【2017年整理】哈工大 人工髋关节材料.docx

人工髋关节的材料研究 Harbin Institute of Technology 人工髋关节材料的研究 院 系： 英才学院 班 级： 1 姓 名： 学 号： 时 间： 2012.12.05 哈尔滨工业大学 摘要：随着科学技术的发展，人工髋关节开始得到广泛的应用。髋关节作为一个经常活动的关节，对材料的要求非常高。本文阐述了人工髋关节假体材料的性能要求和研究进展。 关键词：人工关节 髋关节 材料 引言 随着社会的进步，人们的生活质量越来越得到重视。关节疾病一直都严重影响着人们的正常生活，因此人工关节，特别是人工髋关节，越来越受到大家的关注。据统计，全球每年有110万例的髋关节植入[1]，并呈现逐年递增的趋势。但就目前而言，人工髋关节的效果还差强人意，主要是未能找到特别合适的人工髋关节材料。因此，我们要探究一下各种人工髋关节材料的优缺点，以促进人工髋关节的发展与进步，使患者的生活质量能够进一步地提高。 性能要求 髋关节的受力十分复杂，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用，并且要经受体液的腐蚀作用。临床医学认为，人工髋关节作为植入器官应具备以下几项性能： (1)生物相容性。生物组织相容性要求髋关节假体材料不能对周围组织产生毒副作用, 组织对植入材料无排斥反应；生物力学相容性要求髋关节假体材料的弹性模量、强度和韧性与人的皮质骨相匹配，在负载情况下，髋关节假体与所接触的组织所发生的形变要彼此协调，并且植入期间假体材料与周围的骨组织结合良好，不发生松动和下沉； (2)生物摩擦学性能。要求髋关节假体材料的摩损率低，磨损颗粒数量少且对人体组织无不良影响； (3)抗腐蚀、耐疲劳性能。要求髋关节假体材料在人体环境中经受化学腐蚀和电化学腐蚀而不失效，在人体循环疲劳作用下不损伤； (4)制备工艺和服役寿命。要求髋关节假体材料易于合成和制造，便于批量生产和质量检测，设计服役寿命应达到10~20年。 假体材料[2] 2.1 金属材料 主要有不锈钢、钴铬合金、钛合金等。 (1)不锈钢：不锈钢具有优良的加工性能和足够的强度，但易产生缝隙腐蚀、摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀等问题。目前不锈钢材料主要应用于髋关节置换的低端产品中，常用的型号有316、316L、317、317L、变形高氮不锈钢等。 (2)钴铬合金：钴铬合金髋关节生物相容性优良，抗腐蚀能力强，断层表面能低，耐磨损性能好。钴铬合金的缺点是韧性差而不适合机械加工，并且钴、铬金属离子具有毒性。 (3)钛合金：纯金属钛生物的相容性好，但是强度不足，需要对其进行合金化处理。临床应用较多的合金是Ti-6Al-4V，其密度低、强度高、延展性好，耐腐蚀性能优良且弹性模量与人体骨骼相近，但是其在润滑条件下表面形成的TiO2硬度低，容易损坏剥离造成摩擦表面凹凸不平，降低其抗磨损性能，并且增加了对偶面的磨损，需要对其进行表面改性处理。有人对Ti-6Al-4V进行氮离子和氧离子两步离子注入表面改性, 结果发现离子注入后Ti-6Al-4V的润湿性能和硬度都有明显的改善，摩擦系数显著降低。 金属的弹性模量(100～200GPa)与人体骨骼(1～30GPa)相差甚远，导致了应力遮挡效应，从而引起假体的疏松和不稳定；并且由于金属是生物惰性材料，植入人体后始终作为宿主的异体存在，容易变形和松动；另外金属在人体内的富氧环境中能在其表面形成2～5nm厚的氧化层，其在摩擦作用下容易脱落，在脱落部位金属假体释放金属离子和颗粒，一方面增大了磨损率，另一方面释放的金属离子具有潜在的毒性。这些缺点严重影响了金属型人工髋关节的长期服役效果。 高分子材料 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)：机械性能优良，抗磨损能力强，并且其分子主链上有部分短支链，结晶度低，耐低温脆性和耐环境应力开裂性能良好，可以在低温环境下长期使用，目前已成为人工关节髋臼的首选材料。 尽管UHMWPE性能优良并已在临床上取得了广泛应用，但其仍然是各种组合式髋关节假体的最薄弱环节，一方面它与相邻的股骨头发生相互作用时最容易受到磨损，其磨损颗粒可以诱导假体周围巨噬细胞释放溶骨因子，引起骨溶解和无菌性松动，从而导致植入体的失效；另一方面UHMWPE的硬度偏低，抗蠕变性能差，长期使用会使人工关节产生精度偏差，影响人工关节的装配性。 为改善UHMWPE的性能，研究人员开发了多种表面改性方法。离子注入改性可以诱发UHMWPE表面交联，促使其发生剧烈的结构变化，从而提高聚合物的表面硬度和弹性模量, 改善抗磨损性能和生物力学性能。离子束注入改性后，UHMWPE的表面硬度可以提高30倍，耐磨损性能也明显改善，从而有效地延