陳 烜，戴建平，劉金龍，劉愛輝

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇徐州221116;2.淮陰工學(xué)院江蘇省介入醫(yī)療重點實驗室，江蘇 淮安223003)

0 引言

生物材料涉及材料、醫(yī)學(xué)、物理、生物化學(xué)及現(xiàn)代高技術(shù)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。不僅關(guān)系到保護人類的健康，而且成了各國經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。人工關(guān)節(jié)材料作為重要的生物材料組成部分，近百年來，特別是近20年來得到了長足的發(fā)展。人工關(guān)節(jié)是模擬人體關(guān)節(jié)制成的植入性假體，以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復(fù)其功能。作為一種植入器官，人工關(guān)節(jié)材料在生物相容性、生物摩擦學(xué)性能、抗腐蝕及耐疲勞性能、制備工藝和服役壽命等方面有著非常嚴格的要求，此外，還要求人工關(guān)節(jié)所使用的材料易于合成和制造、加工，便于大量生產(chǎn)和質(zhì)量檢測，價格低廉，易于推廣應(yīng)用等。但是目前的人工關(guān)節(jié)材料還遠未能完全滿足上述要求。因此，了解人工關(guān)節(jié)材料的研究現(xiàn)狀，對開發(fā)新型髖關(guān)節(jié)假體材料，提高置換關(guān)節(jié)的使用壽命具有重要的現(xiàn)實意義。

1 常用人工關(guān)節(jié)材料

人工關(guān)節(jié)材料已有近百年的發(fā)展歷程，目前常用的有金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料。

1.1 金屬材料

和其它材料相比，金屬材料具有高強度、高韌性、易加工等特點，常用來制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜和必須承

1.2 高分子材料

用于人工關(guān)節(jié)制備的典型高分子材料主要有受很大力量的人工關(guān)節(jié)。較有代表性的金屬人工關(guān)節(jié)材料有不銹鋼(如316L型)、鈷鉻鉬合金、鈷基合金、鈦及鈦合金等。

不銹鋼是最早的人體金屬植入材料，它具有優(yōu)良的加工性能和適當(dāng)?shù)目箟簭姸?，但臨床表明316L不銹鋼植入人體后，在生理環(huán)境中，有時會產(chǎn)生縫隙腐蝕或摩擦腐蝕以及疲勞腐蝕破裂等問題，從而引起假體松動或惡性腫瘤，最終導(dǎo)致植入體失效。所以歐美等國現(xiàn)已限制不銹鋼的臨床使用。

目前鈷合金和鈦合金是人工關(guān)節(jié)中最常用的兩種金屬。鈷鉻鉬合金(Co－Cr－Mo)與不銹鋼相比，具有優(yōu)良的生物相容性，耐磨性、耐腐蝕性和綜合機械性能都比較好，但其不適于機械加工，通常采用精密鑄造的加工方式。美國材料實驗協(xié)會推薦了4種可在外科植入中使用的鈷基合金，它們是:鍛造Co－Cr－Mo合金、鍛造Co－Cr－W－Ni合金、鍛造Co－Ni－Cr－Mo合金、鍛造Co－Ni－Cr－Mo－W－Fe合金。其中鍛造Co－Cr－Mo合金和鍛造Co－Ni－Cr－Mo合金已廣泛用于植入體的制造。

鈦(Ti)及鈦合金(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鈦氧化膜，耐腐蝕性非常好。另外，鈦及鈦合金重量輕(密度是Co－Cr－Mo合金的1/2)，材料強度也特別大，適用于負荷強度很大的股關(guān)節(jié)，而且由于其彈性模量與人骨的彈性模量較接近，生物界面結(jié)合牢固，是較理想的植入材料。但其耐磨性相對較差，且Al對人的神經(jīng)系統(tǒng)有傷害，極少數(shù)病人對鈦合金有過敏現(xiàn)象。

金屬材料作為人工關(guān)節(jié)材料的主要缺點是在長期植入的過程中，會在體液的作用下釋放出有害的金屬離子，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)周圍的組織發(fā)炎和關(guān)節(jié)松動，最終導(dǎo)致植入失敗。另外，由于金屬材料表面的硬度低，因此耐磨性能相對較差，在長期的植入過程中由于關(guān)節(jié)間的相對滑動，關(guān)節(jié)面發(fā)生嚴重磨損，產(chǎn)生人工關(guān)節(jié)的松動并最終導(dǎo)致置換失敗。產(chǎn)生的大量顆粒狀磨屑，易與人體細胞和組織發(fā)生異物反應(yīng)，隨時間的推移，粒狀磨屑會廣泛分散到淋巴結(jié)、肝臟、脾臟等部位，對人體產(chǎn)生很大的影響。這些缺點嚴重影響了金屬型人工髖關(guān)節(jié)的長期服役效果。硅橡膠、聚乙烯及超高分子量聚乙烯等。

硅橡膠主要用于指關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等。硅橡膠人工指關(guān)節(jié)優(yōu)于金屬人工指關(guān)節(jié)，尤其適宜于掌指關(guān)節(jié)伸屈肌腱損壞者。然而，盡管有不少成功的應(yīng)用，但遠期療效分析已存在大量由硅橡膠引起異物反應(yīng)的報道。

聚乙烯(PE)是最早被用于人工關(guān)節(jié)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關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與髖臼等，改善了人工關(guān)節(jié)的摩擦磨損問題，延長了使用壽命。但長期臨床觀察顯示，由于PE或UHMWPE硬度偏低，抗蠕變性能差，長期使用會使人工關(guān)節(jié)的晚期磨損相當(dāng)嚴重。Charnley等采用放射法測定Charnley型髖臼假體內(nèi)側(cè)的磨損率為0.1～0.19mm/年，相當(dāng)于每年每個人工關(guān)節(jié)產(chǎn)生2×107～4×1010個小于10μm 的UHMW PE 磨屑，這些碎屑可引起人工關(guān)節(jié)周圍的骨溶解等現(xiàn)象。Agins報道了68例有股骨距吸收的人工髖關(guān)節(jié)術(shù)后病例髖臼磨損情況，發(fā)現(xiàn)其中40例X線檢查顯示聚乙烯磨損，表明PE磨損與假體松動密切相關(guān)。

1.3 陶瓷材料

陶瓷材料具有強度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性強的特點，因而在人工關(guān)節(jié)上得到廣泛應(yīng)用。其材料主要有氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷和羥基磷灰石(HA)生物活性陶瓷等。

陶瓷具有優(yōu)良的抗腐蝕性能、良好的生物相容性、優(yōu)異的耐磨性能，是最早用作生物醫(yī)用材料的陶瓷材料之一。但其脆性較大，容易發(fā)生假體的破裂，一般用于制造人工股骨頭材料，而較少用于制造髖臼假體。

陶瓷則具有優(yōu)良的生物相容性、良好的斷裂韌性、高的斷裂強度和低的彈性模量，其斷裂強度是陶瓷的2～4倍，斷裂韌性約為其2倍。有學(xué)者報道了110例以關(guān)節(jié)頭，聚乙烯為髖臼進行全髖關(guān)節(jié)置換7年的臨床觀察效果，發(fā)現(xiàn)磨損率非常小。但陶瓷材料的致命缺點是脆性大、屈服強度低，在沖擊力的作用下易碎，并且對應(yīng)力集中和過載非常敏感，如果制備時在陶瓷關(guān)節(jié)內(nèi)有微小裂紋，使用過程中這些裂紋容易擴展，導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)的破斷。

羥基磷灰石(HA)是骨骼無機物質(zhì)的主要成份，生物相容性優(yōu)良，在體內(nèi)HA的鈣磷離子可以與周圍骨骼組織中的鈣磷離子形成化學(xué)鍵，并且骨骼細胞可以生長入HA的微孔中。但是其力學(xué)性能差，不能單獨用于人工關(guān)節(jié)的制造，作為涂層材料可以發(fā)揮其優(yōu)勢，但是HA與基體的結(jié)合強度不足，適合體內(nèi)移植的涂層厚度還不明確，制備涂層的溫度過高會導(dǎo)致生物活性的下降等問題，還需進行進一步研究。

1.4 復(fù)合材料

上述三種類型的關(guān)節(jié)材料并不能和人體實際環(huán)境的生物力學(xué)及生物相容性完全匹配，鑒于骨骼本身就是一種由膠原纖維被羥基磷灰石(HA)礦化的復(fù)合材料，故各種以HA為基的復(fù)合材料及碳纖維增強復(fù)合材料的研究逐漸升溫。

以HA為基，增強體形態(tài)可以是顆粒、短纖維或長纖維狀等，常見的體系有HA/金屬生物復(fù)合材料、HA/高分子聚合物生物復(fù)合材料和HA/生物惰性陶瓷生物復(fù)合材料。這些復(fù)合材料大部分具有較高的強度、硬度和斷裂韌性，還具有抗氧化、抗腐蝕及抗菌效果等諸多優(yōu)點。

碳纖維增強復(fù)合材料主要分為碳纖維增強高分子基生物復(fù)合材料和碳－碳生物復(fù)合材料。其中碳纖維增強超高分子聚乙烯(UHMWPE)材料作為人工關(guān)節(jié)臼已廣泛應(yīng)用于臨床試驗中。Dumbleton J H等研究的碳纖維聚醚醚酮復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)良，抗液體滲入，抗疲勞性能優(yōu)良，實驗證明其與陶瓷的界面磨損是UHMWPE的1/30，抗磨損性能優(yōu)良，作為髖臼材料具有良好的應(yīng)用前景。此外碳纖維增強聚縮醛樹脂、碳纖維增強環(huán)氧樹脂都有用于關(guān)節(jié)假體的研究報道。在碳纖維增強復(fù)合材料中，碳纖維增強碳基復(fù)合材料(碳/碳復(fù)合材料)一方面繼承了碳質(zhì)材料的生物相容性，另一方面具有纖維增強材料的高強度和高韌性的特點，在髖關(guān)節(jié)替換領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

2 人工關(guān)節(jié)材料的改性

目前使用的各種生物材料，沒有一種能夠完全滿足臨床使用的各種要求，如高的耐磨性、好的耐蝕性、優(yōu)良的生物相容性等?？梢詮膬蓚€方面著手來提高生物材料的各種性能。一方面從材料的本體著手，另一方面從材料的性質(zhì)著手。由于研究開發(fā)新型本體材料難度較大，且需要花費大量的經(jīng)費和時間用于臨床試驗，因此，采用各種工藝對生物材料進行改性，從而改善生物材料的綜合性能的方法，受到人們的高度重視，并應(yīng)用于臨床。

2.1 金屬材料的改性

對于金屬材料的改性，目的是在不改變金屬基體性能的情況下，提高其表面或表面層的耐磨性、生物相容性及其它性能。常用的處理方法有:

(1)離子注入法:將所需的元素在離子氣化室中進行氣化，通過高頻放電使其離子化，以外加電場導(dǎo)出、聚束和加速，使形成高能細小的離子束而打入作為靶的固體材料表層，從而改變材料表層的物理、化學(xué)、機械以及生物性能。如在316L和鈦合金的表層注入氮離子(改性厚度0.1μm)可提高人工股關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)頭和人工膝關(guān)節(jié)(Ti－6Al－4V合金制)的耐磨性，而注入Ca離子則可提高人工骨與人體的結(jié)合力等。

(2)熱噴涂法:利用熱源，如電弧、離子弧或燃燒的火焰等將粉末狀屬或非金屬噴涂材料加熱熔融或軟化，并用熱源自身的動力或外加高速氣流霧化，使噴涂材料的熔滴以一定的速度噴向經(jīng)過預(yù)處理干凈的基體表面，依靠噴涂材料的物理變化和化學(xué)反應(yīng)，與基體形成結(jié)合層。如在金屬表面等離子噴涂HA層制備復(fù)合材料等。

(3)電化學(xué)法:通過調(diào)節(jié)電解液的濃度、pH值、反應(yīng)溫度、電場強度、電流等來控制反應(yīng)的制備方法。shirkhanzadeh M.用電化學(xué)法在Ti－6Al－4V合金材料上電沉積得到了含3.7%Co3的多孔針狀缺鈣HAp生物涂層，這一含量接近于自然骨質(zhì)中Co3的值(約4%)。

(4)離子濺射法:以高速離子(如 )轟擊HA靶材，使羥基磷灰石(HA)粉粒濺射并沉積于金屬基體，以提供比較高的與周圍骨組織的結(jié)合力。陳民芳等采用射頻磁控濺射法在TC4鈦合金基體上制備了HA及HA和復(fù)合薄膜，通過檢驗完全滿足生物涂層材料的使用性能要求。

(5)電子束法:以對金屬基體表層施加高能量的方式對表層進行熱處理，使表層非晶化，以達到硬化改性的目的。

(6)激光熔敷法:在低輸出功率、高掃描速度的脈沖激光照射下，將HA粉熔敷在基體表面以提高其耐磨性及生物相容性。

其他的金屬材料改性方法還有燒結(jié)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)、離子鍍、氧擴滲處理等。

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是一種線性高結(jié)晶熱塑性工程塑料，其分子量大，分子鏈之間互相纏繞，長期使用易產(chǎn)生細微的磨損顆粒，通過各種技術(shù)手段改善UHMWPE的物理、化學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，可有效提高其耐磨性能、降低磨損率，從而大幅度改善UHMWPE與生物體的相容性。其改性方法主要有UHMWPE表面改性和UHMWPE填充改性兩種。

UHMWPE表面改性主要利用交聯(lián)和離子注入技術(shù)。交聯(lián)是改善UHMWPE耐磨性的一個有效途徑。用單體雙官能團對UHMWPE的非晶表面進行交聯(lián)，保持結(jié)晶區(qū)的完整，以及用過氧化物在熔化狀態(tài)對整體進行化學(xué)交聯(lián)，可不斷降低UHMWPE的結(jié)晶度，通過改性的UHMWPE的熱變形溫度和力學(xué)強度提高，體積磨損率減小，抗磨性明顯提高。其他像硅烷交聯(lián)以及對UHMWPE表面進行氟化、表面光聚合等改性，也可以降低材料的磨損，減少磨屑的生成。而離子注入可誘發(fā)UHMWPE表面交聯(lián)，這是其表面性能得以改變的主要原因。在離子注入過程中，具有一定能力的入射離子與聚合物相互作用，促使UHMWPE發(fā)生劇烈的結(jié)構(gòu)變化。這種結(jié)構(gòu)提高UHMWPE的表面強度和浸潤性，改善了其抗腐蝕性和生物相容性，增強了表面硬度，提高了彈性模量和耐磨性。

UHMWPE填充改性研究比較多的是顆粒填充技術(shù)和纖維增強技術(shù)。通過填充改性后將成為一種新型的UHMWPE基復(fù)合材料。目前應(yīng)用最廣的顆粒填充材料是顆粒，由于納米顆粒具有很高的彈性模量，從而使UHMWPE復(fù)合材料的硬度得到明顯提高。纖維增強技術(shù)主要是利用碳纖維或UHMWPE的短切纖維對UHMWPE基體進行增強，這種技術(shù)能有效提高UHMWPE關(guān)節(jié)假體的承載能力和蠕變抗力，從而降低UHMWPE的磨損，與純UHMWPE相比，在UHMWPE中加入體積分數(shù)為60%的UHMWPE短切纖維，可使最大應(yīng)力和模量分別提高160%和60%。

2.3 陶瓷材料的改性

對陶瓷材料的改性主要從降低其原料的晶粒大小、提高密度等方面著手。目前針對陶瓷材料的改性研究主要集中在氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷上。

現(xiàn)代生產(chǎn)中利用無塵化處理、熱均衡加壓、激光蝕刻等新技術(shù)可以使晶粒尺寸減小到2μm以下。微量的氧化鉻和氧化鍶組成的陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)可以降低到1～2μm，使得材料既保持了硬度又降低了脆性。近年來，國內(nèi)外在陶瓷增韌方面作了大量的工作，諸如改變材料的顯微結(jié)構(gòu);利用相變增韌或微裂紋增韌，以及在瓷體中人為造成裂紋擴散的障礙等已經(jīng)取得了顯著的效果。另外，現(xiàn)代陶瓷人工髖關(guān)節(jié)假體在設(shè)計時，其髖臼上有一個半球形金屬殼，外表面有多孔的涂層，內(nèi)面呈morse斜坡，可以嵌入陶瓷內(nèi)襯，這樣就成功地解決了固定和耐磨的難題。

2.4 復(fù)合材料的改性

復(fù)合材料是由基體材料和增強材料兩部分組成，它是借助于不同的纖維、不同的基體、不同的復(fù)合方法以及適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)，來獲得低密度、高強度、耐高溫、耐磨、抗蝕、抗輻射等優(yōu)異性能的。

以HA為基的復(fù)合材料的改性主要是通過研究新的增強體或改變基體與增強體的組份來實現(xiàn)。例如有研究結(jié)果表明，增強HA的生物復(fù)合材料相較其他組份具有最好的生物相容性。碳纖維增強復(fù)合材料的改性主要是通過調(diào)整纖維種類、含量、取向與鋪展順序等，使復(fù)合材料具有低磨損量和高機械強度。熊黨生等用碳纖維對UHMWPE進行填充改性，測試了碳纖維填充量對復(fù)合材料硬度的影響及摩擦磨損性能，觀察了填充復(fù)合材料磨損表面形貌。

復(fù)合材料改性最根本的思想是最大化的追求1+1＞2的效果。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在復(fù)合材料改性方面進行了一系列的研究，并取得了一些成果，但由于有關(guān)復(fù)合材料的研究工作總體起步較晚，有關(guān)界面結(jié)合問題、分散相與基體相的有效結(jié)合技術(shù)、新的填充材料以及新的填充分散方法等還需進一步探索。

3 結(jié)論

人工關(guān)節(jié)作為一種關(guān)系人類健康的重要醫(yī)療器械，其材料的研究和應(yīng)用已取得很多成果。當(dāng)前人工關(guān)節(jié)材料的研究重點更偏重于對現(xiàn)有的材料進行改性、復(fù)合以及智能化，其核心是提高現(xiàn)有材料的可靠性和生物相容性，提高其強度，改善韌性。而展望未來，人工關(guān)節(jié)材料的研究則偏重于綠色材料的研制以及對材料微觀結(jié)構(gòu)的研究，如仿生智能化人工骨材料、生物梯度功能材料等。隨著設(shè)備性能的提高和制造工藝的改進，更多的新型人工關(guān)節(jié)材料及其改性工藝將會涌出，也必將會推動科學(xué)技術(shù)向更高一層次飛躍。

［1］師昌緒.材料大詞典［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

［2］黃傳輝.人工髖關(guān)節(jié)的磨損行為及磨粒形態(tài)研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2004.

［3］葛世榮，王成燾.人體生物摩擦學(xué)的研究現(xiàn)狀和展望［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2005，25(2):186 －188.

［4］高展.改性Ti6Al4V合金/UHMWPE生物摩擦學(xué)特性研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2006.

［5］任伊賓，楊柯，梁勇.新型生物醫(yī)用金屬材料的研究和進展［J］.材料導(dǎo)報，2002，16(2):12 －15.

［6］阮建明，鄒儉鵬，黃伯云.生物材料學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.36 －40.

［7］葉霞，陳菊芳，王江濤，等.人工關(guān)節(jié)材料及其表面改性研究進展［J］.江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2008，13(4):48－51.

［8］李肇建.硅膠人工指關(guān)節(jié)的遠期療效分析［J］.中華骨科雜志，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］蓋學(xué)周，饒平根，趙光巖，等.人工關(guān)節(jié)材料的研究進展［J］.材料導(dǎo)報，2006，20(1):46 －49.

［12］張磊磊，李賀軍，李克智，等.人工髖關(guān)節(jié)假體材料的研究進展［J］.材料導(dǎo)報，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］李賀軍.碳/碳復(fù)合材料［J］.新型碳材料，2001，16(2):79－81.

［15］熊信柏，李賀軍，李克智，等.電流密度對聲電沉積生物活性透鈣磷石涂層結(jié)構(gòu)和形貌的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2003，32(11):923 －926.

［16］衛(wèi)敏仲，顧漢卿.醫(yī)用金屬材料表面改性與修飾的研究進展［J］.透析與人工器官，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］陳民芳，由臣，王玉紅，等.濺射羥基磷灰石薄膜與鈦合金基體結(jié)合強度的研究［J］.新技術(shù)新工藝，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］王慶良，葛世榮，黃傳輝，等.氮離子注入超高分子聚乙烯的表面性能［J］.中國表面工程，2004(2):7－10.

［22］Yim CI.Lee KJ，Jho JY，et al.Wear resistance of some modified ultra－h(huán)igh 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］楊朝君，張元和.人工關(guān)節(jié)松動的防治研究進展［J］.遼寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2009(6):30－32.

［25］熊黨生，何春霞.纖維增強人工關(guān)節(jié)軟骨材料－超高分子量聚乙烯的摩擦學(xué)特性［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2002，22(6):454－457.

［26］金鉉敏，宮路史明，小久保正.化學(xué)處理による傾斜機能生體活性チタンぉよびその合金の調(diào)制［J］.日本金屬學(xué)會志，1998，62(11):1102 －1106.

［27］閆玉華.生理陶瓷及制品的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景［J］.生物骨科材料與陸床研究，2004，1(4):39－43.