魏寶剛 齊巖松 徐永勝 史占軍

近年來，全球人口老齡化持續(xù)加速，高齡人口基數(shù)增加，骨關(guān)節(jié)疾病患者人數(shù)也顯著增加。同時(shí)，關(guān)節(jié)疾病亦出現(xiàn)年輕化的趨勢(shì)，一些可能導(dǎo)致行動(dòng)不便、關(guān)節(jié)機(jī)能喪失甚至癱瘓等嚴(yán)重后果的膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)病變發(fā)病率在中青年人群中也逐年升高。人工關(guān)節(jié)置換可使患病關(guān)節(jié)部分或全部恢復(fù)機(jī)能。由于關(guān)節(jié)機(jī)能的特殊性，人工假體材料須兼具高強(qiáng)度、富韌性、可塑性、抗疲勞、耐磨損等特性[1]，年輕患者人工關(guān)節(jié)置換對(duì)假體材料的要求更高。具體包括:與人體組織相容，對(duì)人體正常生理功能無毒副作用，且無排異反應(yīng)；生物力學(xué)性能適宜，能較好地適應(yīng)植入部位人體組織彈性形變、骨骼強(qiáng)度、膨脹率等特性；貼合生物界面，骨結(jié)合能力強(qiáng)，不會(huì)相對(duì)移動(dòng)或下沉；性能穩(wěn)定、可靠，耐受人體環(huán)境變化腐蝕及肌肉、骨骼活動(dòng)所致疲勞；摩擦系數(shù)低，產(chǎn)生顆粒少，設(shè)計(jì)壽命一般應(yīng)高于20年（50年較為理想）[2]；便于合成制造，可批量生產(chǎn)、消毒保存和質(zhì)量檢測(cè)。目前尚無滿足以上全部條件的假體材料問世，優(yōu)勢(shì)的組合材料可彌補(bǔ)單一材料的不足，但也存在著復(fù)雜的工藝問題。此外，國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員和骨科醫(yī)師正在研究利用新型材料和制造技術(shù)設(shè)計(jì)各種關(guān)節(jié)假體，但多數(shù)材料尚處于實(shí)驗(yàn)階段，仍需長(zhǎng)時(shí)間的觀察和研究。鑒于此種情況，目前的生物材料還未達(dá)到盡善盡美，只能根據(jù)綜合性能匹配選用，盡可能滿足生理環(huán)境和關(guān)節(jié)生物力學(xué)的要求。本文試對(duì)現(xiàn)有人工髖關(guān)節(jié)假體材料做總結(jié)歸納，提出存在問題，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

1 常用的髖關(guān)節(jié)假體材料

自19 世紀(jì)末至今，人工關(guān)節(jié)假體材料制備經(jīng)過一百年來的迭代演進(jìn)，目前常用的有3 種: 生物醫(yī)學(xué)金屬材料、生物陶瓷材料和高分子材料。

1.1 生物醫(yī)學(xué)金屬材料

金屬材料因其良好的力學(xué)性能、易加工性和可靠性在人工關(guān)節(jié)中有較為廣泛的應(yīng)用。髖關(guān)節(jié)是人體承受重量較大的關(guān)節(jié)，因此金屬材料在大關(guān)節(jié)中有其天然的優(yōu)勢(shì)。

不銹鋼是最早應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)假體的材料，1938年出現(xiàn)了首例不銹鋼假體全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)。作為關(guān)節(jié)假體材料，不銹鋼雖然具有一定的抗腐蝕能力和機(jī)械強(qiáng)度，但因內(nèi)含Ni 等元素有致畸、致癌作用，不適合長(zhǎng)期留于體內(nèi)[3]，而醫(yī)用不銹鋼的腐蝕易造成其長(zhǎng)期植入的穩(wěn)定性差，再加之材料本身無生物活性，且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，不銹鋼逐漸被鈷基合金和鈦合金所替代，歐美國(guó)家如今已限制不銹鋼的臨床使用。

近年來，臨床多采用鈷合金和鈦合金作為人工髖關(guān)節(jié)置換材料。鈷鉻鉬合金目前有鑄造鈷鉻鉬合金和鍛造鈷鉻鉬合金2 種，后者力學(xué)性能更優(yōu)越。與不銹鋼相比，鈷合金鈍化膜更穩(wěn)定，抗腐蝕性更好，其缺點(diǎn)主要包括金屬摩擦腐蝕造成Co、Ni 等離子的溶出對(duì)成骨細(xì)胞的毒性大，分泌細(xì)胞因子RANKL、OPG 等物質(zhì)[4]，在體內(nèi)引起細(xì)胞和組織的壞死，從而導(dǎo)致患者疼痛，關(guān)節(jié)松動(dòng)、下沉等并發(fā)癥。

鈦合金與人體組織相容性較好，與人骨彈性模量較鈷合金更貼近，射線透過良好，表面可生成二氧化鈦氧化膜，耐腐蝕，且密度較低（只有鈷合金的一半），與生物組織結(jié)合可靠[5]，被認(rèn)為是最具前景的骨關(guān)節(jié)假體材料之一。目前，骨科常用鈦合金標(biāo)號(hào)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)度大的關(guān)節(jié)，其短板主要表現(xiàn)在耐磨性差。此外，Ti-6Al-4V合金中的有毒元素釩進(jìn)入人體會(huì)緩慢產(chǎn)生“黑水”。Vendittoli等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，人工關(guān)節(jié)金屬假體植入1年后，患者血液中金屬離子含量升高。此外，鈦合金假體置換術(shù)后可能引發(fā)Ⅳ型變態(tài)反應(yīng)，大量巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)等鈷鉻合金過敏反應(yīng)[7]，合金材料刺激人體免疫細(xì)胞分泌炎性因子IL-1和TNF- 可能成為導(dǎo)致假體松動(dòng)的原因[8]。

20 世紀(jì)90年代中期，鉭金屬被用于制造關(guān)節(jié)假體。該金屬的多孔結(jié)構(gòu)與人體骨骼類似，加之化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，強(qiáng)度高，耐腐蝕，對(duì)生物組織無刺激，不釋放有毒離子，可刺激成骨細(xì)胞分裂與增殖[9]，諸多優(yōu)點(diǎn)使得鉭金屬被廣泛應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)假體材料，目前尚無不良反應(yīng)報(bào)道。相比鈦合金與鈷鉻鉬合金，鉭金屬假體價(jià)格更加高昂，此外鉭材料應(yīng)用于臨床時(shí)間仍較短，需要長(zhǎng)期臨床訪期驗(yàn)證其效果和安全性。

其他新型金屬材料，如Oxinium 黑晶材料，是經(jīng)由鋯鈮合金氧化而來的。這一過程將材料表面的金屬特性轉(zhuǎn)變成陶瓷特性，兼具鈷鉻鉬和陶瓷兩種材料的最優(yōu)特性，同時(shí)又避免了這兩種材料的弱點(diǎn)。鋯鈮合金（97.5%鋯+2.5%鈮）被認(rèn)為是生物相容性最好的金屬材料之一，其材料特性與鈷鉻鉬合金相比，抗刮擦力是鈷鉻鉬的4900 倍，光滑度是其160 倍，硬度比常用鈷鉻鉬更堅(jiān)硬，同時(shí)黑晶中不含鎳，減少了金屬離子過敏的不良反應(yīng)。但其價(jià)格相對(duì)昂貴，應(yīng)用時(shí)間短，缺乏長(zhǎng)期應(yīng)用效果和大樣本資料，有待進(jìn)一步研究。

Neumann 等[10]對(duì)99 例采用金屬假體行全髖關(guān)節(jié)置換的患者進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的隨訪，股骨假體總生存率為98%，髖臼假體為96%，僅有6 例患者進(jìn)行了二次翻修手術(shù)。Saito等[11]的隨訪也印證了上述研究結(jié)果。長(zhǎng)期臨床研究證實(shí)，金屬材料假體用于髖關(guān)節(jié)置換的穩(wěn)定性好、脫位率低、磨損性低，預(yù)后總體較好。

1.2 生物陶瓷材料

生物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。自20 世紀(jì)70年代初陶瓷應(yīng)用于假體材料，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。陶瓷有較好的親水性，可適應(yīng)潮濕環(huán)境，極性液體可均勻覆蓋陶瓷表面，形成流體薄膜潤(rùn)滑，降低摩擦。此外，陶瓷材料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，同時(shí)避免金屬假體在人體內(nèi)釋放金屬離子的問題，因此成為當(dāng)今髖關(guān)節(jié)假體材料重要選擇之一。最初的陶瓷假體并不完善，因易碎而飽受詬病，目前已經(jīng)歷四代。第四代陶瓷假體于2003年問世，并沿用至今。新一代陶瓷材質(zhì)純度、密度更高，顆粒直徑更小，破碎率降至0.004%，組織相容性優(yōu)良，不易產(chǎn)生骨溶解，有研究指出，陶瓷假體中短期骨溶解率低于1%[12]。目前，臨床常用的陶瓷假體包括氧化鋁、氧化鋯、ZTA、AMC 等。

高純度的氧化鋁陶瓷摩擦系數(shù)低、硬度高、浸潤(rùn)性好，適合作為關(guān)節(jié)摩擦面，在體內(nèi)長(zhǎng)期存在而不影響其穩(wěn)定性。氧化鋯作為髖關(guān)節(jié)假體材料能夠降低假體剛性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)兼具小直徑球頭高耐磨性[13]，但其性質(zhì)不穩(wěn)定，晶型易變。ZTA 為復(fù)合陶瓷材料，是將氧化鋯顆粒分布在致密、小型氧化鋁陶瓷基體中，使之具備高硬度、強(qiáng)度不衰減、高韌性等特性。髖關(guān)節(jié)模擬實(shí)驗(yàn)表明，該種材料磨損率更低[14]。AMC 材料是在ZTA 中再加入氧化鍶、氧化鉻，融合氧化鋁和氧化鋯的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)異形陶瓷部件的加工[15]。

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1.3 高分子材料

20 世紀(jì)中期，高分子材料在人工關(guān)節(jié)假體領(lǐng)域開始為人們所關(guān)注。該類材料主要有聚乙烯（UHMWPE）、聚醚醚酮（PEEK）、碳纖維復(fù)合材料。

1973年，聚乙烯材料首次應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)置換。聚乙烯（UHMWPE）的相對(duì)分子量超過150 萬(wàn)，而超高分子量聚乙烯相對(duì)分子量可達(dá)600 萬(wàn)～800 萬(wàn)。高分子材料力學(xué)性能良好，耐腐蝕，組織相容性好，是髖關(guān)節(jié)髖臼內(nèi)襯的首選材料。但其也有明顯缺陷，即耐磨性差。隨著髖關(guān)節(jié)假體使用時(shí)間的延長(zhǎng)，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在松動(dòng)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(rùn)及大量聚乙烯磨屑，從而引發(fā)一系列細(xì)胞免疫、生化反應(yīng)，導(dǎo)致骨破壞、關(guān)節(jié)松動(dòng)和骨溶解[18]。目前臨床多用的二、三代高分子交聯(lián)聚乙烯，采用大劑量射線或電子束交聯(lián)輻射UHMWPE，提高耐磨性、減少磨損碎屑，并加入維生素E，進(jìn)一步提升耐磨與抗氧化特性。近年來，有研究將碳納米管、羥基磷灰石與UHMWPE 混合，或嘗試自增強(qiáng)法用以提高材料力學(xué)、抗疲勞和耐磨性能。

聚醚醚酮（PEEK）具有耐高溫、耐腐蝕、抗磨損等優(yōu)點(diǎn)，常與碳纖維或玻璃纖維混合制成功能強(qiáng)化型改性材料，可有效避免骨溶解。Whang 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷關(guān)節(jié)股骨頭搭配PEEK 復(fù)合材料髖關(guān)節(jié)窩，臨床表現(xiàn)優(yōu)于金屬陶瓷配對(duì)。PEEK 材料在未來或?qū)⒊蔀楦叻肿訌?fù)合材料熱點(diǎn)，其植入人體后的反應(yīng)及臨床效果目前鮮有報(bào)道，對(duì)此類材料植入的病例值得持續(xù)跟蹤關(guān)注。

20 世紀(jì)60年代末，Bokros 等[20]將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)。此類材料彈性模量低、力學(xué)強(qiáng)度高、抗沖擊性好、抗疲勞，能滿足多種剛度和強(qiáng)度要求，同時(shí)熱穩(wěn)定性好、成型工藝簡(jiǎn)單、比重輕等，臨床上多用于假體制備輔料，其應(yīng)用具有一定發(fā)展空間。

2 各類假體材料界面組合

2.1 合金-高分子組合

20 世紀(jì)60年代，合金股骨頭假體與聚乙烯髖臼內(nèi)襯的組合方案成功應(yīng)用于臨床，至今仍是臨床髖關(guān)節(jié)置換最常用的假體。組合方案多為鈷合金加聚乙烯。但該方案界面磨損率高（聚乙烯每年磨損超過0.1 mm，骨溶解發(fā)生率將大幅升高[21]），可能引發(fā)骨溶解和無菌性松動(dòng)。另一方面，與金屬、陶瓷內(nèi)襯相比，聚乙烯內(nèi)襯易于制作髖關(guān)節(jié)防后脫位的高邊。

2.2 合金-合金組合

2.3 陶瓷-陶瓷組合

2.4 陶瓷-合金組合

陶瓷-合金組合的磨損率較合金-合金界面低，體液中金屬離子釋放減少，假體韌性高于陶瓷-陶瓷界面。金屬頭—陶瓷臼杯髖關(guān)節(jié)置換臨床應(yīng)用較少，實(shí)際應(yīng)用效果有待驗(yàn)證。

2.5 高分子材料與其他材料的組合

聚乙烯內(nèi)襯的線性磨損和蠕變?cè)谛g(shù)后1 ～2年里凸顯，其后隨時(shí)間延長(zhǎng)呈指數(shù)下降。目前，高交聯(lián)聚乙烯材料應(yīng)用較廣，其強(qiáng)度和耐磨性較一般聚乙烯材料優(yōu)勢(shì)明顯。Markhoff等[26]有關(guān)研究表明，其磨損率低于一般聚乙烯材料的1/8。高交聯(lián)材料撞擊后結(jié)果明顯輕于其他組合材料，將其與金屬或陶瓷配伍，可能減少一半磨損率。此外，尚無關(guān)于高交聯(lián)材料對(duì)骨溶解程度影響的報(bào)道，需要進(jìn)一步跟蹤隨訪。

綜上，不同材料的界面組合各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇需要視患者情況而定。同時(shí)，應(yīng)用材料技術(shù)的發(fā)展，對(duì)相關(guān)術(shù)式的改革具有直接推動(dòng)作用。對(duì)不同材料及組合臨床效果的研究，需要大量隨訪數(shù)據(jù)作支撐。

3 人工髖關(guān)節(jié)假體材料表面改性的進(jìn)展

假體周圍感染是人工關(guān)節(jié)置換的災(zāi)難性并發(fā)癥，生物膜理論已經(jīng)被越來越多的學(xué)者接受。由于假體表面黏附細(xì)胞會(huì)逐漸繁殖形成生物膜[27]，因此人工假體在體內(nèi)時(shí)間越久，感染發(fā)病率越高。目前，材料學(xué)研究主要通過改變材料表面的物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)來抑制細(xì)菌繁殖，防范人工假體感染。

3.1 化學(xué)方法

材料表面負(fù)電荷會(huì)導(dǎo)致假體植入后表面細(xì)菌黏附，逐漸產(chǎn)生大量蛋白代謝物，形成生物膜，造成感染?？赏ㄟ^化學(xué)方法，改變材料表面化學(xué)性質(zhì)，破壞蛋白空間結(jié)構(gòu)，防止細(xì)菌黏附。Nie 等[28]研究指出，在鈦合金界面涂抹聚乙二醇，能夠抑制細(xì)菌黏附聚集，降低材料周圍組織感染，促進(jìn)骨細(xì)胞增生和骨愈合。

3.2 物理方法

一是利用高能輻射改性法。用高能射線照射材料表面，產(chǎn)生自由基并與單體聚合。通常用 射線、 射線和 射線及加速器產(chǎn)生的X 射線和電子射線實(shí)現(xiàn)材料表面的物理改性。Ganesh 等[29]用 射線將親水單體接到聚醚氨酯上，提高材料親水性，并大幅降低葡萄球菌黏附。

二是通過將離子加速后轟擊注入生物材料表面并達(dá)一定深度可提升抗菌性。Rodriguez 等[30]研究表明鈣離子注入鈦表面，鈦合金抗菌性和組織相容性有明顯提升。

三是電解。將人工假體置于含氟溶液中，在電壓作用下形成二氧化鈦納米管，可以明顯減少細(xì)菌黏附。原因是調(diào)節(jié)電解液成分和陽(yáng)極氧化參數(shù)，可使人工材料表面形成不同化學(xué)成分和多孔的氧化膜層。

3.3 涂層改進(jìn)

多項(xiàng)研究表明，涂層改進(jìn)是相對(duì)簡(jiǎn)單可行的假體抗菌方案，在預(yù)防關(guān)節(jié)感染方面效果顯著，能夠提高髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)成功率，延長(zhǎng)假體壽命。離子涂層可提高生物材料組織相容性[31]； 銀離子注入材料表面可抑制細(xì)菌黏附，同時(shí)促進(jìn)成骨細(xì)胞黏附，具有成骨作用[32]； 將氮化鈦和羥基磷灰石涂在鈦合金表面能抑制細(xì)菌黏附和聚集[33]；二氧化鋯可使鈦合金和鈷鉻鉬合金表面細(xì)菌黏附降低[34]； Adams 等[35]發(fā)現(xiàn)利用同價(jià)修飾原理將萬(wàn)古霉素加到鈦表面可有效降低細(xì)菌黏附，抑制感染。但涂層法也同時(shí)存在涂層和假體表面的黏附力不足、涂層制備操作復(fù)雜、長(zhǎng)期安全性不明等問題[36]。

4 目前存在的問題與展望

歷經(jīng)百年，人工髖關(guān)節(jié)假體材料不斷改良，制備假體技術(shù)已較為成熟，不同材料的假體手術(shù)技術(shù)亦有區(qū)別，合金、陶瓷和高分子復(fù)合材料結(jié)合臨床實(shí)際合理選擇大都能獲得滿意效果。陶瓷假體使用壽命明顯延長(zhǎng)，遠(yuǎn)期臨床效果優(yōu)良，是今后全髖關(guān)節(jié)置換假體的發(fā)展方向。當(dāng)前假體材料研究的重點(diǎn)是提升性能、提高置換成功率、降低并發(fā)癥。對(duì)于骨科醫(yī)師，不僅要注意提高手術(shù)操作技術(shù)，也要堅(jiān)持問題導(dǎo)向，持續(xù)關(guān)注病患預(yù)后，加強(qiáng)隨訪，積累數(shù)據(jù)，提倡醫(yī)工結(jié)合，為生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)等跨領(lǐng)域研究提供線索思路，幫助他們創(chuàng)新材料種類、改進(jìn)制作工藝，從而形成良性學(xué)研產(chǎn)互動(dòng)鏈路，反哺臨床應(yīng)用需要，真正落實(shí)醫(yī)工交叉學(xué)科的研究目標(biāo)，創(chuàng)造更好的人工關(guān)節(jié)假體，為廣大患者服務(wù)。