全髋关节材料.docx

20世纪60年代，Charnley将金属股骨头与高分子聚乙烯髋臼配伍，创立了低摩擦人 工关节置换的模式，自此，人工髋关节置换进入了高速发展阶段几十年来，人们逐渐认识 到假体之间的磨损产生的颗粒，诱导假体周围骨溶解是影响人工关节使用寿命的重要原因， 如何减少或防止磨损颗粒的产生，防止假体松动的产生，延长人工关节的使用寿命成为一个 被广泛研究的课题其中陶瓷-陶瓷假体因具有良好的滑动性和极低的摩擦系数，越来越得 到关注1、 常用人工关节陶瓷材料的种类目前人工关节常用的陶瓷材料均为生物惰性陶瓷，主 要为氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷1.1氧化铝陶瓷：目前常用的高纯度氧化铝是氧化铝粉末在1 600~1 800 °C的高温下烧 结而成20世纪90年代后采用的新制造工艺减少了杂质，提高了材料的致密性其具有化 学惰性及良好的抗腐蚀能力但氧化铝陶瓷韧性较金属低，氧化铝陶瓷制成的股骨头直径必 须大于或等于28 mm近10年来氧化铝陶瓷制成的人工髋关节在临床上取得了令人满意的 结果1.2氧化锆陶瓷：氧化锆陶瓷的密度、韧性和强度都高于氧化铝陶瓷，降低了陶瓷假体 破裂的风险，而且可以制成22 mm的股骨头氧化锆陶瓷在1985年首次制成股骨头假体在 临床使用。

然而，纯氧化锆是不稳定的，它有3种晶体状态：单晶体、四角形、立方体 状态的变化导致其稳定性差并容易破裂，必须添加稳定剂（常用氧化钇）使之保持在四角形 状态才能使其稳定性得到维持，并获得最佳的机械特性对氧化锆陶瓷的争议较大，有学者 不建议使用氧化锆陶瓷股骨头，认为氧化锆与金属股骨头临床使用差异不大，并且有假体碎 裂等可能的并发症此外，为了各取氧化铝和氧化锆陶瓷的优点，近年还研究出新型氧化铝基复合陶瓷，这 种材料将氧化铝、氧化锆、氧化铬等结合在一起，其材料密度、强度、韧性均较氧化铝和氧 化锆更大，生物相容性及耐磨损性等性能也更优异，是一种值得期待的新型材料此外人们 还在研究新的更加耐磨的陶瓷材料，如碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）等2、 陶瓷的材料学特点2.1出色的耐磨损性：陶瓷表面为离子型结构，高负电荷，因而有亲水性，可自润滑 同时，具有良好的浸润性，体液可在表面形成一层薄膜使关节面得到良好的润滑，降低了摩 擦系数陶瓷可抵抗研磨性磨损和第三物体的磨损，如骨组织、骨水泥、金属碎屑等，这样 就减少了假体间负重面的磨损陶瓷-陶瓷是目前髋关节置换中磨损率最小的配伍方式 Lancaster等报道陶瓷（氧化铝）-聚乙烯配伍假体髋臼产生的磨损明显低于金属-聚乙烯的 配伍。

Sedel[8]报告陶瓷-陶瓷（氧化铝）假体的平均磨损率是0.003 mm/年有研究显示， 经过两百万次的循环负荷，陶瓷（氧化铝）-聚乙烯配伍中陶瓷股骨头的磨损率仅为金属- 聚乙烯中金属股骨头磨损率的一半氧化锆陶瓷-聚乙烯组合的报道差异较大，但普遍认为 氧化锆陶瓷-聚乙烯与氧化铝陶瓷-聚乙烯的磨损率基本接近2.2极高的硬度：陶瓷材料非常坚硬，其硬度仅次于金刚石，远高于钻铬合金和钛合金 等金属材料，因此陶瓷制成的部件不易被划伤但陶瓷是一种脆性物质，其抗张强度和碎裂 韧度仍明显低于金属材料Garino报道假体碎裂的发生率为0.015%，并且大多数报道都提 示陶瓷内衬的发生率远高于陶瓷股骨头的碎裂氧化锆陶瓷硬度更大，而且其韧性较氧化铝 好，可减少陶瓷部件碎裂的发生率2.3良好的生物相容性：使用金属-金属假体患者置换后血清中金属离子浓度升高，金 属-金属假体产生的金属颗粒不仅对于巨噬细胞具有毒性，也可影响成骨细胞的生长，金属 假体也可导致人体组织对金属离子的超敏反应氧化铝陶瓷为生物惰性材料，化学键稳定， 组织学反应低，无腐蚀，陶瓷颗粒对组织的刺激也较金属颗粒小磨损时产生颗粒小，组织 反应小，所以陶瓷关节可有效的减轻骨溶解。

Friedman等指出解决假体周围骨溶解的原则 是减少假体周围的磨损颗粒氧化铝陶瓷正是减轻了磨损产生的生物学反应，延长了假体的 使用寿命°D'Antoni等对316名患者进行了 5年的随访，发现使用陶瓷-陶瓷假体患者 的骨溶解率仅为金属-聚乙烯假体患者骨溶解率的1/10oHasegawa等在35髋使用全陶瓷假 体，无一例出现骨溶解Chris tel比较了金属颗粒、聚乙烯颗粒及陶瓷颗粒对组织的反应， 结果表明陶瓷颗粒的组织反应最低，钛金属次之，聚乙烯最大，与其他材料不同的是，陶瓷 颗粒不引起机体的成纤维反应3、常用的陶瓷髋关节组合陶瓷在全髋关节置换中可组成陶瓷-聚乙烯界面和陶瓷-陶瓷 界面3.1陶瓷-聚乙烯界面：氧化铝陶瓷头-超高分子聚乙烯的人工关节组合在1977年由 Semlitsch等首次报告自此氧化铝陶瓷-超高分子聚乙烯组合的人工髋关节在全世界广泛 应用Urban等在研究中发现，陶瓷-聚乙烯组合的髋关节置换后，聚乙烯内衬的线性磨损 率为0.034 mm/年Semlitsch等和Dowson均通过大量研究证实：氧化铝-聚乙烯组合的磨 损率为金属-聚乙烯组合磨损率的50%左右3.2氧化锆陶瓷头-超高分子聚乙烯组合的报道差异较大。

Allain等报告氧化锆-聚乙 烯髋关节8年的假体生存率为63%，明显低于氧化铝-聚乙烯组的93%但Saikko经过300万 次体外实验显示氧化锆-聚乙烯的磨损仅为0.04 mm，而钻铬钼合金-聚乙烯的磨损为1.14 mm 目前得到广泛认可的是在目前的条件下，陶瓷股骨头的磨损率要小于金属股骨头3.3陶瓷-陶瓷界面：陶瓷■陶瓷假体完全避免了股骨头对聚乙烯内衬的磨损，因而具有 令人满意的疗效但20世纪80年代开始出现氧化铝陶瓷-氧化铝陶瓷的人工髋关节，由于 早期假体的设计和手术技术存在很多问题，早期陶瓷-陶瓷关节并未获得令人振奋的结果 随着陶瓷制作工艺的发展和假体设计、手术技术的提高，目前陶瓷■陶瓷关节是磨损率最小 的组合方式大多数临床报告陶瓷■陶瓷关节无明显的骨溶解发生，D'An toni报告，经过 7年的随访，陶瓷-陶瓷髋关节的生存率为99.2%，而金属-聚乙烯的生存率为95.2% Hamadouche等报告，通过对106例接受陶瓷全髋关节置换患者18~20年随访表明，陶瓷内衬的平均年磨损小于0.025 mm，并认为陶瓷全髋关节预期寿命可达20年以上实验及临 床研究表明，陶瓷-陶瓷假体置换后患者体内金属离子水平低于使用金属-金属假体患者，对 人体影响最小，使用最安全。

研究表明，氧化锆-氧化锆陶瓷的磨损是非常严重的，氧化锆 陶瓷不能组成陶瓷-陶瓷的界面，Willmann等运用体外实验研究氧化锆陶瓷的磨损,结果表 明,氧化锆陶瓷的磨损率非常高一般认为是由于发生了粘着磨损，造成了氧化锆-氧化锆陶 瓷组合的高磨损率所以，氧化锆陶瓷只能与聚乙烯配伍4、 陶瓷人工关节各个阶段的演变陶瓷人工关节的发展经历了 3个时期：20世纪70年代生产的第一代氧化铝陶瓷，由 于制作工艺的制约，生产的氧化铝陶瓷纯度较差，晶体颗粒直径大，密度低，导致陶瓷材料 的脆性大，破碎的发生率较高第二代氧化铝陶瓷降低了晶体颗粒的直径，改善了颗粒的排 列，增加了材料的密度，使陶瓷的性能得到了很大的改善90年代后生产的第三代氧化铝 陶瓷，晶体颗粒直径更小，加工制作工艺得到了很大的改进，陶瓷的硬度、机械强度都较前 两代产品显著提高有学者对301例第三代氧化铝陶瓷髋关节经过7年的随访，假体生存 率达99%,无一例出现明显骨溶解和无菌性松动5、 陶瓷的碎裂问题与金属、聚乙烯等材料相比，陶瓷假体的碎裂问题一直是人们关注的问题，撞击等外力 对于陶瓷内衬的影响要远大于聚乙烯内衬，研究表明陶瓷材料碎裂的临界点为人体最大载荷 的5倍。

近年来随着生产工艺的改进，假体设计的日趋合理以及操作技术的提高，现代陶 瓷假体的破碎率已明显降低，Capello等对194例患者经过30个月的随访，无一例出现内 衬碎裂Takata等报告，通过对356例（419髋）陶瓷全髋关节置换患者4年的随访，仅 1例肥胖患者出现陶瓷股骨头碎裂Habermann等认为，虽然陶瓷有可能出现破碎的问题， 但陶瓷材料优异的材料学特性对于年轻患者仍然具有良好的远期效果6、 结论当前陶瓷质量的提高和制造工艺的进步使得陶瓷得到大量应用，陶瓷材料的耐磨损性、 可靠性及稳定性较其他材料有很大的优势，陶瓷-陶瓷的组合已被证实是目前磨损率最低的 假体组合，近年来出现的新型氧化铝基复合陶瓷，进一步提高了陶瓷的质量越来越多的研 究认为陶瓷-陶瓷髋关节是年轻患者的最佳选择虽然陶瓷头和内衬的选择范围非常有限， 陶瓷部件的碎裂等问题都制约了陶瓷假体的使用，相信随着材料质量的提升和生产工艺的发 展，陶瓷假体的应用前景是非常广阔的。