醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步幫助人們延長(zhǎng)壽命、改善健康，但人體的某些部位在生命過(guò)程中會(huì)有耗損。據(jù)美國(guó)骨科醫(yī)師學(xué)會(huì)(AAOS)報(bào)告，2008年全美共進(jìn)行膝關(guān)節(jié)置換術(shù)47.8萬(wàn)例，髖關(guān)節(jié)置換術(shù)23.4萬(wàn)例。AAOS還預(yù)測(cè)，截止到2030年，膝關(guān)節(jié)置換術(shù)將達(dá)340萬(wàn)例，髖關(guān)節(jié)置換術(shù)至少會(huì)翻一番。而且，人工關(guān)節(jié)翻修病例仍居高不下：在美國(guó)，2004年共進(jìn)行了4萬(wàn)例膝關(guān)節(jié)翻修、4.6萬(wàn)例髖關(guān)節(jié)翻修。歐盟統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也達(dá)到同等規(guī)模。很明顯，目前價(jià)值280億歐元的骨科矯形市場(chǎng)在未來(lái)數(shù)年內(nèi)將繼續(xù)保持增長(zhǎng)。

本文將探討骨科矯形外科應(yīng)用中的部分人工材料并重點(diǎn)討論其優(yōu)缺點(diǎn)。此外，還將介紹骨置換技術(shù)中生物活性材料所發(fā)揮的關(guān)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(guān)節(jié)置換術(shù)于1940年進(jìn)行。1951年在該置換術(shù)中首次采用了PMMA水泥。現(xiàn)代陶瓷全髖關(guān)節(jié)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(jiǎn)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(fā)一直在持續(xù)進(jìn)行。為骨科器械的設(shè)計(jì)和開發(fā)選擇最佳材料一直是業(yè)界的難題，目前仍是如此——制造商正在努力開發(fā)高性能產(chǎn)品，同時(shí)最大限度減少與材料選擇相關(guān)的錯(cuò)誤。

諸如不銹鋼等金屬是首批用于制造植入式醫(yī)療器械的材料。金屬-金屬(MOM)植入物于20世紀(jì)50年代問(wèn)世，并在某些應(yīng)用中一直表現(xiàn)良好。在過(guò)去60年內(nèi)，越來(lái)越多的金屬器械被引入到醫(yī)療應(yīng)用中，但同時(shí)也存在一些性能和質(zhì)量問(wèn)題。有關(guān)金屬矯形植入物的擔(dān)憂包括金屬顆粒釋入血流中，而這可能會(huì)影響腎功能。這些顆粒還可能在妊娠期穿過(guò)胎盤，而有些金屬顆粒(主要是鈷鉻合金)可致癌。一個(gè)值得思考的問(wèn)題是：為什么經(jīng)過(guò)60年的開發(fā)，我們?nèi)詻](méi)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(jié)為有關(guān)植入材料的生物相容性以及更高級(jí)的生物活性概念。材料或其產(chǎn)生的碎片是否與人體相容它是否在原子、納米或微米級(jí)具有真正的抗腐蝕性其強(qiáng)度為多少其彈性模量為多少最重要的是，我們是否已經(jīng)掌握了有關(guān)人體天然生物材料的某些重要知識(shí)我們有沒(méi)有認(rèn)識(shí)到人體的所有組成部分(包括骨骼在內(nèi))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(guān)天然骨骼的一些基本知識(shí)。

以長(zhǎng)骨為例，骨骼共有三個(gè)基本結(jié)構(gòu)層：表面是關(guān)節(jié)軟骨，接下來(lái)是貼近表面的密質(zhì)骨，最后是松質(zhì)骨。當(dāng)然，人工骨科矯形器械的組成結(jié)構(gòu)無(wú)法與天然骨骼的微觀結(jié)構(gòu)相比，因?yàn)楣趋朗且环N活體材料。骨細(xì)胞通過(guò)再吸收和沉積進(jìn)行愈合過(guò)程。由于健康的骨骼在使用過(guò)程中會(huì)受到損耗，因此會(huì)逐漸形成納米級(jí)或微裂縫，使得骨骼弱化。骨骼以對(duì)其他修復(fù)工作相同的方式對(duì)這種弱化做出反應(yīng)。在發(fā)生再吸收時(shí)，會(huì)派遣破骨細(xì)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(xì)胞開鑿出的細(xì)微區(qū)域。隨后，破骨細(xì)胞到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并沿?fù)p傷部位進(jìn)行收集工作。破骨細(xì)胞用新骨填充受損區(qū)域。新骨吸收全身鈣，成為健康的骨組織。

關(guān)節(jié)軟骨

關(guān)節(jié)軟骨是一種生物材料，在人工髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作中并未引起足夠重視。骨關(guān)節(jié)表面覆蓋有一層強(qiáng)韌、光滑的關(guān)節(jié)軟骨。在大多數(shù)關(guān)節(jié)中，這層軟骨約有5毫米厚，能使關(guān)節(jié)表面相互滑動(dòng)而不造成損傷。這種材料本身必須足夠強(qiáng)韌，以便能承受人體某部分的負(fù)荷并將其轉(zhuǎn)移到其他部分。關(guān)節(jié)軟骨還起到減震器的作用，能減輕應(yīng)力集中以最大限度地減少軟骨下骨承受的峰值壓力。

關(guān)節(jié)軟骨最主要的單一組分為組織間液，根據(jù)軟骨的來(lái)源和完整性，這種物質(zhì)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(xì)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(guān)節(jié)軟骨是一種多孔材料。結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，僅包括相互連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠原纖維。盡管膠原蛋白只占關(guān)節(jié)軟骨的一小部分，但它能將動(dòng)力強(qiáng)度傳遞給整個(gè)結(jié)構(gòu)。如果沒(méi)有其他組織成分與膠原纖維聯(lián)合協(xié)同作用，這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)一旦受到負(fù)荷即會(huì)垮塌。與金屬相比，膠原纖維既不堅(jiān)硬，也不耐久。但是，我們尚未找到一種具有關(guān)節(jié)軟骨的活性和有效性的人工材料。一部分原因是材料開發(fā)工作本身困難重重，但更深層的原因是，100多年來(lái)，我們對(duì)健康人體內(nèi)軟骨的工作原理認(rèn)識(shí)不足。由于它是一種活體材料，因此了解其再生機(jī)制和生物過(guò)程對(duì)開發(fā)生物活性材料非常關(guān)鍵。

聚乙烯

聚乙烯(PE)由英國(guó)骨科矯形外科醫(yī)生JohnCharnley爵士在20世紀(jì)60年代末引入骨科領(lǐng)域。PE擁有簡(jiǎn)單的聚合結(jié)構(gòu)，由沿聚合物長(zhǎng)鏈不斷重復(fù)的CH2單元組成。全關(guān)節(jié)組件中使用的醫(yī)用級(jí)PE分子量從每摩爾400萬(wàn)克到600萬(wàn)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(jiān)固而且柔韌的材料。理論上，PE內(nèi)襯應(yīng)該能像或至少能部分像關(guān)節(jié)軟骨一樣發(fā)揮作用，讓關(guān)節(jié)處的硬金屬表面相互滑動(dòng)而不造成損傷(假設(shè)PE提供優(yōu)異的力學(xué)性能)。不幸的是，這種材料并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。普通UHMWPE并不是理想的材料，尤其在長(zhǎng)期的性能表現(xiàn)方面。根據(jù)對(duì)MOM植入物的觀察，PE由于其磨損率高于MOM，因此還會(huì)產(chǎn)生顆粒。PE還可能發(fā)生疲勞斷裂，尤其是當(dāng)接觸高能照射而產(chǎn)生交聯(lián)UHMWPE時(shí)。高能照射對(duì)聚合物的化學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)屬性的影響十分復(fù)雜。本文作者曾使用模型聚合物(聚丙烯)進(jìn)行相關(guān)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(xué)性質(zhì)的變化范圍。

陶瓷

近25年來(lái)骨科矯形外科應(yīng)用材料取得的最大突破就是髖關(guān)節(jié)置換中的陶瓷材料。相對(duì)于金屬和聚合物而言，陶瓷具有很多優(yōu)勢(shì)。它在所有材料中化學(xué)和生物學(xué)惰性最好。它的強(qiáng)度和硬度也很大。因此，陶瓷對(duì)偶爾沉積在人工關(guān)節(jié)表面之間的細(xì)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(bào)告結(jié)果均證實(shí)，相比金屬或PE，陶瓷產(chǎn)生的磨損率最低，顆粒5–13。雖然報(bào)告的數(shù)據(jù)存在差異，但總體趨勢(shì)和結(jié)論很有說(shuō)服力。這些材料由CeramTec編輯和發(fā)布。金屬對(duì)PE(圖中的Me/PE)磨損率最高，而陶瓷對(duì)陶瓷(Ce/Ce)磨損率最低。

醫(yī)用級(jí)陶瓷的主要缺點(diǎn)在于易碎。與金屬和聚合物不同，陶瓷材料在應(yīng)力作用下不會(huì)變形，但當(dāng)作用在醫(yī)用級(jí)陶瓷材料上的應(yīng)力超過(guò)特定限值時(shí)，陶瓷將會(huì)爆裂。過(guò)去觀察到的全髖關(guān)節(jié)中陶瓷組件的爆裂性斷裂是由于當(dāng)時(shí)陶瓷材料質(zhì)量欠佳所致。但即使是當(dāng)今的醫(yī)用級(jí)陶瓷，仍然易碎。因此，開發(fā)增韌陶瓷不僅是當(dāng)務(wù)之急，也是未來(lái)的工作重點(diǎn)。微斷裂力學(xué)未來(lái)發(fā)展以及微型陶瓷和納米陶瓷復(fù)合材料的設(shè)計(jì)將為醫(yī)療應(yīng)用帶來(lái)更先進(jìn)的陶瓷材料。這種陶瓷復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了高達(dá)7.2MPam1/2的斷裂韌度，這是迄今為止得到的最高斷裂韌度結(jié)果。

骨科矯形器械開發(fā)和設(shè)計(jì)的材料選擇在骨科矯形外科應(yīng)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(zhǎng)。具有生物惰性，因此人體對(duì)顆粒無(wú)反應(yīng)。如果材料旨在刺激新骨的生長(zhǎng)，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(fù)合材料。這種陶瓷復(fù)合材料由泡沫陶瓷(光相)和Ceram開發(fā)的聚合物混合物(暗相)組成。這種雜化材料結(jié)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(fù)合材料制成不同的微觀結(jié)構(gòu)，用于各種應(yīng)用，包括但不限于脊柱融合、縫合錨釘、創(chuàng)傷固定螺釘、股骨植體、牙種植體以及部分和全部關(guān)節(jié)置換。所有這些都遵循設(shè)計(jì)和開發(fā)的基本原理：特定植入裝置采用特定材料。這里再?gòu)?qiáng)調(diào)一次，在項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)以及設(shè)計(jì)控制之前，評(píng)估和選擇材料是成功的關(guān)鍵。

生物活性材料的未來(lái)

那么，骨科矯形外科應(yīng)用的材料未來(lái)會(huì)有何變化很明顯，開發(fā)新的生物活性材料將是一個(gè)基本要求，而這對(duì)材料專家來(lái)說(shuō)將是一個(gè)挑戰(zhàn)。骨科矯形醫(yī)療器械必須在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮生物活性。

另一項(xiàng)挑戰(zhàn)則是開發(fā)新型人工關(guān)節(jié)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(fù)荷，并且充當(dāng)關(guān)節(jié)處的潤(rùn)滑層。新型材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)必須允許加入大量組織間液，一些軟骨細(xì)胞、蛋白多糖等，以便保持足夠的強(qiáng)度和活性。