人工關節生物假體材料的研究進展

王 強 郭高鵬 宋國瑞 張 晨 劉子歌 陳德勝

隨著國民經濟發展以及生活水平的不斷提高，人均壽命顯著延長，目前我國已逐漸進入人口老齡化階段，骨關節疾病的發生率也越來越高，嚴重影響了患者日常生活質量。另外，隨著交通工具的普及，車禍外傷所致骨關節損傷的患者也逐年增多。人工關節置換術是極為有效的治療方法，能明顯地提高患者的生活質量，使晚期骨關節炎患者擺脫病痛困擾。本文主要介紹國內外常用關節假體的金屬材料、有機超高分子量聚乙烯、陶瓷材料以及其他材料的研究應用現狀,并匯總以上人工關節材料的優點及現存的不足,并對其發展趨勢進行展望。

一、人工關節生物假體材料演進

人工關節最初開始于1890年由Gluck采用象牙制做下頜關節[1]。1939年Wiles提出全髖關節成形術的概念，不銹鋼金屬被首次應用于人工髖關節，成為現代全髖關節置換的開篇之作；隨后因不銹鋼假體出現松動現象，被鈷鉻鉬合金所取代[2]。1951年后鈦金屬被用于股骨假體關節置換，對人工關節的發展起到了極大的促進作用。1960年以后經Charnley研究并將高分子聚乙烯材料、聚甲基丙烯酸甲酯應用于臨床，形成了具有低摩擦、低松動率、高穩定性等優點的關節材料。與國外比較，我國人工關節置換手術開展較晚。在20世紀50年代末，范國聲等[3]開始將聚甲基丙烯酸甲脂用于人工股骨頭、人工膝關節等。如今我國每年人工關節置換數量可達40萬臺，且每年以約25%～30%的速度增長，同時隨著科技進步，大量具有自主知識產權的假體設計產品越來越多[4]。

二、人工關節假體材料的選擇意義

人工關節假體作為植入物長期經受體液的腐蝕，還要經受不同方向拉力、壓力及自身重力，尤其是髖膝關節最為顯著，而這些復雜的應力使得人工關節的反復磨損成為了影響關節假體使用壽命的首要因素。給關節材料帶來了嚴峻的挑戰，一直以來，人們不停地尋找新的材料來提高關節假體各項性能，并嘗試打破以往材料限制，增加人工關節假體的耐用性，減輕磨損，從而延長人工關節使用壽命[1]。

三、人工關節生物假體材料

1.金屬材料：金屬材料因力學性能好、可塑性強、韌性高、易于加工、性能可靠，被廣泛應用于人工關節制作。不銹鋼是最初人工關節主要制造材料，但由于植入后可出現松動、金屬離子污染等并發癥，逐漸被各種合金材料所取代[5]。

(1)不銹鋼：不銹鋼材料來源廣、成本低、易加工、機械強度高，最早成為人體金屬植入材料，20世紀30年代Wiles就開始采用不銹鋼材料制造股骨頭和髖臼為Still病患進行關節置換手術。因其抗腐蝕力較弱，密度及彈性模量與正常骨組織有顯著差距，導致力學相容性差，因此長期植入的穩定性也相對較差。另外，不銹鋼本身無生物活性，生物相容性較差，在生理環境下，常發生縫隙、摩擦及疲勞腐蝕，導致破裂問題的出現[6，7]。此后，隨著人工關節生物材料的不斷發展，不銹鋼已經逐漸被更好的生物假體材料所替代，許多發達國家目前已限制不銹鋼應用于臨床，現僅用于人工關節假體球頭及低成本骨水泥柄等。

(2)鈷基合金：鈷基合金與不銹鋼比較模量低、強度高、鈍化膜更加穩定、耐腐蝕及耐磨性更優越,被充分應用于關節置換中。作為關節材料主要有鑄造與鍛造兩種，以鍛造力學性能更優越。美國材料實驗協會推薦4種植入使用的鈷基合金,其中Co-Cr-Mo 與Co-Ni-Cr-Mo合金被普遍用以制造假體材料[8]。鈷基合金的缺點是摩擦浸蝕易引起Co、Ni等離子溶出，可導致機體細胞和組織的壞死，使患者出現疼痛、關節松動、下沉等一系列并發癥；同時因鈷、鉻金屬離子對機體毒性大，彈性模量高，故在肝功能、腎功能較差，相對骨質疏松患者中應禁用[9]。為了減少磨損，目前多數行超高表面拋光技術處理；同時為了使提高假體材料與骨組織相容性，可將材料表面行微孔涂層處理。

(3)鈦及鈦合金：機體內環境下，純鈦抗腐蝕性能好，但強度較低，耐磨損性較差，限制了它在負重部位的應用，需進行合金化處理后才能使用。目前臨床應用較多的鈦合金是Ti-6Al-4V，具有強度較高、延展性良好、耐腐蝕性強、彈性模量接近人體骨骼的優點，適合于負重強度較大的下肢關節；缺點為耐磨性相對較差，合金中的有毒元素釩進入人體，可引起毒性反應，極少數患者對鈦合金有過敏現象，為了克服以上缺點，常需將生物活性陶瓷涂層覆蓋于合金表層[10]。近年來，β型醫用鈦合金不斷優化，其強度、韌性等方面有明顯提高，成為植入內固定金屬材料代表，目前新型β型鈦合金假體材料尚未流通于國內醫療市場[9]。

(4)鉭金屬材料：鉭金屬化學性質穩定，金屬強度、耐腐蝕性、抗磨損性均較高，在人體內保持惰性元素的特征，對機體危害小，是理想的臨床骨組織植入材料，目前主要用來制造髖臼[11]。另外，鉭金屬具有多孔結構特征，與骨小梁的排布相似，骨組織能夠長入多孔間隙，刺激骨生長。鉭金屬假體材料尚未出現不良反應報道。由于鉭金屬用于臨床時間較短，前后不足20年，因此，其遠期安全性及臨床效果，有待于進一步觀察[9]。

(5)黑晶材料：黑晶材料本質為一種表面陶瓷化的鋯鈮合金，它不僅擁有陶瓷良好的表面性能，又避免了陶瓷碎裂的風險，黑晶同高交聯聚乙烯組合成一種良好的負重界面[12]。黑晶材料優點：①強度同鈷鉻鉬合金相當；②光滑度及耐磨性與陶瓷相似；③克服了陶瓷脆性破裂的問題；④有效避免了金屬過敏的問題；⑤容易臨床翻修；其優越性能使得它比傳統中髖膝關節假體材料具有更小的磨損[1]。研究發現黑晶材料可明顯減輕對骨水泥的磨損。

2.超高分子量聚乙烯(UHMWPE)：超高分子量聚乙烯作為一種熱塑性材料被廣泛應用于機械軸承、食品包裝、人工關節等領域[13，14]。起初UHMWPE因輻射產生大量自由基，降低抗疲勞性。為解決這一問題，人們將維生素E引入UHMWPE的制作過程，由此產生了第二代高交聯聚乙烯，既提升了UHMWPE的抗氧化性又很好地保留了耐磨性和耐疲勞性，通過實驗不斷得到證明，臨床也取得理想效果，但由于其表面強度低、耐熱性差，在臨床人工關節假體導致的無菌性松動患者病檢中發現有彌漫的巨噬細胞、異物巨細胞浸潤及大量UHMWPE磨屑，從而推斷出磨屑的形成及介導的炎性反應可能是引起人工關節無菌性松動的主要原因,如何進一步改善其耐磨性能仍然存在困難[13，15]。研究證明，通過納米粒子添加劑改性的復合材料，UHMWPE的性能得到了較大地提高，近年來西佛堿及其金屬配合物已作為UHMWPE的改性添加劑用于新型人工關節材料的研制[16]。

3.陶瓷材料:截止目前，陶瓷材料經過了四代工藝改進已漸趨成熟。因陶瓷材料具有超高硬度、良好的生物相容性、耐蝕性及耐磨性等特性，能夠避免金屬與高分子材料的磨損顆粒引起的無菌性松動的問題，同時陶瓷材料具有極佳的親水能力，能夠滿足關節的潤滑性；另外陶瓷還可以在生理環境下保持生物惰性，避免體內金屬離子釋放問題[16]。目前臨床使用的陶瓷包括生物惰性類陶瓷，主要有氧化鋁陶瓷(Al2O3)、氧化鋯陶瓷(ZrO2)；生物活性類陶瓷主要有羥基磷灰石(HA)等鈣基生物陶瓷、生物玻璃類陶瓷等。臨床廣泛應用的是Al2O3和ZrO2陶瓷。截至目前陶瓷破裂、產生異響及翻修等問題仍然值得重視[17]。

(1)三氧化二鋁(Al2O3):Al2O3為陶瓷材料中應用較廣、技術較成熟的一種，其彎曲應力低、化學性能穩定、生物相容性好；由于抗彎曲及抗沖擊強度低、模量較高，屬脆性陶瓷，容易出現脆性破壞。Al2O3作為關節假體材料經過3個發展時期：第1代是作為股骨和脛骨組件，隨后加入超高分子量聚乙稀成分；第2代是以氧化鋁和鈦合金共同作為股骨組件，同樣加入超高分子量聚乙烯，其中鈦合金主要起到人工關節固定的作用；第3代采用制備多孔陶瓷材料，在表面行涂層處理來解決陶瓷材料的固定問題[18]。

(2)氧化鋯 (ZrO2):氧化鋯因其良好的力學性能、生物相容性及美學性能被臨床用于義齒及髖關節加工材料[19]。氧化鋯的斷裂韌性和強度明顯高于氧化鋁，但是氧化鋯陶瓷性質不穩，屬多相材料，在特殊環境下，易發生相變，從而導致材料破裂，常需對氧化鋯陶瓷行穩定化處理。通常在加工過程中加入氧化鎂和氧化鈣行增韌處理來提高氧化鋯穩定性；氧化鋯經增韌處理后，韌性比傳統高純氧化鋯陶瓷高很多。

(3)羥基磷灰石(HA):羥基磷灰石為人體骨骼、牙釉質和牙質的重要組成成分，它具有較高的生物活性、生物安全性和與人體骨骼匹配的力學性能，對組織無毒、無害、無過敏現象，是理想的生物活性材料，被廣泛應用于制備具有仿生功能的人工關節假體。目前制備羥基磷灰石的主要方法有均相沉淀法、自然燃燒法、水熱反應法和酸堿中和法。但是國內技術發展還處于初級階段；另外，羥基磷灰石由于其脆性較大，臨床上主要將其作為涂層附著于金屬或金屬合金、高分子材料表面來改善替代物的生物學性能[20]。

4.其他材料

(1)碳質材料：1969年碳質材料被Bokros首次應用于醫學領域。碳元素為機體基礎元素之一，所以它具備很好的生物相容性；碳質材料缺點為柔性差，在內環境和受力情況下，會發生碳纖維斷裂甚至假體破裂，導致無菌性松動的發生。最初的玻璃質碳材料、碳纖維聚合材料均因抗疲勞力能力差而被棄用；目前碳纖維增強聚醚酮復合材料被廣泛應用[21]。

(2)3D打印材料：3D 打印技術又稱增材制造(additive manufacturing，AM)，屬快速成型技術中的一種；其原理為根據事先設計好的3D模型，通過離散堆積成型，然后應用電腦輔助設計制作、三維重建等快速成型技術，再將所集數據立體化建模，將其打印成接近于真實的組織、器官實物模型技術[22]。目前3D打印技術主要有4種類型：①SLA快速成型設備，激光固化(SLA)打印方式主要使用光敏樹脂作為原料，可快速打印全脊柱大件模型，但是原材料有一定毒性;②FDM快速成型設備，熔融沉積(FDM)打印方式是以聚乳酸/塑料作原材料打印術前模型、術中導航及醫療教具，但是打印速度較慢;③尼龍粉末激光燒結快速成型設備，激光粉末燒結(SLS)打印方式具有良好的生物相容性，主要打印導板、護具、支具;④金屬粉末燒結快速成型設備，激光粉末燒結(SLS)打印法利用鈷鉻鉬合金、鈦合金、純鈦等金屬粉末打印金屬假體植入物，但是價格昂貴。3D打印技術僅通過計算機輔助技術就可制作任意復雜幾何形狀的實體，極大地降低了結構復雜產品的制造難度，在很大程度上提升了生產效率，具有成型精度高、重復性好、可實現產業化生產等傳統工藝無法比擬的優點，此外3D打印技術還可以輔助診斷復雜性骨折，減小漏診可能性，模擬術前手術，更準確地認知受損部位，大大降低手術難度，挺高手術質量，縮小手術風險，更便于臨床手術的開展，并一定程度上輔助誘導骨的生長。其缺點為增加了患者住院開銷，加重家庭經濟負擔；對各種打印材料要求極高，材料需求不能得到充分地保證；對術者技術要求高，增加醫生工作負擔；產品力學性能較差；急診手術局限性較大[23]。

四、展 望

綜上所述，人工關節假體材料隨著醫學技術的發展也不停地更新換代，各假體材料生物相容性得到較好的改善。金屬材料因耐磨損、強度大、易加工等特性具有一定使用價值，但金屬離子污染并發癥限制了其大范圍應用。超高分子量聚乙烯因耐磨性和抗疲勞性臨床應用廣范，但磨損顆粒導致的關節松動仍有待于解決。陶瓷材料具有良好的生物學特性，主要用于年輕患者，其易碎、異響現象需進一步改進。目前關節假體在臨床應用中已相當成熟，但耐磨性、力學性能等方面仍存在各自的不足。隨著經濟的發展及人們對高質量生活的追求，假體關節的臨床需求量會越來越多，這就要求繼續強化假體材料的性能及臨床技術手段的提高，敢于對目前的假體材料及技術提出質疑，尋找新的仿生性能材料并借助科技手段進一步提高假體的耐磨性與力學性能，盡量適合人體內環境和關節力學的需要，增強關節假體與人體骨的結合能力及融合度，并借助3D打印技術使人工關節置換的發展方向更加趨向于個體化、技術化、微創化和智能化，為提高人工關節置換患者生存質量奠定基礎，相信關節假體定擁有廣闊的發展空間。