魏宝刚 齐岩松 徐永胜 史占军

近年来，全球人口老龄化持续加速，高龄人口基数增加，骨关节疾病患者人数也显著增加。同时，关节疾病亦出现年轻化的趋势，一些可能导致行动不便、关节机能丧失甚至瘫痪等严重后果的膝关节、髋关节病变发病率在中青年人群中也逐年升高。人工关节置换可使患病关节部分或全部恢复机能。由于关节机能的特殊性，人工假体材料须兼具高强度、富韧性、可塑性、抗疲劳、耐磨损等特性[1]，年轻患者人工关节置换对假体材料的要求更高。具体包括:与人体组织相容，对人体正常生理功能无毒副作用，且无排异反应；生物力学性能适宜，能较好地适应植入部位人体组织弹性形变、骨骼强度、膨胀率等特性；贴合生物界面，骨结合能力强，不会相对移动或下沉；性能稳定、可靠，耐受人体环境变化腐蚀及肌肉、骨骼活动所致疲劳；摩擦系数低，产生颗粒少，设计寿命一般应高于20年（50年较为理想）[2]；便于合成制造，可批量生产、消毒保存和质量检测。目前尚无满足以上全部条件的假体材料问世，优势的组合材料可弥补单一材料的不足，但也存在着复杂的工艺问题。此外，国内外工程技术人员和骨科医师正在研究利用新型材料和制造技术设计各种关节假体，但多数材料尚处于实验阶段，仍需长时间的观察和研究。鉴于此种情况，目前的生物材料还未达到尽善尽美，只能根据综合性能匹配选用，尽可能满足生理环境和关节生物力学的要求。本文试对现有人工髋关节假体材料做总结归纳，提出存在问题，并对今后的研究方向进行展望。

1 常用的髋关节假体材料

自19 世纪末至今，人工关节假体材料制备经过一百年来的迭代演进，目前常用的有3 种: 生物医学金属材料、生物陶瓷材料和高分子材料。

1.1 生物医学金属材料

金属材料因其良好的力学性能、易加工性和可靠性在人工关节中有较为广泛的应用。髋关节是人体承受重量较大的关节，因此金属材料在大关节中有其天然的优势。

不锈钢是最早应用于人工关节假体的材料，1938年出现了首例不锈钢假体全髋关节置换手术。作为关节假体材料，不锈钢虽然具有一定的抗腐蚀能力和机械强度，但因内含Ni 等元素有致畸、致癌作用，不适合长期留于体内[3]，而医用不锈钢的腐蚀易造成其长期植入的稳定性差，再加之材料本身无生物活性，且难于和骨组织形成牢固结合。因此，在人工关节的制造材料中，不锈钢逐渐被钴基合金和钛合金所替代，欧美国家如今已限制不锈钢的临床使用。

近年来，临床多采用钴合金和钛合金作为人工髋关节置换材料。钴铬钼合金目前有铸造钴铬钼合金和锻造钴铬钼合金2 种，后者力学性能更优越。与不锈钢相比，钴合金钝化膜更稳定，抗腐蚀性更好，其缺点主要包括金属摩擦腐蚀造成Co、Ni 等离子的溶出对成骨细胞的毒性大，分泌细胞因子RANKL、OPG 等物质[4]，在体内引起细胞和组织的坏死，从而导致患者疼痛，关节松动、下沉等并发症。

钛合金与人体组织相容性较好，与人骨弹性模量较钴合金更贴近，射线透过良好，表面可生成二氧化钛氧化膜，耐腐蚀，且密度较低（只有钴合金的一半），与生物组织结合可靠[5]，被认为是最具前景的骨关节假体材料之一。目前，骨科常用钛合金标号Ti-6Al-4V，其强度高、延展性好，耐腐蚀性能优良、弹性模量与人体骨骼接近，尤其适用于负荷强度大的关节，其短板主要表现在耐磨性差。此外，Ti-6Al-4V合金中的有毒元素钒进入人体会缓慢产生“黑水”。Vendittoli等[6]的研究发现，人工关节金属假体植入1年后，患者血液中金属离子含量升高。此外，钛合金假体置换术后可能引发Ⅳ型变态反应，大量巨噬细胞、淋巴细胞浸润等钴铬合金过敏反应[7]，合金材料刺激人体免疫细胞分泌炎性因子IL-1和TNF- 可能成为导致假体松动的原因[8]。

20 世纪90年代中期，钽金属被用于制造关节假体。该金属的多孔结构与人体骨骼类似，加之化学性质稳定，熔点高，强度高，耐腐蚀，对生物组织无刺激，不释放有毒离子，可刺激成骨细胞分裂与增殖[9]，诸多优点使得钽金属被广泛应用于髋关节假体材料，目前尚无不良反应报道。相比钛合金与钴铬钼合金，钽金属假体价格更加高昂，此外钽材料应用于临床时间仍较短，需要长期临床访期验证其效果和安全性。

其他新型金属材料，如Oxinium 黑晶材料，是经由锆铌合金氧化而来的。这一过程将材料表面的金属特性转变成陶瓷特性，兼具钴铬钼和陶瓷两种材料的最优特性，同时又避免了这两种材料的弱点。锆铌合金（97.5%锆+2.5%铌）被认为是生物相容性最好的金属材料之一，其材料特性与钴铬钼合金相比，抗刮擦力是钴铬钼的4900 倍，光滑度是其160 倍，硬度比常用钴铬钼更坚硬，同时黑晶中不含镍，减少了金属离子过敏的不良反应。但其价格相对昂贵，应用时间短，缺乏长期应用效果和大样本资料，有待进一步研究。

Neumann 等[10]对99 例采用金属假体行全髋关节置换的患者进行了长达10年的随访，股骨假体总生存率为98%，髋臼假体为96%，仅有6 例患者进行了二次翻修手术。Saito等[11]的随访也印证了上述研究结果。长期临床研究证实，金属材料假体用于髋关节置换的稳定性好、脱位率低、磨损性低，预后总体较好。

1.2 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料主要有氧化铝陶瓷（Al2O3）、氧化锆陶瓷（ZrO2）和羟基磷灰石（HA）生物活性陶瓷等。自20 世纪70年代初陶瓷应用于假体材料，不仅具有良好的生物相容性，而且具有超高硬度、耐磨性和耐蚀性。陶瓷有较好的亲水性，可适应潮湿环境，极性液体可均匀覆盖陶瓷表面，形成流体薄膜润滑，降低摩擦。此外，陶瓷材料能够解决金属和高分子假体材料的磨损颗粒引起的骨溶解问题，同时避免金属假体在人体内释放金属离子的问题，因此成为当今髋关节假体材料重要选择之一。最初的陶瓷假体并不完善，因易碎而饱受诟病，目前已经历四代。第四代陶瓷假体于2003年问世，并沿用至今。新一代陶瓷材质纯度、密度更高，颗粒直径更小，破碎率降至0.004%，组织相容性优良，不易产生骨溶解，有研究指出，陶瓷假体中短期骨溶解率低于1%[12]。目前，临床常用的陶瓷假体包括氧化铝、氧化锆、ZTA、AMC 等。

高纯度的氧化铝陶瓷摩擦系数低、硬度高、浸润性好，适合作为关节摩擦面，在体内长期存在而不影响其稳定性。氧化锆作为髋关节假体材料能够降低假体刚性断裂的风险，同时兼具小直径球头高耐磨性[13]，但其性质不稳定，晶型易变。ZTA 为复合陶瓷材料，是将氧化锆颗粒分布在致密、小型氧化铝陶瓷基体中，使之具备高硬度、强度不衰减、高韧性等特性。髋关节模拟实验表明，该种材料磨损率更低[14]。AMC 材料是在ZTA 中再加入氧化锶、氧化铬，融合氧化铝和氧化锆的优点，能实现异形陶瓷部件的加工[15]。

可陈仲子呢，锦衣玉食而自离，隐居一方躲功名，“孤僻”立世却始终有妻子追随陪伴。他行人所未行，行在一切戏曲故事的“圆满结局”之后；他求人所未求，求的是所有戏曲人物的功名利禄之外。

1.3 高分子材料

20 世纪中期，高分子材料在人工关节假体领域开始为人们所关注。该类材料主要有聚乙烯（UHMWPE）、聚醚醚酮（PEEK）、碳纤维复合材料。

1973年，聚乙烯材料首次应用于人工髋关节置换。聚乙烯（UHMWPE）的相对分子量超过150 万，而超高分子量聚乙烯相对分子量可达600 万～800 万。高分子材料力学性能良好，耐腐蚀，组织相容性好，是髋关节髋臼内衬的首选材料。但其也有明显缺陷，即耐磨性差。随着髋关节假体使用时间的延长，人们逐渐发现，在松动的人工关节假体与骨界面间存在一层界膜，病理检查发现有弥漫的巨噬细胞、异物巨细胞浸润及大量聚乙烯磨屑，从而引发一系列细胞免疫、生化反应，导致骨破坏、关节松动和骨溶解[18]。目前临床多用的二、三代高分子交联聚乙烯，采用大剂量射线或电子束交联辐射UHMWPE，提高耐磨性、减少磨损碎屑，并加入维生素E，进一步提升耐磨与抗氧化特性。近年来，有研究将碳纳米管、羟基磷灰石与UHMWPE 混合，或尝试自增强法用以提高材料力学、抗疲劳和耐磨性能。

聚醚醚酮（PEEK）具有耐高温、耐腐蚀、抗磨损等优点，常与碳纤维或玻璃纤维混合制成功能强化型改性材料，可有效避免骨溶解。Whang 等[19]研究发现，陶瓷关节股骨头搭配PEEK 复合材料髋关节窝，临床表现优于金属陶瓷配对。PEEK 材料在未来或将成为高分子复合材料热点，其植入人体后的反应及临床效果目前鲜有报道，对此类材料植入的病例值得持续跟踪关注。

20 世纪60年代末，Bokros 等[20]将碳纤维复合材料应用于医学。此类材料弹性模量低、力学强度高、抗冲击性好、抗疲劳，能满足多种刚度和强度要求，同时热稳定性好、成型工艺简单、比重轻等，临床上多用于假体制备辅料，其应用具有一定发展空间。

2 各类假体材料界面组合

2.1 合金-高分子组合

20 世纪60年代，合金股骨头假体与聚乙烯髋臼内衬的组合方案成功应用于临床，至今仍是临床髋关节置换最常用的假体。组合方案多为钴合金加聚乙烯。但该方案界面磨损率高（聚乙烯每年磨损超过0.1 mm，骨溶解发生率将大幅升高[21]），可能引发骨溶解和无菌性松动。另一方面，与金属、陶瓷内衬相比，聚乙烯内衬易于制作髋关节防后脱位的高边。

2.2 合金-合金组合

2.3 陶瓷-陶瓷组合

2.4 陶瓷-合金组合

陶瓷-合金组合的磨损率较合金-合金界面低，体液中金属离子释放减少，假体韧性高于陶瓷-陶瓷界面。金属头—陶瓷臼杯髋关节置换临床应用较少，实际应用效果有待验证。

2.5 高分子材料与其他材料的组合

聚乙烯内衬的线性磨损和蠕变在术后1 ～2年里凸显，其后随时间延长呈指数下降。目前，高交联聚乙烯材料应用较广，其强度和耐磨性较一般聚乙烯材料优势明显。Markhoff等[26]有关研究表明，其磨损率低于一般聚乙烯材料的1/8。高交联材料撞击后结果明显轻于其他组合材料，将其与金属或陶瓷配伍，可能减少一半磨损率。此外，尚无关于高交联材料对骨溶解程度影响的报道，需要进一步跟踪随访。

综上，不同材料的界面组合各有优缺点，如何选择需要视患者情况而定。同时，应用材料技术的发展，对相关术式的改革具有直接推动作用。对不同材料及组合临床效果的研究，需要大量随访数据作支撑。

3 人工髋关节假体材料表面改性的进展

假体周围感染是人工关节置换的灾难性并发症，生物膜理论已经被越来越多的学者接受。由于假体表面黏附细胞会逐渐繁殖形成生物膜[27]，因此人工假体在体内时间越久，感染发病率越高。目前，材料学研究主要通过改变材料表面的物理结构及化学性质来抑制细菌繁殖，防范人工假体感染。

3.1 化学方法

材料表面负电荷会导致假体植入后表面细菌黏附，逐渐产生大量蛋白代谢物，形成生物膜，造成感染。可通过化学方法，改变材料表面化学性质，破坏蛋白空间结构，防止细菌黏附。Nie 等[28]研究指出，在钛合金界面涂抹聚乙二醇，能够抑制细菌黏附聚集，降低材料周围组织感染，促进骨细胞增生和骨愈合。

3.2 物理方法

一是利用高能辐射改性法。用高能射线照射材料表面，产生自由基并与单体聚合。通常用 射线、 射线和 射线及加速器产生的X 射线和电子射线实现材料表面的物理改性。Ganesh 等[29]用 射线将亲水单体接到聚醚氨酯上，提高材料亲水性，并大幅降低葡萄球菌黏附。

二是通过将离子加速后轰击注入生物材料表面并达一定深度可提升抗菌性。Rodriguez 等[30]研究表明钙离子注入钛表面，钛合金抗菌性和组织相容性有明显提升。

三是电解。将人工假体置于含氟溶液中，在电压作用下形成二氧化钛纳米管，可以明显减少细菌黏附。原因是调节电解液成分和阳极氧化参数，可使人工材料表面形成不同化学成分和多孔的氧化膜层。

3.3 涂层改进

多项研究表明，涂层改进是相对简单可行的假体抗菌方案，在预防关节感染方面效果显著，能够提高髋关节置换手术成功率，延长假体寿命。离子涂层可提高生物材料组织相容性[31]； 银离子注入材料表面可抑制细菌黏附，同时促进成骨细胞黏附，具有成骨作用[32]； 将氮化钛和羟基磷灰石涂在钛合金表面能抑制细菌黏附和聚集[33]；二氧化锆可使钛合金和钴铬钼合金表面细菌黏附降低[34]； Adams 等[35]发现利用同价修饰原理将万古霉素加到钛表面可有效降低细菌黏附，抑制感染。但涂层法也同时存在涂层和假体表面的黏附力不足、涂层制备操作复杂、长期安全性不明等问题[36]。

4 目前存在的问题与展望

历经百年，人工髋关节假体材料不断改良，制备假体技术已较为成熟，不同材料的假体手术技术亦有区别，合金、陶瓷和高分子复合材料结合临床实际合理选择大都能获得满意效果。陶瓷假体使用寿命明显延长，远期临床效果优良，是今后全髋关节置换假体的发展方向。当前假体材料研究的重点是提升性能、提高置换成功率、降低并发症。对于骨科医师，不仅要注意提高手术操作技术，也要坚持问题导向，持续关注病患预后，加强随访，积累数据，提倡医工结合，为生物医学、材料学等跨领域研究提供线索思路，帮助他们创新材料种类、改进制作工艺，从而形成良性学研产互动链路，反哺临床应用需要，真正落实医工交叉学科的研究目标，创造更好的人工关节假体，为广大患者服务。