人工关节表面改性

人工关节材料介绍及其改进

【摘要】本文主要介绍目前主要的人工关节材料（金属材料、陶瓷材料、高分子材料）及它们的改进方法和方向。

【关键词】人工关节材料

【正文】

0.前言

人工关节置换术是二十世纪最成功的骨科手术之一，它让无数患有终末期骨关节疾病的病人重新恢复正常的生活。人工关节是模拟人体关节制成的植入性假体,以代替病变或损伤的关节并恢复其功能。人工关节包括髋、膝、肩、肘、腕、踝等关节,其中以髋关节、膝关节置换为主。但关节置换术后容易出现假体松动、下沉等并发症，严重影响其手术的效果。人工关节使用寿命一般为10-20年。研究表明，由于人工关节材料表面相互摩擦形成的磨屑及随后介导炎症反应引起的骨溶解是人工关节无菌松动的主要原因。因此，降低人工关节面之间的摩擦，减少磨屑的产生可以显著延长人工关节的使用寿命。

1.人工关节介绍

人工关节的材料应具有良好的生物相容性，良好的机械性能，并有很好的耐腐蚀及抗疲劳性等，负重面应耐磨损，同时磨损颗粒不引起严重机体反应。目前尚无任何单一材料能满足上述要求。

1.1金属材料

和其它材料相比，金属材料具有高强度、高韧性、易加工等特点，常用来制作结构复杂和必须承受很大力量的人工关节。

早期的金属材料以不锈钢为主，它具有优良的加工性能和适当的抗压强度，但由于不锈钢在人体内长期放置会导致恶性肿瘤的发生。目前常用的金属材料有316L不锈钢、钛合金（Ti-6A1-4V）、钴铬钼合金（Co-Cr-Mo）及钴镍合金（MP35N）等。钴铬钼合金(Co- Cr-Mo) 与不锈钢相比，具有优良的生物相容性，耐磨性、耐腐蚀性和综合机械性能都比较好，但其不适于机械加工。钛及钛合金相对密度小、弹性模量较低、机械强度高,且耐蚀性和抗疲劳性均优于不锈钢与钴基合金,是人工关节更适宜的金属材料,最常用的钛合金是Ti - 6Al - 4V。

金属材料作为人工关节材料的主要缺点是金属材料人工关节的关节面容易磨损，磨损后的产物导致机体出现不良的生理反应，引起关节周围的一系列组织发炎和关节松动。同时Ti-6Al-4V、钴-铬-钼合金中含有铬、钴等，如果形成离子状态就会对人体产生毒害作用，这些有害金属离子不断积累，当到达一定量时就会产生致癌作用，对机体健康十分不利。

1.2陶瓷材料

陶瓷被应用于人工关节，目前最常用的是Al2O3 和ZrO2 陶瓷。陶瓷材料强度高，耐磨性好，化学稳定性和耐蚀性强；并且陶瓷材料的离子结构可以吸引带极性的液体, 使之均匀地覆盖在陶瓷的表面, 有利于形成流体薄膜润滑效果，这有助于降低在人体中的磨损。陶瓷材料可以在体内保持生物惰性，不会有金属离子析出，特点突出。但陶瓷材料韧性低、脆性大,且弹性模量远大于人体自然骨,故生物力学匹配性差,在使用过程中常出现脆性断裂和骨损伤等。

1.3高分子材料

有机高分子材料（臼）多与陶瓷、不锈钢等高强度材料（人工关节头）结合应用于人工关节的工艺当中。用于人工关节的高分子材料主要有硅橡胶、聚乙烯及超高分子量聚乙烯等。

高分子材料使用早期效果较好，但长期随访病例发现由于其晚期磨损严重，造成人工关节出现晚期松动现象。磨损产生的碎屑迁移到骨水泥/骨界面，因巨噬细胞反应引起骨吸收，导致支撑关节的骨恶化、固定消失、无菌松动产生并最终置换失败。

2人工关节的改进

2.1金属材料改进

对于金属材料的改性，目的是提高材料硬度和光滑度以增强耐磨特性，减少磨屑的产生。

钛合金可以通过表面渗碳进行改性。葛世荣等人通过实验发现未渗碳钛合金的表面硬度为341 HV,四种渗碳钛合金的硬度分别为778 HV, 614 HV, 635 HV和734 HV,分别提高了128%, 80%, 86%和115%。渗碳后硬度的提高主要是表面生成了碳化钛陶瓷层[ 5 ] ,高硬度的碳化钛有效地强化了钛合金,提高了表面硬度,并且由于扩散层有一定的深度,对表面的强度起到了很好的支撑作用。微弧氧化( MAO)技术可在一些有色金属及其合金表面生长一层与基体结合强度高、以合金氧化物为主体的陶瓷层。氮离子注入可改善Ti6Al4V合金表面成分、组织结构,进而提高其硬度及耐磨性能。

经基磷灰石（HA）是骨骼中存在的一种无机成分, 具有高度生物相容性。可将其涂覆在金属柄表面，既保持了金属材料基体优良的力学性能，又使表面具有陶瓷的耐磨性、生物相容性等特点。经HA表面涂层处理的人工关节植入体内后, 周围骨组织能很快直接沉积在HA 表面, 并与的钙、磷离子形成化学键, 结合紧密, 中间无纤维膜, 早期效果令人满意。

对金属材料进行表面处理时，应不改变金属基体的性能而只提高其表面或表面层的耐磨性、生物相容性及其它性能。常用的处理方法有：（1）热喷涂法。利用热源，如电弧、离子弧或燃烧的火焰等将粉末状的金属或非金属喷涂材料加热熔融或软化，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理干净的基体表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学反应，与基体形成结合层[10]；（2）激光熔敷法。在低输出功率、高扫描速度的脉冲激光照射下，将HA 粉熔敷在基体表面以提高其耐磨性及生物相容性[11]；（3）离子溅射法。以高速离子(如Ar+)轰击HA 靶材，使羟基磷灰石（HA）粉粒溅射并沉积于金属基体，以提供比较高的与周围骨组织的结合力[12]；（4）喷砂法。用喷砂机将HA 粉末直接高速喷出镶入基体表面，以改善表面的生物相容性[11]；（5）电化学法。用电化学的方法，通过调节电解液的浓度、pH 值、反应温度、电场强度、电流等来控制反应的制备方法；（6）离子注入法。将所需的元素在离子气化室中进行气化，通过高频放电使其离子化，以外加电场导出、聚束和加速，使形成高能细小的离子束而打入作为靶的固体材料表层，从而改变材料表层的物理、化学、机械以及生物性能。如注入氮离子可以提高其耐磨性，而注入钙离子则可以提高人工关节与人体的结合力；(7)电子束法。以对金属基体表层施加高能量的方式对表层进行热处理，使表层非晶化，以达到硬化改性的目的。

2.2陶瓷材料改进

颗粒大小、密度和均匀性对陶瓷的断裂韧性和弯曲强度等物理性质有着很大的影响。所以降低原料的晶粒尺寸、提高密度等能提高陶瓷材料的性能。

氧化铝是最早用于人工关节的陶瓷材料，其发展经历了三个阶段。90 年代后生产的第三代纳米级氧化铝陶瓷，晶粒尺寸更小, 这使得氧化铝陶瓷的硬度、机械性能都比前两代产品有着显著的提高。第四代陶瓷人工关节的材料由75%的氧化铝, 24%氧化锆以及微量的氧化铬和氧化锶组成, 晶体结构降低到1-2μm, 使得材料既保持了硬度又降低了脆性。

氧化锆也是很好的陶瓷材料，但纯氧化锆不太稳定。为了提高氧化锆的稳定性，通过热处理和添加一些掺杂稳定剂，如Y2O3、CeO2、MgO 等，可以稳定其晶体结构，使其在常温下能保持四方相，这能增强其机械强度。

为了加强固定，也有人将陶瓷表面做成多微孔，供细胞附着生长，加强生物学固定。

2.3高分子材料改进

目前提高高分子关节材料的抗磨损性能的主要方法有复合增强法和表面处理法。复合增强法可以分为颗粒增强法和纤维增强法两大类。对高分子材料表面进行处理的主要方法是离子注入法，即通过在高分子材料表面注入Xe+、H+、He+、Ar+、N+、O+、C+ 等，使得处理

后的表面层发生结构上的变化。

聚乙烯抵抗摩擦的能力与其平均分子量有关。实验发现超高分子量聚乙烯材料（UHMWPE）的抗摩擦能力明显高于普通的聚乙烯材料，高度交联的UHMWPE耐磨性明显高于线性的UHMWPE。熊党生等人对碳纤维增强关节软骨材料的性能进行软骨材料的性能进行研究发现CF-U HMW PE 复合材料的硬度随CF 含量的增加而增大. 在干摩擦及蒸馏水润滑下, 复合材料的磨损质量损失随CF 含量的增加而降低.在蒸馏水润滑下, CF-U HMW PE 复合材

料的摩擦系数则远低于U HMW PE 的摩擦系数.这有效改善了超高分子量聚乙烯的耐摩擦性，有利于延长使用寿命。

石墨烯提高人造关节材料耐磨性。阎兴斌等为增强医用超高分子量聚乙烯的耐磨性能，采用纳米粒子增强复合材料技术，充分利用新型二维纳米材料石墨烯的高强度、高模量、高硬度和低摩擦因数的突出特点，提高了石墨烯/UHMWPE 复合材料摩擦磨损性能。

Chaki等研制的HA - 聚乙烯复合材料,具有与骨近似的弹性模量,生物力学性能亦得到了相应改善。

3.总结与假想

由上面的分析可知对于材料的改进主要是在金属材料表面加上陶瓷层提高其耐磨性，又保留金属的力学性能。陶瓷材料主要向小颗粒发展，提高其韧性。对于高分字材料主要是表面改性接上功能基团改善耐磨耐蚀性，和复合填充增强其性能，不同的复合填充物料可获得不同的性能增强。

由此笔者有以下想法：

①.随着现代技术的普及，电波无处不在，金属类人工关节易受干扰，产生弱电流和弱

磁场影响人的身体健康，应该会逐渐淘汰。陶瓷类人工关节会有一定的应用面，但

脆性大，且不可降解，应用有局限性。高分子人工关节由于其优异的性能变化，随

着人们研究的不断深入，将是以后的主流使用材料。

②.如果人工关节可以再生将是一件很神奇的事情，也许我们可以将它变为现实。通过

可降解高分子材料制造带很多微孔的人工关节，植入人体后，定期服药或注射试剂

（主要是一些生长因子、诱导因子），避开或利用免疫系统中的各步反应的因子，

让骨细胞再生。当然这也可能使得癌细胞被激活，这就需要我们以后好好研究了。

【参考文献】

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Jonathan P