人工置換髖關節材料的研究從早期的探索階段發展至今已持續了將近200年，人工置換髖關節最早提出于19世紀中葉，早期人們使用橡木片、象牙、橡膠、玻璃、金銀等貴重金屬材料作為人工髖關節的材料，并且不斷改進人工髖關節植入人體的方法技術，但均因出現的各種問題而失敗較多。隨著科技的進步，高速鋼、含釩鋼等金屬材料逐漸被用作人工髖關節材料，但這些金屬材料植入人體后經過體液長期腐蝕磨損，會逐漸釋放出金屬離子引起感染、過敏等不良反應，從而引發關節失效。艾邦建有醫用陶瓷產業微信群，歡迎產業鏈上下游企業加入，長按識別下方二維碼即可加入。
20世紀 20年代，不銹鋼材料廣泛應用在人工髖關節置換手術中，在1938年，人們開始將鈷鉻鉬材料應用在人工髖關節上，并取得了較好療效，由此人工髖關節在材料研究方面進入了一個里程碑式的重要階段。1970 年代至今，高分子聚合物材料、記憶金屬和陶瓷等材料也開始應用于骨科相關的植入耗材領域。人工髖關節產品一般包含髖臼杯、球頭、內襯和股骨柄。目前人工髖關節的常用材料主要有：金屬類、高分子類和陶瓷類等。
金屬材料具有較高的硬度和韌性，在載荷下有抵抗永久變形的能力，在人工髖關節的應用中常用作需要承受較大載荷的股骨頭。人工髖關節常用金屬材料主要有鈷鉻合金、鈦合金、不銹鋼等。
不銹鋼材料的減磨耐磨性，抗壓性和加工性能都比較優異，但長期置于人體中容易出現因體液腐蝕和摩擦等原因引起的關節疼痛等問題，其主要被用作股骨頭和股骨柄。
鈷鉻鉬合金是一種硬質合金，其顯著特點是基本可以抵抗各種類型的腐蝕，耐性和抗高溫氧化性較高，并且強度高具有良好的力學性能。其缺點是韌性較差不適合機械加工，常采用精密鑄造的方式進行加工，而且鈷、鉻等金屬離子對人體有毒性，容易引起人體組織壞死，導致關節疼痛、松動等問題。
鈦合金的最大特點是具有優異的生物相容性，其彈性模量與人體骨骼接近，并且具有較好的耐腐蝕性和延展性，更適用于較大的人體關節，在人工關節材料中應用廣泛，通常被用來制作股骨柄和髖臼杯，但其耐磨性相對較差，并且有些患者對鈦合金有過敏反應。
金屬材料整體上彈性模量比人體骨骼高，容易出現應力遮擋效應引發關節的松動，且因金屬材料的生物惰性原因，植入人體后會因人體排異而出現不良生物反應，另外人體活動時髖關節接觸界面產生的摩擦力，會使得金屬材料產生有毒的金屬離子，增大人工髖關節的磨損率，從而降低了金屬材料在人工髖關節方面的使用效果。
人工髖關節高分子材料有超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚醚醚酮(PEEK)。
UHMWPE 是人工髖關節中最常用的高分子材料，具有無毒耐腐蝕、耐低溫、在人體內不易降解等特點，在人工髖關節中主要用作髖臼杯材料。由于UHMWPE 材料較軟，當其作為髖臼杯與較硬質材料的股骨頭組成關節配副時，在關節活動過程更容易出現磨損，產生磨損顆粒誘發不良生化反應，引起骨溶解和無菌松動，進而導致人工髖關節的失效。
聚醚醚酮(PEEK)是一種特種高分子材料，其耐高溫性，耐腐蝕性和自潤滑性非常優異，同時具有較高的耐水解性和耐磨損性，綜合性能良好。最初被用于軍工領域，后逐漸擴展至電子和醫療器械等領域。近年來隨著加工技術以及PEEK材料性能改良技術的發展，開始應用在醫用植入物等醫療領域。
相比于金屬材料，PEEK材料質量更加輕盈，耐腐蝕性更好，沒有向人體釋放重金屬離子等缺點，在高溫下仍然具有良好的耐磨性和較低的摩擦系數，這將使得人工髖關節的置換效果更佳，為研發高壽命的人工髖關節提供了新希望。其不足之處在于其原料成本過高，導致其產品價格相對高于其他材料。
為解決金屬材料和高分子材料因長期摩擦磨損產生的損顆粒導致人工髖關節出現松動的問題，人們將目光投向了陶瓷材料。人工髖關節用陶瓷材料有氧化鋁、氧化鋯、氧化鋯增韌氧化鋁、氮化硅。
陶瓷材料強度和硬度較高，損率較低，具有良好的耐磨性、耐壓性、耐腐蝕性，其親水性使得由陶瓷材料構成的人工髖關節有良好的潤滑性能，穩定的化學性保證其不易引發細胞反應，陶瓷材料還具有優異的抗疲勞性。陶瓷材料應用在人工髖關節方面具有眾多的優點，但其屬于硬脆性材料，其抗拉強度和斷裂韌性低于金屬材料，在實際使用中很容易發生破裂損壞。因此需要一些方法改變其性能，以提高陶瓷材料的抗拉強度和斷裂韌性，增強其服役年限。
來源：人工髖關節材料的接觸力學分析與摩擦性能評價,任明基.
原文始發于微信公眾號（陶瓷科技視野）：人工髖關節材料：金屬、高分子、陶瓷
