人工關(guān)節(jié)的發(fā)展起始于人工髖關(guān)節(jié)，除了目前廣泛開展的人工髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)置換外，人工關(guān)節(jié)置換已經(jīng)用于治療肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、指間關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)等疾患。人工關(guān)節(jié)置換尤其是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換，已成為關(guān)節(jié)病變和關(guān)節(jié)損傷而造成關(guān)節(jié)功能喪失的主要治療方法與手段，它能有效的重建關(guān)節(jié)功能，提高患者的生活質(zhì)量。我國在60年代以后逐步開展人工關(guān)節(jié)的研制和應(yīng)用，隨著工業(yè)水平的提高，在40年內(nèi)我國人工關(guān)節(jié)的研制及各種類型的人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用逐步跟上了世界人工關(guān)節(jié)技術(shù)的發(fā)展步伐。

人工關(guān)節(jié)的發(fā)展與材料學(xué)的進(jìn)步密切相關(guān)，人工關(guān)節(jié)材料必須具有以下特性：具備足夠的強(qiáng)度以及抗疲勞、抗磨損的能力、具有良好的生物相容性，無毒副作用，耐體液的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕、密度低，彈性模量接近于人的皮質(zhì)骨。此外，材料除了應(yīng)該滿足功能需求外還應(yīng)滿足人工關(guān)節(jié)在制備加工、消毒、保存等過程中的要求。

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人工關(guān)節(jié)材料的種類

（一）金屬材料

金屬材料以其良好的力學(xué)性能、易加工性和可靠性在人工關(guān)節(jié)材料中被廣泛應(yīng)用，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)。早期的人工關(guān)節(jié)是不銹鋼制造的，但因其耐腐蝕性和強(qiáng)度不及鈦合金與鈷合金，已逐漸被后兩者所替代。

（1）不銹鋼：不銹鋼是最早用作人工關(guān)節(jié)的金屬材料。不銹鋼材料雖然具有一定的抗腐蝕能力和機(jī)械強(qiáng)度，曾被用來制造人工關(guān)節(jié)假體，但是醫(yī)用不銹鋼的腐蝕造成其長期植入的穩(wěn)定性差；其密度和彈性模量與骨組織相距較大，導(dǎo)致力學(xué)相容性差；材料本身無生物活性，難于和骨組織形成牢固結(jié)合，因此，在人工關(guān)節(jié)的制造材料中，不銹鋼已經(jīng)逐漸被更好的材料如鈷基合金和鈦合金所替代，歐美等國現(xiàn)已限制不銹鋼的臨床使用。

（2）鈷基合金：目前有鑄造鈷鉻鉬合金和鍛造鈷鉻鉬合金兩種，后者力學(xué)性能更優(yōu)越。鈷基合金在人體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài)，很少見腐蝕現(xiàn)象，與不銹鋼相比，其鈍化膜更穩(wěn)定，抗腐蝕性更好。鈷基合金是目前常用來制造人工關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面的金屬材料，為了達(dá)到表面的高光潔度以減少磨損，多采用數(shù)控車床車削后研磨，再進(jìn)行超高表面拋光技術(shù)處理。為了使假體材料能和骨組織緊密結(jié)合，可以將用于假體柄的材料表面進(jìn)行處理形成微孔涂層。涂層的材料可以是金屬粉，也可以是生物活性陶瓷，如羥基磷灰石，以增加假體和骨組織的相容性及結(jié)合能力。

（3）鈦及鈦合金：純鈦在生理環(huán)境中具有良好的抗腐蝕性能，但其強(qiáng)度較低，耐磨損性能較差，限制了它在承載較大部位的應(yīng)用，需進(jìn)行合金化處理。臨床應(yīng)用較多的合金是 Ti-6Al-4V，其強(qiáng)度高、延展性好，耐腐蝕性能優(yōu)良、彈性模量與人體骨骼接近，尤其適用于負(fù)荷強(qiáng)度很大的下肢關(guān)節(jié)。但其耐磨性相對較差，Ti-6Al-4v合金中的有毒元素釩進(jìn)入人體，可以引起毒性反應(yīng)造成損害，且極少數(shù)病人對鈦合金有過敏現(xiàn)象，目前已經(jīng)研制出一些表面處理技術(shù)用來改善鈦合金的硬度和抗磨損特性。為了提高鈦合金生物活性，通常在鈦合金表面制備一層具有生物活性的陶瓷涂層，人工關(guān)節(jié)材料植入體內(nèi)后，可與宿主骨形成牢固的骨性鍵合，且無毒性、無導(dǎo)致突變的危險、耐腐蝕，具有優(yōu)異的生物相容性和生物活性。

純鈦涂層，等離子噴涂，電泳沉積結(jié)合真空等離子技術(shù)，保證最佳骨長入，實驗見假體植入體內(nèi)3周后骨長入情況。

（4）OXINIUM黑晶材料：97.5% 鋯 + 2.5%鈮--鋯鈮合金，生物相容性最好的金屬元素之一。材料特性：抗刮擦力 和Cocr相比，Oxinium可以減少對骨水泥的磨損達(dá)4900倍。試驗后Oxinium的光滑度是其160倍?？咕垡蚁┠p和Cocr相比，Oxinium降低聚乙烯磨損達(dá)85%。具有超強(qiáng)硬度 ；良好的生物相容性 ；高配伍性 ；表面完整性等優(yōu)點。（圖10、11）

人工股骨頭OXINIUM黑晶材料

（二）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）

UHMWPE是一種線型結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料。UHMWPE平均分子量約35萬～800萬，因分子量高而具有其它塑料無可比擬的耐沖擊、耐磨損、自潤滑性、耐化學(xué)腐蝕等性能，耐磨性高于一般的金屬和塑料制品。關(guān)節(jié)替代材料是UHMWPE在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用最多的領(lǐng)域。UHMWPE廣泛應(yīng)用在完全關(guān)節(jié)替代物上已經(jīng)有40多年的歷史。在人工關(guān)節(jié)中主要作為襯墊材料，承載上下骨的摩擦與運動。大量的臨床實踐證明，以UHMWPE為人工關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面材料的假體臨床效果比較滿意。

特制超高分子量聚乙烯髖臼杯

雖然UHMWPE具有很多優(yōu)點，但是隨著應(yīng)用時間的延長，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在松動的人工關(guān)節(jié)假體與骨界面間存在一層界膜，病理檢查發(fā)現(xiàn)有彌漫的巨噬細(xì)胞、異物巨細(xì)胞浸潤及大量UHMWPE磨屑，磨屑的形成及隨后介導(dǎo)炎癥反應(yīng)引起的骨溶解是人工關(guān)節(jié)無菌性松動的主要原因。

（三）陶瓷材料

最初的陶瓷人工關(guān)節(jié)并不完善，陶瓷人工關(guān)節(jié)到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了四代工藝改進(jìn)，逐漸趨于完善（圖13）。陶瓷材料不僅具有良好的生物相容性，而且具有超高硬度、耐磨性和耐蝕性，能夠解決金屬和高分子假體材料的磨損顆粒引起的骨溶解問題；另外陶瓷還可以克服假體在體內(nèi)釋放金屬離子的問題。陶瓷材料主要有氧化鋁陶瓷(Al2O3)、氧化鋯陶瓷(ZrO2)和羥基磷灰石(HA) 生物活性陶瓷等，目前最常用的是 Al2O3和 ZrO2陶瓷。陶瓷材料具有很好的親水能力，作為人工關(guān)節(jié)可以保證關(guān)節(jié)的潤滑性。

而且，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，陶瓷材料的強(qiáng)度尺寸及密度也有了進(jìn)一步的改善，但是，在關(guān)節(jié)置換術(shù)中可能發(fā)生陶瓷假體破損的并發(fā)癥，導(dǎo)致手術(shù)失敗。此外，假體部件不匹配，假體混配，外力創(chuàng)傷以及高強(qiáng)度載荷運動也可能導(dǎo)致陶瓷假體破裂，導(dǎo)致手術(shù)失敗。

圖13  第4代40mm大頭陶瓷對陶瓷人工全髖關(guān)節(jié)

圖14 關(guān)節(jié)液在陶瓷表面形成液膜，優(yōu)異的親水性，保證了關(guān)節(jié)面的潤滑作用，其效果遠(yuǎn)優(yōu)于其它材料。

圖15 新一代非骨水泥壓配固定髖臼系統(tǒng)第四代納米復(fù)合陶瓷界面，納米復(fù)合陶瓷界面關(guān)節(jié)置換術(shù)后7年，新生關(guān)節(jié)囊病理顯示無陶瓷碎屑，滑膜表面光滑，輕度纖維化。

目前臨床廣泛應(yīng)用的三種材料人工關(guān)節(jié)均有其各自的優(yōu)缺點，而導(dǎo)致關(guān)節(jié)置換手術(shù)失敗的主要原因為人工關(guān)節(jié)材料間出現(xiàn)的磨損，在磨損的過程中能夠產(chǎn)生磨屑，置換部位因為磨屑的存在誘發(fā)無菌性炎癥，進(jìn)而影響了人工關(guān)節(jié)的使用效果。因此，研究新的材料以及人工關(guān)節(jié)的設(shè)計、造型、結(jié)構(gòu)、固定方法等，以構(gòu)建良好生物相容、耐蝕性、耐磨性、耐疲勞性、強(qiáng)韌性好及彈性模量更接近人體皮質(zhì)骨的人工關(guān)節(jié)材料，對于提高工關(guān)節(jié)的質(zhì)量和延長人工關(guān)節(jié)的使用時間具有十分深遠(yuǎn)的意義，也是全體醫(yī)生和工程材料技術(shù)人員共同努力的目標(biāo)。