人工关节材料及其改性研究

陈 烜，戴建平，刘金龙，刘爱辉

(1.中国矿业大学 机电学院，江苏徐州221116;2.淮阴工学院江苏省介入医疗重点实验室，江苏 淮安223003)

0 引言

生物材料涉及材料、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分，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。

1 常用人工关节材料

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。

1.1 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

1.2 高分子材料

用于人工关节制备的典型高分子材料主要有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，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。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道。

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、膝关节与髋臼等，改善了人工关节的摩擦磨损问题，延长了使用寿命。但长期临床观察显示，由于PE或UHMWPE硬度偏低，抗蠕变性能差，长期使用会使人工关节的晚期磨损相当严重。Charnley等采用放射法测定Charnley型髋臼假体内侧的磨损率为0.1～0.19mm/年，相当于每年每个人工关节产生2×107～4×1010个小于10μm 的UHMW PE 磨屑，这些碎屑可引起人工关节周围的骨溶解等现象。Agins报道了68例有股骨距吸收的人工髋关节术后病例髋臼磨损情况，发现其中40例X线检查显示聚乙烯磨损，表明PE磨损与假体松动密切相关。

1.3 陶瓷材料

陶瓷材料具有强度高、耐磨性好、化学稳定性和耐蚀性强的特点，因而在人工关节上得到广泛应用。其材料主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷和羟基磷灰石(HA)生物活性陶瓷等。

陶瓷具有优良的抗腐蚀性能、良好的生物相容性、优异的耐磨性能，是最早用作生物医用材料的陶瓷材料之一。但其脆性较大，容易发生假体的破裂，一般用于制造人工股骨头材料，而较少用于制造髋臼假体。

陶瓷则具有优良的生物相容性、良好的断裂韧性、高的断裂强度和低的弹性模量，其断裂强度是陶瓷的2～4倍，断裂韧性约为其2倍。有学者报道了110例以关节头，聚乙烯为髋臼进行全髋关节置换7年的临床观察效果，发现磨损率非常小。但陶瓷材料的致命缺点是脆性大、屈服强度低，在冲击力的作用下易碎，并且对应力集中和过载非常敏感，如果制备时在陶瓷关节内有微小裂纹，使用过程中这些裂纹容易扩展，导致人工关节的破断。

羟基磷灰石(HA)是骨骼无机物质的主要成份，生物相容性优良，在体内HA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HA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，但是HA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。

1.4 复合材料

上述三种类型的关节材料并不能和人体实际环境的生物力学及生物相容性完全匹配，鉴于骨骼本身就是一种由胶原纤维被羟基磷灰石(HA)矿化的复合材料，故各种以HA为基的复合材料及碳纤维增强复合材料的研究逐渐升温。

以HA为基，增强体形态可以是颗粒、短纤维或长纤维状等，常见的体系有HA/金属生物复合材料、HA/高分子聚合物生物复合材料和HA/生物惰性陶瓷生物复合材料。这些复合材料大部分具有较高的强度、硬度和断裂韧性，还具有抗氧化、抗腐蚀及抗菌效果等诸多优点。

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。

2 人工关节材料的改性

目前使用的各种生物材料，没有一种能够完全满足临床使用的各种要求，如高的耐磨性、好的耐蚀性、优良的生物相容性等。可以从两个方面着手来提高生物材料的各种性能。一方面从材料的本体着手，另一方面从材料的性质着手。由于研究开发新型本体材料难度较大，且需要花费大量的经费和时间用于临床试验，因此，采用各种工艺对生物材料进行改性，从而改善生物材料的综合性能的方法，受到人们的高度重视，并应用于临床。

2.1 金属材料的改性

对于金属材料的改性，目的是在不改变金属基体性能的情况下，提高其表面或表面层的耐磨性、生物相容性及其它性能。常用的处理方法有:

(1)离子注入法:将所需的元素在离子气化室中进行气化，通过高频放电使其离子化，以外加电场导出、聚束和加速，使形成高能细小的离子束而打入作为靶的固体材料表层，从而改变材料表层的物理、化学、机械以及生物性能。如在316L和钛合金的表层注入氮离子(改性厚度0.1μm)可提高人工股关节关节头和人工膝关节(Ti－6Al－4V合金制)的耐磨性，而注入Ca离子则可提高人工骨与人体的结合力等。

(2)热喷涂法:利用热源，如电弧、离子弧或燃烧的火焰等将粉末状属或非金属喷涂材料加热熔融或软化，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理干净的基体表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学反应，与基体形成结合层。如在金属表面等离子喷涂HA层制备复合材料等。

(3)电化学法:通过调节电解液的浓度、pH值、反应温度、电场强度、电流等来控制反应的制备方法。shirkhanzadeh M.用电化学法在Ti－6Al－4V合金材料上电沉积得到了含3.7%Co3的多孔针状缺钙HAp生物涂层，这一含量接近于自然骨质中Co3的值(约4%)。

(4)离子溅射法:以高速离子(如 )轰击HA靶材，使羟基磷灰石(HA)粉粒溅射并沉积于金属基体，以提供比较高的与周围骨组织的结合力。陈民芳等采用射频磁控溅射法在TC4钛合金基体上制备了HA及HA和复合薄膜，通过检验完全满足生物涂层材料的使用性能要求。

(5)电子束法:以对金属基体表层施加高能量的方式对表层进行热处理，使表层非晶化，以达到硬化改性的目的。

(6)激光熔敷法:在低输出功率、高扫描速度的脉冲激光照射下，将HA粉熔敷在基体表面以提高其耐磨性及生物相容性。

其他的金属材料改性方法还有烧结、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积法(PVD)、离子镀、氧扩渗处理等。

2.2 高分子材料的改性

目前高分子材料改性的研究主要集中超高分子聚乙烯(UHMWPE)上。UHMWPE是一种线性高结晶热塑性工程塑料，其分子量大，分子链之间互相缠绕，长期使用易产生细微的磨损颗粒，通过各种技术手段改善UHMWPE的物理、化学和结构性质，可有效提高其耐磨性能、降低磨损率，从而大幅度改善UHMWPE与生物体的相容性。其改性方法主要有UHMWPE表面改性和UHMWPE填充改性两种。

UHMWPE表面改性主要利用交联和离子注入技术。交联是改善UHMWPE耐磨性的一个有效途径。用单体双官能团对UHMWPE的非晶表面进行交联，保持结晶区的完整，以及用过氧化物在熔化状态对整体进行化学交联，可不断降低UHMWPE的结晶度，通过改性的UHMWPE的热变形温度和力学强度提高，体积磨损率减小，抗磨性明显提高。其他像硅烷交联以及对UHMWPE表面进行氟化、表面光聚合等改性，也可以降低材料的磨损，减少磨屑的生成。而离子注入可诱发UHMWPE表面交联，这是其表面性能得以改变的主要原因。在离子注入过程中，具有一定能力的入射离子与聚合物相互作用，促使UHMWPE发生剧烈的结构变化。这种结构提高UHMWPE的表面强度和浸润性，改善了其抗腐蚀性和生物相容性，增强了表面硬度，提高了弹性模量和耐磨性。

UHMWPE填充改性研究比较多的是颗粒填充技术和纤维增强技术。通过填充改性后将成为一种新型的UHMWPE基复合材料。目前应用最广的颗粒填充材料是颗粒，由于纳米颗粒具有很高的弹性模量，从而使UHMWPE复合材料的硬度得到明显提高。纤维增强技术主要是利用碳纤维或UHMWPE的短切纤维对UHMWPE基体进行增强，这种技术能有效提高UHMWPE关节假体的承载能力和蠕变抗力，从而降低UHMWPE的磨损，与纯UHMWPE相比，在UHMWPE中加入体积分数为60%的UHMWPE短切纤维，可使最大应力和模量分别提高160%和60%。

2.3 陶瓷材料的改性

对陶瓷材料的改性主要从降低其原料的晶粒大小、提高密度等方面着手。目前针对陶瓷材料的改性研究主要集中在氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷上。

现代生产中利用无尘化处理、热均衡加压、激光蚀刻等新技术可以使晶粒尺寸减小到2μm以下。微量的氧化铬和氧化锶组成的陶瓷材料的晶体结构可以降低到1～2μm，使得材料既保持了硬度又降低了脆性。近年来，国内外在陶瓷增韧方面作了大量的工作，诸如改变材料的显微结构;利用相变增韧或微裂纹增韧，以及在瓷体中人为造成裂纹扩散的障碍等已经取得了显著的效果。另外，现代陶瓷人工髋关节假体在设计时，其髋臼上有一个半球形金属壳，外表面有多孔的涂层，内面呈morse斜坡，可以嵌入陶瓷内衬，这样就成功地解决了固定和耐磨的难题。

2.4 复合材料的改性

复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成，它是借助于不同的纤维、不同的基体、不同的复合方法以及适当的工艺技术，来获得低密度、高强度、耐高温、耐磨、抗蚀、抗辐射等优异性能的。

以HA为基的复合材料的改性主要是通过研究新的增强体或改变基体与增强体的组份来实现。例如有研究结果表明，增强HA的生物复合材料相较其他组份具有最好的生物相容性。碳纤维增强复合材料的改性主要是通过调整纤维种类、含量、取向与铺展顺序等，使复合材料具有低磨损量和高机械强度。熊党生等用碳纤维对UHMWPE进行填充改性，测试了碳纤维填充量对复合材料硬度的影响及摩擦磨损性能，观察了填充复合材料磨损表面形貌。

复合材料改性最根本的思想是最大化的追求1+1＞2的效果。近年来，国内外学者在复合材料改性方面进行了一系列的研究，并取得了一些成果，但由于有关复合材料的研究工作总体起步较晚，有关界面结合问题、分散相与基体相的有效结合技术、新的填充材料以及新的填充分散方法等还需进一步探索。

3 结论

人工关节作为一种关系人类健康的重要医疗器械，其材料的研究和应用已取得很多成果。当前人工关节材料的研究重点更偏重于对现有的材料进行改性、复合以及智能化，其核心是提高现有材料的可靠性和生物相容性，提高其强度，改善韧性。而展望未来，人工关节材料的研究则偏重于绿色材料的研制以及对材料微观结构的研究，如仿生智能化人工骨材料、生物梯度功能材料等。随着设备性能的提高和制造工艺的改进，更多的新型人工关节材料及其改性工艺将会涌出，也必将会推动科学技术向更高一层次飞跃。

［1］师昌绪.材料大词典［M］.北京:化学工业出版社，1994.

［2］黄传辉.人工髋关节的磨损行为及磨粒形态研究［D］.徐州:中国矿业大学，2004.

［3］葛世荣，王成焘.人体生物摩擦学的研究现状和展望［J］.摩擦学学报，2005，25(2):186 －188.

［4］高展.改性Ti6Al4V合金/UHMWPE生物摩擦学特性研究［D］.南京:南京理工大学，2006.

［5］任伊宾，杨柯，梁勇.新型生物医用金属材料的研究和进展［J］.材料导报，2002，16(2):12 －15.

［6］阮建明，邹俭鹏，黄伯云.生物材料学［M］.北京:科学出版社，2004.36 －40.

［7］叶霞，陈菊芳，王江涛，等.人工关节材料及其表面改性研究进展［J］.江苏技术师范学院学报，2008，13(4):48－51.

［8］李肇建.硅胶人工指关节的远期疗效分析［J］.中华骨科杂志，1989，9(1):39 －41.

［9］Matheriesen E.N.，et al.Tissue reactions to wear products from polyacetal and UHMW polyethylene in total hip replacement［J］.Biomed.Mater.Res.，1981(21):459－464.

［10］Agins HJ，Alcock NW，Bansal M，et al.Metallic Wear in failed titanium2alloy total hip replacements:a histological and quantitative analysis［J］.J Bone Joint Surg Am，1998(70):347－353.

［11］盖学周，饶平根，赵光岩，等.人工关节材料的研究进展［J］.材料导报，2006，20(1):46 －49.

［12］张磊磊，李贺军，李克智，等.人工髋关节假体材料的研究进展［J］.材料导报，2008，22(4):108 －111.

［13］Dumbleton J H，Wang A.Carbon fibre reinforced PEEK as a bearing for total hip replacement［J］.In SICOT 99 Sydney 21st world congress，Sydeny，1999.434 －438.

［14］李贺军.碳/碳复合材料［J］.新型碳材料，2001，16(2):79－81.

［15］熊信柏，李贺军，李克智，等.电流密度对声电沉积生物活性透钙磷石涂层结构和形貌的影响［J］.稀有金属材料与工程，2003，32(11):923 －926.

［16］卫敏仲，顾汉卿.医用金属材料表面改性与修饰的研究进展［J］.透析与人工器官，2005(1):32－40.

［17］Shirkhanzadeh M.Bioative calcium phosphate costiings prepared by electrodeposition［J］.Mater.Sci.Lett.，1991(10):1415－1417.

［18］Kunio Ishikawa，Youji Miyamoto，Masaru Nagayams.et al.Blast coating method:New method of coating titanium surface with hydroxyapatite at roomtemperature［J］.J Biomed Mater Res，1997(38):129 －133.

［19］陈民芳，由臣，王玉红，等.溅射羟基磷灰石薄膜与钛合金基体结合强度的研究［J］.新技术新工艺，2004(1):35－36.

［20］Oguchi H，Ishikawa K，Ojima S，et al.Evaluation of a high－velocityflame－sprayingtechniquefor hydroxyapatite［J］.Biomaterials，1992，13(7):471 －477.

［21］王庆良，葛世荣，黄传辉，等.氮离子注入超高分子聚乙烯的表面性能［J］.中国表面工程，2004(2):7－10.

［22］Yim CI.Lee KJ，Jho JY，et al.Wear resistance of some modified ultra－high molecular weight polyethylenes and its correlation with tensile properties［J］.Polymer Bulletin 1999(42):430－433.

［23］Hofste J M，Van Voorn B.and Pennings A.Polym Bull［J］.1997，38(4):485 －489.

［24］杨朝君，张元和.人工关节松动的防治研究进展［J］.辽宁医学院学报，2009(6):30－32.

［25］熊党生，何春霞.纤维增强人工关节软骨材料－超高分子量聚乙烯的摩擦学特性［J］.摩擦学学报，2002，22(6):454－457.

［26］金铉敏，宫路史明，小久保正.化学处理による倾斜机能生体活性チタンぉよびその合金の调制［J］.日本金属学会志，1998，62(11):1102 －1106.

［27］闫玉华.生理陶瓷及制品的研究现状和发展前景［J］.生物骨科材料与陆床研究，2004，1(4):39－43.