平均粒度为0.1-3.0μm的α-氧化铝为基的多晶陶瓷制成。

这种工具的一个缺点在于其手术刀刃是仅以一个角度锐化的，这样就会导致在切割过程中更大的摩擦、需用更大的切割作用力、使被切割的组织产生更大的变形和创伤。而且，要获得其特征尺寸小于制成手术刀刃的多晶陶瓷的最大粒度即3μm的耐磨切割刃，实际上也不可能。

已知有一种外科切割工具(解剖刀)，它包括刀，该刀有柄和用于刚性固定刀的刀架(例如参见俄罗斯专利2005426)。在所述支架上开有纵向端槽和狭缝。该纵向端槽和其对应的刀是制成梯形截面的，该刀用陶瓷制造。

这种切割工具的一个缺点在于，该可卸除的刀是“压缩”安装的，所以在安装或卸除时需要给紧靠在切割刃并与之平行的刀部分施加明显的剪切作用力。这种操作若手工进行的话，则通常会给操作人员的手造成伤害。而且，梯形装置的尖锐边缘和角度会对无菌外科手套造成损害，在解剖刀进行消毒以后，操作人员是将其装入该手套中的。该切割工具也有缺点，因为刀是由具有颗粒结构的陶瓷制成的。由于这个原因，在实践中不可能制造具有所需的小于1μm的切割刃锐度并且具有高质量操作表面的耐磨切割工具。

发明的概述

本发明旨在提供一种大尺寸晶体形式的以二氧化锆为基的材料，所述晶体具有微区尺寸(domain size)小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，但它具有高的硬度、高的弯曲强度和大的应力强度系数/损坏粘度值以及高度的化学惰性、低的导热性、与活生物体组织的生物相容性和X-射线衍射谱线条对比度，同时在室温下它不与电磁场发生相互作用。

本发明也旨在提供一种由大尺寸晶体形式的以二氧化锆为基的材料制成的外科切割工具，所述晶体具有微区尺寸小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，但它具有高的硬度、高的弯曲强度和大的应力强度系数/损坏粘度值以及高度的化学惰性、低的导热性、与活生物体组织的生物相容性和X-射线衍射谱线条对比度，同时在室温下它不与电磁场发生相互作用，所述切割工具具有以两个角度(dual angle)锐化的超锐切割刃，其表面是光学清洁的，并且该工具具有高的耐磨性。

另外，本发明旨在提供一种由大尺寸晶体形式的以二氧化锆为基的材料制成的外科切割工具，所述晶体具有微区尺寸小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，但它具有高的硬度、高的弯曲强度和大的应力强度系数/损坏粘度值以及高度的化学惰性和低的导热性。

上述目的是通过本发明用氧化钇稳定的以二氧化锆为基的材料实现的，所述材料还包含金属氧化物作为稳定组分，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土元素的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

该材料较好应包含一种改性组分，该组分可以包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。

上述目的也通过本发明的一种外科切割工具实现，所述切割工具包括刀，该刀有柄和用于刚性固定刀的刀架，所述刀由单晶形式的以二氧化锆为基的材料制成，所述单晶具有微区尺寸小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，所述材料用氧化钇稳定，并且还用一种包含金属氧化物的组分稳定，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土元素的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

用于制造所述外科工具的刀的材料较好应包含改性组分，该组分可以包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。

刀的宽度较好应在1至15毫米的范围内，刀的厚度较好应为0.15至1毫米，刀的切割刃长较好应在1至60毫米的范围内，刀的切割刃被锐化的半径R较好在0.05μm＜R＜2μm的范围内。

刀较好应以两个角度被锐化，切割刃的次锐化角为15-25°，主锐化角为30-60°，具有主锐化角的切割刃的操作表面宽度应为30-500μm。

同样较好的是刀切割刃的外形应选自直线形、圆形、组合的和双刃的外形。

同样较好的是，刀应具有各种颜色，所述颜色选自乳白色、粉红色、淡紫色、黄色、红色、橙色、浅蓝色、黄绿色、紫罗兰色、象牙色、湿沥青色和黑色，视改性组分的种类和浓度而异。

另外，上述目的通过本发明的一种工具来实现，它包括固定在该工具体中的操作部件，所述操作部件由单晶形式的以二氧化锆为基的材料制成，所述单晶具有微区尺寸小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，所述材料用氧化钇稳定，并且还用一种包含金属氧化物的组分稳定，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

该材料较好还应包含改性组分，该组分可以包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。

由于包含稳定和改性组分的特定组成，该材料具有高的硬度和高的强度，这样就能尽可能细致地锐化切割刃。

本发明的外科切割工具简单并且使用方便，操作有效而可靠。对人体组织来说，它是清洁的，这是因为刀的材料与活生物体组织具有生物相容性。

所述外科切割工具是一种通用类型的工具，因为根据刀的形状和宽度，它可用于各种外科手术，包括显微外科和眼科手术。

这种外科切割工具能在切割过程中对组织进行真实的切割，因而被切割的两部分得以“移开”，这样对组织造成的变形和伤害就尽可能小。这首先要归因于所利用的超锐切割刃，其次要归因于刀是以两个角度锐化的，从而使刀与切割组织之间的相互作用以及组织的变形降至最小。

由于该外科切割工具的元素和结构总体上是化学惰性和耐热的，所以它能经受任何消毒和灭菌处理(包括干热处理)，这就使它能应用于任何临床条件。

本发明的外科切割工具成本合算，因为其刀的材料耐磨性高，可使用许多次(上百次以上)，而其切割特征保持不变。

附图的简要说明

下面，本发明将结合用来说明其较好实施方案的一些附图进行详细说明，其中：

图1显示本发明的一把外科切割工具；

图2显示沿本发明图1中II-II线的横截面；

图3a至3g显示本发明各种刀的外形；

图4a至4c显示本发明操作工具体(operative bodies)的各种实例。

较好实施方案的说明

用氧化钇稳定的以二氧化锆为基的材料的特征在于它还包含金属氧化物作为稳定组分，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土元素的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

该材料也包含改性组分，该组分可以包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。

外科切割工具包括刀1(图1)，该刀有柄2和用于刚性固定刀的刀架3。刀1由单晶形式的以二氧化锆为基的材料制成，所述单晶具有微区尺寸小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，所述材料用氧化钇稳定，并且还用一种包含金属氧化物的组分稳定，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土元素的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

制造外科工具的材料还包含改性组分，该组分可以包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。

刀架3包括刀固定部件4、架体5和把手6。

有两种可能的方式将刀1连接到刀架3上，即：可拆卸的方式和不可拆卸的方式。在可拆卸的方式中，使用夹套作为刀固定部件4，在不可拆卸的方式中，使用医药上可接受的胶粘剂将刀1粘贴在刀固定部件4中。

刀1的宽度A在1至15毫米的范围内，刀的厚度B(图2)为0.15至1毫米，刀的切割刃长度L在1至60毫米的范围内，刀的切割刃被锐化的半径R在0.05μm＜R＜2μm的范围内。

刀1以两个角度被锐化，次锐化角α为15-25°，主锐化角β为30-60°，具有主锐化角的切割刃的操作表面宽度C为30-500μm。

刀1的切割刃的外形(图3a至3g)选自直线形、圆形、组合的和双刃的外形。

刀1为各种颜色，视所用改性组分的种类和浓度而异，所述颜色选自乳白色、粉红色、淡紫色、黄色、红色、橙色、浅蓝色、黄绿色、紫罗兰色、象牙色、湿沥青色和黑色。

本发明其它工具包括固定在工具体8上的操作部件7(图4a、4b、4c)。操作部件7由单晶形式的以二氧化锆为基的材料制成，所述单晶具有微区尺寸小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，所述材料用氧化钇稳定，并且还用一种包含金属氧化物的组分稳定，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

制造操作部件的材料还包含一种改性组分，该组分可以包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。

图4a说明了这样一种实施方案，其中所述操作部件包括用于制造经标定的细纤维(包括那些由化学腐蚀性材料制成的纤维)的模头。

图4b说明了这样一种实施方案，其中所述操作部件是用于轧制非常薄的经标定的金属箔的辊。

图4c说明了这样一种实施方案，其中所述操作部件是设计成在各种温度和高旋转速度的腐蚀性环境(包括没有润滑的操作)中使用的平面轴承(facebearing)。

Claims

1.一种用氧化钇稳定的以二氧化锆为基的材料，其特征在于，

它还包含金属氧化物作为稳定组分，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土元素的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

2.如权利要求1所述的材料，其特征在于它包含改性组分，该组分包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。

3.一种外科切割工具，它包括刀，该刀有柄和用于刚性固定所述刀的刀架，其特征在于所述刀由单晶形式的以二氧化锆为基的材料制成，所述单晶具有微区尺寸小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，所述材料用氧化钇稳定，并且还用一种包含金属氧化物的组分稳定，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土元素的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

4.如权利要求3所述的外科工具，其特征在于它包含改性组分，该组分包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。

5.如权利要求3所述的外科工具，其特征在于刀的宽度在1至15毫米的范围内，刀的厚度为0.15至1毫米，刀的切割刃长在1至60毫米的范围内，刀的切割刃被锐化的半径R在下述范围内

0.05μm＜R＜2μm。

6.如权利要求3所述的外科工具，其特征在于刀以两个角度被锐化，切割刃的次锐化角为15-25°，主锐化角为30-60°，具有主锐化角的切割刃的操作表面宽度为30-500μm。

7.如权利要求3所述的外科工具，其特征在于刀切割刃的外形选自直线形、圆形、组合的和双刃的外形。

8.如权利要求3所述的外科工具，其特征在于刀有各种颜色，所述颜色选自乳白色、粉红色、淡紫色、黄色、红色、橙色、浅蓝色、黄绿色、紫罗兰色、象牙色、湿沥青色和黑色，视所用改性组分的种类和浓度而异。

9.一种工具，它包括固定在工具体中的操作部件，其特征在于所述操作部件由单晶形式的以二氧化锆为基的材料制成，所述单晶具有微区尺寸小于200纳米的纳米结晶结构并且不具有相界面，所述材料用氧化钇稳定，并且还用一种包含金属氧化物的组分稳定，所述金属氧化物选自氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化钪和从铕到镥的稀土的氧化物，所述各组分之比如下(摩尔％)：

氧化钇 0.5-4.5

稳定组分 0.1-4.5

氧化锆余量。

10.如权利要求9所述的工具，其特征在于所述材料还包含改性组分，该组分包含选自氧化铈、氧化钕、氧化镨、氧化钐的稀土氧化物和选自氧化钴、氧化钛、氧化钒、氧化锰、氧化铁、氧化镍、氧化铜的过渡元素氧化物，所述改性组分的加入量为材料总量的0.05-3.0摩尔％。