人工关节的材料

一、人工关节材料的要求

用于人工关节的材料要求很高，必须达到以下要求：

1．足够的力学强度 包括抗拉、抗压强度、耐磨损性能和抗疲劳性能。人体骨骼需承受一定载荷。研究显示，正常人体骨骼需承受约70MPa的拉应力和140MPa的压应力。人工关节的尺寸一般小于正常骨骼，因此，其承受的抗拉和抗压强度应更高。此外，人体下肢关节负有运动功能，人每走一步，关节就要经历一次运动循环，如果一个人每天行走1万步，一年就是365万次循环，30年就超过1亿次循环，因此，人工关节材料要求有很好的耐磨性和抗疲劳性。

2．极佳的耐腐蚀性能 人工关节置入人体后，在生物学、生物力学、化学及电化学等方面因素的影响下，会导致人工材料内部结构完整性的破坏或释放降解产物，这就是材料的腐蚀性。腐蚀性的产生会影响人工关节的力学强度性能，导致人工关节失效，同时降解产物还会影响正常人体组织，引起不良反应。因此，用于人工关节的材料要求具有极佳的耐腐蚀性。

3．良好的组织相容性 人工关节材料必须无毒、无致癌性、无过敏等不良反应及其他副反应。其产生的磨损颗粒不能产生严重机体反应。

二、常用人工关节材料

金属、高分子材料及陶瓷是目前用于人工关节的材料。它们的机械、化学及电化学性能各不相同。目前无任何一种材料能完全满足上述要求，所以临床上常用两种以上的材料制造人工关节。金属材料有较好的抗压、抗拉及耐疲劳的性能，适用于受力较高的部位，如人工髋关节的柄部；高分子材料与合金材料相匹配，可减少磨损，可用于负重及磨损部位；陶瓷材料惰性好，耐磨损，摩擦系数低，可用于人工股骨头的头部。

1．金属 包括不锈钢、钛和钛合金、钴铬钼合金等。不锈钢是最早被用来作为人工关节的金属材料，已有40多年的历史。纯钛的硬度低、质量轻、不耐磨，虽然抗腐蚀性能好，但屈服应力和极限张应力较低，目前已很少用于人工关节假体制作。钛合金的特点是抗压强度、抗疲劳强度和抗腐蚀性能好，材料密度低，在人工关节假体中最接近人体皮质骨，其缺点是耐磨性能稍差，一般用于制作人工股骨柄，而不宜用于制作人工股骨头部。钴铬钼合金的耐腐蚀性比不锈钢强40倍，对组织几乎完全惰性，抗疲劳性能好，是人工关节中惟一可以设计成金属之间滑动连接的材料。

2．高分子材料 主要是无毒的超高分子高密度聚乙烯。高分子材料耐腐蚀，有黏弹性，与金属之间的摩擦系数低，但受力以后容易变形。一般用作关节的负重面，作为金属之间的过渡面，以减少摩擦。

3．陶瓷 凡是可作为生物医学材料的陶瓷，称为生物陶瓷（biomedical ceramics），生物陶瓷的特点是化学性质稳定、生物相容性好、强度大、硬度高、耐磨性好，适合于制造对耐磨性要求高的人工关节头和内衬等。研究资料显示：陶瓷头与陶瓷衬相匹配的人工关节的磨损率每年为0．002mm，而一般高分子材料与金属材质相匹配的人工髋关节的磨损率为每年0．1～0．4mm，两者比较足足相差200～500倍。磨损率是影响人工关节使用寿命的一个很重要因素，因此陶瓷材料对于年轻的手术接受者而言就可免除多次重复手术。

以前人工关节一般用不锈钢之类的金属材料制成。在气温变化时，特别是遇到阴雨天，装上这种金属关节的人，往往会感到酸痛。这是因为人体里的液体（称为体液）酸碱度会随气候的变化而变化，并与金属关节相互作用，产生电解现象，使人体的局部生理状态紊乱，引起不适的感觉。如果采用陶瓷材料来制造人工关节，就没有这种痛苦和烦恼了。陶瓷不怕酸碱腐蚀，也不导电，无论体液酸碱度如何变化，对陶瓷都不会起作用。