高可靠性耐磨人工關(guān)節(jié)材料的臨床應(yīng)用

高可靠性耐磨人工關(guān)節(jié)材料的臨床應(yīng)用

生物材料通常指生物材料。它是一種可修復(fù)、可替代、可再生的材料。隨著社會文明的進(jìn)步和各國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平日益提高,人類對自身的醫(yī)療康復(fù)事業(yè)格外重視。與此同時,社會人口劇增,交通工具大量涌現(xiàn),生活節(jié)奏加快,疾病、自然災(zāi)害、事故工傷的頻繁發(fā)生和局部戰(zhàn)爭等,造成人類意外傷害劇增,因此,發(fā)展用于人體組織和器官再生與修復(fù)的生物材料在各國受到高度重視。生物材料的研究與開發(fā),對人類的健康生活、國家的經(jīng)濟(jì)前途及社會的和諧發(fā)展均具有重要意義。由于人類已進(jìn)入了高齡化社會,患有關(guān)節(jié)疾病的人數(shù)日益增加,對人工關(guān)節(jié)的需求相應(yīng)日趨高漲,如把體內(nèi)植入醫(yī)療用品也計算在內(nèi),其需求的年增長率已達(dá)到7%～8%(指發(fā)達(dá)國家),而我國是一個具有13億人口的發(fā)展中大國,經(jīng)濟(jì)底子薄,醫(yī)療保健服務(wù)人口基數(shù)大。據(jù)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(shù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)表明利用現(xiàn)代技術(shù),加速人工關(guān)節(jié)的開發(fā)與研究具有重要的現(xiàn)實意義。人工關(guān)節(jié)是矯形外科領(lǐng)域在20世紀(jì)取得的最重要的進(jìn)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(zhì)量,使一些晚期關(guān)節(jié)嚴(yán)重破壞的類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎及骨性關(guān)節(jié)炎患者有了希望,部分長期臥床病人,通過手術(shù),重新獲得了站立和行走功能,部分或完全恢復(fù)了生活自理能力。它作為一種成熟的治療方法現(xiàn)已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。目前,人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已成為治療髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)嚴(yán)重病變的主要手段之一,被譽(yù)為20世紀(jì)骨科發(fā)展史中重要里程碑之一。1人工關(guān)節(jié)的設(shè)計原則人工關(guān)節(jié)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(fā)展。人工關(guān)節(jié)是模擬人體關(guān)節(jié)制成的植入性假體,以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復(fù)其功能。作為一種植入器官,人工關(guān)節(jié)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(yīng)滿足人工關(guān)節(jié)與人體骨骼的彈性模量、熱膨脹性能及其強(qiáng)度應(yīng)盡量一致,并且耐磨性要好即要滿足生物力學(xué)相容性的要求。人工關(guān)節(jié)的設(shè)計目標(biāo)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(chǎn)生松動和下沉?，F(xiàn)有人工關(guān)節(jié)可以從金屬材料、有機(jī)高分子材料、陶瓷材料等三大方面進(jìn)行分類。1.1日本生產(chǎn)人工關(guān)節(jié)的分布目前,人工關(guān)節(jié)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(xué)性能和加工性能。據(jù)日本厚生省統(tǒng)計,日本的人工關(guān)節(jié)在1997年總額達(dá)377.9億日元,其進(jìn)口額和日本國內(nèi)生產(chǎn)額的比例約為4:1。1997年日本國內(nèi)生產(chǎn)人工關(guān)節(jié)總數(shù)為17.09萬個,其中金屬材料人工關(guān)節(jié)占絕大多數(shù)。然而,臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn):金屬關(guān)節(jié)面易磨損,磨損產(chǎn)物會造成不良的生理組織反應(yīng),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(tài),則對人體有毒;當(dāng)在人體內(nèi)的積累量達(dá)到一定程度便會成為致癌物。通過對尸檢或翻修手術(shù)中的鈷合金全髖關(guān)節(jié)假體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),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(chǎn)物的主要成分均為富含水的鉻磷化物,這些物質(zhì)存在于頭頸連接處、假體周圍的界膜內(nèi)以及骨質(zhì)溶解缺損處,是強(qiáng)大的巨噬細(xì)胞激活物,可激發(fā)器官培養(yǎng)基中的骨吸收,因此在鈷合金假體的連接處可發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕,鈦合金的腐蝕也有報告。1.2高分子人工關(guān)節(jié)高分子材料作為人工關(guān)節(jié)正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。人工關(guān)節(jié)有很多,如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)等,其中以髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)承受的力最大。1963年出現(xiàn)了第一例金屬股骨頭-聚四氟乙烯髖臼的人工關(guān)節(jié),由此開始了高分子人工關(guān)節(jié)的時代。近年來,人工關(guān)節(jié)頭大多是以不銹鋼、陶瓷等高強(qiáng)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(yōu)異的超高相對分子量聚乙烯(UHM-WPE),相對分子質(zhì)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(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不銹鋼。但據(jù)Wright等報道,高分子材料移植體的滑動能產(chǎn)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(xì)胞起活化作用,加速生物酶的形成如可誘導(dǎo)氮氧合酶和三氧酶-2。Hukkanen等認(rèn)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(fā)現(xiàn),當(dāng)用γ射線對聚乙烯移植體進(jìn)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(yán)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(yōu)良的抗腐蝕性能、良好的生物相容性、優(yōu)異的耐磨性能,是最早用作生物醫(yī)用材料的陶瓷材料之一,如用于承重髖和膝關(guān)節(jié)置換體以及牙科植入體。Al2O3人工關(guān)節(jié)在歐洲已經(jīng)用了30年,斷裂幾率低于0.01%。ZrO2陶瓷由于其優(yōu)良的生物相容性、良好的斷裂韌性、高的斷裂強(qiáng)度和低的彈性模量,也可用于人工關(guān)節(jié),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(yīng)力誘導(dǎo)增韌機(jī)理后,1978年Gupta首次研制出力學(xué)性能優(yōu)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(xué)性能最佳。目前Y-TZP的斷裂韌性最高可達(dá)15～30MPa·m1/2,抗彎強(qiáng)度最高超過2000MPa,經(jīng)過多年材料和醫(yī)學(xué)等學(xué)科科學(xué)家們的努力,1988年Y-TZP陶瓷關(guān)節(jié)頭已臨床應(yīng)用于全髖置換術(shù),最近也應(yīng)用于全膝置換術(shù),在人體中植入的Y-TZP陶瓷關(guān)節(jié)頭超過了30萬個。2y-tzp陶瓷層析表征人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)受力是相當(dāng)惡劣的,如人工髖關(guān)節(jié),每年要經(jīng)受約3.6×106次可能數(shù)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(xì)胞和噬骨細(xì)胞的復(fù)雜平衡中不斷調(diào)整其外型,來自假體摩擦表面的碎屑在關(guān)節(jié)附近積聚,會造成身體中的噬骨細(xì)胞增加,打破噬骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞之間的平衡,使假體松動。若要使人工髖關(guān)節(jié)的使用壽命保持在20年以上,則材料必須具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐磨性能。雖然Al2O3人工關(guān)節(jié)在歐洲已經(jīng)用了30年,但是由于Al2O3的力學(xué)性能差,其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別只有約380MPa和3.5MPa·m1/2,撞擊和應(yīng)力集中會造成Al2O3/Al2O3關(guān)節(jié)移植體斷裂和產(chǎn)生碎片,從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)的破壞。盡管近年來發(fā)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(nèi)取得了令人歡欣鼓舞的結(jié)果,但韓國漢城國立大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Yoo等對裝有上述移植體的病人進(jìn)行長期觀察發(fā)現(xiàn),由于Al2O3關(guān)節(jié)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(fā)現(xiàn),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(fā)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(zhì)溶解是現(xiàn)代整體關(guān)節(jié)成型術(shù)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(guān)節(jié)置換術(shù)臨床應(yīng)用的觀察,并經(jīng)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(chǎn)生,從而導(dǎo)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(jìn)行詳細(xì)研究,并用SEM對人工關(guān)節(jié)周圍的軟組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),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(rèn)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(xué)性能高并且具有良好的生物相容性,但ZrO2材料的熱導(dǎo)率低,在高的滑動速率下,由于熱波動產(chǎn)生的應(yīng)力,導(dǎo)致ZrO2/ZrO2組合的耐磨系數(shù)對臨床應(yīng)用太高,同時其在10O～400℃潮濕氣氛中長期使用會老化,力學(xué)性能明顯減退(中溫時效劣化),作為生物醫(yī)學(xué)材料的ZrO2陶瓷在體內(nèi)和體外的相穩(wěn)定性問題引起了高度重視。Thompson等發(fā)現(xiàn)在Ringer生理緩沖溶液中老化促進(jìn)了ZrO2的相變并降低了ZrO2的強(qiáng)度。另有臨床報告顯示,Y-TZP陶瓷關(guān)節(jié)頭應(yīng)用于全髖置換術(shù)并不滿意。2001年Haraguchi等報道有2例全髖置換術(shù)3年和6年的Y-TZP陶瓷關(guān)節(jié)頭由于相變引起的表面惡化現(xiàn)象,關(guān)節(jié)頭表面的單斜相含量分別為30%和20%,其中1例關(guān)節(jié)頭表面的粗糙度從0.006μm上升為0.12μm。作為臨床應(yīng)用在人體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)材料,應(yīng)當(dāng)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(jī)生物材料就迫在眉睫。3al2o3-20cta-tzp復(fù)合材料目前用于臨床的陶瓷人工關(guān)節(jié)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(yōu)異,但力學(xué)性能較低;Y-TZP力學(xué)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(wěn),導(dǎo)致其材料強(qiáng)度衰減。TZP的穩(wěn)定性可以通過添加CeO2穩(wěn)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(yè)大學(xué)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(wěn)定的ZrO2人工關(guān)節(jié)用復(fù)合材料的力學(xué)性能,實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),90wt%ZrO2(CeO2和Y2O3)-10wt%Al2O3復(fù)合材料的力學(xué)性能最好,在1500℃燒成后其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性分別達(dá)到400MPa、11MPa·m1/2。然而,該研究并沒有涉及作為人工關(guān)節(jié)材料重要的一項性能指標(biāo)——耐磨性能,并且從研究結(jié)果可以看出由于添加了90wt%ZrO2,該復(fù)合材料的硬度只有13.5GPa。2002～2003年日本京都大學(xué)Tanaka等研究了70vol%Ce-TZP/30vol%Al2O3人工關(guān)節(jié)用復(fù)合材料的力學(xué)性能、相穩(wěn)定性、耐磨性能和生物相容性等。該復(fù)合材料在1440℃燒成后,晶粒尺寸為0.59μm,其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到940MPa和20MPa·m1/2,且具有良好的ZrO2相穩(wěn)定性、耐磨性能和生物相容性。然而,由于該復(fù)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(guān)。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(fù)合材料的硬度,從而直接影響陶瓷人工關(guān)節(jié)材料的使用壽命。2004年日本學(xué)者Yusuke等對Al2O3/30vol%ZrO2和ZrO2/30vol%Al2O3人工關(guān)節(jié)復(fù)合材料進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)Al2O3/30vol%ZrO2復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最低,其維氏硬度為16.6GPa,斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度分別達(dá)4.3MPa·m1/2和1345MPa。然而2005年德國學(xué)者Herrmann等研究了5mol%Y2O3穩(wěn)定的10wt%ZrO2/Al2O3復(fù)合材料在200℃水中的老化特性,發(fā)現(xiàn),ZrO2的立方相和四方相向單斜相的相變產(chǎn)生的應(yīng)力造成A12O3顆粒的剝落是ZTA材料強(qiáng)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(fù)合材料系統(tǒng)中,對添加≤30vo1%低含量Ce-TZP的ZTA材料進(jìn)行進(jìn)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(xiàn)在一旦受到臨界的外加負(fù)荷,陶瓷的斷裂則具有爆發(fā)性的特征和災(zāi)難性的后果。長期以來在人工關(guān)節(jié)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(qiáng)度也僅為380MPa左右。而ZrO2的斷裂韌性好,最高可達(dá)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(yīng)用中的可靠性。ZTA人工關(guān)節(jié)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(qiáng)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(wěn)四方相。常用于穩(wěn)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(dá)15～30MPa·m1/2,抗彎強(qiáng)度最高超過2000MPa,但其在150～400,C潮濕環(huán)境中時,由于四方相向單斜相轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致其力學(xué)性能惡化,人們已經(jīng)越來越認(rèn)識到Y(jié)-TZP材料的老化過程與氧空位有關(guān)。2004年Xin根據(jù)Y-TZP陶瓷表面結(jié)構(gòu)和表面空間電荷層中氧空位的耗盡對YSZ陶瓷的老化機(jī)理提出了新的解釋。他們認(rèn)為H2O分子通過填充表面層氧空位進(jìn)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(fā)生的主要原因。而與ZrO2-Y2O3系統(tǒng)中四方相的穩(wěn)定來源與氧空位不同,在ZrO2-CeO2系統(tǒng)中,Ce原子和Zr原子在固溶體中是隨機(jī)替換的,并且不存在氧空位,Ce4+使陽離子網(wǎng)絡(luò)扭曲,導(dǎo)致應(yīng)力能減小,使四方相ZrO2獲得穩(wěn)定。Tsukuma對CeO2穩(wěn)定的四方相ZrO2在處理和老化過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)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(jīng)過1000h的熱循環(huán)后也沒有觀察到可見裂紋,Ce-TZP的抗彎強(qiáng)度也沒有發(fā)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(kuò)散傳質(zhì),從而細(xì)化晶粒達(dá)到抑制四方相ZrO2相變的目的。3.3al2o3在濕磨過程中的動態(tài)本構(gòu)模型眾所周知,陶瓷的磨擦依賴于材料的組合、材料的力學(xué)特性(硬度和韌性)、顯微結(jié)構(gòu)(粒徑、氣孔率、相的含量和分布)、試驗參數(shù)(載荷和滑動速度)、接觸方式以及與環(huán)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(nèi)的滑動摩擦進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在室溫下因α-Al2O3和水蒸氣的摩擦化學(xué)反應(yīng)生成Al(OH)而使摩擦和磨損系數(shù)降低,Shinya和Gee對此也有報道,同時Sasaki和Kalin發(fā)現(xiàn)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(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)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