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關(guān)節(jié)置換的材料是什么?對(duì)人體有害嗎?

2021-05-10
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我們每天做很多髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù),經(jīng)常有患者好奇關(guān)節(jié)假體是用什么材料制造的。簡(jiǎn)而言之,關(guān)節(jié)假體常用的材料有稀有合金(鈦合金、鈷鉻合金)、聚乙烯和陶瓷,固定假體用的是骨水泥“聚甲基丙烯酸甲酯”。

如果這些科學(xué)詞匯讓您感覺比較枯燥,那么讓我們換一種說法:“你的關(guān)節(jié)假體和殲20戰(zhàn)斗機(jī)用了同一種材料!”“陶瓷也可以用來做關(guān)節(jié)假體!”“ 你的關(guān)節(jié)假體零件和裝油條的塑料袋,都是用聚乙烯做的!”您先不用驚訝,這些都是事實(shí),下面我們來詳細(xì)介紹關(guān)節(jié)假體的制造材料。

骨關(guān)節(jié)置換常見的是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié),為敘述方便,我們把關(guān)節(jié)假體分為主體,摩擦界面和骨-假體界面三個(gè)部分來講。

1.主體部分

主體部分,即膝關(guān)節(jié)的脛骨平臺(tái)托,髖關(guān)節(jié)的股骨柄和髖臼外杯,一般是TC4鈦合金,由鈦和少量的釩、鋁制成。鈦合金腐蝕,質(zhì)地輕盈,機(jī)械性能良好,在工業(yè)上被譽(yù)為“航天金屬”:美國(guó)的SR-71高空偵察機(jī)就是鈦合金做的外殼,我國(guó)最新型的殲20戰(zhàn)斗機(jī)里鈦合金比例高達(dá)20%。

在各種金屬中,鈦合金力學(xué)參數(shù)比較接近人骨,和骨頭有良好的力學(xué)相容性,既不因?yàn)樘浿尾蛔?,又不容易因?yàn)樘矇簤墓穷^。鈦合金表面有一層致密的氧化層,在人體內(nèi)很難被腐蝕,生物相容性好,極少有排斥反應(yīng),目前也沒有發(fā)現(xiàn)明確的毒害作用。雖然有種種優(yōu)異的性能使鈦合金成為了骨科內(nèi)植物的理想材料,但鈦合金難冶煉,更難加工,這是關(guān)節(jié)假體價(jià)格較貴的原因之一。

2.摩擦界面

(1)金屬:

摩擦界面是關(guān)節(jié)活動(dòng)功能的核心。如果是金屬構(gòu)成的摩擦界面,例如髖關(guān)節(jié)假體的金屬股骨頭和膝關(guān)節(jié)假體的股骨髁,采用的是鈷-鉻或鈷鉻鉬合金。這類合金最突出的特性是耐磨。鈷在工業(yè)上用于制造硬質(zhì)合金刀具,鉬更是坦克裝甲不可或缺的金屬材料。強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合制成的合金,耐磨耐沖擊,用這些合金制造關(guān)節(jié)假體摩擦界面,利于延長(zhǎng)假體壽命,減少有害的磨損碎屑產(chǎn)生。

(2)聚乙烯:

為了緩沖和耐磨,膝關(guān)節(jié)脛骨和股骨假體中間需要放置一片塑料墊片,髖關(guān)節(jié)假體髖臼部分也可以選擇塑料的襯墊。聚乙烯是一種古老且常見的塑料,日程生活中,從臉盆到塑料袋都有它的身影。關(guān)節(jié)假體要植入人體,還要使用很多年不損壞,用這么低端的塑料會(huì)不會(huì)難以勝任呢?其實(shí)歷史上,人類也嘗試過更高級(jí)的塑料,比如聚四氟乙烯(特氟龍)但表現(xiàn)都不理想,經(jīng)過多年大浪淘沙的篩選,聚乙烯以優(yōu)良的耐磨損和抗沖擊性能成為了最優(yōu)選擇。關(guān)節(jié)假體所用的聚乙烯,和用來做塑料臉盆的略有不同。60年代人們通過增加普通聚乙烯分子大小,制造出“超高分子量聚乙烯”,獲得了更好的耐磨損性能,更低的摩擦系數(shù)。90年代以來,又通過化學(xué)反應(yīng)甚至高能射線,輔以精細(xì)的熱處理,讓聚乙烯分子相互“拉起手來”,形成高交聯(lián)聚乙烯,進(jìn)一步增加耐磨性。所以,關(guān)節(jié)假體所用的聚乙烯和生活中常見的聚乙烯,除了名字和類似之外,其實(shí)不是同一層次的東西了。

(3)陶瓷:

陶瓷確實(shí)可以用來制造人工關(guān)節(jié),不但如此,目前最先進(jìn)的髖關(guān)節(jié)假體都使用了陶瓷的。關(guān)節(jié)假體選用的陶瓷材料,不是您家里做碗的那種。生活中的陶瓷,是由黏土經(jīng)過高溫?zé)Y(jié),形成的堅(jiān)硬材料;而關(guān)節(jié)假體的陶瓷,制造原料是高純度的氧化鋁、氧化鋯,燒結(jié)的溫度也更高,控制得更嚴(yán)格。氧化鋁和氧化鋯是什么呢?天然的氧化鋯晶體稱為斜鋯石,您不知道斜鋯石是什么沒關(guān)系,那么氧化鋁的天然晶體您一定聽說過:藍(lán)寶石和紅寶石——都是高硬度的寶石。這樣出色材料和特殊工藝制造出的陶瓷,既耐磨又堅(jiān)硬。陶瓷制造的髖關(guān)節(jié)假體,每年只磨損5微米(20萬分至一米),經(jīng)久耐用,是年輕患者的最佳選擇。

瓷碗容易摔碎,于是人們發(fā)明了搪瓷碗,關(guān)節(jié)假體的研發(fā)思路也是一樣的。早期的陶瓷髖關(guān)節(jié)假體容易碎裂,未解決這一問題,人們?cè)诩袤w金屬表面燒結(jié)一層陶瓷,成為“黑晶”假體。這樣既保留了陶瓷的耐磨特性,也占到了金屬不宜碎裂的好處。實(shí)際上,現(xiàn)在的第四代陶瓷假體,已經(jīng)極少發(fā)生碎裂,黑晶假體和陶瓷假體各有千秋,并沒有明確的優(yōu)劣之分。

3.骨-假體界面

假體需要固定在骨頭上,對(duì)于多數(shù)膝關(guān)節(jié)假體和少數(shù)髖關(guān)節(jié)假體,假體和骨頭之間需要涂抹一層”骨水泥”,就像砌墻用的灰漿一樣,通過填塞骨面和假體的縫隙,來實(shí)現(xiàn)假體的固定。“骨水泥”是一種聚合材料,它的化學(xué)名稱叫做“聚甲基丙烯酸甲酯”。“聚甲基丙烯酸甲酯”還有一個(gè)更通俗的名字——“有機(jī)玻璃”,這又是一種生活中常見的材料,就是用來制作公交站臺(tái)廣告牌和印章的那個(gè)。普通的有機(jī)玻璃經(jīng)過化學(xué)改性,使其更適宜骨科應(yīng)用,就成了骨水泥。骨水泥化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,生物相容性好,應(yīng)用于骨科手術(shù)已有超過60年的歷史。

當(dāng)然,在髖關(guān)節(jié),大部分情況下是不需要這層水泥的,取而代之的是一些涂層物質(zhì),包塊羥基磷灰石、微小鈦珠或者噴砂制成的粗糙面以及骨小梁涂層等,都是為了讓骨頭和金屬假體之間實(shí)現(xiàn)生物愈合,也就是長(zhǎng)在一起。

總結(jié)

以上便是關(guān)節(jié)假體的常用材料。一副關(guān)節(jié)假體看似不起眼,但它的背后是冶金、化工,機(jī)械加工等多領(lǐng)域科技的融合,是人工關(guān)節(jié)外科幾十年嘗試和積累的凝聚,其復(fù)雜和精妙令人嘆為觀止。

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