醫療技術的進步幫助人們延長壽命、改善健康，但人體的某些部位在生命過程中會有耗損。據美國骨科醫師學會(AAOS)報告，2008年全美共進行膝關節置換術47.8萬例，髖關節置換術23.4萬例。AAOS還預測，截止到2030年，膝關節置換術將達340萬例，髖關節置換術至少會翻一番。而且，人工關節翻修病例仍居高不下：在美國，2004年共進行了4萬例膝關節翻修、4.6萬例髖關節翻修。歐盟統計數據也達到同等規模。很明顯，目前價值280億歐元的骨科矯形市場在未來數年內將繼續保持增長。

本文將探討骨科矯形外科應用中的部分人工材料并重點討論其優缺點。此外，還將介紹骨置換技術中生物活性材料所發揮的關鍵作用。

人工骨科材料

人工材料用于骨科矯形外科已有幾十年歷史。第一例金屬髖關節置換術于1940年進行。1951年在該置換術中首次采用了PMMA水泥。現代陶瓷全髖關節于1995年投入使用。到目前為止，金屬、聚合物(超高分子量聚乙烯，簡稱UHMWPE)、陶瓷以及這些材料的組合都在骨科矯形外科中得到采用，而且材料開發一直在持續進行。為骨科器械的設計和開發選擇最佳材料一直是業界的難題，目前仍是如此——制造商正在努力開發高性能產品，同時最大限度減少與材料選擇相關的錯誤。

諸如不銹鋼等金屬是首批用于制造植入式醫療器械的材料。金屬-金屬(MOM)植入物于20世紀50年代問世，并在某些應用中一直表現良好。在過去60年內，越來越多的金屬器械被引入到醫療應用中，但同時也存在一些性能和質量問題。有關金屬矯形植入物的擔憂包括金屬顆粒釋入血流中，而這可能會影響腎功能。這些顆粒還可能在妊娠期穿過胎盤，而有些金屬顆粒(主要是鈷鉻合金)可致癌。一個值得思考的問題是：為什么經過60年的開發，我們仍沒有獲得更佳甚或完美的植入式器械

骨骼一種活體材料

所有這一切都可以歸結為有關植入材料的生物相容性以及更高級的生物活性概念。材料或其產生的碎片是否與人體相容它是否在原子、納米或微米級具有真正的抗腐蝕性其強度為多少其彈性模量為多少最重要的是，我們是否已經掌握了有關人體天然生物材料的某些重要知識我們有沒有認識到人體的所有組成部分(包括骨骼在內)都是活體材料在探討非金屬骨置換材料之前，讓我們了解一下有關天然骨骼的一些基本知識。

以長骨為例，骨骼共有三個基本結構層：表面是關節軟骨，接下來是貼近表面的密質骨，最后是松質骨。當然，人工骨科矯形器械的組成結構無法與天然骨骼的微觀結構相比，因為骨骼是一種活體材料。骨細胞通過再吸收和沉積進行愈合過程。由于健康的骨骼在使用過程中會受到損耗，因此會逐漸形成納米級或微裂縫，使得骨骼弱化。骨骼以對其他修復工作相同的方式對這種弱化做出反應。在發生再吸收時，會派遣破骨細胞攻擊弱骨，并在多種全身激素的幫助下，將衰弱的骨骼溶解，而膠原蛋白和礦物相則被再吸收。骨粒被人體作為鈣元素吸收，留下基本上被破骨細胞開鑿出的細微區域。隨后，破骨細胞到達現場并沿損傷部位進行收集工作。破骨細胞用新骨填充受損區域。新骨吸收全身鈣，成為健康的骨組織。

關節軟骨

關節軟骨是一種生物材料，在人工髖關節和膝關節的設計與開發工作中并未引起足夠重視。骨關節表面覆蓋有一層強韌、光滑的關節軟骨。在大多數關節中，這層軟骨約有5毫米厚，能使關節表面相互滑動而不造成損傷。這種材料本身必須足夠強韌，以便能承受人體某部分的負荷并將其轉移到其他部分。關節軟骨還起到減震器的作用，能減輕應力集中以最大限度地減少軟骨下骨承受的峰值壓力。

關節軟骨最主要的單一組分為組織間液，根據軟骨的來源和完整性，這種物質最高可占到軟骨總重的80%。膠原蛋白占軟骨總重的比例為12%到24%，而軟骨細胞大約僅占總體積的1%。蛋白多糖單體約占軟骨重量的6%到12%。

關節軟骨是一種多孔材料。結構十分簡單，僅包括相互連接形成網狀結構的膠原纖維。盡管膠原蛋白只占關節軟骨的一小部分，但它能將動力強度傳遞給整個結構。如果沒有其他組織成分與膠原纖維聯合協同作用，這種簡單結構一旦受到負荷即會垮塌。與金屬相比，膠原纖維既不堅硬，也不耐久。但是，我們尚未找到一種具有關節軟骨的活性和有效性的人工材料。一部分原因是材料開發工作本身困難重重，但更深層的原因是，100多年來，我們對健康人體內軟骨的工作原理認識不足。由于它是一種活體材料，因此了解其再生機制和生物過程對開發生物活性材料非常關鍵。

聚乙烯

聚乙烯(PE)由英國骨科矯形外科醫生JohnCharnley爵士在20世紀60年代末引入骨科領域。PE擁有簡單的聚合結構，由沿聚合物長鏈不斷重復的CH2單元組成。全關節組件中使用的醫用級PE分子量從每摩爾400萬克到600萬克不等;這種材料被稱為超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。UHMWPE是一種非常堅固而且柔韌的材料。理論上，PE內襯應該能像或至少能部分像關節軟骨一樣發揮作用，讓關節處的硬金屬表面相互滑動而不造成損傷(假設PE提供優異的力學性能)。不幸的是，這種材料并沒有達到預期。普通UHMWPE并不是理想的材料，尤其在長期的性能表現方面。根據對MOM植入物的觀察，PE由于其磨損率高于MOM，因此還會產生顆粒。PE還可能發生疲勞斷裂，尤其是當接觸高能照射而產生交聯UHMWPE時。高能照射對聚合物的化學、物理學和力學屬性的影響十分復雜。本文作者曾使用模型聚合物(聚丙烯)進行相關研究，得出了在不同伽馬照射劑量條件下從延展性到脆性的力學性質的變化范圍。

陶瓷

近25年來骨科矯形外科應用材料取得的最大突破就是髖關節置換中的陶瓷材料。相對于金屬和聚合物而言，陶瓷具有很多優勢。它在所有材料中化學和生物學惰性最好。它的強度和硬度也很大。因此，陶瓷對偶爾沉積在人工關節表面之間的細小顆粒(如骨接合劑或金屬碎片)有抗刮擦性。迄今為止，幾乎所有報告結果均證實，相比金屬或PE，陶瓷產生的磨損率最低，顆粒5–13。雖然報告的數據存在差異，但總體趨勢和結論很有說服力。這些材料由CeramTec編輯和發布。金屬對PE(圖中的Me/PE)磨損率最高，而陶瓷對陶瓷(Ce/Ce)磨損率最低。

醫用級陶瓷的主要缺點在于易碎。與金屬和聚合物不同，陶瓷材料在應力作用下不會變形，但當作用在醫用級陶瓷材料上的應力超過特定限值時，陶瓷將會爆裂。過去觀察到的全髖關節中陶瓷組件的爆裂性斷裂是由于當時陶瓷材料質量欠佳所致。但即使是當今的醫用級陶瓷，仍然易碎。因此，開發增韌陶瓷不僅是當務之急，也是未來的工作重點。微斷裂力學未來發展以及微型陶瓷和納米陶瓷復合材料的設計將為醫療應用帶來更先進的陶瓷材料。這種陶瓷復合材料實現了高達7.2MPam1/2的斷裂韌度，這是迄今為止得到的最高斷裂韌度結果。

骨科矯形器械開發和設計的材料選擇在骨科矯形外科應用中采用陶瓷的益處包括：與聚合物或金屬合金相比磨損率最低，因此壽命更長。具有生物惰性，因此人體對顆粒無反應。如果材料旨在刺激新骨的生長，則具有生物活性屬性。

陶瓷可與聚合物等其他材料相混合以形成雜化復合材料。這種陶瓷復合材料由泡沫陶瓷(光相)和Ceram開發的聚合物混合物(暗相)組成。這種雜化材料結合了陶瓷的生物活性和增韌聚合物的柔性。可以將多種形式的陶瓷雜化復合材料制成不同的微觀結構，用于各種應用，包括但不限于脊柱融合、縫合錨釘、創傷固定螺釘、股骨植體、牙種植體以及部分和全部關節置換。所有這些都遵循設計和開發的基本原理：特定植入裝置采用特定材料。這里再強調一次，在項目啟動時以及設計控制之前，評估和選擇材料是成功的關鍵。

生物活性材料的未來

那么，骨科矯形外科應用的材料未來會有何變化很明顯，開發新的生物活性材料將是一個基本要求，而這對材料專家來說將是一個挑戰。骨科矯形醫療器械必須在設計時充分考慮生物活性。

另一項挑戰則是開發新型人工關節軟骨。這種材料不僅要具有生物活性，還必須能在膝部承受6.5倍人體重量的負荷，并且充當關節處的潤滑層。新型材料的設計和開發必須允許加入大量組織間液，一些軟骨細胞、蛋白多糖等，以便保持足夠的強度和活性。