高可靠性耐磨人工關節材料的臨床應用

生物材料通常指生物材料。它是一種可修復、可替代、可再生的材料。隨著社會文明的進步和各國經濟的發展,人民生活水平日益提高,人類對自身的醫療康復事業格外重視。與此同時,社會人口劇增,交通工具大量涌現,生活節奏加快,疾病、自然災害、事故工傷的頻繁發生和局部戰爭等,造成人類意外傷害劇增,因此,發展用于人體組織和器官再生與修復的生物材料在各國受到高度重視。生物材料的研究與開發,對人類的健康生活、國家的經濟前途及社會的和諧發展均具有重要意義。由于人類已進入了高齡化社會,患有關節疾病的人數日益增加,對人工關節的需求相應日趨高漲,如把體內植入醫療用品也計算在內,其需求的年增長率已達到7%～8%(指發達國家),而我國是一個具有13億人口的發展中大國,經濟底子薄,醫療保健服務人口基數大。據民政部報告,我國僅肢體不自由患者就有約1500萬,其中殘疾約780萬。過去由于缺乏重建手術和材料,已有300余萬人截肢。全國每年骨缺損和骨損傷患者近300萬。這些統計數據表明利用現代技術,加速人工關節的開發與研究具有重要的現實意義。人工關節是矯形外科領域在20世紀取得的最重要的進展之一,它使過去只能依賴拐杖行走,甚至只能截肢的患者,能像正常人一樣行走,大大改善了生活質量,使一些晚期關節嚴重破壞的類風濕關節炎及骨性關節炎患者有了希望,部分長期臥床病人,通過手術,重新獲得了站立和行走功能,部分或完全恢復了生活自理能力。它作為一種成熟的治療方法現已在國內外廣泛應用。目前,人工關節置換術已成為治療髖關節、膝關節等關節嚴重病變的主要手段之一,被譽為20世紀骨科發展史中重要里程碑之一。1人工關節的設計原則人工關節作為重要的生物材料組成部分,近百年來,特別是近20年來得到了長足的發展。人工關節是模擬人體關節制成的植入性假體,以代替病變或損傷的關節并恢復其功能。作為一種植入器官,人工關節首先必須滿足對人體的正常生理功能無不良影響即生物相容性的要求;其次應滿足人工關節與人體骨骼的彈性模量、熱膨脹性能及其強度應盡量一致,并且耐磨性要好即要滿足生物力學相容性的要求。人工關節的設計目標為能滿足人體生理功能、壽命長(超過30年)、幾乎沒有磨損碎片,并且不產生松動和下沉。現有人工關節可以從金屬材料、有機高分子材料、陶瓷材料等三大方面進行分類。1.1日本生產人工關節的分布目前,人工關節的主體材料以金屬材料為主,如鈷-鉻-鉬合金、Ti-6Al-4V等,其主要原因是它們具有良好的力學性能和加工性能。據日本厚生省統計,日本的人工關節在1997年總額達377.9億日元,其進口額和日本國內生產額的比例約為4:1。1997年日本國內生產人工關節總數為17.09萬個,其中金屬材料人工關節占絕大多數。然而,臨床應用發現:金屬關節面易磨損,磨損產物會造成不良的生理組織反應,并且鈷-鉻-鉬合金及Ti-6Al-4V等合金中含有Co、Cr、V,如果在人體中成為游離的離子狀態,則對人體有毒;當在人體內的積累量達到一定程度便會成為致癌物。通過對尸檢或翻修手術中的鈷合金全髖關節假體進行研究發現,無論是鈷-鉻合金、鈷-鈦合金,還是鈷-陶瓷假體,其頭頸連接出的腐蝕產物的主要成分均為富含水的鉻磷化物,這些物質存在于頭頸連接處、假體周圍的界膜內以及骨質溶解缺損處,是強大的巨噬細胞激活物,可激發器官培養基中的骨吸收,因此在鈷合金假體的連接處可發生嚴重的腐蝕,鈦合金的腐蝕也有報告。1.2高分子人工關節高分子材料作為人工關節正在得到越來越廣泛的應用。人工關節有很多,如髖關節、膝關節、肘關節、肩關節、腕關節、指關節等,其中以髖關節和膝關節承受的力最大。1963年出現了第一例金屬股骨頭-聚四氟乙烯髖臼的人工關節,由此開始了高分子人工關節的時代。近年來,人工關節頭大多是以不銹鋼、陶瓷等高強度材料制作,以高分子材料為臼配合而成的。較理想的高分子材料是耐磨性優異的超高相對分子量聚乙烯(UHM-WPE),相對分子質量約300萬,其體積磨損率僅是高密度聚乙烯和尼龍的1/5～1/10,摩擦系數遠遠小于不銹鋼。但據Wright等報道,高分子材料移植體的滑動能產生各種各樣的磨屑,其中聚乙烯顆粒能對骨移植界面生物膜中的巨噬細胞起活化作用,加速生物酶的形成如可誘導氮氧合酶和三氧酶-2。Hukkanen等認為這些酶能直接引起移植骨的吸收而造成松動。同時研究人員發現,當用γ射線對聚乙烯移植體進行消毒時,γ射線能切斷超高分子量聚乙烯中的聚合物鏈,使其耐磨性嚴重下降。1.3zro2陶瓷陶瓷材料中主要是Al2O3和ZrO2陶瓷。A12O3陶瓷由于具有優良的抗腐蝕性能、良好的生物相容性、優異的耐磨性能,是最早用作生物醫用材料的陶瓷材料之一,如用于承重髖和膝關節置換體以及牙科植入體。Al2O3人工關節在歐洲已經用了30年,斷裂幾率低于0.01%。ZrO2陶瓷由于其優良的生物相容性、良好的斷裂韌性、高的斷裂強度和低的彈性模量,也可用于人工關節,在與聚乙烯摩擦潤滑方面與Al2O3有相同的性能。自1975年Garvie首次提出四方ZrO2應力誘導增韌機理后,1978年Gupta首次研制出力學性能優異的四方ZrO2多晶體(Y-TZP)。Y-TZP陶瓷在所有ZrO2增韌陶瓷材料中室溫力學性能最佳。目前Y-TZP的斷裂韌性最高可達15～30MPa·m1/2,抗彎強度最高超過2000MPa,經過多年材料和醫學等學科科學家們的努力,1988年Y-TZP陶瓷關節頭已臨床應用于全髖置換術,最近也應用于全膝置換術,在人體中植入的Y-TZP陶瓷關節頭超過了30萬個。2y-tzp陶瓷層析表征人工關節在體內受力是相當惡劣的,如人工髖關節,每年要經受約3.6×106次可能數倍于人體體重的載荷沖擊和磨損。同時由于正常人的骨骼在造骨細胞和噬骨細胞的復雜平衡中不斷調整其外型,來自假體摩擦表面的碎屑在關節附近積聚,會造成身體中的噬骨細胞增加,打破噬骨細胞和成骨細胞之間的平衡,使假體松動。若要使人工髖關節的使用壽命保持在20年以上,則材料必須具有優良的力學性能和耐磨性能。雖然Al2O3人工關節在歐洲已經用了30年,但是由于Al2O3的力學性能差,其抗彎強度和斷裂韌性分別只有約380MPa和3.5MPa·m1/2,撞擊和應力集中會造成Al2O3/Al2O3關節移植體斷裂和產生碎片,從而導致關節的破壞。盡管近年來發展了表面處理的金屬殼吸盤固定Al2O3髖臼以克服A12O3髖臼的松動,并且在短期和中期內取得了令人歡欣鼓舞的結果,但韓國漢城國立大學醫學院的Yoo等對裝有上述移植體的病人進行長期觀察發現,由于Al2O3關節頭的撞擊在吸盤金屬外殼邊緣有劃痕,同時在與金屬外殼劃痕相鄰處的Al2O3嵌入體上也觀察到邊緣裂紋,如圖1所示。同時他們也發現,脫臼的Al2O3頭因為三體磨損而失去玻璃光澤,如圖2所示。近年來發展的超高分子量聚乙烯(UHM-WPE)髖臼與Al2O3陶瓷股骨頭配伍,獲得了較低的體積磨損率,但由聚乙烯的摩擦殘骸引起的骨質溶解是現代整體關節成型術中遇到的最大問題。楊述華等通過對陶瓷頭對聚乙烯髖臼髖關節置換術臨床應用的觀察,并經X射線和CT證實,在陶瓷-聚乙烯假體中有明顯的陶瓷顆粒產生,從而導致假體松動。Hashiguchi等對此也有報道,他們對Al2O3和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的磨損過程進行詳細研究,并用SEM對人工關節周圍的軟組織進行觀察發現,Al2O3顆粒與超高分子量聚乙烯顆粒混雜在一起,如圖3所示,認為作為第三體的Al2O3顆粒加速了超高分子量聚乙烯的磨損過程,從而使假體的松動加快。雖然Y-TZP的力學性能高并且具有良好的生物相容性,但ZrO2材料的熱導率低,在高的滑動速率下,由于熱波動產生的應力,導致ZrO2/ZrO2組合的耐磨系數對臨床應用太高,同時其在10O～400℃潮濕氣氛中長期使用會老化,力學性能明顯減退(中溫時效劣化),作為生物醫學材料的ZrO2陶瓷在體內和體外的相穩定性問題引起了高度重視。Thompson等發現在Ringer生理緩沖溶液中老化促進了ZrO2的相變并降低了ZrO2的強度。另有臨床報告顯示,Y-TZP陶瓷關節頭應用于全髖置換術并不滿意。2001年Haraguchi等報道有2例全髖置換術3年和6年的Y-TZP陶瓷關節頭由于相變引起的表面惡化現象,關節頭表面的單斜相含量分別為30%和20%,其中1例關節頭表面的粗糙度從0.006μm上升為0.12μm。作為臨床應用在人體內的生物醫學材料,應當保證100%的安全性和可靠性,既然Y-TZP陶瓷目前存在諸多的爭議,尋找更可靠和安全的無機生物材料就迫在眉睫。3al2o3-20cta-tzp復合材料目前用于臨床的陶瓷人工關節材料主要是Al2O3和Y-TZP,然而這兩種材料都存在一定程度的不足,Al2O3耐磨性能優異,但力學性能較低;Y-TZP力學性能好,但是在水或體液中由于中溫時效劣化而引起t-ZrO2失穩,導致其材料強度衰減。TZP的穩定性可以通過添加CeO2穩定劑,使用高彈性模量的Al2O3彌散顆粒,減少ZrO2的粒徑等途徑來改善。2000年武漢工業大學吳建鋒等研究了在Al2O3中添加不同含量(10%～90%(wt))的CeO2和Y2O3共同穩定的ZrO2人工關節用復合材料的力學性能,實驗結果發現,90wt%ZrO2(CeO2和Y2O3)-10wt%Al2O3復合材料的力學性能最好,在1500℃燒成后其抗彎強度、斷裂韌性分別達到400MPa、11MPa·m1/2。然而,該研究并沒有涉及作為人工關節材料重要的一項性能指標——耐磨性能,并且從研究結果可以看出由于添加了90wt%ZrO2,該復合材料的硬度只有13.5GPa。2002～2003年日本京都大學Tanaka等研究了70vol%Ce-TZP/30vol%Al2O3人工關節用復合材料的力學性能、相穩定性、耐磨性能和生物相容性等。該復合材料在1440℃燒成后,晶粒尺寸為0.59μm,其抗彎強度和斷裂韌性分別達到940MPa和20MPa·m1/2,且具有良好的ZrO2相穩定性、耐磨性能和生物相容性。然而,由于該復合材料中添加了70vol%Ce-TZP,其硬度只有11.7GPa。眾所周知,陶瓷材料的耐磨性與該材料的韌性和硬度息息相關。Ce-TZP的硬度只有1OGPa,耐磨性能欠佳,因此在Al2O3中添加過多的Ce-TZP,必然會降低復合材料的硬度,從而直接影響陶瓷人工關節材料的使用壽命。2004年日本學者Yusuke等對Al2O3/30vol%ZrO2和ZrO2/30vol%Al2O3人工關節復合材料進行了研究,發現Al2O3/30vol%ZrO2復合材料的摩擦系數最低,其維氏硬度為16.6GPa,斷裂韌性和抗彎強度分別達4.3MPa·m1/2和1345MPa。然而2005年德國學者Herrmann等研究了5mol%Y2O3穩定的10wt%ZrO2/Al2O3復合材料在200℃水中的老化特性,發現,ZrO2的立方相和四方相向單斜相的相變產生的應力造成A12O3顆粒的剝落是ZTA材料強度衰減的主要原因。由于Ce-TZP與Y-TZP相比不存在低溫時效行為,綜上所述有必要在Ce-TZP增韌A12O3復合材料系統中,對添加≤30vo1%低含量Ce-TZP的ZTA材料進行進一步研究。3.1zra2斷裂韌性好,但耐沖彎性能好脆性是陶瓷的致命弱點,直觀的表現在一旦受到臨界的外加負荷,陶瓷的斷裂則具有爆發性的特征和災難性的后果。長期以來在人工關節硬組織材料中扮演重要角色的Al2O3,其斷裂韌性只有約3.5MPa·m1/2,抗彎強度也僅為380MPa左右。而ZrO2的斷裂韌性好,最高可達15～30MPa·m1/2,但其維氏硬度只有13GPa,耐磨性較差。ZTA陶瓷是將可相變的ZrO2粒子均勻分散在Al2O3陶瓷基體中,用以改善Al2O3陶瓷的脆性,提高其在實際應用中的可靠性。ZTA人工關節中的ZrO2主要是通過相變增韌、微裂紋增韌來提高Al2O3的韌性。3.2氧高度對ce-tzp抗彎強度的影響ZrO2有3種晶型:單斜相(T<1170℃),四方相(1170℃<T<2370℃)和立方相(T>2370℃)。通過降低ZrO2晶粒尺寸或固溶入第二種氧化物,可以獲得亞穩四方相。常用于穩定ZrO2的添加劑有CaO、MgO、Y2O3及CeO2等。眾所周知,Y2O3可以與ZrO2形成固溶體使ZrO2的四方相保留到室溫,Y原子替換Zr的同時會形成氧空位。目前Y-TZP的斷裂韌性最高可達15～30MPa·m1/2,抗彎強度最高超過2000MPa,但其在150～400,C潮濕環境中時,由于四方相向單斜相轉變會導致其力學性能惡化,人們已經越來越認識到Y-TZP材料的老化過程與氧空位有關。2004年Xin根據Y-TZP陶瓷表面結構和表面空間電荷層中氧空位的耗盡對YSZ陶瓷的老化機理提出了新的解釋。他們認為H2O分子通過填充表面層氧空位進入到ZrO2表層晶格中而使氧空位湮滅是ZrO2四方相向單斜相相變發生的主要原因。而與ZrO2-Y2O3系統中四方相的穩定來源與氧空位不同,在ZrO2-CeO2系統中,Ce原子和Zr原子在固溶體中是隨機替換的,并且不存在氧空位,Ce4+使陽離子網絡扭曲,導致應力能減小,使四方相ZrO2獲得穩定。Tsukuma對CeO2穩定的四方相ZrO2在處理和老化過程中的穩定性進行了研究,發現Ce-TZP在空氣中180℃和350℃老化1000h以及在水熱條件下15C0℃和200℃老化500h都沒有觀察到ZrO2單斜相含量的增加。在經過1000h的熱循環后也沒有觀察到可見裂紋,Ce-TZP的抗彎強度也沒有發生重大改變。同時在ZTA中惰性Al2O3包裹在ZrO2周圍形成的A12O3殼層能阻礙ZrO2的高溫擴散傳質,從而細化晶粒達到抑制四方相ZrO2相變的目的。3.3al2o3在濕磨過程中的動態本構模型眾所周知,陶瓷的磨擦依賴于材料的組合、材料的力學特性(硬度和韌性)、顯微結構(粒徑、氣孔率、相的含量和分布)、試驗參數(載荷和滑動速度)、接觸方式以及與環境的相互作用(相對濕度、水或其他潤滑劑)等。Jahanmir等對高純α-Al2O3在不同載荷和溫度范圍內的滑動摩擦進行研究發現,在室溫下因α-Al2O3和水蒸氣的摩擦化學反應生成Al(OH)而使摩擦和磨損系數降低,Shinya和Gee對此也有報道,同時Sasaki和Kalin發現水溶液的pH值不同時Al2O3的磨損特性也不一樣。Chen等研究了滑動速度對A12O3/鋼滑動匹配的摩擦系數的影響,發現在載荷為5N,滑動速度超過40m/s時,A12O3的摩擦抵抗力主要取決于材料的韌性。Mirand