人工关节生物材料开发前景广阔□曾重 生物材料是用来和生命系统结合，用以诊断、治疗或替换机体中
生物材料是用来和生命系统结合，用以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料，它涉及材料、医学、物理、生物化学等诸多学科领域。当前，生物材料及其制品已成为高新科技产业，且正在各国悄然兴起。人工关节材料作为一种重要的生物材料，近20年来得到了长足的发展，成为近年来矫形外科学中投入最多、发展变化最突出的领域之一。 一、基本技术要求
一、基本技术要求 作为一种植入人体的器官，人工关节在材料性质上，必须满足一
作为一种植入人体的器官，人工关节在材料性质上，必须满足一些基本的技术要求。 1.良好的生物相容性
1.良好的生物相容性 生物相容性是指生物材料和人体组织接触后，在材料-组织界面
生物相容性是指生物材料和人体组织接触后，在材料-组织界面发生一系列相互作用而最终能够被人体组织所接受的性能，同时材料对人体的正常生理功能应无不良影响、无毒、无排异反应等。这一点是任何人工生物材料所必须具备的先决条件。 2.良好的生物力学相容性
2.良好的生物力学相容性 生物力学相容性是指植入材料和所处部位的生物组织具有弹性形
生物力学相容性是指植入材料和所处部位的生物组织具有弹性形变特性相匹配的性质。从现象来说，即在负荷情况下，材料与其接触的组织所发生的形变是否彼此协调。这一性能的重要性在于，人工关节在体内所承受的应力必然通过人工关节材料-组织界面进行传递，如果两者在应力作用下发生的弹性变形不匹配，将使人工关节松动而导致植入失败。因此，人工关节材料与骨骼的弹性模量、热膨胀性能及其强度等力学性能应尽量一致。 3.良好的机械性能
3.良好的机械性能 如耐摩擦、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀性等，并且几乎不产生磨损
如耐摩擦、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀性等，并且几乎不产生磨损碎屑。人体的关节1年内要反复承受1.5×106～3.5×106周次、且数倍于人体体重的负荷。天然的生物器官由于生物体的新陈代谢可以较好地解决这一问题，但是人工关节要达到这一要求就必需要求材料具有足够的疲劳强度。同时，在这样强度的负荷下，如果材料产生大量的磨屑，极易引起诸如排异反应等很多负效应。 4.较好的生物结合性能
4.较好的生物结合性能 由于生物体的排异反应使得植入体很容易发生相对移动和下沉，
由于生物体的排异反应使得植入体很容易发生相对移动和下沉，因此人工关节与周围的骨组织必须结合良好，如果能最终与生物体本身生长到一起则是最理想的情况。 另外，人工关节需要寿命较长，一般设计寿命约为20～50年。
另外，人工关节需要寿命较长，一般设计寿命约为20～50年。 正是基于这些对植入体的基本要求，使得人工关节这一课题自从
正是基于这些对植入体的基本要求，使得人工关节这一课题自从诞生以来虽然发展迅猛，但是也存在着许多亟待解决的难题。 二、发展历史
二、发展历史 人工关节课题的提出最初源于骨折的治疗。有人采用金属材料奥
人工关节课题的提出最初源于骨折的治疗。有人采用金属材料奥氏体不锈钢(316L)制作人工关节植入体中，揭开了金属材料作为医用生物材料的序幕。近年来在不锈钢材料系列中又研究出了25Cr-7Ni-Mo-N等奥氏体-铁素体双相不锈钢。它具有优良的耐体液腐蚀、耐缝隙腐蚀及更高的屈服强度。但因其易受磨损与电化学腐蚀的影响，以及Cr、Ni元素具有一定毒性，目前在人工关节中已较少使用。 从20世纪60年代开始，继不锈钢材料逐渐退出历史舞台之后，
从20世纪60年代开始，继不锈钢材料逐渐退出历史舞台之后，取而代之的是Co-Cr合金等钴基合金，Co-Cr合金早期用作飞机发动机材料，后来被用于牙科铸造合金后在医疗界得到发展。与不锈钢材料相比，钴基合金强度高、模量低，且有更优越的耐蚀性、耐磨性等性能，因而在关节置换中得到了充分的应用。在这方面，作为人工关节材料主要有铸造Co-Cr-Mo合金、锻造Co-Cr-W-Ni与Co-Ni-Cr-Mo合金等。近年来，为进一步改善铸造性与加工性，将早期的精密铸造制作人工关节改为真空铸造，较好地解决了在大气中出现的铸造缺陷。然而，临床实践表明，钴有时会使临近组织中钴离子浓度增加而引起过敏性反应，因此临床使用应慎用。 随后，陶瓷材料研究兴起，逐渐应用于人工关节。羟基磷灰石(HA)
随后，陶瓷材料研究兴起，逐渐应用于人工关节。羟基磷灰石(HA)活性生物陶瓷于1971年首次成功地用于临床。由于HA是构成骨和牙的主要无机物质，因此具有其他材料难以比拟的优越的生物相容性，植入骨内不仅能传导成骨，而且能与新骨形成骨键合。但是，HA陶瓷力学性能差而不能单独用于人工关节的制造，进而以HA陶瓷为基的复合材料及其作为人工关节表面涂层材料受到了极大关注与发展。Boutinp首先报道了用Al2O3陶瓷制作的人体髋关节在摩擦学与生理学方面的优越性及其在临床上的应用。高纯α－Al2O3陶瓷是近于惰性的生理陶瓷，其强度大、硬度高、摩擦系数小、磨损率低(较其他材料至少小1～2个数量级)，主要制作人工关节头和臼等器官。 与其他材料相比，陶瓷材料强度高、耐磨性好、化学稳定性和耐
与其他材料相比，陶瓷材料强度高、耐磨性好、化学稳定性和耐蚀性强，用于人工关节的陶瓷主要有Al2O3、氧化锆、HA生物活性陶瓷、生物活性玻璃陶瓷及碳素材料等。但陶瓷材料也存在着韧性低、脆性大等缺点，且弹性模量远大于人体自然骨，故生物力学匹配性差，在使用过程中常出现脆性断裂和骨损伤等。 自20世纪80年代以来，高分子材料逐渐应用于人工关节这一领
自20世纪80年代以来，高分子材料逐渐应用于人工关节这一领域。用于人工关节的高分子材料主要有硅橡胶、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。临床试验显示，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。断裂和感染是人工指关节置换失败的两个主要原因。聚乙烯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。后者已成功用于人工腕关节、膝关节与髋臼等，较好地解决了人工关节的摩擦磨损问题，延长了使用寿命。但长期随访病例显示，由于聚乙烯或超高分子聚乙烯晚期磨损严重，造成使用这种材料制作的人工关节出现晚期松动现象等。Charnley等采用放射法测定髋臼假体内侧的磨损率为0.1～0.19mm/a，相当于每年每个人工关节产生2×107～4×1010个小于10μm的磨屑，这样大量的碎屑迁移到骨水泥/骨的界面上，因巨噬细胞反应引起骨吸收，导致支撑关节的骨恶化、固定消失、无菌松动产生并最终使置换失败。 三、研究进展
三、研究进展 总的来说，目前关于人造关节的制作材料可以大体分为金属合金
总的来说，目前关于人造关节的制作材料可以大体分为金属合金类、陶瓷类、高分子材料类等几大类。 1.金属合金 不锈钢系列以及钴基合金系列逐渐较少为临床使
1.金属合金 不锈钢系列以及钴基合金系列逐渐较少为临床使用，目前各国均在致力于研究和开发钒及钛合金系列产品。钒及钛合金相对密度小、弹性模量较低、机械强度高，且耐蚀性和抗疲劳性均优于不锈钢与钴基合金，相比较而言是人工关节更适宜的金属材料，最常用的钛合金是Ti-6Al-4V。但是临床实验表明，传统的钒钛合金中钒对人体有潜在的细胞毒性，因此，各国的研发方向已经开始转向无钒的新型钛合金。例如上世纪90年代，美国开发了Ti-6Al-7Nb合金、Ti-13Nb-13Zr和Ti-12Mo-6Zr-6Fe等合金；日本开发了Ti-6Al-2Nb-Ta等合金；我国也研制开发了Ti-5Al-2.5Fe等新型钛合金。 但研究表明，Al的神经毒性亦是不容忽视的问题。近期美、日
但研究表明，Al的神经毒性亦是不容忽视的问题。近期美、日均在开发无V、Al而含Nb更高、且弹性模量更低的合金，例如美国研制了Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr合金，日本研制出了Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金等。由于这些合金中组成元素均无毒性，故其生物相容性较好。 当前，合金材料的研究逐渐开始集中于合金的表面处理上。比如
当前，合金材料的研究逐渐开始集中于合金的表面处理上。比如为提高疲劳性能，最近日本正在研制添加微量氧、氮进行间隙式固溶强化的Ti-15Zr-4Ta-4Nb-0.2Pa-0.2O-0.05N与Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pa-0.05O-0.004N等合金。目前处理技术主要为钛合金表面的离子氮化和氧扩渗处理、金属假体表面生物陶瓷涂层的表面处理等几方面。合金经固溶处理和低温人工时效处理后，具有人工关节材料最佳的疲劳性能。但作为植入材料的钛合金，在生物体内的耐磨性较之钴基合金差，因此，人们正在研究钛合金的表面离子氮化等一系列表面改性技术。 2.陶瓷材料 为了改变以往陶瓷材料存在的韧性低、脆性大、弹
2.陶瓷材料 为了改变以往陶瓷材料存在的韧性低、脆性大、弹性模量大等缺点，近年来，国内外有关学者开展了大量Al2O3陶瓷增韧的研究工作，如利用ZrO2相变增韧或微裂纹增韧等，取得了显著效果。但是，目前陶瓷全髋关节尚未广泛应用，主要原因是陶瓷人工关节的加工难度大，且植入人体后，克服其脆性及在生理环境下的疲劳破坏仍有待进一步研究。同时，以HA陶瓷为基的复合材料及其作为人工关节表面涂层材料也受到了极大关注与发展。 3.高分子材料 目前主要还是使用超高分子聚乙烯或尼龙1010
3.高分子材料 目前主要还是使用超高分子聚乙烯或尼龙1010等材料为基体。但是目前暂时没有大的突破。 随着工业水平的发展，我国在30年内开展了人工关节的研制及
随着工业水平的发展，我国在30年内开展了人工关节的研制及各种类型的人工关节的应用，逐步跟上了世界人工关节的发展。但目前与国际水平还存在一定差距。上述的三种制作人工关节的主流材料中，我国均有研究。从70年代起，随着我国工业的发展及生物材料及生物力学水平的提高，在上海、北京等地开始应用以钛或铬钼合金为主的内锁型人工股骨头关节。随着国产骨水泥的出现，在国内开始研制出人工全髋关节。现在也有使用超高分子量聚乙烯等材料的临床病例。 四、前景展望
四、前景展望 未来对人工关节的研究方向不仅要克服前面所述的各种现有材料
未来对人工关节的研究方向不仅要克服前面所述的各种现有材料的缺点，同时，分子生物学技术从分子水平上研究生物材料对机体基因结构、转录和翻译的研究，在分子水平上建立评价生物材料生物相容性标准是未来人工关节材料又一重要的研究方向与发展趋势。 随着社会、科技与医学的发展，人工关节的需求量将越来越大，
随着社会、科技与医学的发展，人工关节的需求量将越来越大，因此人工关节课题的研究，既有深远的社会背景，同时也有着巨大的应用市场和现实意义。人工关节材料的研究和应用已取得很多成果，未来新型生物材料的研究越来越受到世界各国的重视。相信随着高技术经济的发展，一定会有更理想、安全、长寿并具有人体生命活力的新一代人工关节问世。