Medtec China人工关节材料分析之金属、高分子材料、陶瓷探知
2023-02-16
人工关节置换作为一种治疗终末期骨关节炎等关节疾病的手术方式，已广泛应用于临床，且具有良好的治疗效果，为许多严重骨关节病患者解除了病痛，提高了生活质量。人工关节置换的历史又是从何而起呢？
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开展了人工股骨节置换术; 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。
那么，用于替代我们人体关节的人工关节材料都是用什么做的呢？今天Medtec China 2023总结了以下三种材料带大家来了解一下。
人工关节作为一种人体内植入物，须具备以下特性：
①与人体组织相容，对人体无毒副作用，无排异反应；
②能较好地与生物界面结合稳定；
③性能稳定，可耐受人体微环境，不易被降解、电解和腐蚀；
④易于合成制造，可批量生产。
⑤生物力学性能合适，能较好地适应植入部位人体组织；
目前尚无绝对满足以上全部条件的假体材料问世，鉴于此种情况，组合不同优势的材料可弥补单一材料的不足。成为当下医生首要选择，但在选择材料过程中，我们需要确保尽可能地满足生理环境和关节生物力学的要求。目前常用的人工关节假体材料主要有3种：金属材料、高分子材料和陶瓷材料。
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高分子材料
高分子材料主要包括：聚甲基丙烯酸甲酯、超高分子量聚乙烯和高交联聚乙烯。
其中聚甲基丙烯酸甲酯，又称“骨水泥”，主要用于骨水泥假体的固定，超高分子量聚乙烯及高交联聚乙烯主要用于髋臼的内衬材料以及胫骨假体垫片。关节假体作为一种昂贵的植入物要植入人体，还要使用很多年不损坏，许多人都在考虑聚乙烯这么“低端”的材料会不会难以胜任呢？其实，材料学家和骨科医师也曾经尝试过更高级的材料，如聚四氟乙烯，但结果都不理想，经过不断的筛选，聚乙烯以优良的耐磨损和抗冲击性成为了目前最优选择。
但关节假体所用的聚乙烯，和用来做脸盆、塑料袋的聚乙烯还是不同的。人工关节是替代病变或损伤关节的植入性假体，除了应满足生物相容性要求外，必须具有足够的耐磨损性能、力学性能和抗氧化性能等。60年代，科学家通过增加普通聚乙烯分子大小，制造出“高分子聚乙烯”，后来又制造出“超高分子量聚乙烯”，获得了更好的耐磨损性能，更低的摩擦系数。90年代以来，又通过化学反应甚至高能射线，辅以精细的热处理，形成高交联聚乙烯，进一步增加了耐磨性能。
超高分子量聚乙烯因其自身优良的理化性能而被广泛应用于人工关节置换用材料。
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金属材料
金属材料因其具备良好的力学性能、易加工性和稳定性在人工关节中有广泛的应用。金属材料主要包括不锈钢、钴基合金、钛合金、钽金属这几类。
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钛合金
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。第一个使用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金。在20世纪50年代时是作为航空发动机和飞机机体材料研制出来的，在工业中主要应用的特点为高强度、高塑性、高韧性及高金属损伤容限。目前国内在人工关节材质Ti-6Al-4V合金上的标准执行的是YY 0117.2-2005。
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不锈钢
不锈钢是最早应用于人工关节假体的材料，具有一定的抗腐蚀能力和机械强度，但内含Ni等元素有致畸作用，不适合长期留于体内1，此外，不锈钢材料本身无生物活性，难以和骨组织形成稳定牢固的结合。因此，在人工关节材料中，不锈钢逐渐被钴基合金和钛合金取代。近年来，临床多采用钴基合金和钛合金作为人工关节假体材料。
与不锈钢相比，钴基合金的钝化膜更稳定，耐腐蚀性更好，其缺点主要包括金属摩擦腐蚀造成Co、Ni等离子的溶出，刺激细胞因子0PG等物质分泌2，在体内引起骨细胞和组织的坏死，从而导致患者关节松动、关节假体下沉等并发症产生。
医用金属以及医用橡塑材料的头部企业们悉数参加Medtec China：韦恩堡、庄信万丰贵金属、田中贵金属（上海）、ELGILOY特种金属、三铃制线、江阴佩尔、麦迪斯、美国奥博锐、古河科技、沈阳中核舰航、路博润、NuSil、迈图、科思创、艾曼斯、塞拉尼斯、索尔维、龙海化工、江苏君华等。
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钴铬合金
钴铬合金是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金。即通常所说的钴铬钨（钼）合金或司太立合金（司太立合金由美国人Elwood Hayness 于1907年发明）。钴基合金是以钴作为主要成分，含有相当数量的镍、铬、钨和少量的钼、铌、钽、钛、镧等合金元素。
钴和铬是钴基合金的二种基本元素，而添加钼能得到较细的晶粒并在铸造或锻造后有较高的强度。钴铬钼合金，基本上分为二类：一类是CoCrMo合金，通常是铸造产品，另一类是CoNiCrMo合金，通常是(热)锻造精密加工的。人工关节产品常用的为铸造CoCrMo合金，同时也可以制造齿科相关植入物。目前国内对于铸造CoCrMo合金执行的标准为YY 0117.3-2005。
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多孔钽金属材料
多孔钽金属材料是最近出现的一种新型骨科内植入物材料。因其组织相容性好、孔隙率高、表面摩擦系数大、弹性模量低，已经被公认为是一种理想的骨科植入材料。多孔坦金属的孔隙结构与松质骨骨小梁结构类似，具有三维连通的孔隙结构，非常适宜骨组织的长入；其弹性模量与植入部位骨组织弹性模量相匹配，避免了应力遮挡效应。多孔钽金属在体液环境中化学性质稳定，表现出极佳的生物相容性。多孔钽金属的诸多优势，使其越来越受到关注，并广泛应用于临床。
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公开数据显示，医械市场2018-2024年年均复合增长率为5.6%（数据来源：火石创造）。从细分领域来看，骨科医疗器械销售额为365亿美元，占全球医疗器械份额的9%。金属骨科植入物的材料选择、产品设计与生物学评价如何进行成为当下亟需解决的难题？
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陶瓷材料
在医疗领域，陶瓷作为植入物材料除用于人工关节外，还可用于口腔修复。其中，陶瓷种植牙是全球陶瓷材料企业关注的潜力市场。
陶瓷材料是继金属和聚乙烯之后出现的一种新型假体材料。因其生物相容性好，磨损率低而被广泛使用。主要用于髋臼内衬、股骨头部分或股骨髁假体。生活中我们用的碗盘也是用陶瓷制成，但关节假体选用的陶瓷材料却与碗盘所用的陶瓷截然不同。
生活中的陶瓷，是由黏土经过高温烧结制成；而关节假体的陶瓷，制造原料是高纯度的氧化铝、氧化锆，烧结的温度也更高，控制得更严格。人工髋关节则是根据球头和髋臼杯的材质不同分为陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯、合金-聚乙烯三类。而陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯、合金-聚乙烯三类产品的主要区别体现在力学性能和生物学性能上。特殊的材料和特定的工艺制造出的陶瓷，既耐磨又坚硬。文献报道，陶瓷制造的髋关节假体，每年只磨损5微米，经久耐用，是年轻患者的最佳选择。
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人工关节置换术被誉为20世纪骨科发展史的重要里程碑之一，而关节置换得以产生和发展的基石在于关节假体。一副关节假体看似不起眼，但却是医学、冶金、材料、化工、机械等多领域科技融合的结果，是骨科医师与不同领域科学家几十年共同努力的结晶。随着科技的发展，必将会有更多更优异的假体材料涌现出来，造福患者，让患者摆脱关节疾患的困扰。
图文来源： 骨关节炎防治、北京力达康、 动脉网
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