关节置换的材料是什么？对人体有害吗？

作者：骨科王健医生

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。