【世纪科普】人工关节的材料及使用寿命

2022年8月17日，世纪使用寿命北京市卫生健康委员会官网发布健康知识：《【世纪科普】人工关节的科普材料及使用寿命》

伴随人口老龄化的到来，年龄相关的人工骨关节疾病患者越来越多，需要进行人工关节置换的关节患者日益增加。人工关节置换术是料及治疗终末期骨关节疾病、恢复受损关节功能的世纪使用寿命最有效的方法，被誉为20世纪最成功的科普手术之一。随着人工关节手术技术的人工日益革新及人工关节材料的不断创新，关节置换术总量每年都有较大幅度的关节递升，为许许多多骨关节病的料及患者解除关节病痛，纠正关节畸形同时，世纪使用寿命也提高生活质量。科普

在人工关节置换术中，人工最常见的关节便是髋关节和膝关节的置换术。髋关节和膝关节均是料及受力复杂的负重关节，在负重情况下，假体需要同时承受拉、压、扭转、界面剪切、反复疲劳及磨损的综合作用，整体而言十分复杂。因此希望假体材料必须具有中等的强度、塑性和抗疲劳、抗磨损性能。并且整个关节的安全承载能力至少应大于7倍体重。由于假体长期植入体内的原因，材料应具有良好的生物相容性，无毒副作用，耐体液的化学腐蚀和电化学腐蚀。希望比重轻，弹性模量接近于人的皮质骨。综上要求，对于人工关节制作所使用的材料有十分严格的要求。

人工关节不同的部件由不同的材料制造而成，再通过适当的方法将人工关节假体固定在骨组织上，假体的关节表面要进行抛光处理。目前，钴、钛、钢铁基合金金属材料组成人工髋关节的股骨头、膝关节的股骨髁的表面，超高分子聚乙烯材料组成人工髋关节的髋臼股份、人工膝关节的胫骨平台部分，聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥用于人工关节假体与骨组织的固定。

近年来，新的研究成果不断应用于人工关节置换术的临床实践。生物陶瓷材料正被研制并广泛用于临床；假体表面的预处理，以增加假体与骨的固定效果，防止松动、脱离；通过改变合金化学成份和改进加工技术，以解决假体柄的磨损、疲劳断裂和松动问题；新的骨水泥使用技术及更符合人体生物力学特性的假体形状的设计，提高了假体的固定效果，减少了假体松动的并发症；提高手术技术，设计更为精确的手术定位安装器械，目前设计的定位器械日益精确，几乎能保证假体的固定位置良好。

对于髋关节来说，主要分为医用“骨水泥型人工髋关节”和“非骨水泥型人工髋关节”。

医用骨水泥型髋关节，是通过骨水泥涂在人工髋关节假体周围，与处理好的骨床相接触进行咬合固定的。医用骨水泥是由液剂和粉剂（聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸粘固剂）双组分构成的黏结剂或骨填充剂。它的初期稳定性非常好，可以让病人早期下地活动，这一点对老年病人也十分合适，减少并发症。

通常来说，建议高龄、骨质疏松、骨质条件不好的人选用骨水泥型人工髋关节，因为老年人往往骨质疏松的症状会比较严重，骨质基础条件不好，再加上老年病人常常伴有很多其他疾病，术后并发症风险比较大，最担心长期卧床不能活动。而使用骨水泥型人工髋关节便能早期活动，降低术后并发症的风险。

那么，非骨水泥型髋关节，它又被称为生物学固定型。它的假体通常是钛合金金属，本身就具有良好的生物相容性，再加上假体周围有良好的生物涂层，当其植入人体后，会刺激周围骨组织生长，促使骨组织与假体的表面密切结合。也就是说，非骨水泥型人工髋关节是让自己的骨质慢慢和人工关节“长”在一起，来达到永久固定的目的，这需要具备良好的骨质条件，而中青年人及部分中老年人符合这些要求。

对于膝关节来说，一般情况下都是使用骨水泥型假体，并且是表面置换，只是把表面那一层退变受损的关节软骨面切掉，给患者保留更多自己本身的骨质，表面覆盖一层人工的关节面，因此也被称为人工膝关节表面置换，通过手术消除关节疼痛、畸形和行走困难，改善患者生活质量，恢复到正常状态。

目前，常用的人工关节植入材料有三种：1、金属合金材料——如钴合金、钛合金，它们是最常用的两种惰性金属；2、有机高分子材料——如超高分子聚乙烯和高交联聚乙烯材料，由于这两种材料的摩擦系数相比金属来说小一些，因此，常常作为人工关节髋臼内衬材料，以及膝关节金属界面摩擦材料；3、陶瓷材料——它具有超高硬度，仅次于金刚石，其中氧化锆和氧化铝陶瓷是最早用作生物医学材料的陶瓷材料之一。氧化铝、氧化锆陶瓷惰性稳定性好，在人工关节中常用于人工全髋关节的头臼部分。在体内和体外实验中，氧化铝及氧化锆的人工关节面的磨蚀及磨损率均明显降低。

时代在进步，最好的人工关节材料也在不断涌现。人工股骨头种类很多，设计在不断改进，材料也在不断改进。其实谈材料，主要是谈摩擦界面。摩擦界面的磨损速度决定了假体的使用时间。人工髋关节的摩擦界面材料有几种：从最初的钴铬钼合金对聚乙烯材料，发展到钴铬钼合金对高交联聚乙烯的，再到钴铬钼合金对超耐磨聚乙烯/维生素E抗氧化聚乙烯。近年来，还出现了陶瓷部件，陶瓷组成的摩擦界面包括陶瓷对高交联聚乙烯/超耐磨高交联聚乙烯/维生素E抗氧化聚乙烯，不过，陶瓷对陶瓷界面是磨损率最低的界面。

影响假体整体使用时间的因素很多，包括假体的设计、材料、手术操作、患者的体重及职业等。现在随着中国工业水平的进步，不管是国产的还是进口的假体，使用寿命都相差无几。陶瓷关节的出现，使得一辈子只做一次手术成为可能。

随着手术器械不断改进，材料制造技术不断提高，90%以上的普通人工髋关节可使用20年左右。若是选择陶瓷对聚乙烯的关节，其磨损速度在每年几个微米，折算起来，四五十年的使用时间没问题。另外，对于一些更为年轻的患者，使用陶瓷对陶瓷的关节界面，磨损率更小，折算起来，如果要把陶瓷内衬或者陶瓷股骨头磨穿，需要200年以上。所以，如果不出其他别的意外，陶瓷关节可持续使用一辈子。

所以说，在除外了假体的设计、手术操作、患者的体重及职业等因素外，单纯从材料上来考虑，人工全髋关节最好的就是陶瓷对陶瓷界面的关节了。这种关节之所以使用寿命长，是因为磨损速度比以往的关节减少了几十倍上百倍，大大延长了关节使用的时间，而且磨损的颗粒是人体兼容的矿物质，不会引起骨溶解和假体周围的骨质疏松。

对股骨头置换手术应全方位的考虑，一般来说，会考虑患者的经济条件，估算患者的未来寿命和日常活动量，据此选择不同材料的人工关节假体。

(责任编辑：时尚)