1、人工关节人工关节 相相关材料学关材料学n制造制造材料材料的的发展发展 n假体假体设计设计的的改进改进 n手术手术技术技术的提高的提高人工关节外科发展的动因人工关节外科发展的动因生物材料的定义生物材料的定义1.不是药物2.可以是单一物质或复合物3.可以是天然存在的或人工合成的4.可以在体内存留一定的时间5.作为一个系统或一个系统的一部分发挥功能6.用以保存、加强或替代某一组织、系统甚或机体的功能生物材料的分类生物材料的分类1，生物活性材料生物活性材料：在体内具有生物活性，能刺激、促进特定组织的生成2，生物惰性材料生物惰性材料：在体内没有生物活性，不能对特定组织的生成起促进作用3，生物降解材料生物
2、降解材料：在体内能随时间推移而自动降解的生物材料生物材料的基本要求生物材料的基本要求p 生物相容性p 机械特性生物相容性生物相容性机械特性机械特性制造特性制造特性 组织反应 植入后的变化机械的物理的化学的 降解引起的反应局部反应全身影响 弹性 屈服强度 延展性 韧性 蠕变 最终强度 疲劳强度 硬度 抗磨损性 加工方法 生物相容性和机械特性的一致 原材料质量 能获得理想的表面处理 能安全有效地消毒 制造成本人工关节生物材料的总体要求人工关节生物材料的总体要求人工关节生物材料的分类人工关节生物材料的分类1，结构材料结构材料：构成并维持假体的特殊形状。对材料的机械性能要求较高。2，关节面材料关节面材
3、料：构成人工关节的关节面。对维持一定的形态、表面光洁度、耐摩擦等有较高的要求。3，固定材料固定材料：主要用于假体与宿主骨之间的联结固定。用于人工关节的生物材料用于人工关节的生物材料u 金属金属u UHMWPEu 陶瓷陶瓷u PMMAu HA/CaP人工关节材料的标准人工关节材料的标准ASTM 美国美国材料和测试材料和测试学会学会（American Society for Testing and Materials）ISO 国际标准化组织国际标准化组织（International Standards Organization）结构、固定与关节结构、固定与关节材材 料料髋臼假体髋臼假体股骨假体股骨
4、假体ASTMASTM名称名称关节关节结构结构固定固定关节关节结构结构固定固定金属金属F-67F-67纯纯Ti-+-+F-75F-75铸造铸造CoCr-+F-90F-90锻造锻造CoCr-+F-136F-136Ti6Al4VTi6Al4V-+-+F-1295F-1295Ti6Al7NbTi6Al7Nb-+-+-F-1314F-1314高氮不锈钢高氮不锈钢-+-F-1472F-1472锻造锻造Ti6Al4V-+-+-F-1537F-1537锻造锻造CoCrMo+-+-多聚物多聚物F-451F-451PMMAPMMA-+-+F-648F-648UHMWPEUHMWPE+-陶瓷陶瓷F-603F-603
5、氧化铝氧化铝+-+-F-1185F-1185HAHA-+-+ZrOZrO2 2氧化锆氧化锆-+-生物材料在人工髋关节的应用生物材料在人工髋关节的应用结构、固定与关节之间的组配结构、固定与关节之间的组配金属的构成金属的构成CrNiMoMnCSiPSCuFeCo316L17.0013.002.251.400.0240.820.0250.0090.5余量余量-CoCrMo28.360.36.10.420.270.63-0.46余量余量316L316L不锈钢与不锈钢与CoCrMoCoCrMo合金的化学成分比较合金的化学成分比较 (重量百分比重量百分比)金属的晶格金属的晶格金属晶格的缺陷金属晶格的缺陷金
6、属晶格缺陷的处理金属晶格缺陷的处理p 添加合金成分添加合金成分 p 热处理热处理 p 冷作冷作最终拉伸强度最终拉伸强度（MPa）屈服强度（屈服强度（MPa）延长百分比（延长百分比（%）铸造铸造（ASTM F-75）6556554504508 8锻造锻造（ASTM F-799）117211728278271212铸造与锻造铸造与锻造CoCrMoCoCrMo合金机械性能比较合金机械性能比较不同钴铬钼合金的机械性能不同钴铬钼合金的机械性能不同钴铬钼合金的显微结构不同钴铬钼合金的显微结构Forged Cast材材 料料弹性模量（弹性模量（GPa）关节软骨关节软骨0.010.01-0.170.17天然橡
7、胶天然橡胶0.0250.025-0.10.1硅胶硅胶0.010.01UHMWPEUHMWPE0.50.5PMMAPMMA3.03.0骨骨1010-3030TiTi合金合金110110氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷200200不锈钢不锈钢205205CoCrMoCoCrMo合金合金230230氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷350350相关人体组织与生物材料的弹性模量相关人体组织与生物材料的弹性模量材料的弹性模量材料的弹性模量金属的腐蚀金属的腐蚀p 腐蚀是金属表面的一个电化学过程，能减腐蚀是金属表面的一个电化学过程，能减弱植入物的强度，并释放出一定量的金属离子弱植入物的强度，并释放出一定量的金属离子p 腐蚀在抛光的金
8、属表面很少发生，而在粗腐蚀在抛光的金属表面很少发生，而在粗糙或多孔表面则更容易糙或多孔表面则更容易p 腐蚀的结果是在植入物表面出现蚀损斑和腐蚀的结果是在植入物表面出现蚀损斑和着色。而金属表面的凹陷或其他形式的不连续着色。而金属表面的凹陷或其他形式的不连续将成为应力放大器，从而加速假体机械失败的将成为应力放大器，从而加速假体机械失败的进程进程金属的电腐蚀金属的电腐蚀n 不恰当的金属合金混用会产生不恰当的金属合金混用会产生“电电池池”效果，使体液内的人工关节假体发效果，使体液内的人工关节假体发生所谓的生所谓的“电腐蚀电腐蚀”普通不锈钢普通不锈钢+钴铬合金钴铬合金 XX普通不锈钢普通不锈钢+钛合金钛
9、合金 XMRIMRI对植入物的作用对植入物的作用（1）植入装置的移位；）植入装置的移位；（2）植入装置局部产热；）植入装置局部产热；（3）局部电流产生；）局部电流产生；（4）伪影）伪影影响影响MRIMRI安全性的因素安全性的因素p 植入物材料是铁磁性的还是非铁磁性的植入物材料是铁磁性的还是非铁磁性的p 植入物是主动性的还是被动性的植入物是主动性的还是被动性的p MR条件，如静态磁场强度等条件，如静态磁场强度等 磁场强度问题磁场强度问题p 地球地球 0.6 高斯高斯p MRI 2000-30000 高斯高斯p FDA的的MRI安全极限安全极限 80000 高斯高斯不锈钢不锈钢n 1904年问世，
10、年问世，1926年用于骨科临床年用于骨科临床n 生物相容性、疲劳寿命、抗腐蚀能生物相容性、疲劳寿命、抗腐蚀能力、表面多孔处理方法均不如力、表面多孔处理方法均不如CoCr合合金金n 现仅用于球头、低成本骨水泥柄等现仅用于球头、低成本骨水泥柄等高氮不锈钢高氮不锈钢无镍不锈钢无镍不锈钢普通不锈钢普通不锈钢屈服强度（屈服强度（MPa）600600250250拉伸强度（拉伸强度（MPa）10001000590590延长（延长（%）50505757疲劳强度（疲劳强度（MPa）480480180180 无镍不锈钢与普通不锈钢机械性能对照无镍不锈钢与普通不锈钢机械性能对照钴铬钼合金钴铬钼合金p 1930年度开
11、始用于间隔性关节成形术年度开始用于间隔性关节成形术p Howmedica公司的公司的Vitallium是最重要的是最重要的代表代表p 高强度、高硬度、高抗腐蚀性，成为关节高强度、高硬度、高抗腐蚀性，成为关节面的主要材料面的主要材料p 广泛应用于股骨柄、球头、股骨髁等广泛应用于股骨柄、球头、股骨髁等钛钛u 商业性纯钛：商业性纯钛：cP-Tiu 钛铝钒合金：钛铝钒合金：Ti6Al4Vu 钛铝铌合金：钛铝铌合金：Ti6Al7Nb u 其他新型合金其他新型合金钽金属（钽金属（TantalumTantalum）钽金属（钽金属（TantalumTantalum）钽金属（钽金属（TantalumTantal
12、um）钽金属（钽金属（TantalumTantalum）乙烯与聚乙烯乙烯与聚乙烯PEPE的结晶板层与无定形区的结晶板层与无定形区PEPE与与PEPE产品产品UHMWPEUHMWPE的交联的交联产品名称产品名称制造商制造商辐射温度辐射温度辐射剂量辐射剂量 (KGy)辐射方式辐射方式辐射后辐射后热热 处理处理消毒方式消毒方式LongevityZimmer100电离电离6h等离子气体等离子气体DurasulCenterpulse95电离电离2hEtODePuy室温室温50射线射线24h等离子气体等离子气体XLPESmith Nephew室温室温100射线射线未知时间未知时间EtOCrossfireS
13、tryker室温室温75射线射线未知时间未知时间射线射线 30KGy 氮气中氮气中AnonianKyocera室温室温35射线射线10h射线射线 2540KGy 氮氮气中气中不同品牌高交联不同品牌高交联UHMWPEUHMWPE的生产过程的生产过程smoothsmoothsmoothsmoothrough rough rough rough smoothsmoothsmoothsmoothroughroughroughroughPEXLPE高交联高交联PEPE的磨损的磨损不同髋关节界面磨损比较不同髋关节界面磨损比较黑晶（黑晶（OxiniumOxinium）黑晶（黑晶（OxiniumOxinium）Thank You!
