2018年骨外科学主治医师相关专业知识—人工关节的材料学

随着人的年龄变大，许多的器官也在慢慢的老化。都感叹道：人老腿先老。人工关节治疗关节畸形和各种破坏性骨关节等疾病都有显著的效果，许多人工关节手术后的病人都有一种返老还童的感觉。目前全世界每年大约80万人做了人工关节手术，而且随年逐增，这也刺激了骨和关节外科的研究发展。1998年4月，瑞典隆德大学骨科主任、欧洲骨科研究会主席Lars Lidgren教授首先发起并倡议将2000年～2010年确定为国际“骨与关节十年”(Bone and JointDecades)。我国对这一倡议也给予了高度重视，并由医学会骨科学分会代表中国于2002年lO月加入了“骨与关节十年”这一国际性活动.同时正式签署了宣言。在此基础上还成立了中欧骨科学术交流学会(SEOAEC)，进一步加强了我国骨与关节外科工作者与国际同行的学术交流。本文主要介绍人工关节的材料[1]。

1陶瓷关节材料

人工关节常用的陶瓷材料均为生物惰性陶瓷主要为氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷。陶瓷人工关节经历了四代工艺技术的改进，现已日趋完善。20世纪70年代生产的第一代氧化铝陶瓷纯度较差，晶体颗粒直径大，密度低，导致陶瓷材料的脆性大，破碎的发生率较高。 第二代氧化铝陶瓷降低了晶体颗粒的直径改善了，颗粒的排列了，增加了材料的密度，使陶瓷的性能得到了很大的改善。90年代后生产的第三代氧化铝陶瓷，晶体颗粒直径更小，陶瓷的硬度，机械强度都较前两代产品显著提高。第四代人工陶瓷关节已于2003年开始应用于临床。

1.1陶瓷材料的性能

强离子键和共价键赋予陶瓷材料较高的耐磨、耐压强度和硬度及良好的化学

惰性。而且，陶瓷材料的亲水能力保证了其参与构成的关节有较大的润滑性。此外，陶瓷材料不会析出金属离子，在体内可保持生物惰性，这都是陶瓷较为突出的优点。此外，陶瓷材料不会析出金属离子，在体内可保持生物惰性，这都是陶瓷较为突出的优点。而随着工艺的改进，陶瓷关节假体的物化性能将得到进一步提升[2]。

1.2陶瓷材料的优点

(1) 耐磨损( 抗压强度：2000~4000Mpa)，能较好地抵抗研磨性磨损和第三体磨损。

(2) 硬度高，无蠕变现象(1000~2000 维氏硬度单位)。

(3) 微晶结构表面可进行高剖光加工( 表面粗糙度可达Ra 6.3~1.6μm)。

(4) 亲水性(hydrophilic) 好，润滑性能出色( 图1)，可期待理想的液膜润滑模式，降低粘附磨损。

(5) 极好的耐腐蚀性，绝缘性，无离子释放。

(6) 生物学惰性，不易引起细胞反应，诱导骨融解。

(7) 表面不易附着细菌。

(8) 理想的抗疲劳性，表面退化缓慢[3]。

1.3 陶瓷材料的改性

陶瓷的断裂韧度和抗疲劳性等物理特性取决于它的显微结构：颗粒大小、密度和均匀性。所以对陶瓷材料的改性主要从降低其原料的晶粒大小、提高密度等方面着手。现代生产中利用无尘化处理、热均衡加压、激光蚀刻等新技术可以使氧化铝的晶粒尺寸减小到21xm以下。由氧化铝、氧化锆、微量的氧化铬和氧化锶组成的陶瓷材料的晶体结构可以降低到1-2tzm，使得材料既保持了硬度又降低了脆性。近年来，国内外在A120，陶瓷增韧方面作了大量的下作，诸如改变材料的显微结构;利用Zm：相变增韧或微裂纹增韧，以及在瓷体中人为造成裂纹扩散的障碍等已经取得了显著的效果。另外，现代陶瓷人工髋关节假体设计时，在髋臼上有一个半球形金属壳，外表面有多孔的涂层，内面呈morse斜坡，可以嵌入陶瓷内衬，这样就成功地解决了同定和耐磨的难题[4]。

2金属及合金关节材料

金属及合金人工关节材料主要分为三类：不锈钢(316L型)人工关节，钴基合金人工关节和Ti-Ti合金人工关节。三种关节材料有着各自的优缺点及植入人体后的反应。

2.1不锈钢(316L型)人工关节

不锈钢是最早的人体金属植入材料。较有代表性的金属人工关节—316L不锈钢是制作医用人工关节比较常用的廉价金属材料，主要用于制作关节柄和关节头。其具有优良的加工性能及适当的抗压强度，其表面形成钝态的氧化铬氧化膜，降低了均匀腐蚀的速度[5]。但临床表明316L不锈钢植入人体后.在生理环境中。有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问题。并且会因摩擦磨损等原因释放出NP、CP和C一，从而引起假体松动，最终导致植入体失效。因此，对316L不锈钢而言，提高耐腐蚀性是关键[6]。

2.2钴基合金人工关节

钴基合金通常指Co—Cr合金，在人工关节制作方面有着广泛的应用，首先生物相容性比3136L不锈钢优良，抗蚀能力比较好，且原子按面心立方结构排列，断层表面能低，耐磨性好，但其不适于机械加工。美国材料实验协会推荐了4种可在外科植入中使用的钴基合金，它们是：锻造Co-Cr-Mo合金(F76)，锻造Co-Cr-W-M合金(F90)，锻造Co-Nj-Cr-Mo合金(r562)，锻造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563)。其中锻造Co-Cr-Mo合金和锻造Co-Ni-Cr-Mo合金已广泛用于植入体的制造131[7]。ISO允许用于制作人工关节部件的钴基合金已达到6种，这充分说明钴基合金在人工关节制作方面有着广泛的应用。临床实践证实钴基合金具有很高的强度和优异的抗腐蚀性。无明显毒副作用[4]。

2.3 Ti-Ti合金人工关节

Ti-Ti合金因其生物相容性好以及良好的综合机械性能，在人体植入材料当中得到了广泛的应用。20世纪50年代美国和英国首先将纯钛用于生物体。我国首先由北京有色金属研究总院与天津市骨科医疗器械厂生产的钛人工股骨和髋关节1973年用于临床[8]。后来发现Ti一6Al-4V合金的性能优于纯钛[9]。因此，Ti一6Al-4V合金作为人体植入材料得到了广泛应用。Ti_6Al-4V合金的生物相容性比不锈钢和Co-Cr-Mo合金都要强，耐蚀性好，其弹性模量与骨骼接近，且密度小(4.5ig/cm3)，可用于人工关节及骨科内固定器的制造[10]。由于钒能引起慢性炎症铝离子与无机磷结合，使体内缺磷，将诱发老年痴呆症等。且其弹性模量为骨弹性模量的4一l0倍，种植体与骨弹性模量之间的不匹配.使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织。出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收.最终引起种植体松动或断裂。因此，开发研究生物相容性更好、弹性模量更低的新型医用B钛合金，成为生物医学金属材料研究的重点。

3有机高分子关节材料

用于人工关节的高分子材料主要有硅橡胶、聚乙烯及超高分予量聚乙烯等。

3.1硅橡胶

近十几年来，国外采用硅橡胶人工指关节进行了小关节置换术，已有大量临床报道。国内在天津、北京、西安等地都先后用于临床。四川省医用高分子材料协作组予1974年就开始研制硅橡胶人工指关节：1975年7月用于临床，但经长期随访，发现疗效并不理想[11]。分析其原因，主要与硅橡胶材料的质量问题有关，其工艺流程与纯度没有得到严格控制，硅橡胶指关节的表面光洁度和硬度等指标也达不到医用要求。对于硅橡胶是否为一种非常理想的生物材料，虽然国外有较多成功的报告，但远期疗效分析已存在大量由硅橡胶引起异物反应的报导[12]。

3.2聚乙烯(PE)

聚乙烯(PE)是最早被用于人工关节的高分子材料，以后又采用性能更好的超高分子聚乙烯(UHMWPE)[13]。它已成功用于人工腕关节、膝关节与髋臼等，较好地解决了人工关节的摩擦磨损问题。超高分子量聚乙烯的使用曾是现代人工关节成熟的标志。其主要用于关节凹等摩擦面，如人工髋臼等。聚乙烯用于解决人工关节的摩擦问题，收到了较好的效果[14]。

3.3超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯是各种组合式全髋假体中的最脆弱的环节，它与相邻的金属表面或陶瓷表面发生正常或非正常的活动时，其较柔软性决定了该假体成份也最容易被磨损。