人工关节材料的研究进展

人口平均寿命的增加和老龄化的加剧,各种骨与关节疾病,特别是退行性疾病的发病率不断升高以及患者对医疗服务需求的增加极大地刺激了骨与关节外科的发展。

近半个世纪以来,随着生物医学工程技术的进步,骨与关节外科的发展更是日新月异。

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 Joint Decades)。

我国政府对这一倡议也给予了高度重视,并由中华医学会骨科学分会代表中国于2002年10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。

近几年来人工关节置换技术得到了长足的发展,包括材料学、生物力学、假体设计及手术技术等各个方面。

本文主要介绍人工关节材料的研究进展。

1人工关节材料的种类1.1金属材料不锈钢是最早的人体金属植入材料。

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[1]。

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Ni2+、Cr3+和Cr5+,从而引起假体松动,最终导致植入体失效[2]。

因此,对316L不锈钢而言,提高耐腐蚀性是关键。

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。

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-Ni合金(F90),锻造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562),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[3]。

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。

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于1973年用于临床。

后来发现Ti-6Al-4V合金的性能优于纯钛,因此,Ti-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(4.51g/cm3),可用于人工关节及骨科内固定器的制造[4]。

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4～10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β钛合金,成为生物医学金属材料研究的重点。

1.2有机高分子材料用于人工关节制备的典型高分子材料有硅橡胶、聚乙烯和超高分子量聚乙烯等。

聚乙烯首先用于人工关节,随后采用了性能更好的超高分子量聚乙烯,较好地改善了人工关节的摩擦磨损问题,延长了使用寿命。

但经长期随访病例显示:聚乙烯晚期的磨损问题相当严重。

Charnley 等采用放射法测定Charnley型髋臼假体内面的磨损率为0.1～0.19mm/年,这相当于每年每个关节产生2×107～4×1010个小于10μm的超高分子量聚乙烯碎屑,这些碎屑可引起人工关节周围的骨溶解等现象。

McCoy等提出,髋臼磨损是磨损诱导骨溶解的强力指示,他在测量了35个Charnley型全髋臼杯厚度后发现其中27个发生了磨损,这些出现磨损的病例股骨距平均吸收了512mm。

Agins报道了68例有股骨距吸收的人工髋关节术后病例髋臼磨损情况,发现其中40例X线检查显示聚乙烯磨损[5]，表明聚乙烯磨损与假体松动密切相关。

1.3陶瓷材料整体或重要部分使用了生物陶瓷材料的人工关节统称陶瓷人工关节。

以氧化铝和氧化锆为主的陶瓷配伍假体大量应用于临床。

高纯Al2O3生物陶瓷主要用于关节头和关节臼的制备,羟基磷灰石(HA)主要用于人工关节柄部的涂层。

1972年Boutin首先报道了用Al2O3陶瓷制作的人体髋关节在生理和摩擦学方面的优越性及其在临床上的应用。

高纯Al2O3陶瓷化学性能稳定,生物相容性好,呈生物惰性;其硬度高,耐磨性能好,磨损率比其它材料小。

一项500000例现代陶瓷股骨头关节的随访表明,其碎裂发生率为0.004%，即使发生率再升高,其断裂率仍然远远低于股骨金属柄0.27%的断裂率。

但Al2O3陶瓷属脆性材料,其抗折强度和抗冲击韧性较低;其弹性模量远高于人体骨,与骨匹配性差,在使用过程中会出现脆性破坏和骨损伤。

人工关节材料的研究进展陈铁柱李晓声作者单位：421001湖南衡阳，南华大学在读硕士生（陈铁柱，工作单位为湖南省人民医院）；湖南省人民医院（李晓声）2人工假体材料的改进尽管金属材料、高分子材料及陶瓷材料在关节置换中都得到广泛应用,但是近年临床大量研究表明各种材料的人工关节发生松动、下沉或折断的病例很多,最根本的原因是人工关节材料未达到理想的要求。

理想的人工关节应该具备有足够的强度、抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能,同时具有良好的生物相容性、生物力学相容性,无毒副作用,耐体液的化学腐蚀和电化学腐蚀,其弹性模量接近于人体的皮质骨。

国内外在人工关节材料的改进方面做了大量的研究。

2.1金属材料的表面改性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，如在金属表面等离子喷涂HA层制备复合材料[6];②离子注入法，国外报道离子注入法已运用于钛和钛合金表面[7,8];③离子镀，齐新生等在MooreⅡ型钛合金人工股骨头上采用离子镀膜技术均匀喷厚4μm的氮化钛陶瓷镀层,在近两年内完成这种人工股骨头置换14例,随访时间最长5.3年,未见髋臼明显磨损征象[9];④离子溅射法，陈民芳等采用射频磁控溅射法在TC4钛合金（TixbAl24）基体上制备了HA及HA和TiO2复合薄膜,通过检验完全满足生物涂层材料的使用性能要求[10];⑤电化学法.shirkhanzadeh M.用电结晶法在Ti-6Al-4V合金材料上电沉积得到了含3.7%Co3的多孔针状缺钙HAp生物涂层,这一含量接近于自然骨质中Co3的值(约4%)[11];⑥激光熔敷法，Pei Y.T.等试验表明激光熔敷是制备梯度涂层的一种简单而有效的方法[12]；⑦化学气相沉积，戴达煌等在自行研制的直流等离子化学气相沉积设备上,对硬质合金进行了沉积TiN膜的实验研究,发现在500℃~700℃的温度范围内能较好的沉积出优质的超硬膜,避免了因沉积温度高而形成的η脆性相[13]。

除不锈钢、钴基合金和钛合金外,铌和钽及贵金属等新材料也在临床上应用，但因为价格昂贵限制了在临床上的广泛运用。

2.2高分子材料的改性超高摩尔质量聚乙烯(UHMWPE)具有许多优异的性能,作为人工关节软骨、关节臼置换材料广泛应用于临床。

然而随着使用年限的延长,一方面,磨损产生的磨屑聚积诱发机体细胞产生一系列不良的生物学反应,导致假体周围骨溶解,使固定良好的假体松动;另一方面, UHMWPE的硬度偏低,长期使用过程中使置换关节产生精度偏差,进而影响置换关节的装配性。

因此,提高UHMWPE的硬度和改善其耐磨性对延长置换关节的使用寿命,减少患者痛苦具有重要意义。

目前提高高分子关节材料的抗磨损性能的主要方法有:①交联改性。

交联是改善UHMWPE耐磨性的一个有效途径。

包括经氧化物交联、辐照交联两种方法。

研究表明,经辐照处理后,UHMWPE股骨头磨损率比同样条件下未经辐照处理时低。

Sun DC等研究了多步γ射线交联对UHMWPE的影响,实验表明,磨损速率随累积辐照量的增加而降低[14];②离子注入改性。

离子注入能有效地改善材料表面的物理和化学特性,离子注入是聚合物表面改性的一种有效方法。

熊党生等用高能离子注入机对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行N+注入改性,结果表明,不同剂量N+注入均提高了UHMWPE的摩擦系数,增强了其在血浆润滑条件下的耐磨性[15];③纤维填充改性。

通过调整纤维种类、含量、取向与铺展顺序等,使复合材料具有低磨损量和高机械强度。

熊党生等用碳纤维对UHMWPE进行填充改性。

结果表明:随着碳纤维含量增加,复合材料的硬度上升,耐磨性增强,碳纤维可大幅度降低UHMWPE在蒸馏水润滑条件下的摩擦系数[16]。

2.3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2μm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1~2μm,使得材料既保持了硬度又降低了脆性。

近年来,国内外在Al2O3陶瓷增韧方面作了大量的工作,诸如改变材料的显微结构;利用ZrO2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固定和耐磨的难题。

2.4其它途径郑裕东等试图在人工关节表面引入一层薄薄的软骨层-聚乙烯醇水凝胶（PVA-H）来提高人工关节的抗磨损能力[17]。

除了从材料、表面处理等方面着手研究人工关节的抗磨损外,还可根据仿生学原理,利用各种先进的加工制造技术,在人工关节表面加工出微纳米结构。

这种多尺度几何非光滑结构有助于减少人工关节表面的摩擦、磨损。

同时,美国ZIMMER根据男女膝关节不同的解剖形状设计了世界上第一种专为女性设计的膝关节—健达(Gender)女性膝关节系统，从而更加关注个体的需求,这将为人工关节的研究开辟一条崭新的途径。

人工关节置换术后假体的磨损、假体周围骨溶解、假体无菌性松动,已经成为人工关节置换术亟待解决的问题。

研制出具备有足够的强度、抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能,同时具有良好的生物相容性、生物力学相容性,无毒副作用的理想人工关节具有深远的意义。

其核心是新材料的探索,提高现有材料的可靠性,提高其强度,改善韧性,最有希望的途径是研制复合材料。