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关节置换的材料是什么?对人体有害吗?

2021-05-10
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我们每天做很多髋、膝关节置换术,经常有患者好奇关节假体是用什么材料制造的。简而言之,关节假体常用的材料有稀有合金(钛合金、钴铬合金)、聚乙烯和陶瓷,固定假体用的是骨水泥“聚甲基丙烯酸甲酯”。

如果这些科学词汇让您感觉比较枯燥,那么让我们换一种说法:“你的关节假体和歼20战斗机用了同一种材料!”“陶瓷也可以用来做关节假体!”“ 你的关节假体零件和装油条的塑料袋,都是用聚乙烯做的!”您先不用惊讶,这些都是事实,下面我们来详细介绍关节假体的制造材料。

骨关节置换常见的是髋关节和膝关节,为叙述方便,我们把关节假体分为主体,摩擦界面和骨-假体界面三个部分来讲。

1.主体部分

主体部分,即膝关节的胫骨平台托,髋关节的股骨柄和髋臼外杯,一般是TC4钛合金,由钛和少量的钒、铝制成。钛合金腐蚀,质地轻盈,机械性能良好,在工业上被誉为“航天金属”:美国的SR-71高空侦察机就是钛合金做的外壳,我国最新型的歼20战斗机里钛合金比例高达20%。

在各种金属中,钛合金力学参数比较接近人骨,和骨头有良好的力学相容性,既不因为太软支撑不住,又不容易因为太硬压坏骨头。钛合金表面有一层致密的氧化层,在人体内很难被腐蚀,生物相容性好,极少有排斥反应,目前也没有发现明确的毒害作用。虽然有种种优异的性能使钛合金成为了骨科内植物的理想材料,但钛合金难冶炼,更难加工,这是关节假体价格较贵的原因之一。

2.摩擦界面

(1)金属:

摩擦界面是关节活动功能的核心。如果是金属构成的摩擦界面,例如髋关节假体的金属股骨头和膝关节假体的股骨髁,采用的是钴-铬或钴铬钼合金。这类合金最突出的特性是耐磨。钴在工业上用于制造硬质合金刀具,钼更是坦克装甲不可或缺的金属材料。强强联合制成的合金,耐磨耐冲击,用这些合金制造关节假体摩擦界面,利于延长假体寿命,减少有害的磨损碎屑产生。

(2)聚乙烯:

为了缓冲和耐磨,膝关节胫骨和股骨假体中间需要放置一片塑料垫片,髋关节假体髋臼部分也可以选择塑料的衬垫。聚乙烯是一种古老且常见的塑料,日程生活中,从脸盆到塑料袋都有它的身影。关节假体要植入人体,还要使用很多年不损坏,用这么低端的塑料会不会难以胜任呢?其实历史上,人类也尝试过更高级的塑料,比如聚四氟乙烯(特氟龙)但表现都不理想,经过多年大浪淘沙的筛选,聚乙烯以优良的耐磨损和抗冲击性能成为了最优选择。关节假体所用的聚乙烯,和用来做塑料脸盆的略有不同。60年代人们通过增加普通聚乙烯分子大小,制造出“超高分子量聚乙烯”,获得了更好的耐磨损性能,更低的摩擦系数。90年代以来,又通过化学反应甚至高能射线,辅以精细的热处理,让聚乙烯分子相互“拉起手来”,形成高交联聚乙烯,进一步增加耐磨性。所以,关节假体所用的聚乙烯和生活中常见的聚乙烯,除了名字和类似之外,其实不是同一层次的东西了。

(3)陶瓷:

陶瓷确实可以用来制造人工关节,不但如此,目前最先进的髋关节假体都使用了陶瓷的。关节假体选用的陶瓷材料,不是您家里做碗的那种。生活中的陶瓷,是由黏土经过高温烧结,形成的坚硬材料;而关节假体的陶瓷,制造原料是高纯度的氧化铝、氧化锆,烧结的温度也更高,控制得更严格。氧化铝和氧化锆是什么呢?天然的氧化锆晶体称为斜锆石,您不知道斜锆石是什么没关系,那么氧化铝的天然晶体您一定听说过:蓝宝石和红宝石——都是高硬度的宝石。这样出色材料和特殊工艺制造出的陶瓷,既耐磨又坚硬。陶瓷制造的髋关节假体,每年只磨损5微米(20万分至一米),经久耐用,是年轻患者的最佳选择。

瓷碗容易摔碎,于是人们发明了搪瓷碗,关节假体的研发思路也是一样的。早期的陶瓷髋关节假体容易碎裂,未解决这一问题,人们在假体金属表面烧结一层陶瓷,成为“黑晶”假体。这样既保留了陶瓷的耐磨特性,也占到了金属不宜碎裂的好处。实际上,现在的第四代陶瓷假体,已经极少发生碎裂,黑晶假体和陶瓷假体各有千秋,并没有明确的优劣之分。

3.骨-假体界面

假体需要固定在骨头上,对于多数膝关节假体和少数髋关节假体,假体和骨头之间需要涂抹一层”骨水泥”,就像砌墙用的灰浆一样,通过填塞骨面和假体的缝隙,来实现假体的固定。“骨水泥”是一种聚合材料,它的化学名称叫做“聚甲基丙烯酸甲酯”。“聚甲基丙烯酸甲酯”还有一个更通俗的名字——“有机玻璃”,这又是一种生活中常见的材料,就是用来制作公交站台广告牌和印章的那个。普通的有机玻璃经过化学改性,使其更适宜骨科应用,就成了骨水泥。骨水泥化学性质稳定,生物相容性好,应用于骨科手术已有超过60年的历史。

当然,在髋关节,大部分情况下是不需要这层水泥的,取而代之的是一些涂层物质,包块羟基磷灰石、微小钛珠或者喷砂制成的粗糙面以及骨小梁涂层等,都是为了让骨头和金属假体之间实现生物愈合,也就是长在一起。

总结

以上便是关节假体的常用材料。一副关节假体看似不起眼,但它的背后是冶金、化工,机械加工等多领域科技的融合,是人工关节外科几十年尝试和积累的凝聚,其复杂和精妙令人叹为观止。

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