人工關(guān)節(jié)材料介紹及其改進【摘要】本文主要介紹目前主要的人工關(guān)節(jié)材料（金屬材料、陶瓷材料、高分子材料）及它們的改進方法和方向?！娟P(guān)鍵詞】人工關(guān)節(jié)材料【正文】0.前言人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是二十世紀最成功的骨科手術(shù)之一，它讓無數(shù)患有終末期骨關(guān)節(jié)疾病的病人重新恢復(fù)正常的生活。人工關(guān)節(jié)是模擬人體關(guān)節(jié)制成的植入性假體，以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復(fù)其功能。人工關(guān)節(jié)包括髖、膝、肩、肘、腕、踝等關(guān)節(jié),其中以髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)置換為主。但關(guān)節(jié)置換術(shù)后容易出現(xiàn)假體松動、下沉等并發(fā)癥，嚴重影響其手術(shù)的效果。人工關(guān)節(jié)使用壽命一般為10-20年。研究表明，由于人工關(guān)節(jié)材料表面相互摩擦形成的磨屑及隨后介導炎癥反應(yīng)引起的骨溶解是人工關(guān)節(jié)無菌松動的主要原因。因此，降低人工關(guān)節(jié)面之間的摩擦，減少磨屑的產(chǎn)生可以顯著延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命。人工關(guān)節(jié)介紹人工關(guān)節(jié)的材料應(yīng)具有良好的生物相容性，良好的機械性能，并有很好的耐腐蝕及抗疲勞性等，負重面應(yīng)耐磨損，同時磨損顆粒不引起嚴重機體反應(yīng)。目前尚無任何單一材料能滿足上述要求。1.1金屬材料和其它材料相比，金屬材料具有高強度、高韌性、易加工等特點，常用來制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜和必須承受很大力量的人工關(guān)節(jié)。早期的金屬材料以不銹鋼為主，它具有優(yōu)良的加工性能和適當?shù)目箟簭姸?，但由于不銹鋼在人體內(nèi)長期放置會導致惡性腫瘤的發(fā)生。目前常用的金屬材料有316L不銹鋼、鈦合金（Ti6A14V）、鉆鉻鉬合金（CoCrMo）及鉆鎳合金（MP35N）等。鉆鉻鉬合金（Co-Cr-Mo）與不銹鋼相比，具有優(yōu)良的生物相容性，耐磨性、耐腐蝕性和綜合機械性能都比較好，但其不適于機械加工。鈦及鈦合金相對密度小、彈性模量較低、機械強度高，且耐蝕性和抗疲勞性均優(yōu)于不銹鋼與鉆基合金，是人工關(guān)節(jié)更適宜的金屬材料，最常用的鈦合金是Ti-6A1-4V。金屬材料作為人工關(guān)節(jié)材料的主要缺點是金屬材料人工關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面容易磨損，磨損后的產(chǎn)物導致機體出現(xiàn)不良的生理反應(yīng)，引起關(guān)節(jié)周圍的一系列組織發(fā)炎和關(guān)節(jié)松動。同時Ti-6Al-4V、鉆-鉻-鉬合金中含有鉻、鉆等，如果形成離子狀態(tài)就會對人體產(chǎn)生毒害作用，這些有害金屬離子不斷積累，當?shù)竭_一定量時就會產(chǎn)生致癌作用，對機體健康十分不利。1.2陶瓷材料陶瓷被應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)，目前最常用的是A12O3和ZrO2陶瓷。陶瓷材料強度高，耐磨性好，化學穩(wěn)定性和耐蝕性強；并且陶瓷材料的離子結(jié)構(gòu)可以吸引帶極性的液體使之均勻地覆蓋在陶瓷的表面，有利于形成流體薄膜潤滑效果，這有助于降低在人體中的磨損。陶瓷材料可以在體內(nèi)保持生物惰性，不會有金屬離子析出，特點突出。但陶瓷材料韌性低、脆性大，且彈性模量遠大于人體自然骨，故生物力學匹配性差,在使用過程中常出現(xiàn)脆性斷裂和骨損傷等。1.3高分子材料有機高分子材料（臼）多與陶瓷、不銹鋼等高強度材料（人工關(guān)節(jié)頭）結(jié)合應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)的工藝當中。用于人工關(guān)節(jié)的高分子材料主要有硅橡膠、聚乙烯及超高分子量聚乙烯等。高分子材料使用早期效果較好，但長期隨訪病例發(fā)現(xiàn)由于其晚期磨損嚴重，造成人工關(guān)節(jié)出現(xiàn)晚期松動現(xiàn)象。磨損產(chǎn)生的碎屑遷移到骨水泥/骨界面，因巨噬細胞反應(yīng)引起骨吸收，導致支撐關(guān)節(jié)的骨惡化、固定消失、無菌松動產(chǎn)生并最終置換失敗。2人工關(guān)節(jié)的改進2.1金屬材料改進對于金屬材料的改性，目的是提高材料硬度和光滑度以增強耐磨特性，減少磨屑的產(chǎn)生。鈦合金可以通過表面滲碳進行改性。葛世榮等人通過實驗發(fā)現(xiàn)未滲碳鈦合金的表面硬度為341HV,四種滲碳鈦合金的硬度分別為778HV,614HV,635HV和734HV分別提高了128%,80%,86%和115%。滲碳后硬度的提高主要是表面生成了碳化鈦陶瓷層[5],高硬度的碳化鈦有效地強化了鈦合金，提高了表面硬度，并且由于擴散層有一定的深度，對表面的強度起到了很好的支撐作用。微弧氧化（MAO）技術(shù)可在一些有色金屬及其合金表面生長一層與基體結(jié)合強度高、以合金氧化物為主體的陶瓷層。氮離子注入可改善Ti6Al4V合金表面成分、組織結(jié)構(gòu)，進而提高其硬度及耐磨性能。經(jīng)基磷灰石（HA）是骨骼中存在的一種無機成分，具有高度生物相容性?？蓪⑵渫扛苍诮饘俦砻?，既保持了金屬材料基體優(yōu)良的力學性能，又使表面具有陶瓷的耐磨性、生物相容性等特點。經(jīng)HA表面涂層處理的人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，周圍骨組織能很快直接沉積在HA表面，并與的鈣、磷離子形成化學鍵，結(jié)合緊密，中間無纖維膜，早期效果令人滿意。對金屬材料進行表面處理時，應(yīng)不改變金屬基體的性能而只提高其表面或表面層的耐磨性、生物相容性及其它性能。常用的處理方法有：（1）熱噴涂法。利用熱源，如電弧、離子弧或燃燒的火焰等將粉末狀的金屬或非金屬噴涂材料加熱熔融或軟化，并用熱源自身的動力或外加高速氣流霧化，使噴涂材料的熔滴以一定的速度噴向經(jīng)過預(yù)處理干凈的基體表面，依靠噴涂材料的物理變化和化學反應(yīng)，與基體形成結(jié)合層"；（2）激光熔敷法。在低輸出功率、高掃描速度的脈沖激光照射下，將HA粉熔敷在基體表面以提高其耐磨性及生物相容性同；（3）離子濺射法。以高速離子（如Ar+）轟擊HA靶材，使羥基磷灰石（HA）粉粒濺射并沉積于金屬基體，以提供比較高的與周圍骨組織的結(jié)合力向；（4）噴砂法。用噴砂機將HA粉末直接高速噴出鑲?cè)牖w表面，以改善表面的生物相容性打（5）電化學法。用電化學的方法，通過調(diào)節(jié)電解液的濃度、pH值、反應(yīng)溫度、電場強度、電流等來控制反應(yīng)的制備方法；（6）離子注入法。將所需的元素在離子氣化室中進行氣化，通過高頻放電使其離子化，以外加電場導出、聚束和加速，使形成高能細小的離子束而打入作為靶的固體材料表層，從而改變材料表層的物理、化學、機械以及生物性能。如注入氮離子可以提高其耐磨性，而注入鈣離子則可以提高人工關(guān)節(jié)與人體的結(jié)合力；⑺電子束法。以對金屬基體表層施加高能量的方式對表層進行熱處理，使表層非晶化，以達到硬化改性的目的。2.2陶瓷材料改進顆粒大小、密度和均勻性對陶瓷的斷裂韌性和彎曲強度等物理性質(zhì)有著很大的影響。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。氧化鋁是最早用于人工關(guān)節(jié)的陶瓷材料，其發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。90年代后生產(chǎn)的第三代納米級氧化鋁陶瓷，晶粒尺寸更小這使得氧化鋁陶瓷的硬度、機械性能都比前兩代產(chǎn)品有著顯著的提高。第四代陶瓷人工關(guān)節(jié)的材料由75%的氧化鋁，24%氧化鋯以及微量的氧化鉻和氧化鍶組成，晶體結(jié)構(gòu)降低到1-2“m,使得材料既保持了硬度又降低了脆性。氧化鋯也是很好的陶瓷材料，但純氧化鋯不太穩(wěn)定。為了提高氧化鋯的穩(wěn)定性，通過熱處理和添加一些摻雜穩(wěn)定劑，如Y2O3、CeO2、MgO等，可以穩(wěn)定其晶體結(jié)構(gòu)，使其在常溫下能保持四方相，這能增強其機械強度。為了加強固定，也有人將陶瓷表面做成多微孔，供細胞附著生長，加強生物學固定。2.3高分子材料改進目前提高高分子關(guān)節(jié)材料的抗磨損性能的主要方法有復(fù)合增強法和表面處理法。復(fù)合增強法可以分為顆粒增強法和纖維增強法兩大類。對高分子材料表面進行處理的主要方法是離子注入法，即通過在高分子材料表面注入Xe+、H+、He+、Ar+、N+、O+、C+等，使得處理后的表面層發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化。聚乙烯抵抗摩擦的能力與其平均分子量有關(guān)。實驗發(fā)現(xiàn)超高分子量聚乙烯材料（UHMWPE）的抗摩擦能力明顯高于普通的聚乙烯材料，高度交聯(lián)的UHMWPE耐磨性明顯高于線性的UHMWPE。熊黨生等人對碳纖維增強關(guān)節(jié)軟骨材料的性能進行軟骨材料的性能進行研究發(fā)現(xiàn)CF-UHMWPE復(fù)合材料的硬度隨CF含量的增加而增大.在干摩擦及蒸餾水潤滑下，復(fù)合材料的磨損質(zhì)量損失隨CF含量的增加而降低.在蒸餾水潤滑下,CF-UHMWPE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)則遠低于UHMWPE的摩擦系數(shù).這有效改善了超高分子量聚乙烯的耐摩擦性，有利于延長使用壽命。石墨烯提高人造關(guān)節(jié)材料耐磨性。閻興斌等為增強醫(yī)用超高分子量聚乙烯的耐磨性能，采用納米粒子增強復(fù)合材料技術(shù)，充分利用新型二維納米材料石墨烯的高強度、高模量、高硬度和低摩擦因數(shù)的突出特點，提高了石墨烯/UHMWPE復(fù)合材料摩擦磨損性能。Chaki等研制的HA-聚乙烯復(fù)合材料，具有與骨近似的彈性模量生物力學性能亦得到了相應(yīng)改善。3.總結(jié)與假想由上面的分析可知對于材料的改進主要是在金屬材料表面加上陶瓷層提高其耐磨性，又保留金屬的力學性能。陶瓷材料主要向小顆粒發(fā)展，提高其韌性。對于高分字材料主要是表面改性接上功能基團改善耐磨耐蝕性，和復(fù)合填充增強其性能，不同的復(fù)合填充物料可獲得不同的性能增強。由此筆者有以下想法：.隨著現(xiàn)代技術(shù)的普及，電波無處不在，金屬類人工關(guān)節(jié)易受干擾，產(chǎn)生弱電流和弱磁場影響人的身體健康，應(yīng)該會逐漸淘汰。陶瓷類人工關(guān)節(jié)會有一定的應(yīng)用面，但脆性大，且不可降解，應(yīng)用有局限性。高分子人工關(guān)節(jié)由于其優(yōu)異的性能變化，隨著人們研究的不斷深入，將是以后的主流使用材料。.如果人工關(guān)節(jié)可以再生將是一件很神奇的事情，也許我們可以將它變?yōu)楝F(xiàn)實。通過可降解高分子材料制造帶很多微孔的人工關(guān)節(jié)，植入人體后，定期服藥或注射試劑（主要是一些生長因子、誘導因子），避開或利用免疫系統(tǒng)中的各步反應(yīng)的因子，讓骨細胞再生。當然這也可能使得癌細胞被激活，這就需要我們以后好好研究了。【參考文獻】陶瓷材料在人工關(guān)節(jié)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢 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