人工置換髖關節(jié)材料的研究從早期的探索階段發(fā)展至今已持續(xù)了將近200年，人工置換髖關節(jié)最早提出于19世紀中葉，早期人們使用橡木片、象牙、橡膠、玻璃、金銀等貴重金屬材料作為人工髖關節(jié)的材料，并且不斷改進人工髖關節(jié)植入人體的方法技術(shù)，但均因出現(xiàn)的各種問題而失敗較多。隨著科技的進步，高速鋼、含釩鋼等金屬材料逐漸被用作人工髖關節(jié)材料，但這些金屬材料植入人體后經(jīng)過體液長期腐蝕磨損，會逐漸釋放出金屬離子引起感染、過敏等不良反應，從而引發(fā)關節(jié)失效。艾邦建有醫(yī)用陶瓷產(chǎn)業(yè)微信群，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加入，長按識別下方二維碼即可加入。
20世紀 20年代，不銹鋼材料廣泛應用在人工髖關節(jié)置換手術(shù)中，在1938年，人們開始將鈷鉻鉬材料應用在人工髖關節(jié)上，并取得了較好療效，由此人工髖關節(jié)在材料研究方面進入了一個里程碑式的重要階段。1970 年代至今，高分子聚合物材料、記憶金屬和陶瓷等材料也開始應用于骨科相關的植入耗材領域。人工髖關節(jié)產(chǎn)品一般包含髖臼杯、球頭、內(nèi)襯和股骨柄。目前人工髖關節(jié)的常用材料主要有：金屬類、高分子類和陶瓷類等。
▲髖關節(jié)假體系統(tǒng)，來源：威高骨科招股說明書
金屬材料具有較高的硬度和韌性，在載荷下有抵抗永久變形的能力，在人工髖關節(jié)的應用中常用作需要承受較大載荷的股骨頭。人工髖關節(jié)常用金屬材料主要有鈷鉻合金、鈦合金、不銹鋼等。
不銹鋼材料的減磨耐磨性，抗壓性和加工性能都比較優(yōu)異，但長期置于人體中容易出現(xiàn)因體液腐蝕和摩擦等原因引起的關節(jié)疼痛等問題，其主要被用作股骨頭和股骨柄。
鈷鉻鉬合金是一種硬質(zhì)合金，其顯著特點是基本可以抵抗各種類型的腐蝕，耐性和抗高溫氧化性較高，并且強度高具有良好的力學性能。其缺點是韌性較差不適合機械加工，常采用精密鑄造的方式進行加工，而且鈷、鉻等金屬離子對人體有毒性，容易引起人體組織壞死，導致關節(jié)疼痛、松動等問題。
鈦合金的最大特點是具有優(yōu)異的生物相容性，其彈性模量與人體骨骼接近，并且具有較好的耐腐蝕性和延展性，更適用于較大的人體關節(jié)，在人工關節(jié)材料中應用廣泛，通常被用來制作股骨柄和髖臼杯，但其耐磨性相對較差，并且有些患者對鈦合金有過敏反應。
金屬材料整體上彈性模量比人體骨骼高，容易出現(xiàn)應力遮擋效應引發(fā)關節(jié)的松動，且因金屬材料的生物惰性原因，植入人體后會因人體排異而出現(xiàn)不良生物反應，另外人體活動時髖關節(jié)接觸界面產(chǎn)生的摩擦力，會使得金屬材料產(chǎn)生有毒的金屬離子，增大人工髖關節(jié)的磨損率，從而降低了金屬材料在人工髖關節(jié)方面的使用效果。
人工髖關節(jié)高分子材料有超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚醚醚酮(PEEK)。
UHMWPE 是人工髖關節(jié)中最常用的高分子材料，具有無毒耐腐蝕、耐低溫、在人體內(nèi)不易降解等特點，在人工髖關節(jié)中主要用作髖臼杯材料。由于UHMWPE 材料較軟，當其作為髖臼杯與較硬質(zhì)材料的股骨頭組成關節(jié)配副時，在關節(jié)活動過程更容易出現(xiàn)磨損，產(chǎn)生磨損顆粒誘發(fā)不良生化反應，引起骨溶解和無菌松動，進而導致人工髖關節(jié)的失效。
聚醚醚酮(PEEK)是一種特種高分子材料，其耐高溫性，耐腐蝕性和自潤滑性非常優(yōu)異，同時具有較高的耐水解性和耐磨損性，綜合性能良好。最初被用于軍工領域，后逐漸擴展至電子和醫(yī)療器械等領域。近年來隨著加工技術(shù)以及PEEK材料性能改良技術(shù)的發(fā)展，開始應用在醫(yī)用植入物等醫(yī)療領域。
相比于金屬材料，PEEK材料質(zhì)量更加輕盈，耐腐蝕性更好，沒有向人體釋放重金屬離子等缺點，在高溫下仍然具有良好的耐磨性和較低的摩擦系數(shù)，這將使得人工髖關節(jié)的置換效果更佳，為研發(fā)高壽命的人工髖關節(jié)提供了新希望。其不足之處在于其原料成本過高，導致其產(chǎn)品價格相對高于其他材料。
為解決金屬材料和高分子材料因長期摩擦磨損產(chǎn)生的損顆粒導致人工髖關節(jié)出現(xiàn)松動的問題，人們將目光投向了陶瓷材料。人工髖關節(jié)用陶瓷材料有氧化鋁、氧化鋯、氧化鋯增韌氧化鋁、氮化硅。
陶瓷材料強度和硬度較高，損率較低，具有良好的耐磨性、耐壓性、耐腐蝕性，其親水性使得由陶瓷材料構(gòu)成的人工髖關節(jié)有良好的潤滑性能，穩(wěn)定的化學性保證其不易引發(fā)細胞反應，陶瓷材料還具有優(yōu)異的抗疲勞性。陶瓷材料應用在人工髖關節(jié)方面具有眾多的優(yōu)點，但其屬于硬脆性材料，其抗拉強度和斷裂韌性低于金屬材料，在實際使用中很容易發(fā)生破裂損壞。因此需要一些方法改變其性能，以提高陶瓷材料的抗拉強度和斷裂韌性，增強其服役年限。
來源：人工髖關節(jié)材料的接觸力學分析與摩擦性能評價,任明基.
原文始發(fā)于微信公眾號（陶瓷科技視野）：人工髖關節(jié)材料：金屬、高分子、陶瓷
