人工髋关节假体材料的研究现状
作者：沈彬 裴福兴 杨静
单位：华西医科大学附属第一医院骨科，成都 6100410
关键词：
中国矫形外科杂志000819
中图分类号 R687 文献标识码 A 文章编号 1005-8478(2000)08-0790-03
人工髋关节分为股骨假体与髋臼假体两部分，在人工关节发展的初期，这两部分都由金 属构成。后来的研究发现，金属对金属具有很高的摩擦系数，而摩擦所产生的金属颗粒能导 致极高的假体松动率。因此，这类假体设计曾一度被放弃。但是由于加工工艺的发展，目 前金属对金属这类假体以其极小的摩擦系数而被重新使用。当前临床最常用的假体设计是： 选用超高分子量聚乙烯的髋臼假体配以金属合金 的股骨干假体。下面就人工髋关节材料中有代表性的几种作一概述。
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1 金属
正常人体骨组织在遇到损伤后有自我修复的能力，而假体材料则不具有该特征。插入髓腔内 的 股骨假体柄的直径约为股骨直径的1/4，因此骨和横切面约是柄的16倍。Mears曾指出： 股骨的疲劳强度约为914kg/m2，由于假体柄直径为股骨直径的1/4，因此假体必须能承受1 4，622kg/m2的力[1]。为防止假体柄的断裂，延长其使用寿命，其材料多选用金 属。其中，又以金属合金为主。至于不锈钢材料，尽管具有杂质含量低，延展性好，容易加 工等特性，但由于抗疲劳强度、耐腐蚀性以及生物相容性较其他高级合金差，目前已不再采 用[2]。
1.1 钛合金
从材料学角度来讲，高弹性模量可减少部件周围的应力分布，从而减少骨水泥的断裂；但从 生物力学的角度来讲，高弹性模量也有缺点，因为骨承受的负荷过小处会造成应力遮挡和废 用性骨质疏松，最终仍导致假体松动和骨水泥断裂[3，4]。
, 百拇医药
钛合金的优点是弹性模量低，生物相容性好，抗疲劳强度及耐蚀性好；缺点是摩擦系数高， 耐磨性差[6]。为了增强钛合金的耐磨性，人们开始使用“离子植入”技术。实验 显示将氮离子铸入钛合金表面，可增加合金的表面硬度与抗磨损力；而在含氧环境中，钛的 抗磨蚀力和抗疲劳性可增加，其表面保护层具有很高的惰性，损伤后容易再形成[6] 。
目前常用的钛合金为钛—铝—钒，其摩擦系数较高。两 个钛合金植入体之间发生磨擦后， 可形成磨损颗粒，引起骨溶解、吸收。因此钛合金很少用于人工髋关节的关节面，而多用 于髋臼的外杯或股骨柄处[5，7]。
1.2 钴合金
钴合金假体的制造工艺分为铸造和锻造两种。铸造假体的加工较容易，锻造假体的加工较困 难，但后者的强度远比前者为高。
钴合金的弹性模量约为钛合金的2倍，为皮质骨的10倍。临床常用的钴合金是钴—铬—钼合 金，它具有很高的耐磨性和抗疲劳强度，多用于负重关节面假体。至于钴—镍—铬-钼合金 ，虽 具有更高的屈服强度和抗疲劳强度，但由于耐磨性不及钴铬钼合金，所以国外大量用于股骨 柄的制造材料，与钴铬钼股骨头相组合[3]。
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尽管钛合金是在钴合金之后用于临床的新型金属材料，但它并不能完全取代钴铬钼。近期 的研究表明，用钴铬钼合金既可以制作骨水泥型人工髋关节，也可以制作非骨水 泥型人工髋关 节。而钛合金由于与骨水泥相互作用易引起松动，故不适合制作骨水泥固定的人工关节 [9]。
2 超高分子量聚乙烯
超高分子量聚乙烯由于其“低摩擦系数”的特点而常用于全髋关节中塑料杯的制作。它是一 种粘弹性材料，由乙烯聚合而成，受应力后可发生蠕动变形，故不适用于人工关节受折弯应 力的部位。制作聚乙烯部件有两种技术：一为压模加工，一为机械加工。压模加工是将聚乙 烯材料轻度加温，然后用钢模压制成形；机械加工则是指用专业机械在常温下切割，抛光。 通常情况下，压模成形制品的表面抛光度较机械加工制品要好，但前者的加热温度很关键， 温度过高会使材料裂解，内部形成空隙。也正是由于这一特征，聚乙烯制成的髋臼假体绝对 不 能用高温高压消毒，而是在出厂时采用2.5M拉德r射线或高能电子消毒，然后无菌包装 [3]，当然，过度r射线照射会使塑料变脆，而过量高能电子也会使塑料氧化，裂解。因 此，消毒时要适当，不能过量。
, 百拇医药
超高分子量聚乙烯临床应用的主要问题是磨损碎屑所引发的溶骨反应，最终导致假体松动。 而假体松动又正是当前影响人工关节寿命的主要原因，临床上偶而见到的材料断裂也多是在 松动的基础上发生的。系列研究表明，超高分子量聚乙烯的平均磨损速度为0.1～0.2mm/ 年 ，而磨损碎屑的产生则随人工股骨头直径的增大而增多[9，10]。基于这一点，目 前 大多数的人工股骨头的直径为26～28mm，较初期为防止髋关节脱位而采用的大直径人工股骨 头设计更为合理。
有关磨损碎屑诱导骨溶解的机理尚不完全清楚，部分学者认为这种骨溶解主要是材料碎屑导 致周围组织炎性反应所致。吞噬或包绕磨损碎屑的巨噬细胞能分泌肿瘤坏死因子，白介素， 前列腺素以及胶原酶等，这些局部介质激活破骨细胞，进一步引起骨质吸收和溶解。研究表 明，当植入物稳定时，假体与骨的界面是一层细胞数目较少的胶原纤维组织；而当植入物松 动时，该界面内充满大量的巨噬细胞[10～13]。因此如何减少磨损碎屑的产生和碎 屑产生后如何抑制局部异物反应，是材料学与临床医学要共同解决的难题。
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3 陶瓷
陶瓷材料主要用于股骨头假体，具有假体硬度高，组织相容性好，表面抛光度优于金属等特 点。陶瓷对聚乙烯的摩擦系数比金属对聚乙烯要低，耐磨损性能也很好。在聚乙烯髋臼内， 它的磨损率大约是金属头的1/4，碎屑产生率低。但陶瓷的脆性较高，不能耐受挤压和不均 匀的负荷，因此不适合做为髋臼的假体材料，以避免边缘的折断。有学者研究指出，金属假 体与陶瓷假体不能互为关节面，因为这种组合，可使金属有极大磨损[13，14]。
另外，现有的陶瓷多为氧化铝陶瓷，这种含铝的假体植入人体后，是否会影响骨的钙磷代谢 ，尚有待研究。过去的有关实验表明，当饮食中的铝含量超过正常值的5～10倍，就能干扰 磷的吸收。
4 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
又名骨水泥。最早用于口腔颌面外科，1951年Klaer将其做为髋关节假体固定材料，1962年C ha rnley对骨水泥固定关节假体进行了全面而细致的研究，使骨水泥得以广泛推广应用。我国 于1978年研制成功骨水泥并应用于临床。
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使用骨水泥固定的全髋置换术有两个重要的技术要求，如何调制骨水泥和骨水泥如何固定假 体。假体松动的重要原因之一往往是骨水泥使用不正确。
骨水泥是由单体与粉剂两部分组成。单体中同时含有聚阻剂和促进剂，前者能防止单体在保 存期间发生聚合发应，后者能加速聚合反应。粉剂中含有甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯共聚物(M MA/S)及引发剂过氧化二苯甲酰(BPO)。最初的骨水泥粉剂中不含有硫酸钡，因此骨水泥能被 X线透过。后来为了在手术后观察骨水泥的分布，骨水泥与假体及骨的界面，以便早期估计 预后，部分商家在粉剂中加入硫酸钡。大量实验证实，钡剂并不会明显改变骨水泥的物理特 性，此外，由于骨水泥在体内长期留置后会变色为类似骨组织的颜色，使翻修手术时难以与 骨组织区别。因此，少数公司的骨水泥内加入了一定量的染料，以便翻修手术时辩认[ 16]。
Towers和Charnley经实验认为：骨水泥的单体与粉剂具有自身灭菌能力，将未消毒的骨水泥 放在组织中，未发现有细菌生长。尽管如此，目前临床上使用的骨水泥制品仍是按照医疗产 品的要求经严格灭菌的。
, 百拇医药
骨水泥今后的研究方向将聚焦于如何提高耐剪力和耐张力的性能，如何减少骨水泥的松动和 断裂，以及如何进一步改善其固定效果。
5 其它材料
5.1 多孔聚砜类物，这种材料具有良好的生物相容性，强度高，弹性模量中等。
5.2 多缩醛类树脂，这类材料制成的假体不需要使用骨水泥固定，假体的弹性模量接近骨 组织的弹性模量，因而可减少骨组织与材料接触之间的活动。
5.3 碳素，该材料具有质硬、耐磨、强度大的特点，弹性模量、弯曲强度和抗压强度与人 体骨相近。但由于制造工艺等原因，全碳素人工髋关节尚处于实验室研究阶段。
作者简介：沈彬(1971-)，男，江苏省人，医师，硕士学位。
参考文献：
, http://www.100md.com
〔1〕 Mears DC.Materials and Orthopedic Surgery[M].Williams & Wilkins,Baltimore,1979.
〔2〕 Lemons JE,Lucas LC.Properties of biomaterials[J].J Arthr oplasty 1986;1:143～150.
〔3〕 Sumner DR,Turner TM.Stress shielding:Experimental studies i n total hip revision surgery[J].Raven Press,New York 1995:151～157.
〔4〕 Bobyn JD,Mortimer ES,Glassman AH, et al. Peoducing a nd avoiding strdess shielding[J].Clin orthop 1992,174:79～96.
, 百拇医药
〔5〕 Collings EW.The Physical Metallurgy of Titanium Alloys[M ]. ASM Press,Metals Park OH,1984.
〔6〕 Buchanan RA,Bacon RK,Williams JM,et al.Ion implantation to improve the corrosive wear resistance of surgical Ti-6A-4V[J].Trans Soc Bioma ter.1983;6:106～110.
〔7〕 Nasser S,Camphell P,Amstutz HC.The unsuitability of titaniu m alloy as a bear surface in hip erthroplasty:A surface replacement model[J]. Trans Soc Biomater 1989 12:32～36.
, 百拇医药
〔8〕 Soballe K,Hanen ES,Brockstedt-Rasmussen H,et al.Tissue ingr owth into titanium and hydroxyapatite-coated imp;ants during stable and unstable mechanical conditions[J].J orthop Res 1992,10:165～299.
〔9〕 Charnly J,Halley DK.Rate of wear in tota; hip rep;acement[ J].Clin orthop 1975,112:170～175.
〔10〕 Amstutz HC,Campbell P,Kosovsky N,et al.Mechanism and clin ical significance of wear debris-induced osteolysis[J].Clin Orthop 1992,276:7 ～18.
, 百拇医药
〔11〕 Quinn J,Triffilt JT,Athanasou NA.Polymethylmethacryl ate in duced inflammatory macrophages resorb bone[J].J Bone Joint Surg,1992,74B:625 ～630.
〔12〕 Horikoshi M,Macaulay W,Booth RE,et al.Comparision of inter face membranes obtained from failed cemented and cementless hip and knee prosthe ses[J].Clin Orthop,1994,309:69～73.
〔13〕 Mullre ME.The benefits of metal-on-metal total hip r eplacements[J].Clin orthop 1995,311:54～59.
〔14〕 Witvoet J.Ceramic on ceramic hip prosthesis:experien ce og 20 years[C].Proceedings of the 27th annual congress of Japanese Society for r eplacement arthroplasty.1997:33.
(收稿：1999-10-26 修回：2000-02-01), http://www.100md.com
单位：华西医科大学附属第一医院骨科，成都 6100410
关键词：
中国矫形外科杂志000819
中图分类号 R687 文献标识码 A 文章编号 1005-8478(2000)08-0790-03
人工髋关节分为股骨假体与髋臼假体两部分，在人工关节发展的初期，这两部分都由金 属构成。后来的研究发现，金属对金属具有很高的摩擦系数，而摩擦所产生的金属颗粒能导 致极高的假体松动率。因此，这类假体设计曾一度被放弃。但是由于加工工艺的发展，目 前金属对金属这类假体以其极小的摩擦系数而被重新使用。当前临床最常用的假体设计是： 选用超高分子量聚乙烯的髋臼假体配以金属合金 的股骨干假体。下面就人工髋关节材料中有代表性的几种作一概述。
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1 金属
正常人体骨组织在遇到损伤后有自我修复的能力，而假体材料则不具有该特征。插入髓腔内 的 股骨假体柄的直径约为股骨直径的1/4，因此骨和横切面约是柄的16倍。Mears曾指出： 股骨的疲劳强度约为914kg/m2，由于假体柄直径为股骨直径的1/4，因此假体必须能承受1 4，622kg/m2的力[1]。为防止假体柄的断裂，延长其使用寿命，其材料多选用金 属。其中，又以金属合金为主。至于不锈钢材料，尽管具有杂质含量低，延展性好，容易加 工等特性，但由于抗疲劳强度、耐腐蚀性以及生物相容性较其他高级合金差，目前已不再采 用[2]。
1.1 钛合金
从材料学角度来讲，高弹性模量可减少部件周围的应力分布，从而减少骨水泥的断裂；但从 生物力学的角度来讲，高弹性模量也有缺点，因为骨承受的负荷过小处会造成应力遮挡和废 用性骨质疏松，最终仍导致假体松动和骨水泥断裂[3，4]。
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钛合金的优点是弹性模量低，生物相容性好，抗疲劳强度及耐蚀性好；缺点是摩擦系数高， 耐磨性差[6]。为了增强钛合金的耐磨性，人们开始使用“离子植入”技术。实验 显示将氮离子铸入钛合金表面，可增加合金的表面硬度与抗磨损力；而在含氧环境中，钛的 抗磨蚀力和抗疲劳性可增加，其表面保护层具有很高的惰性，损伤后容易再形成[6] 。
目前常用的钛合金为钛—铝—钒，其摩擦系数较高。两 个钛合金植入体之间发生磨擦后， 可形成磨损颗粒，引起骨溶解、吸收。因此钛合金很少用于人工髋关节的关节面，而多用 于髋臼的外杯或股骨柄处[5，7]。
1.2 钴合金
钴合金假体的制造工艺分为铸造和锻造两种。铸造假体的加工较容易，锻造假体的加工较困 难，但后者的强度远比前者为高。
钴合金的弹性模量约为钛合金的2倍，为皮质骨的10倍。临床常用的钴合金是钴—铬—钼合 金，它具有很高的耐磨性和抗疲劳强度，多用于负重关节面假体。至于钴—镍—铬-钼合金 ，虽 具有更高的屈服强度和抗疲劳强度，但由于耐磨性不及钴铬钼合金，所以国外大量用于股骨 柄的制造材料，与钴铬钼股骨头相组合[3]。
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尽管钛合金是在钴合金之后用于临床的新型金属材料，但它并不能完全取代钴铬钼。近期 的研究表明，用钴铬钼合金既可以制作骨水泥型人工髋关节，也可以制作非骨水 泥型人工髋关 节。而钛合金由于与骨水泥相互作用易引起松动，故不适合制作骨水泥固定的人工关节 [9]。
2 超高分子量聚乙烯
超高分子量聚乙烯由于其“低摩擦系数”的特点而常用于全髋关节中塑料杯的制作。它是一 种粘弹性材料，由乙烯聚合而成，受应力后可发生蠕动变形，故不适用于人工关节受折弯应 力的部位。制作聚乙烯部件有两种技术：一为压模加工，一为机械加工。压模加工是将聚乙 烯材料轻度加温，然后用钢模压制成形；机械加工则是指用专业机械在常温下切割，抛光。 通常情况下，压模成形制品的表面抛光度较机械加工制品要好，但前者的加热温度很关键， 温度过高会使材料裂解，内部形成空隙。也正是由于这一特征，聚乙烯制成的髋臼假体绝对 不 能用高温高压消毒，而是在出厂时采用2.5M拉德r射线或高能电子消毒，然后无菌包装 [3]，当然，过度r射线照射会使塑料变脆，而过量高能电子也会使塑料氧化，裂解。因 此，消毒时要适当，不能过量。
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超高分子量聚乙烯临床应用的主要问题是磨损碎屑所引发的溶骨反应，最终导致假体松动。 而假体松动又正是当前影响人工关节寿命的主要原因，临床上偶而见到的材料断裂也多是在 松动的基础上发生的。系列研究表明，超高分子量聚乙烯的平均磨损速度为0.1～0.2mm/ 年 ，而磨损碎屑的产生则随人工股骨头直径的增大而增多[9，10]。基于这一点，目 前 大多数的人工股骨头的直径为26～28mm，较初期为防止髋关节脱位而采用的大直径人工股骨 头设计更为合理。
有关磨损碎屑诱导骨溶解的机理尚不完全清楚，部分学者认为这种骨溶解主要是材料碎屑导 致周围组织炎性反应所致。吞噬或包绕磨损碎屑的巨噬细胞能分泌肿瘤坏死因子，白介素， 前列腺素以及胶原酶等，这些局部介质激活破骨细胞，进一步引起骨质吸收和溶解。研究表 明，当植入物稳定时，假体与骨的界面是一层细胞数目较少的胶原纤维组织；而当植入物松 动时，该界面内充满大量的巨噬细胞[10～13]。因此如何减少磨损碎屑的产生和碎 屑产生后如何抑制局部异物反应，是材料学与临床医学要共同解决的难题。
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3 陶瓷
陶瓷材料主要用于股骨头假体，具有假体硬度高，组织相容性好，表面抛光度优于金属等特 点。陶瓷对聚乙烯的摩擦系数比金属对聚乙烯要低，耐磨损性能也很好。在聚乙烯髋臼内， 它的磨损率大约是金属头的1/4，碎屑产生率低。但陶瓷的脆性较高，不能耐受挤压和不均 匀的负荷，因此不适合做为髋臼的假体材料，以避免边缘的折断。有学者研究指出，金属假 体与陶瓷假体不能互为关节面，因为这种组合，可使金属有极大磨损[13，14]。
另外，现有的陶瓷多为氧化铝陶瓷，这种含铝的假体植入人体后，是否会影响骨的钙磷代谢 ，尚有待研究。过去的有关实验表明，当饮食中的铝含量超过正常值的5～10倍，就能干扰 磷的吸收。
4 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
又名骨水泥。最早用于口腔颌面外科，1951年Klaer将其做为髋关节假体固定材料，1962年C ha rnley对骨水泥固定关节假体进行了全面而细致的研究，使骨水泥得以广泛推广应用。我国 于1978年研制成功骨水泥并应用于临床。
, http://www.100md.com
使用骨水泥固定的全髋置换术有两个重要的技术要求，如何调制骨水泥和骨水泥如何固定假 体。假体松动的重要原因之一往往是骨水泥使用不正确。
骨水泥是由单体与粉剂两部分组成。单体中同时含有聚阻剂和促进剂，前者能防止单体在保 存期间发生聚合发应，后者能加速聚合反应。粉剂中含有甲基丙烯酸甲酯—苯乙烯共聚物(M MA/S)及引发剂过氧化二苯甲酰(BPO)。最初的骨水泥粉剂中不含有硫酸钡，因此骨水泥能被 X线透过。后来为了在手术后观察骨水泥的分布，骨水泥与假体及骨的界面，以便早期估计 预后，部分商家在粉剂中加入硫酸钡。大量实验证实，钡剂并不会明显改变骨水泥的物理特 性，此外，由于骨水泥在体内长期留置后会变色为类似骨组织的颜色，使翻修手术时难以与 骨组织区别。因此，少数公司的骨水泥内加入了一定量的染料，以便翻修手术时辩认[ 16]。
Towers和Charnley经实验认为：骨水泥的单体与粉剂具有自身灭菌能力，将未消毒的骨水泥 放在组织中，未发现有细菌生长。尽管如此，目前临床上使用的骨水泥制品仍是按照医疗产 品的要求经严格灭菌的。
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骨水泥今后的研究方向将聚焦于如何提高耐剪力和耐张力的性能，如何减少骨水泥的松动和 断裂，以及如何进一步改善其固定效果。
5 其它材料
5.1 多孔聚砜类物，这种材料具有良好的生物相容性，强度高，弹性模量中等。
5.2 多缩醛类树脂，这类材料制成的假体不需要使用骨水泥固定，假体的弹性模量接近骨 组织的弹性模量，因而可减少骨组织与材料接触之间的活动。
5.3 碳素，该材料具有质硬、耐磨、强度大的特点，弹性模量、弯曲强度和抗压强度与人 体骨相近。但由于制造工艺等原因，全碳素人工髋关节尚处于实验室研究阶段。
作者简介：沈彬(1971-)，男，江苏省人，医师，硕士学位。
参考文献：
, http://www.100md.com
〔1〕 Mears DC.Materials and Orthopedic Surgery[M].Williams & Wilkins,Baltimore,1979.
〔2〕 Lemons JE,Lucas LC.Properties of biomaterials[J].J Arthr oplasty 1986;1:143～150.
〔3〕 Sumner DR,Turner TM.Stress shielding:Experimental studies i n total hip revision surgery[J].Raven Press,New York 1995:151～157.
〔4〕 Bobyn JD,Mortimer ES,Glassman AH, et al. Peoducing a nd avoiding strdess shielding[J].Clin orthop 1992,174:79～96.
, 百拇医药
〔5〕 Collings EW.The Physical Metallurgy of Titanium Alloys[M ]. ASM Press,Metals Park OH,1984.
〔6〕 Buchanan RA,Bacon RK,Williams JM,et al.Ion implantation to improve the corrosive wear resistance of surgical Ti-6A-4V[J].Trans Soc Bioma ter.1983;6:106～110.
〔7〕 Nasser S,Camphell P,Amstutz HC.The unsuitability of titaniu m alloy as a bear surface in hip erthroplasty:A surface replacement model[J]. Trans Soc Biomater 1989 12:32～36.
, 百拇医药
〔8〕 Soballe K,Hanen ES,Brockstedt-Rasmussen H,et al.Tissue ingr owth into titanium and hydroxyapatite-coated imp;ants during stable and unstable mechanical conditions[J].J orthop Res 1992,10:165～299.
〔9〕 Charnly J,Halley DK.Rate of wear in tota; hip rep;acement[ J].Clin orthop 1975,112:170～175.
〔10〕 Amstutz HC,Campbell P,Kosovsky N,et al.Mechanism and clin ical significance of wear debris-induced osteolysis[J].Clin Orthop 1992,276:7 ～18.
, 百拇医药
〔11〕 Quinn J,Triffilt JT,Athanasou NA.Polymethylmethacryl ate in duced inflammatory macrophages resorb bone[J].J Bone Joint Surg,1992,74B:625 ～630.
〔12〕 Horikoshi M,Macaulay W,Booth RE,et al.Comparision of inter face membranes obtained from failed cemented and cementless hip and knee prosthe ses[J].Clin Orthop,1994,309:69～73.
〔13〕 Mullre ME.The benefits of metal-on-metal total hip r eplacements[J].Clin orthop 1995,311:54～59.
〔14〕 Witvoet J.Ceramic on ceramic hip prosthesis:experien ce og 20 years[C].Proceedings of the 27th annual congress of Japanese Society for r eplacement arthroplasty.1997:33.
(收稿：1999-10-26 修回：2000-02-01), http://www.100md.com