“人工关节”一文详解，涉及这些高分子材料！
“人工关节”一文详解，涉及这些高分子材料！
随着材料科学、生物工程学以及外科技术的飞速发展，人工关节已经从最初的简单替代物演变为高度精密、生物相容性优良的人体仿生装置。它们不仅能够有效缓解疼痛、恢复关节功能，还极大地提高了患者的活动能力和生活质量。从髋关节、膝关节到肩关节乃至更小如指关节的置换，人工关节的应用范围日益广泛，成为治疗严重关节炎、骨折不愈、先天性畸形等多种疾病的重要手段。本文将深入探讨人工关节的历史沿革、材料创新、设计理念、手术技术及其对患者生活的积极影响，旨在为读者揭示这一医疗领域奇迹的全貌。
人工关节置换术历史
人工关节置换术的历史可以追溯到19世纪，其发展历程经历了从早期的探索阶段、逐步发展阶段到如今的较成熟阶段。
一：早期探索阶段（19世纪初期-19世纪末期）
19世纪初期：人工关节置换术的概念开始萌芽。例如，1822年，英国Anthony.White医生施行了股骨大粗隆下5cm截骨术，以改善髋关节功能并缓解疼痛。
19世纪中叶：出现了人工假体置换术的初步尝试。1840年至1860年间，美国JM.Carnochan首先进行了下颌关节成形术，使用橡木片作为置入物，虽然关节可以活动，但橡木片后来被排出导致手术失败，这被视为人工假体置换术的开端。
19世纪末期：全髋关节置换术开始得到发展。1891年，德国医生Gluck首次使用象牙股骨头与髋臼进行了全髋关节置换术，并使用了骨胶作为粘合剂来固定假体，这为后来的骨水泥型全髋关节置换应用技术起到了启蒙作用。
二、逐步发展阶段（20世纪初-20世纪60年代）
20世纪初：人工关节置换术的材料和技术不断的改进。在这一时期，骨科医生们为了寻找合适的关节填充材料，尝试了多种不同的物质，从软组织到黄金等均有涉猎，这些想法虽具有开创性，但效果并不理想。到1923年，美国外科医生Smith Petersen设计了玻璃杯关节成形术，被认为是髋关节置换术的鼻祖。
20世纪中期：随着金属材料和生物相容性材料的不断发展，人工关节的质量和效果得到了显著提升。例如，1938年，Smith Petersen发现牙科医生使用的钴铬钼合金材料生物惰性较强，在人体内生物相容性较好，于是将其做成钟状开口的金属杯，用于全髋关节置换术。
20世纪60年代：英国著名关节外科医生S·J查尔利（Sir John Charnley）在1962年提出的低摩擦人工髋关节置换理论，设计了直径22.5mm的金属股骨头和超高分子聚乙烯髋臼组合的假体，用聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥）固定，从而创建了低摩擦的人工关节置换术。
三、现代成熟阶段（20世纪70年代-现在）
20世纪70年代以来：由于骨水泥界面的老化、破裂而引起假体松动等并发症，非骨水泥假体再度兴起。同时，生物固定方式也开始得到探索和发展。
自21世纪开始以来：在人工关节应用技术上进入了翻修时代。同时人工关节置换术在老年骨质疏松性股骨粗隆间骨折、股骨转子间骨折等患者中的应用也越来越广泛。除此以外，肩关节、肘关节、踝关节等关节置换也在不断发展，取得了良好的中、长期结果。随着生物材料与外科技术的进步，陆续出现了腕关节、指间关节、跖趾关节等小关节置换术，为患有严重小关节疾病的患者带来了希望。
人工关节材料种类
人工关节通常由多种材料制成，这些材料的选择旨在模拟人体自然关节的结构和功能，同时确保良好的生物相容性、耐磨性和稳定性。以下是人工关节常用的几种材料：
不同材质的人工关节
一：金属合金材料
金属材料在人工关节中具有广泛的应用，因其高强度、耐磨损和良好的机械性能而受到青睐。常用的金属材料包括：
不锈钢：由于钢中的Cr含量高，不锈钢材料对广泛的腐蚀环境具有更强的抵抗力，它可以形成粘附性强，具有自愈和耐腐蚀的氧化物涂层Cr2O3。不锈钢材料加工性能优良且价格低廉，此类优点让其早期得以大量应用。然而后期应用发现其缺点也很明显: 假体常在体内发生腐蚀行为以及各种失效形式，并且因磨损释放有毒离子，综合摩擦学性能较差等缺点，现已较少使用。
钴铬钼合金：钴铬钼合金拥有优异的耐腐蚀性和耐磨性。铬钴钼合金表面会形成钝性氧化层从而保护内部材料。钴铬钼合金对应力性腐蚀环境也不敏感，过去常应用于金属髋关节假体关节置换的材料。但由于这类合金长期处于人体体液的侵蚀环境中，又要承受负重和反复的摩擦，对人体有害的钴、铬、钼等元素往往不可避免向人体释放，从而造成中毒，且此类材料韧性较差，弹性模量远远大于人体骨骼。出于安全考虑，此类合金材料的各项性能还需进一步改进。
钛合金：钛耐腐蚀，强度高且韧性好，对比其他金属材料具有足够好的生物相容性，是作为人工关节植入体的较好选择。此外，钛合金也有其他缺点: 摩擦磨损性能一般，弹性模量与骨组织不匹配，对MRI检查的干扰，少数患者对其有过敏现象等。好在钛合金的研究较多，近几年新型β钛合金问世，这类钛合金的弹性模量更低，生相容性更好，总的发展趋势向好。钛合金作为人工关节材料市场很大。
二、有机高分子材料
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)：超高分子量聚乙烯拥有较高的耐磨性和总体较好的生物相容性。但是其摩擦后残留的自由基氧化会降低耐磨性，导致磨屑形成，产生的磨屑会引起机体免疫反应，对骨组织产生破坏从而造成骨溶解，因此单独用此作为人工关节材料，寿命往往不长久。不过长期以来国内外大量专家和学者对UHMWPE的改姓研究非常多，包括辐照交联、填充改性、表面改性等方法进一步提高 UHMWPE 的耐磨性能，但由于传统 UHMWPE 材料自身限制，想飞跃式地提升其摩擦学性能和力学性能十分困难。
碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）：聚醚醚酮( PEEK) 是一种热塑性特种工程塑料，优良的生物力学和生物摩擦学性能使其成为人工关节材料研究领域方向之一。PEEK材料属于自润滑材料，摩擦性能甚至优于超高分子聚乙烯，当其单独作为假体材料时性能较差，然而表面改性后的聚醚醚酮材料，或者由各种聚醚醚酮组成的复合材料的摩擦磨损性能明显得到改善。碳纤维增强技术是研究最多且效果较好的手段之一。PEEK与骨的弹性模量相似，这一特性为PEEK在医疗领域，特别是作为植入材料方面的应用带来了显著的优势，如：减少应力遮挡效应，提高植入物与骨骼的结合效果，降低二次手术风险，促进骨再生与整合等。如此看来改性PEEK作为人工关节材料有着很大优势，期待更多的临床研究报告。
三、陶瓷材料
陶瓷材料因其出色的硬度、耐磨性和生物相容性而在人工关节中得到广泛应用。常用的陶瓷材料包括：
氧化铝陶瓷：氧化铝陶瓷因具有高硬度、亲水性好、低摩擦系数、优良的物理化学稳定性和生物兼容性，成为制备生物人工关节材料最常见的陶瓷材料之一。但是氧化铝陶瓷也有明显的缺点，氧化铝陶瓷脆性较大，韧性较差，且弹性模量远高于人骨，容易在人体活动时受到压力分布不均，局部受压过强。利用改性技术提高氧化铝陶瓷较差的摩擦性能和力学性能成为了主要的研究方向。但不可否认氧化铝陶瓷耐磨性能优越应用前景广阔。
氧化锆陶瓷：ZrO2陶瓷拥有很好的属性，强度、韧性等方面均比 Al2O3陶瓷高，耐磨性也比 Al2O3陶瓷好，使用寿命较长，氧化锆陶瓷被认为是未来人工关节植入假体的主流材料。就摩擦性能方面而言，虽然界面磨损率低，但是假体碎裂和发生异响的概率是远超其他材料的，这是由陶瓷材料本身脆性高，抗弯能力差决定的。人工关节领域关于氧化锆的研究相对偏少，临床上选择使用氧化锆陶瓷的病例也不多，但就摩擦性能上讲，此类材料优于目前使用的金属材料。
人工关节的结构组成
人工关节是一种用于替代人体受损关节的医疗器械，以髋关节和膝关节植入假体为例，如下图所示，其由股骨柄、股骨头、髋臼杯（或髋臼假体）以及可能包含的髋臼内衬等部分组成。这些部分共同协作，模拟天然髋关节的功能，帮助患者恢复正常的活动能力和生活质量。
股骨柄：股骨柄是髋关节植入假体的一个重要组成部分，用于插入患者的股骨管中，以替代病变或损伤的股骨部分。
股骨头：股骨头是髋关节植入假体的另一个关键部分，它连接在股骨柄的顶端，用于替代被摘除的股骨头。股骨头通常呈球状，以便与髋臼内衬形成平滑的摩擦界面。
髋臼内衬：髋臼内衬是髋臼杯内部的一个组成部分，与股骨头直接接触。髋臼内衬的主要功能是提供与股骨头之间的平滑摩擦界面，减少磨损和摩擦产生的碎屑。
髋臼假体：髋臼假体是髋关节植入假体的主要部分，用于替代病变或损伤的髋臼。髋臼杯与股骨头形成关节，允许髋关节进行正常的屈曲、伸展、内收和外展等运动。
股骨假体：股骨假体是人工膝关节中模拟大腿骨（股骨）下端的部分。这部分材料需具有良好的生物相容性和足够的强度，能够承受人体活动和体重所带来的压力。
髌骨假体：髌骨假体与自然骨同样大小，形状略微扁平不完全规则的圆形，髌骨假体通常通过特殊的骨水泥或螺钉固定在原先的骨骼上。髌骨假体在恢复膝关节稳定性、减轻膝关节疼痛、改善关节功能以及预防关节进一步损伤等方面发挥着重要作用。
胫骨垫片：胫骨垫片是置于胫骨托与股骨髁之间的缓冲部件，通常由高分子材料制成。这种材料具有优异的耐磨性和润滑性，能够有效减少关节面之间的摩擦，提高关节的使用寿命。
胫骨假体：胫骨假体的设计通常是为了更好地匹配胫骨的形状和结构，从而提供更好的支撑和稳定性。它可能具有单一假体设计，也可能由两部分组件组合式设计，这些设计都是为了确保假体能够与胫骨紧密贴合，减少摩擦和磨损，同时提供足够的支撑力。
人工膝关节是一个复杂而精细的医疗器械，其各个组成部分相互协作，共同模拟人体膝关节的解剖结构和功能以实现关节的正常功能。在选择人工关节时，应根据患者的具体情况和医生的建议，选择最适合的关节类型和材料。
结语
如今随着材料科学、生物工程学等多学科的交叉融合以及智能化技术的发展，关节置换技术呈现快速发展的势头。新型生物相容性材料的研发、个性化定制技术的完善以及机器人辅助手术系统的广泛应用将成为推动关节置换技术发展的主要动力。同时，随着人口老龄化、医疗保障政策的完善和医疗旅游的增长等因素的推动，人工关节市场将持续增长并呈现出更加多元化的竞争格局。未来，人工关节置换术将迎来更加广阔的发展前景为更多关节疾病患者带来更好的治疗效果和生活质量。