【YY医药标准】 ISO 6474-2:2012 外科植入物陶瓷材料 第2部分:氧化锆增韧高纯氧化铝基复合材料

ICS11.040.40
中华人民共和国医药行业标准
YY/T1294.2—2015/ISO6474-2：2012外科植入物
第2部分：氧化锆
陶瓷材料
增韧高纯氧化铝基复合材料
Implants for Surgery-Ceramic materials-Part 2:Composite materialsbased on a high purity alumina matrix with zirconia reinforcemen(ISO6474-2:2012,IDT)
2015-03-02发布
国家食品药品监督管理总局
2016-01-01实施
YY/T1294.2—2015/ISO6474-2:2012YY/T1294《外科植人物陶瓷材料》已经或计划发布以下部分：第1部分：高纯氧化铝基陶瓷材料；一第2部分：氧化锆增韧高纯氧化铝基复合材料。本部分为YY/T1294的第2部分。
本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。本部分使用翻译法等同采用ISO6474-2：2012《外科植人物陶瓷材料第2部分：氧化锆增韧高纯氧化铝基复合材料》（英文版）。与本标准中规范性引用的国际文件有一致性对应的我国文件如下：-GB/T21114—2007耐火材料X射线荧光光谱化学分析熔铸玻璃片法（ISO1267.7：2003,MOD)
YY/T0651.1-一2008外科植人物全髋关节假体的磨损第1部分：髋关节磨损试验机的负载和位移参数及相关的试验环境条件（ISO14242-1：2002，MOD)GB/T6569—2006精细陶瓷弯曲强度试验方法（ISO14704：2000，MOD）；GB/T16534—2009精细陶瓷室温硬度试验方法（ISO14705：2008，MOD）；GB/T23806—2009
精细陶瓷断裂韧性试验方法单边预裂纹梁（SEPB）法（ISO15732：2003.MOD);
GB/T25995—2010精细陶瓷密度和显气孔率试验方法（ISO18754：2003，MOD）。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本部分由国家食品药品监督管理总局提出。本部分由全国外科植人物和矫形器械标准化技术委员会(SAC/TC110)归口。本部分起草单位：国家食品药品监督管理局天津医疗器械质量监督检验中心、国家食品药品监督管理总局医疗器械技术审评中心。本部分主要起草人：马春宝、张文慧、刘斌、董文兴。I
1范围
YY/T1294.2—2015/ISO6474-2:2012外科植入物陶瓷材料第2部分：氧化锆增韧高纯氧化铝基复合材料
YY/T1294的本部分规定了关节置换用生物相容和生物稳定的陶瓷骨替代材料（氧化锆增韧高纯氧化铝基复合材料)的性能和相应的试验方法。本部分的目的在于规定一种氧化铝基复合材料，即氧化铝占复合材料中的质量分数超过60%以上，与ISO6474-1描述的材料类似，但添加了一定量的氧化和其他明确成分的复合材料。注：本部分中规定的性能要求在强度和断裂韧性方面区别于ISO6474-1，而且增加了一些针对含氧化锆的材料的特殊要求（见ISO13356)。
在本部分规定的化学组成中列出了添加剂的成分。对于氧化铝或氧化锆陶瓷典型的添加剂为Mg、Y，Ce等。这些添加剂有助于提高氧化铝-氧化锆复合材料的机械性能和化学稳定性。本部分不包括无机添加剂在人体中的的生物相容性评价（见ISO10993-1）。评价依照本部分的框架来生产的特定的复合陶瓷材料的生物相容性是制造商的责任。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ISO6474-1外科植人物陶瓷材料第1部分：高纯氧化铝基陶瓷材料（ImplantsforsurgeryCeramic materialsPart l.Ceramic materials based on high purity alumina)ISO12677耐火材料X射线荧光光谱（XRF)化学分析熔铸玻璃片法（Chemicalanalysisofrefractory products by X-ray fluorescence(XRF)-Fused cast bead method)ISO13356外科植人物氧化亿稳定的四方晶系氧化锆（Y-TZP）陶瓷材料（Implantsforsurgery—Ceramic materials based on yttria-stabilized tetragonal zirconia (Y-TZP))ISO14242-1外科植人物全髋关节假体磨损第1部分：磨损试验机的载荷和位移参数及相应的试验环境条件(Implantsforsurgery—Wearoftotalhip-jointprosthesesPartl：Loadinganddis-placement parameters for wear-testing machines corresponding environmental conditions for test)ISO14243-1外科植人物全膝关节假体的磨损第1部分：负载控制磨损试验机的负载和位移参数及相应的试验环境条件（Implantsforsurgery-WearoftotalkneejointprosthesesPartl：Loading and displacement parameters for wear-testing machines with load control and correspondingenviormental conditions for test)ISO14704精细陶瓷（高级陶瓷，高技术陶瓷）室温下块体陶瓷弯曲强度的试验方法（Fineceramics (advanced ceramics,advanced technical ceramics)-Test method for flexural strength ofmonolithic ceramics at room temperature.)ISO14705精细陶瓷（高级陶瓷、高技术陶瓷）室温下块体陶瓷硬度的试验方法［Fineceramics(advanced ceramics,advanced technical ceramics)-Test method for hardness of monolithic ceramicsat room temperaturej
ISO15732精细陶瓷（高级陶瓷、高技术陶瓷）室温下用单边预制裂纹束法（SEPB）测定块体陶1
YY/T1294.2—2015/IS06474-2:2012瓷断裂韧性的试验方法[Fine ceramics（advanced ceramics，advanced technical ceramics）一Testmethod for fracture toughness of monolithic ceramics at room temperature by single edge precrackedbeam（SEPB)method)
ISO16428外科植入物植人材料和医疗器械静态、动态腐蚀试验的测试溶液和测试环境条件(Implants for surgeryTest solutions and environmental conditions for static and dynamic corrosiontests on implantable materials and medical devices)ISO17561精细陶瓷（高级陶瓷、高技术陶瓷）在室温下用声波共振法测定块体陶瓷弹性模量的试验方法[Fine ceramics(advanced ceramics,advanced technical ceramics)Test method for elasticmoduli of monolithic ceramics at room temperature by sonic resonancejISO18754精细陶瓷（高级陶瓷、高技术陶瓷）密度和显气孔率测定[Fineceramics（advancedceramics,advanced technical ceramic)Determination of density and apparent porosity]ISO18756精细陶瓷（高级陶瓷、高技术陶瓷）表面裂纹弯曲（SCF）法测定室温下块体陶瓷的断裂韧性 (Fine ceramics Cadvanced ceramics,advanced technical ceramic)一Determination of fracturetoughness of monolithic ceramics at room temperature by the surface crack in flexure (SCF) method)ISO20501精细陶瓷（高级陶瓷、高技术陶瓷）强度数据的韦布尔统计[Fineceramics（advancedceramics,advanced technical ceramics)—Weibull statistics for strength datajISO22214精细陶瓷（高级陶瓷、高技术陶瓷）室温下块体陶瓷循环弯曲疲劳试验方法[Finece-ramics (advanced ceramics,advance technical ceramics)-Test method for cyelic bending fatigue ofmonolithic ceramics at room temperaturejISO23146精细陶瓷（高级陶瓷、高技术陶瓷）块体陶瓷的断裂韧性试验方法单边V形切口梁法(SEVNB)[Fine ceramics (advanced ceramics,advanced technical ceramics)-Test methods forfracture toughness of monolithic ceramics-Single-edge V-notch beam (SEVNB)method)CEN/TS14425-5高技术陶瓷测量块体陶瓷断裂韧性试验方法第5部分：单边V形切口梁法 (SEVNB)[Advanced technical ceramics-Test methods for determination of fracture toughness ofmonolitic ceramics-Part 5:Single-edge V-notch beam (SEVNB) method)EN623-2高技术陶瓷块体陶瓷：一般和组织性能第2部分：密度和气孔率的测定（Advancedtechnical ceramics-Monolithic ceramics:General and textural propertiesPart 2: Determination ofdensityand porosity)
EN623-3：1993高技术陶瓷块体陶瓷：一般和组织性能第3部分：晶粒尺寸和尺寸分布的测定（线性截距法表征)[Advanced technicalceramicsMonolithicceramics：Generaland textural proper-tiesPart 3: Determination of grain size and size distribution (characterized by the linear interceptmethod)
EN843-1高技术陶瓷块体陶瓷室温下的机械性能第1部分：弯曲强度的测定（Advancedtechnical ceramics-Monolithic ceramics-Mechanical properties at room temperaturePart l: Deter-mination of flexural strength.)EN843-2高技术陶瓷室温下块体陶瓷的机械性能第2部分：杨氏模量、剪切模量和泊松比的测定(Advanced technical ceramics-Mechanical properties of monolithic ceramics at room tempera-ture-Part 2: Determination of Young's modulus,shear modulus and Poisson's ratio)EN843-4高技术陶瓷室温下块体陶瓷的机械性能第4部分：维氏、努氏和洛氏表面硬度(Advanced technical ceramics-Monolithic ceramics-Mechanical properties at room temperature-Part 4:Vickers,Knoop and Rockwell superficial hardness)EN843-5高技术陶瓷室温下块体陶瓷的机械性能第5部分：统计分析（Advancedtechnicalceramics-Monolithic ceramics-Mechanical properties at room temperature -Part 5: Statistical anal-2
YY/T1294.2—2015/IS06474-2:2012ASTMC1161环境温度下高级陶瓷弯曲强度试验方法（Standardtestmethodforflexuralstrength of advanced ceramics at ambient temperature)ASTMC1198运用声波共振测定高级陶瓷动态杨氏模量、剪切模量和泊松比试验方法(Standard test method for dynamic young's modulus, Shear Modulus, and Poisson's ratio foradvanced ceramics by sonic resonance)ASTMC1239高级陶瓷的单轴强度数据报告和韦布尔分布参数估计（Standardpracticeforreporting uniaxial strength data and estimating weibull distribution parameters for advanced ceramics)ASTMC1259振动脉冲激励法测定高级陶瓷动态杨氏模量、剪切模量和泊松比的试验方法(Standard test method for dynamic Young's Modulus, Shear Modulus, and Poisson's ratio foradvanced ceramics by impulse excitation of vibration)ASTMC1327高级陶瓷维氏压痕硬度试验方法（Standardtestmethodforvickersindentationhardness of advanced ceramics)ASTMC1331用宽带脉冲回波交叉相关法测定高级陶瓷超声波速度的试验方法（Standardtestmethod for measuring ultrasonic velocity in advanced ceramics with broadband pulse-echo cross-corre-lation method)
ASTMC1421测定环境温度下高级陶瓷断裂韧性的试验方法（Standardtestmethodfordeter-mination of fracture toughness of advanced ceramics at ambient temperature)ASTMC1499环境温度下高级陶瓷单一等效双轴弯曲强度试验方法（Standardtestmethodformonotonic equibiaxial flexure strength of advanced ceramics at ambient temperature)3分类
3.1材料类型
材料分为X型和S型。
-X型：超高强度；
-S型：标准高强度。
X型陶瓷材料推荐用于生产需要超高强度的部件。（例如，髋关节置换或膝关节置换的薄壁关节面）
S型陶瓷材料推荐用于生产需要比纯氧化铝材料强度高的部件。（例如，标准髋关节置换物）特别地，X型和S型陶瓷材料的强度均高于ISO6474-1中规定的A型材料强度。3.2测试分类
3.2.1通则
测试分为两类，类别1和类别2。3.2.2周期生产控制需要的测试
以下测试用于周期生产控制：www.bzxz.net
a）体积密度（见5.1)；
b）化学组成（见5.2)；
微观结构（见5.3)；
强度（见5.4）；
YY/T1294.2—2015/IS06474-2.2012e）放射性（见5.5）。
3.2.3代表通用材料规范需要的测试制造商应规定通用的原材料规范。除了3.2.2规定的测试之外，还需要进行如下试验来评定材料规范：
断裂韧性（见5.6）；
硬度（见5.7）；
杨氏模量（见5.8）；
d）循环疲劳（见5.9）；
加速老化（包括强度、循环疲劳和磨损）（见5.10）。e)
3.3材料性能
为了达到本部分的要求，材料性能应当符合表1和表2中所列举的性能要求限值。表1材料性能要求限值
平均相对
体积密度
氧化铝（Al2O）
（质量分数）
氧化锆（ZrO+HfO.）
化学组成
微观结构
强度（1或2）
放射性
（原材料测试）
（质量分数）
ZrO.中的HfO2含量
（质量分数）
添加剂（质量分数）
杂质限量（质量分数）
氧化铝线性截距晶粒尺寸
氧化锆线性截距
晶粒尺寸
氧化铝标准偏差
氧化锆标准偏差
1a)平均双轴弯曲强度
1b)韦布尔模量
2a)平均四点弯曲强度
2b)韦布尔模量
氧化锆
其他添加剂
性能分类
类别1
X型要求
≥1000
≤200
S型要求
≥450
≥750
参考标准
ISO18754
EN623-2
ISO12677
EN623-3
ASTMC1499
ISO20501
EN843-5
ASTMC1239
ISO14704
EN843-1
ASTMC1161
ISO20501
EN843-5
ASTMC1239
ISO13356
韧性，
1)SEVNB
2）SEPB
3）SCF
维氏硬度，HV1
杨氏模量
循环疲劳极限：经
1000万次4点弯
曲疲劳试验后
加速老化：在高温高
压容器中处理10h
(0.2MPa,134 ℃)
循环疲劳1000万
次，四点弯曲疲劳
样品的制备
表2材料性能要求限值
性能分类
X型要求
400MPa
不得失效
YY/T1294.2—2015/ISO6474-2:2012类别2
S型要求
≥320
300MPa
不得失效
与高温高压处理前相比测试值
的下降不得超过20%
320MPa
不得失效
240MPa
不得失效
与高温高压处理前相比测试值
的增加不得超过20%
参考标准
ISO23146
CEN/TS14425-5
ISO15732
ISO18756
ASTMC1421
ISO14705
EN843-4
ASTMC1327
ISO17561
EN843-2
ASTMC1331
ASTMC1198
ASTMC1259
ISO22214
ISO14242-1
ISO14243-1
或其他测试
试样应按照正常生产的植人物材料的流程进行制造。试样应采用相同的原料和相同的成形技术、高温过程和机加工方法。试样的外形和表面加工质量应满足测试的要求。制造商应声明试样的生产和制备和正常生产的产品一致，成品或其中的一部分也可以用来评价材料的部分性能。但是，由于几何尺寸的限制和样品制备过程中损坏的风险，一般不推荐使用成品作为试样测试下述材料性能：强度（5.4）；
断裂韧性（5.6）；
循环疲劳（5.9）。
YY/T1294.2—2015/ISO6474-2.20125试验方法
体积密度
5.1.1通则
体积密度应按照ISO18754或EN623-2进行测定。体积密度的基准由选择的复合成分的组成确定。给出的相对密度pr≥99%。
相对密度计算公式如下：
P, = Pm
式中：
P相对密度；
Pm—测试密度，单位为克每立方厘米（g/cm）：Pu最终密度，单位为克每立方厘米（g/cm*）。P.通过计算或经验估计确定。
5.1.2最终密度的计算
为了计算最终密度值Pu，每种成分的质量组成和密度是已知的。最终密度按式（2)计算100%
式中：
每种成分的相对质量百分比，%；mi,m.
每种成分的密度（氧化铝、氧化锆、其他)；m十十m的和值应是100%。
制造商应按式（2）确定每种成分的理论密度。如果杂质含量的质量组成<0.2%，计算理论密度时可忽略。
5.1.3最终密度的经验确定
如果计算得到的最终密度不充分可靠，推荐按照下面的经验程序确定最终密度。a）选择一组典型的无机成分粉料。b）通过烧结和热等静压工艺生产至少10个试样。按照制造商的经验选择烧结和热等静压工艺条件，从而获得最大的密度。
显微结构分析是确定经热等静压和烧结后样品是否有残余气孔的证据。如果发现无气孔，按照ISO18754测定密度。测试试样的外表面应为打磨过或抛光的。d)
每个测试试样的密度应保留至小数点后两位数（X.X×g/cm\）。e
所有单一的密度值中的最大值作为最终密度。5.2化学组成
按照ISO12677的X射线荧光法测定化学组成，或者使用电感耦合等离子体发射光谱分析法(ICP-OES)或者电感耦合等离子体质谱分析法（ICP-MS)来测定化学组成。若可能，制造商应声明所有添加到成品中的无机添加剂，并且确定这些添加剂的含量上下限。添加6
剂的总量不得超过质量组成的10%。YY/T1294.2—2015/ISO6474-2.2012制造商应规定对复合材料性能有不利影响的元素为“杂质”，杂质总量占质量组成的上限为0.2%。推荐制造商规定氧化铝和氧化锆含量的上限和下限，按照类别1的定义进行测试。（见3.2.2）5.3微观结构
使用EN623-3：1993的方法B确定材料的微观结构。应确定氧化铝晶粒和氧化锆晶粒的线性截距晶粒尺寸。不需要测定其他相的晶粒尺寸。注：线性截距法显示了显微照片选定区域内的平均的晶粒尺寸，不是单一晶粒尺寸的分布。试样的选择，制备和评价应遵循以下规定：a）试样的选取应能代表产品的最大壁厚部分和最小壁厚部分；b）显微照片的位置应能代表选取试样的中心和表面区域：试样的选择应考虑炉内的可能的温度偏差i
推荐使用常规的产品做微观结构评价。如果选用其他试样，制备过程应和产品正常生产过程d)
等效：
显微照片的每个选取区域的线性截距晶粒尺寸应符合表1中的要求：e
应确定所有选取的显微照片中的线性截距晶粒尺寸的标准偏差，标准偏差应符合表1中的D
要求。
用线性截距法确定晶粒尺寸，可以通过有效的相关统计评估正常产品的一致性。制造商通过其特定的制造工艺来调整确定晶粒尺寸。建议制造商分析关于显微组织的特定加工过程的可靠性，重复性和可持续性（例如验证），并将这些数据应用于常规的生产控制。如果成功的完成了这些详细的分析，可以减少用于微观结构控制的样品量和拍摄的显微照片。注1：ASTME112不适用于复合材料。注2：线性截距晶粒尺寸必定小于真正的晶粒尺寸。更详细的资料可参考EN623-3。为了提高氧化锆和氧化铝晶粒边界探测的对比度，建议在高加速电压下使用SEM的二次电子探测器。
5.4强度性能
5.4.1通则
强度性能应按照5.4.2中描述的双轴弯曲强度试验或5.4.3中描述的四点弯曲强度试验进行测试。每次试验需测试至少30件样品，测试数据按照韦布尔统计法进行分析（见5.4.4）。建议详细说明测试样品的表面粗糙度，以便解释产品的预期用途。对于烧制的样品表面，详细说明表面是由模压成型还是坏体机械加工制成的。
5.4.2双轴弯曲强度
按照ASTMC1499规定的方法进行双轴弯曲强度试验。试样表面可进行烧制、打磨或抛光处理。在本部分的范围内，使用表3中规定的测试样品和试验装置尺寸。表3双轴弯曲强度试样和测试装置的尺寸尺寸
圆形试样直径
试样厚度
尺寸单位为毫米
YY/T1294.2—2015/ISO6474-2.2012尺寸
支撑环直径
负载环直径
接触环半径
注：尺寸的缩写依照ASTMC1499。3四点弯曲强度
表3（续）
尺寸单位为毫米
按照ISO14704，EN843-1或ASTMC1161规定的方法进行四点弯曲强度测试。试样表面应进行打磨或抛光处理。在本部分的范围内，使用表4中规定的测试样品和试验装置尺寸。表4四点弯曲试样和试验装置的尺寸尺寸
试样宽度
试样厚度
试样长度
支撑跨度
负载跨度
注：尺寸的缩写依照ISO14704。5.4.4韦布尔模量
尺寸单位为毫米
双轴弯曲强度或四点弯曲强度测试数据应按照ISO20501或EN843-5或ASTMC1239规定的方法使用韦布尔统计法进行分析。试验报告应使用平均强度和韦布尔模量。这些参数应符合表1的限值要求。
5.5放射性
按照ISO13356规定的方法进行材料的放射性测试。其他的方法如果证明是足够精确和可靠的也是可接受的。应在原材料和其他添加剂混合前，使用原材料粉末进行此项测试。所有的成分应符合表2中的限值。氧化锆材料预期会产生放射性。制造商使用的其他原材料也会预期显示出放射性。因此需要按照测试类别1的要求对这些原材料进行测试。氧化铝和大多数的添加剂不会显示出任何放射性。对于这些材料不需要分析其放射性。5.6断裂韧性
5.6.1通则
材料的断裂韧性可使用5.6.2～5.6.4中任意一种方法进行测试。每次试验应至少测试5件样品。试验结果取一系列试验的平均值。8
5.6.2SEVNB
YY/T1294.2—2015/ISO6474-2:2012ISO23146或CEN/TS14425-5中规定了单边V形切口梁弯曲试验方法（SEVNB）。切口尖端半径应尽可能小，最好小于10μms5.6.3SEPB
ISO15732中规定了单边预制裂纹束试验方法（SEPB)。5.6.4SCF
ISO18756、ASTMC1421.EN843-4或ASTMC1327中规定了表面裂纹弯曲试验方法（SCF)。5.7硬度
材料的维氏硬度应按照ISO14705中规定的方法进行试验，试验所用载荷为9.81N(HV1)。材料的硬度取决于氧化铝基体中的氧化锆和其他添加剂的含量。因此，表2中规定的限值仅代表高氧化含量的陶瓷复合材料。推荐制造商确定对于其产品特定组成的合适的最低限值。5.8杨氏模量
按照ISO17561，EN843-2，ASTMC1331和ASTMC1198或ASTMC1259规定的方法进行杨氏模量测试。
杨氏模量取决于氧化铝基体中的氧化锆和其他添加剂的含量。因此，表2中规定的限值仅代表高氧化锆含量的陶瓷复合材料。推荐制造商确定对于其产品特定组成的典型值和合适的最低限值。5.9
循环疲劳
采用ISO22214中规定的循环弯曲疲劳方法测定材料的循环疲劳性能。本试验使用的试样和试验装置的尺寸与5.4.3（四点弯曲强度）中描述的一致。试验应在表5列出的条件下进行。表5循环疲劳试验条件
试验条件
循环频率
应力比（omim/0mm）
试验次数
样品数量
依据ISO16428。
加速老化
5.10.1通则
生理盐水，18℃～40℃
≤20Hz
见表1
正弦曲线
≥107
本试验评价了材料在水环境中的稳定性。特别的，该试验条件模拟了在高温下氧化锆与水的反应。9
YY/T1294.2—2015/ISO6474-2.2012该实验有助于确定任何由于热水老化所造成的材料降解。本试验需要在合适的高温高压容器中134℃士2℃的水蒸气中），进行10h的试验。本试验使用的高温高压容器应在此温度下能够承受0.2MPa的压力。试样应分别符合5.4，5.9和5.10.4的要求。为了评价材料在热水老化后产生的降解的影响，要在高温高压处理后进行5.10.25.10.4指定的试验。
5.10.2强度
高温高压处理后的强度试验应按照5.4规定的方法进行，并且要求仍然能达到表2中规定的限值。5.10.3循环疲劳极限
循环疲劳试验应按照5.9规定的方法使用表2中降低的应力水平进行。5.10.4耐磨损
在本部分的范围内，人们认为磨损性能可能受材料经热水老化后表面降解影响，被认为是材料的特有性能。因此需要测试陶瓷部件在加速热水老化前后的磨损性能。磨损试验应按照预期用途进行选择，特别需要考虑与它形成摩擦副的植人物材料。使用模拟预期用途的试验如ISO14242-1（髋关节）或ISO14243-1（膝关节）或简化磨损试验（如圆盘上的环，或圆盘上的钉）。
摩擦副的两个部件的磨损性能可通过磨损体积或质量损失进行定量分析。加速老化后的磨损增加值应符合表2中规定的限值。
在ISO13356中，加速老化试验与单斜晶系含量的测定结合在一起。对于纯氧化锆材料规定了老化试验后单斜晶系含量的上限。在本部分的范围内不需要此上限，因为复合材料中氧化锆的总体积分数在20%以下。这意味着理论上如果所有的氧化锆均是单斜晶系，则复合材料中单斜晶系的总比例≤20%。尽管如此，仍推荐制造商分析老化后的单斜晶系含量并讨论相关的力学试验结果。10
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