人工关节

人工关节

多年来人们就采用各种关节成形术治疗关节强直、关节畸形和各种破坏性骨关节疾病，力图将这些有病的关节矫正和恢复功能，使之成为稳定的、不疼的并有一定的功能的，为此许多学者做出了巨大的努力。迄今已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床。

1890年，Gluck首先应用象牙制造下颌关节；1938年，Wiles用不锈钢作髋臼与股骨头；而后Moor开展了人工股骨头置换术； 1940年 Wder兄弟用合成树脂制造人工关节；1951年开始全髋人工关节置换术。1952年Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髋关节，由此合成树脂开始用于人工关节的结合。1958年Charnhey根据重体环境滑润TDRTEFDHFYUHH理论，用聚四氟乙烯髋臼和金属股骨头制成低摩擦的人工关节，接着在1962年，Charnley把高密度聚乙烯髋臼和直径为22毫米的股骨头组成全髋人工关节，并用骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，获得较满意的效果。自此，人工关节置换术进入实际应用的新阶段。人工关节是人们为挽救已失去功能的关节而设计的一种人工器官，它在人工器官中属于疗效最好的一种。一般来说，其使用年限可达20年以上。随着科技进步，人工关节手术已经是一种十分成功和有把握的手术：它可以即刻消除关节疼痛、恢复关节的正常活动功能，使长期受关节病痛折磨的人们再次获得新生，手术后可以象正常人那样，行走、爬楼、外出旅行、外出工作、购物和体育锻炼等。

第一节人工关节材料

生物材料是用以和生命系统结合,以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。它涉及材料、医学、物理、生物化学及现代高技术等诸多学科领域。不仅关系到保护人类的健康,而且成了各国经济发展新的增长点。人工关节材料作为重要的生物材料组成部份,近百年来,特别是近20年来得到了长足的发展。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。作为一种植入器官, 人工关节材料在生物相容性、生物摩擦学性能、抗腐蚀及耐疲劳性能、制备工艺和服役寿命等方面有着非常严格的要求，此外, 还要求人工关节所使用的材料易于合成和制造、加工, 便于大量生产和质量检测, 价格低廉, 易于推广应用等。但是目前的人工关节材料还远未能完全满足上述要求。因此了解人工关节材料的研究现状,对开发新型髋关节假体材料,提高置换关节的使用寿命具有重要的现实意义。国内外学者研究了各种金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料作为人工关节材料的可行性与优缺点,并在此基础上为提高其综合性能而进行了积极的改性研究,取得一些有意义的结果。人工关节材料已有近百年的发展历程,目前常用的有金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。

【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。较有代表性的金属人工关节材料有不锈钢（如316L型）、钴铬钼合金、钴基合金、钛及钛合金等。

不锈钢是最早的人体金属植入材料，它具有优良的加工性能和适当的抗压强度，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+ ,从而引起假体松动或恶性肿瘤，最终导致植入体失效。所以欧美等国现已限制不锈钢的临床使用。

目前钴合金和钛合金是人工关节中最常用的两种金属。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，通常采用精密铸造的加工方式。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,锻造Co-Cr-W-Ni 合金,锻造Co-Ni-Cr-Mo合金,锻造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe 合金。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。

钛(Ti)及钛合金(Ti-6Al-4V)的生物相容性更好，且其表面易氧化生成致密的二氧化钛氧化膜，耐腐蚀性非常好。另外，钛及钛合金重量轻（密度是Co-Cr-Mo 合金的1/2），材料强度也特别大，适用于负荷强度很大的股关节，而且由于其弹性模量与人骨的弹性模量较接近，生物界面结合牢固，是较理想的植入材料。但其耐磨性相对较差，且Al 对人的神经系统有伤害，极少数病人对钛合金有过敏现象。

金属材料作为人工关节材料的主要缺点是在长期植入的过程中，会在体液的作用下释放出有害的金属离子，从而导致关节周围的组织发炎和关节松动，最终导致植入失败。另外，由于金属材料表面的硬度低，因此耐磨性能相对较差，在长期的植入过程中由于关节间的相对滑动，关节面发生严重磨损，产生人工关节的松动并最终导致置换失败。产生的大量颗粒状磨屑，易与人体细胞和组织发生异物反应，随时间的推移，粒状磨屑会广泛分散到淋巴结、肝脏、脾脏等部位，对人体产生很大的影响。这些缺点严重影响了金属型人工髋关节的长期服役效果。

【高分子材料】用于人工关节制备的典型高分子材料主要有硅橡胶、聚乙烯及超高分子量聚乙烯等。

硅橡胶主要用于指关节、肘关节等。硅橡胶人工指关节优于金属人工指关节,尤其适宜于掌指关节伸屈肌腱损坏者。然而,尽管有不少成功的应用,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[8] 。

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) 。它已成功用于人工腕关节、生物材料是用以和生命系统结合,以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料[1]。它涉及材料、医学、物理、生物化学及现代高技术等诸多学科领域。不仅关系到保护人类的健康,而且成了各国经济发展新的增长点。人工关节材料作为重要的生物材料组成部份,近百年来,特别是近20年来得到了长足的发展。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。作为一种植入器官, 人工关节材料在生物相容性、生物摩擦学性能、抗腐蚀及耐疲劳性能、制备工艺和服役寿命等方面有着非常严格的要求[2][3][4]，此外, 还要求人工关节所使用的材料易于合成和制造、加工, 便于大量生产和质量检测, 价格低廉, 易于推广应用等。但是目前的人工关节材料还远未能完全满足上述要求。因此了解人工关节材料的研究现状,对开发新型髋关节假体材料,提高置换关节的使用寿命具有重要的现实意义。国内外学者研究了各种金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料作为人工关节材料的可行性与优缺点,并在此基础上为提高其综合性能而进行了积极的改性研究,取得一些有意义的结果。

碳纤维增强复合材料主要分为碳纤维增强高分子基生物复合材料和碳- 碳生物复合材料。其中碳纤维增强超高分子聚乙烯（UHMWPE）材料作为人工关节臼已广泛应用于临床试验中。Dumbleton J H 等研究的碳纤维聚醚醚酮复合材料力学性能优良,抗液体渗入,抗疲劳性能优良,实验证明其与陶瓷的界面磨损是UHMWPE 的1/30,抗磨损性能优良,作为髋臼材料具有良好的应用前景。此外碳纤维增强聚缩醛树脂、碳纤维增强环氧树脂都有用于关节假体的研究报道。在碳纤维增强复合材料中,碳纤维增强碳基复合材料(碳/碳复合材料)一方面继承了碳质材料的生物相容性,另一方面具有纤维增强材料的高强度和高韧性的特点,在髋关节替换领域有较好的应用前景。

第二节人工股骨头置换

人工股骨头种类很多，设计在不断改进，材料也在不断改进。目前常用的是Moore型，相当于国产Ⅱ型；Thompson型，相当于国产Ⅰ型。Moore型可保留充足的股骨距，柄孔中可植骨，临床较常用。对股骨距小者可用Thompson型。人工股骨头置换具有关节活动好，下