哈工大 人工髋关节材料.docx

人工髋关节的材料研究

Harbin Institute of Technology
人工髋关节材料的研究

院 系： 英才学院
班 级： 1
姓 名：
学 号：
时 间： 2012.12.05

哈尔滨工业大学

摘要：随着科学技术的发展，人工髋关节开始得到广泛的应用。髋关节作为一个经常活动的关节，对材料的要求非常高。本文阐述了人工髋关节假体材料的性能要求和研究进展。
关键词：人工关节 髋关节 材料
0. 引言
随着社会的进步，人们的生活质量越来越得到重视。关节疾病一直都严重影响着人们的正常生活，因此人工关节，特别是人工髋关节，越来越受到大家的关注。据统计，全球每年有110万例的髋关节植入[1]，并呈现逐年递增的趋势。但就目前而言，人工髋关节的效果还差强人意，主要是未能找到特别合适的人工髋关节材料。因此，我们要探究一下各种人工髋关节材料的优缺点，以促进人工髋关节的发展与进步，使患者的生活质量能够进一步地提高。
1. 性能要求
髋关节的受力十分复杂，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用，并且要经受体液的腐蚀作用。临床医学认为，人工髋关节作为植入器官应具备以下几项性能：
(1)生物相容性。生物组织相容性要求髋关节假体材料不能对周围组织产生毒副作用, 组织对植入材料无排斥反应；生物力学相容性要求髋关节假体材料的弹性模量、强度和韧性与人的皮质骨相匹配，在负载情况下，髋关节假体与所接触的组织所发生的形变要彼此协调，并且植入期间假体材料与周围的骨组织结合良好，不发生松动和下沉；
(2)生物摩擦学性能。要求髋关节假体材料的摩损率低，磨损颗粒数量少且对人体组织无不良影响；
(3)抗腐蚀、耐疲劳性能。要求髋关节假体材料在人体环境中经受化学腐蚀和电化学腐蚀而不失效，在人体循环疲劳作用下不损伤；
(4)制备工艺和服役寿命。要求髋关节假体材料易于合成和制造，便于批量生产和质量检测，设计服役寿命应达到10~20年。
2. 假体材料[2]
2.1 金属材料
主要有不锈钢、钴铬合金、钛合金等。
(1)不锈钢：不锈钢具有优良的加工性能和足够的强度，但易产生缝隙腐蚀、摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀等问题。目前不锈钢材料主要应用于髋关节置换的低端产品中，常用的型号有316、316L、317、317L、变形高氮不锈钢等。
(2)钴铬合金：钴铬合金髋关节生物相容性优良，抗腐蚀能力强，断层表面能低，耐磨损性能好。钴铬合金的缺点是韧性差而不适合机械加工，并且钴、铬金属离子具有毒性。
(3)钛合金：纯金属钛生物的相容性好，但是强度不足，需要对其进行合金化处理。临床应用较多的合金是Ti-6Al-4V，其密度低、强度高、延展性好，耐腐蚀性能优良且弹性模量与人体骨骼相近，但是其在润滑条件下表面形成的TiO2硬度低，容易损坏剥离造成摩擦表面凹凸不平，降低其抗磨损性能，并且增加了对偶面的磨损，需要对其进行表面改性处理。有人对Ti-6Al-4V进行氮离子和氧离子两步离子注入表面改性, 结果发现离子注入后Ti-6Al-4V的润湿性能和硬度都有明显的改善，摩擦系数显著降低。
金属的弹性模量(100～200GPa)与人体骨骼(1～30GPa)相差甚远，导致了应力遮挡效应，从而引起假体的疏松和不稳定；并且由于金属是生物惰性材料，植入人体后始终作为宿主的异体存在，容易变形和松动；另外金属在人体内的富氧环境中能在其表面形成2～5nm厚的氧化层，其在摩擦作用下容易脱落，在脱落部位金属假体释放金属离子和颗粒，一方面增大了磨损率，另一方面释放的金属离子具有潜在的毒性。这些缺点严重影响了金属型人工髋关节的长期服役效果。
2.2 高分子材料
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)：机械性能优良，抗磨损能力强，并且其分子主链上有部分短支链，结晶度低，耐低温脆性和耐环境应力开裂性能良好，可以在低温环境下长期使用，目前已成为人工关节髋臼的首选材料。
尽管UHMWPE性能优良并已在临床上取得了广泛应用，但其仍然是各种组合式髋关节假体的最薄弱环节，一方面它与相邻的股骨头发生相互作用时最容易受到磨损，其磨损颗粒可以诱导假体周围巨噬细胞释放溶骨因子，引起骨溶解和无菌性松动，从而导致植入体的失效；另一方面UHMWPE的硬度偏低，抗蠕变性能差，长期使用会使人工关节产生精度偏差，影响人工关节的装配性。
为改善UHMWPE的性能，研究人员开发了多种表面改性方法。离子注入改性可以诱发UHMWPE表面交联，促使其发生剧烈的结构变化，从而提高聚合物的表面硬度和弹性模量, 改善抗磨损性能和生物力学性能。离子束注入改性后，UHMWPE的表面硬度可以提高30倍，耐磨损性能也明显改善，从而有效地延长了人工关节的寿命。葛世荣等对UHMWPE进行氮离子注入改性，研究了注入前后表面特性的变化，并评价了它与氧化锆组成的摩擦副的摩擦磨损行为，结果发现改性处理可以改善其表面物理化学特性，提高表面的显微硬度和润湿性能，降低摩擦系数，磨损率最大可以降低50%。
由于UHMWPE本身是线性结构的高聚物，研究人员对其进行了辐射交联改性的研究，在真空室温条件下对30mm厚的UHMWPE进行了γ射线辐射使其产生轻度交联。实验结果表明，辐射后UHMWPE的力学性能和耐磨性能显著提高。后来又研究了UHMWPE在常规辐射(4×104Gy，低氧条件)和适度辐射(5×104Gy，软化退火处理)交联后的性能变化，结果发现固定关节在适度辐射时的磨损量比其在常规辐射时小74%，研究认为适度辐射增强关节材料抗磨损性能的原因在于软化退火处理而不是辐射剂量。其它改性方法如对UHMWPE 表面进行氟化处理、表面光聚合改性等都可以降低磨损率，减少磨屑的生成。
2.3 陶瓷材料
为解决金属和高分子假体材料的磨损颗粒引起的骨溶解问题，人们开始关注陶瓷材料。陶瓷材料的离子结构可以吸引带极性的液体，使之均匀地覆盖在陶瓷的表面，有利于形成流体薄膜润滑效果；并且陶瓷材料硬度高、磨损率低、磨损颗粒小。另外陶瓷可以在潮湿的条件下正常工作，克服了金属假体在体内潮湿环境下容易释放金属离子的问题。
(1)氧化铝：氧化铝陶瓷的化学性能稳定，耐磨损、生物相容性能优良，适宜应用于生物学领域。Knahrk K等发现,由Al2O3陶瓷制作的髋臼和股骨头组成的全髋关节不仅摩擦磨损性能优良，而且可以承受压缩、弯曲和扭转的组合作用。Tipper J L等对比研究了几种常用材料(UHMWPE/氧化锆、钴铬合金/钴铬合金、氧化铝/氧化铝)关节副组合的磨损情况，结果表明氧化铝/氧化铝的磨损率远远低于其他关节副组合，并且氧化铝的磨损颗粒直径(9±0.5nm)明显小于UHMWPE(300±200nm)和钴铬合金颗粒(30±2.25nm)。但是氧化铝属于脆性材料, 抗折强度和抗冲击韧性较低, 在临床应用过程中容易出现脆性破坏和骨损伤。
(2) 氧化锆：氧化锆陶瓷的断裂强度是氧化铝的2～4倍，断裂韧性大约是氧化铝的2倍，在髋关节置换中有很大的应用潜力。Derbyshire A等比较了不同直径的氧化锆关节头和不锈钢关节头与聚乙烯组成的摩擦副的磨损情况，结果表明氧化锆显著降低了聚乙烯的磨损率，并且氧化锆关节头直径越小，磨损率越低。Dambreville A等报道了以氧化锆为关节头、聚乙烯为髋臼进行全髋关节置换的临床效果, 经过7 年的临床观察, 发现其磨损率非常小，平均磨损率约为0.1mm/a。Jenny J Y等报道了1200例全髋关节置换术的临床效果, 其中300例以氧化锆为关节头，得到的磨损率结果与Dambreville报道的一致。
(3)羟基磷灰石：羟基磷灰石是骨骼无机物质的主要成分，生物相容性优良，在体内羟基磷灰石的钙磷离子可以与周围骨骼组织中的钙磷离子形成化学键，并且骨骼细胞可以生长入羟基磷灰石的微孔中。但是其力学性能差，不能单独用于人工关节的制造，作为涂层材料可以发挥其优势。
Wang Hao等在Ti-6Al-4V表面分别用电化学方法和等离子喷涂方法制备了羟基磷灰石涂层。经过体内实验证明，种植7 天后等离子喷涂方法制备的羟基磷灰石涂层的骨附着率高于电化学沉积和无涂层Ti-6Al-4V；种植14天后两种羟基磷灰石涂层具有相似的骨骼附着率并且显著高于无涂层Ti-6Al-4V，羟基磷灰石促进了骨骼组织的形成。
羟基磷灰石已经成为髋关节涂层材料的重要选择，但是羟基磷灰石与基体的结合强度不足适合体内移植的涂层厚度还不明确，制备涂层的温度过高会导致生物活性的下降等问题，还需进行进一步研究。
陶瓷毕竟属于硬脆材料，其抗压强度高，抗拉强度却很低，即使性能很好的高纯氧化铝陶瓷其抗拉强度和断裂韧性仍低于金属材料的。近年来，国内外有关学者做了大量工作来改善氧化铝陶瓷的力学性能，诸如通过改变材料的显微结构来提高断裂韧性，又如采用细化晶粒和对瓷体进行表面处理等措施以减缓裂纹尖端应力集中效应等等；其中氧化锆等增强氧化铝基复合陶瓷的综合力学物理性能有了很大提高。氧化铝基复合陶瓷(氧化锆等增强)是在氧化铝陶瓷中加入适量的氧化锆和其它微量添加剂，通过这些添加剂来改变氧化铝的显微结构，从而改变其性能，它的综合性能尤其是断裂韧性要比高纯氧化铝陶瓷的高很多。目前，国际上已有氧化铝基复合陶瓷制作的人工髋关节。[3]
2.4 碳质材料
碳纤维聚合砜复合材料曾一度被用于人工关节假体，因为在体液环境中抗疲劳能力下降而未能广泛应用。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。Christel P考察了碳/碳复合材料用作人工髋关节的可行性，结果表明，其生物相容性优良，生物力学稳定，抗疲劳性能好，并且材料具有开放性空隙骨，组织容易长入其中。临床实验也证明其化学性质稳定，不释放对人体产生毒副作用的可溶物，是性能优良的髋关节假体材料。Howling G I等研究了22 种不同基体和增强相的碳/碳复合材料的生物摩擦学特性与磨粒的生物学反应，结果表明, 碳/碳复合材料磨损率低磨粒直径小于100nm，没有发现明显刺激TNF-α的释放，无潜在的毒性。Adams 等研究了碳/碳复合材料应用于老鼠股骨的情况，结果表明，碳/碳复合材料具有极优异的硬组织相容性，无任何炎症反应。我国也于1977年开展碳质人工骨骼的研究，中国科学院金属研究所和沈阳军区医院曾将碳/碳复合材料用于狗的大腿骨骼和兔子的头骨进行种植对比实验，证明碳/碳复合材料有利于促进骨骼的生成，使骨组织直接长入材料的空隙中[4]。
碳/碳复合材料作为生物医用材料具备诸多优点，在髋关节替换领域展现出广阔的应用前景，但是相比传统材料几百年的发展历史，其研究工作起步较晚，要充分发挥其特点，还有诸多问题需要解决。
(1)从材料制备上分析，现有碳/碳复合材料主要为航空航天领域应用，而缺乏针对生物医用领域应用的碳/碳复合材料的结构设计。作者认为应从生物医用角度出发，根据人体骨骼的真实形态、尺寸和应力分布状况，设计预制体结构，制备髋关节置换专用碳/碳复合材料；
(2)从碳质材料的特性上分析，碳/碳复合材料属于生物惰性材料，本身不具有生物活性，需要对其进行表面生物活性处理，以更好地应用于临床；
(3)碳/碳复合材料植入体界面处因摩擦造成碳微粒的释放，虽然初步研究证明人体组织没有受到碳微粒的侵害，但是为了植入体的稳定性和避免未知的影响，应设法减少磨损微粒。
短碳纤维增强聚醚醚酮(short carbon fiberreinforced polyetgeretherketone, SCF/PEEK)复合材料的高强度、低弹性模量(与骨接近)的优点让其脱颖而出，有望成为髋关节假体的新一代材料。实验对SCF/PEEK的生物相容性及其制成的髋关节假体生物力学性能进行了研究。实验表明SCF/PEEK的细胞毒性小，是一种无毒、无刺激性、不含致热原物质的，有着良好血液相容性及组织相容性的生物材料，符合医学植入材料的细胞毒性要求，对机体不会造成不良影响，强度符合人体髋关节的力学要求，因此该材料制成的全髋假体在临床上有着很广阔的应用前景，值得进一步开发利用。[5]
3. 总结
各种材料的髋关节都有各自的优点和缺陷，还需要经过不断的发展来得到进一步地改善。我认为最主要的改进方式就是表面改性，通过表面改性可以大大减小材料的缺陷。另外，开发新型的人工髋关节材料也十分重要。相信在不久的未来，人们可以免受髋关节疾病的困扰。
4. 参考文献
[1]人工髋关节假体材料的研究进展.张磊磊,李贺军,李克智,王朋云,徐新行.材料导报.2008
[2]人工髋关节假体的分类及设计.覃小东,符俏.中国组织工程研究.2012
[3]人工髋关节用陶瓷材料的研究进展.郭方全,张培志,李莉.机械工程材料.2011
[4]碳素材料.杨国华.中国物资出版社,1999
[5]短碳纤维增强聚醚醚酮为全髋假体材料的生物相容性及力学性能.王克军,郭卫春,唐谨,余铃,赵胜豪.中国组织工程研究与临床康复.2011