材料学发展

人工髋关节置换术的最早记载大概可追溯到1891年Gluck使用象牙制作并进行髋与手指关节置换，现代人工关节置换术则为Charnly所开创，但材料学的进展始终贯穿着这一过程。经过初期探索，象牙、金箔、玻璃、赛璐珞等很快被淘汰，而钛合金、钴铬合金、聚乙烯、硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯等金属、有机材料则延续使用至今，近年来又有陶瓷、钽金属等新材料的出现。目前人工关节材料的应用处于多元化局面，材料的作用也从单纯的结构替代逐渐转向功能型替代，从而出现了羟基磷灰石喷涂、多孔表面等生物学整合材料。对材料的选择标准也从单纯的高轻度转变为高生物相容性、力学相容性（高强度、低弹性模量）、耐磨损等。此外，近年来还提出了骨整合性（骨相容性）的评估要求。熟悉各种材料的特性有助于对人工关节的选择（表1-1）。

表1-1　人工关节常用生物材料弹性模量和极限强度比较

（一）金属材料

金属在骨科内置物的使用范围最为广泛。早期人工关节采用不锈钢制作，虽然其强度达860～1000MPa，但其生物相容性、疲劳强度、耐磨损等性能差于一些更有前途的金属材料，目前在人工关节制作中已逐渐被淘汰。出现于20世纪40年代的钴基合金以钴铬钼合金为代表，其特点是：在组织内接近完全惰性；对裂痕内氯化物的侵蚀有抵抗能力，但稍有腐蚀现象；极限强度为600～1000MPa，但弹性模量高达220GPa，因此，具有较高的应力遮挡效应。目前已被广泛用于人工关节各个部件，尤其是股骨头等高磨损部位。

20世纪70年代，钛被引入人工关节，虽然纯钛具有优良的抗腐蚀性能和较低的弹性模量，但不耐磨损，极限强度较低，因此，目前主要使用钛合金。钛合金具有良好的生物相容性和抗腐蚀性能，比重低，从第一代的Ti6Al4V发展到目前的第三代即β-钛合金，其主要的改变在于具有更高的强度和更接近骨皮质的弹性模量，也减少了有毒金属成分的含量。由于耐磨损性能较差，钛合金主要用于假体非关节摩擦面。

金属钽具有类似骨小梁的弹性模量和骨整合性能，是近年新出现的极有前途的假体材料，可用于假体涂层或假体非关节面部件，其远期效果有待观察。

（二）生物陶瓷

生物陶瓷在20世纪60年代被引入人工关节，具有高度的表面亲水性和极度惰性，生物相容性好，磨损率极低等特性。陶瓷对陶瓷的立体磨损率是所有人工关节表面设计中最低的，但陶瓷脆性高、弹性模量高、抗裂纹扩展能力差，从而影响了其使用。21世纪初新型生物陶瓷的出现使陶瓷关节重新兴起，目前主要用于髋臼、股骨头或表面涂层。

（三）高分子有机材料

聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥）在20世纪40年代即被用于人工关节的固定，其后硅胶、超高分子质量聚乙烯、聚砜、聚醚酮等相继得到应用和改进。目前在临床中常用的主要是骨水泥和超高分子量聚乙烯，骨水泥用于固定假体，超高分子量聚乙烯适于制作假体关节面，具有生物相容性好、质轻、强度较高等优点，但存在塑性变形、表面磨损率较高的缺点。近年来，经过表面改性和增加交联率等措施提高了耐磨损性能，目前仍是人工关节的主要摩擦副材料。