人工髋关节假体材料-马瑞
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非骨水泥固定（生物型）
• 年轻活动量大的患者，<65岁 • 骨质量良好 • 部分翻修病例
生物学固定
目的
通过假体紧密压配达到早期稳定；通过假体表面处理，使骨长入 （ingrowth）和贴附（ongrowth）于假体，实现骨整合（osseointegration）， 实现远期生物学固定
表面材料
☞人工关节摩擦界面
金属 vs UHMWPE
目前临床应用最多、最 广的关节组合
优点：生物形容性好， 低摩擦，聚乙烯内衬可 做成各种特定形状，撞 击后果小
缺点：聚乙烯抗磨损性能差，老化和消毒后变性 改性：提高抗磨损和抗老化性能
金属 vs 金属
第一代： 钴铬合金制成的带头股骨柄+臼杯，失败率高，不良 的假体设计和粗糙的制作工艺导致
① 陶瓷材料：氧化铝，氧化锆，氧化铝/氧化锆，ZrO2/HA中间涂层 ② 羟基磷灰石（HA）：力学性能较弱，加入TiO2和/或ZrO2 ③ 钛和钛合金：
TiO2涂层（复合氧化，微弧氧化） 连通多孔钛涂层（高温烧结，碱热处理） ④ 钽：多孔钽（“金属骨小梁”），较高的机械强度，弹性模量介于一定 的皮质骨和松质骨之间，具有一定延展性
人工髋关节假体材料（一）
马瑞
西安交通大学第二附属医院 骨一科 西安交通大学关节外科中心
概述
人工髋关节置换术（THA）历经一个多世 纪的发展，已成为治疗关节疾病的标准 手术之一
人工关节的发展史也可看作是一部生物 材料和工程技术的发展史
人工关节不可能一劳永逸，THA失败的主 要原因：松动和脱位
人工关节材料和设计的改进，目的为增 加假体的存活率和改善髋关节的功能
☞人工关节材料
良好的力 学相容性
良好的 生物相容性
长期 稳定性
（抗腐蚀） （耐磨损）
1
金属类
2
高分子类
3
陶瓷类
金属材料
1. 不锈钢
优点：强度高（屈服强度860-1000MPa）
缺点：生物相容性差，疲劳强度低，耐磨损性能差
用途：已淘汰
损颗粒的反应轻） 缺点：陶瓷碎裂，假体撞击 注意事项：禁忌混用不同品牌产品，植入前彻底清
洗假体接触面，禁止金属工具直接敲击
陶瓷 vs wenku.baidu.com属
组合：陶瓷头+金属内衬 与金对金相比，磨损降低了近100倍 问题：金属内衬磨损较重，金属离子浓度增加
假体固定方式
骨水泥固定
• 年龄过大的骨质疏松症 • 骨缺陷者 • 骨生长功能障碍者 • 晚期癌症 • 营养不良
低，晶体颗粒大，密度低，脆性大 第二代： BIOLOX氧化铝陶瓷关节（1988-1994），晶体
直径降低，密度增大 第三代：BIOLOX forte （1994年至今），由微米级降为 纳米级 第四代：BIOLOX delta（2003年至今），氧化铝复合陶 瓷+纳米氧化锆+三氧化二铬+锶铝氧化铬+氧化钇），提 高断裂强度，抑制裂纹扩展 优点：耐磨损，低摩擦，组织相容性好（组织对磨
陶瓷头可为氧化铝或氧化锆
与金对金相比，陶对聚乙烯可减少磨损50%（线 性磨损量金对金>0.2mm/y，陶对聚乙烯0.1mm/y）
陶瓷 vs 陶瓷
种类：氧化铝，氧化锆，氧化铝基复合材料 生产厂家：德国赛琅泰克泰克（CeramTec） 第一代：BIOLOX氧化铝陶瓷关节（1974-1988），纯度
第二代：碳增强的钴铬钼合金 优点：减少磨损 缺点： 2010 年 Depuy 公司主动召回旗下两款MOM 假体 ⑴ 骨溶解+潜在的毒性和致癌风险（虽然容积磨损率低，但磨 损颗粒较小，磨损颗粒总量反而较多） ⑵存在潜在的不稳定性（不能完全适合偏距内衬或高边内衬）
陶瓷 vs 聚乙烯
组合：陶瓷股骨头和 UHMWPE臼杯
缺点：不耐磨损
用途：假体的非关节部分
4. 钽
优点：具有类似骨小梁的弹性模量和骨整合性能
用途：假体涂层，假体非关节面
高分子材料
1. 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 用途：用于骨水泥型假体的固定 2. 超高分子量聚乙烯（UHMWPE） 优点：生物相容性好，质轻，强度较高 缺点：塑型变形，表面磨损率高 用途：关节内衬 问题：⑴ 灭菌方法会影响磨损性能
生物学固定
表面类型
① 巨孔型表面：早期，孔径1-2mm左右，孔隙率50%，有孔金属型，珊瑚面 型，珍珠面型
② 微孔型表面：最佳孔径150-400/700μm，孔隙率在30-60%，厚度0.8-2mm， 二维微孔表面（钴铬钼珠粒烧结，HA喷砂），三维微孔表面（离子喷涂， 化学沉积）
③ 复合涂层表面：材料复合涂层（HA+TiO2/ZrO2/Ti/生物玻璃），结构复合 涂层（多孔金属复合HA，金属喷砂表面复合HA，多孔表面+BMP）
2. 钴基合金
优点：在体内接近完全惰性，对裂痕内氯化物的侵蚀有抵抗能力
缺点：稍有电腐蚀，弹性模量太高（220 Gpa），应力遮挡效应高
用途：股骨头材料
3. 钛及钛合金
钛
优点：抗腐蚀性能强，弹性模量低
缺点：不耐磨损，极限强度低
现状：已淘汰
钛合金 优点：抗腐蚀性能强，良好的生物相容性，更高的强度，更适当的弹性模量
表面处理方法
① 等离子喷涂技术（应用最广泛，涂层不均匀，制备过程中HA产生裂纹， HA因高温分解）
② 电泳沉积（需对基体进行热处理） ③ 高温烧结 ④ 溶胶-凝胶 ⑤ 微弧氧化 ⑥ 快速仿生化学沉积
谢谢！
⑵ 磨损颗粒导致骨溶解 ⑶ 硬度偏低，长期使用会产生精度偏差 3. 高交联UHMWPE 加强聚乙烯的抗磨损性能 交联改性，离子注入改性，纤维填充改性 4. 硅胶 用途：小关节假体（手指）
陶瓷材料
种类：氧化铝，氧化锆，氧化铝基复合陶瓷 优点：高度的表面亲水性，极度惰性，生物形容性
好，磨损率极低 缺点：脆性高，弹性模量高，抗裂纹扩展能力差 用途：髋臼，股骨头，表面涂层
• 年轻活动量大的患者，<65岁 • 骨质量良好 • 部分翻修病例
生物学固定
目的
通过假体紧密压配达到早期稳定；通过假体表面处理，使骨长入 （ingrowth）和贴附（ongrowth）于假体，实现骨整合（osseointegration）， 实现远期生物学固定
表面材料
☞人工关节摩擦界面
金属 vs UHMWPE
目前临床应用最多、最 广的关节组合
优点：生物形容性好， 低摩擦，聚乙烯内衬可 做成各种特定形状，撞 击后果小
缺点：聚乙烯抗磨损性能差，老化和消毒后变性 改性：提高抗磨损和抗老化性能
金属 vs 金属
第一代： 钴铬合金制成的带头股骨柄+臼杯，失败率高，不良 的假体设计和粗糙的制作工艺导致
① 陶瓷材料：氧化铝，氧化锆，氧化铝/氧化锆，ZrO2/HA中间涂层 ② 羟基磷灰石（HA）：力学性能较弱，加入TiO2和/或ZrO2 ③ 钛和钛合金：
TiO2涂层（复合氧化，微弧氧化） 连通多孔钛涂层（高温烧结，碱热处理） ④ 钽：多孔钽（“金属骨小梁”），较高的机械强度，弹性模量介于一定 的皮质骨和松质骨之间，具有一定延展性
人工髋关节假体材料（一）
马瑞
西安交通大学第二附属医院 骨一科 西安交通大学关节外科中心
概述
人工髋关节置换术（THA）历经一个多世 纪的发展，已成为治疗关节疾病的标准 手术之一
人工关节的发展史也可看作是一部生物 材料和工程技术的发展史
人工关节不可能一劳永逸，THA失败的主 要原因：松动和脱位
人工关节材料和设计的改进，目的为增 加假体的存活率和改善髋关节的功能
☞人工关节材料
良好的力 学相容性
良好的 生物相容性
长期 稳定性
（抗腐蚀） （耐磨损）
1
金属类
2
高分子类
3
陶瓷类
金属材料
1. 不锈钢
优点：强度高（屈服强度860-1000MPa）
缺点：生物相容性差，疲劳强度低，耐磨损性能差
用途：已淘汰
损颗粒的反应轻） 缺点：陶瓷碎裂，假体撞击 注意事项：禁忌混用不同品牌产品，植入前彻底清
洗假体接触面，禁止金属工具直接敲击
陶瓷 vs wenku.baidu.com属
组合：陶瓷头+金属内衬 与金对金相比，磨损降低了近100倍 问题：金属内衬磨损较重，金属离子浓度增加
假体固定方式
骨水泥固定
• 年龄过大的骨质疏松症 • 骨缺陷者 • 骨生长功能障碍者 • 晚期癌症 • 营养不良
低，晶体颗粒大，密度低，脆性大 第二代： BIOLOX氧化铝陶瓷关节（1988-1994），晶体
直径降低，密度增大 第三代：BIOLOX forte （1994年至今），由微米级降为 纳米级 第四代：BIOLOX delta（2003年至今），氧化铝复合陶 瓷+纳米氧化锆+三氧化二铬+锶铝氧化铬+氧化钇），提 高断裂强度，抑制裂纹扩展 优点：耐磨损，低摩擦，组织相容性好（组织对磨
陶瓷头可为氧化铝或氧化锆
与金对金相比，陶对聚乙烯可减少磨损50%（线 性磨损量金对金>0.2mm/y，陶对聚乙烯0.1mm/y）
陶瓷 vs 陶瓷
种类：氧化铝，氧化锆，氧化铝基复合材料 生产厂家：德国赛琅泰克泰克（CeramTec） 第一代：BIOLOX氧化铝陶瓷关节（1974-1988），纯度
第二代：碳增强的钴铬钼合金 优点：减少磨损 缺点： 2010 年 Depuy 公司主动召回旗下两款MOM 假体 ⑴ 骨溶解+潜在的毒性和致癌风险（虽然容积磨损率低，但磨 损颗粒较小，磨损颗粒总量反而较多） ⑵存在潜在的不稳定性（不能完全适合偏距内衬或高边内衬）
陶瓷 vs 聚乙烯
组合：陶瓷股骨头和 UHMWPE臼杯
缺点：不耐磨损
用途：假体的非关节部分
4. 钽
优点：具有类似骨小梁的弹性模量和骨整合性能
用途：假体涂层，假体非关节面
高分子材料
1. 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 用途：用于骨水泥型假体的固定 2. 超高分子量聚乙烯（UHMWPE） 优点：生物相容性好，质轻，强度较高 缺点：塑型变形，表面磨损率高 用途：关节内衬 问题：⑴ 灭菌方法会影响磨损性能
生物学固定
表面类型
① 巨孔型表面：早期，孔径1-2mm左右，孔隙率50%，有孔金属型，珊瑚面 型，珍珠面型
② 微孔型表面：最佳孔径150-400/700μm，孔隙率在30-60%，厚度0.8-2mm， 二维微孔表面（钴铬钼珠粒烧结，HA喷砂），三维微孔表面（离子喷涂， 化学沉积）
③ 复合涂层表面：材料复合涂层（HA+TiO2/ZrO2/Ti/生物玻璃），结构复合 涂层（多孔金属复合HA，金属喷砂表面复合HA，多孔表面+BMP）
2. 钴基合金
优点：在体内接近完全惰性，对裂痕内氯化物的侵蚀有抵抗能力
缺点：稍有电腐蚀，弹性模量太高（220 Gpa），应力遮挡效应高
用途：股骨头材料
3. 钛及钛合金
钛
优点：抗腐蚀性能强，弹性模量低
缺点：不耐磨损，极限强度低
现状：已淘汰
钛合金 优点：抗腐蚀性能强，良好的生物相容性，更高的强度，更适当的弹性模量
表面处理方法
① 等离子喷涂技术（应用最广泛，涂层不均匀，制备过程中HA产生裂纹， HA因高温分解）
② 电泳沉积（需对基体进行热处理） ③ 高温烧结 ④ 溶胶-凝胶 ⑤ 微弧氧化 ⑥ 快速仿生化学沉积
谢谢！
⑵ 磨损颗粒导致骨溶解 ⑶ 硬度偏低，长期使用会产生精度偏差 3. 高交联UHMWPE 加强聚乙烯的抗磨损性能 交联改性，离子注入改性，纤维填充改性 4. 硅胶 用途：小关节假体（手指）
陶瓷材料
种类：氧化铝，氧化锆，氧化铝基复合陶瓷 优点：高度的表面亲水性，极度惰性，生物形容性
好，磨损率极低 缺点：脆性高，弹性模量高，抗裂纹扩展能力差 用途：髋臼，股骨头，表面涂层