关节损伤、关节炎等疾病严重影响人类健康，致残率极高，严重的患者不得不接受关节置换手术，利用人工关节代替严重病变、影响患者生活质量的关节。人工关节主要是指人工髖关节及膝人工肩关节、肘关节、腕关节、指间关节及踝关节等。关节置换能有效的重建关节功能，提高患者的生活质量。每年，仅美国就实施上百万例关节置换手术，市值超过600亿美元。这期，小编就和您一起聊聊人工关节的那些事儿。
追根溯源
人工关节材料的研究最早可以追溯到19世纪末，从Gluck采用象牙制造的髋臼及股骨头行人工关节置换开始，同时使用松香、浮石粉和塑料混合制成的骨胶来固定假体，是骨水泥型假体的先驱。在两次世界大战期间，分别出现了玻璃杯关节成形术、生物惰性钴铬钼合金制造的髋臼、不锈钢全金属人工髋关节，成为现代全髋关节置换的先驱。
1960年代，Charnley开创性的应用高分子聚乙烯材料作为髋臼内衬和金属股骨头相配伍，设计出了低摩擦人工关节，并将聚甲基丙烯酸甲酯作为固定粘合剂，使人工关节具有低摩擦、低松动发生率、高稳定性等优点（图1），成为现代人工关节的“金标准”。随后，陆续发展了基于陶瓷的全髋关节假体等新型人工关节。
图1 Charnley髋关节假体
什么材料能做人工关节？
1.人工关节材料需要具备的特性
人工关节材料必须具有以下特性：具备足够的强度以及抗疲劳、抗磨损的能力、具有良好的生物相容性，无毒副作用，耐体液的化学腐蚀和电化学腐蚀、密度低，弹性模量接近于人的皮质骨。此外，材料除了应该满足功能需求外还应满足人工关节在制备加工、消毒、保存等过程中的要求。
2.人工关节材料的种类
（一）金属材料
金属材料以其良好的力学性能、易加工性和可靠性在人工关节材料中被广泛应用，常用来制作结构复杂和必须承受很大力量的人工关节。
（1）不锈钢：不锈钢是最早用作人工关节的金属材料。它具有一定的抗腐蚀能力和机械强度，但医用不锈钢的腐蚀造成其长期植入的稳定性差；其密度和弹性模量与骨组织相距较大，导致力学相容性差；材料本身无生物活性，难于和骨组织形成牢固结合，因此，已经逐渐淘汰，欧美等国现已限制不锈钢的临床使用。
（2）钴基合金：目前有铸造钴铬钼合金和锻造钴铬钼合金两种，后者力学性能更优越。钴基合金在人体内多保持钝化状态，很少见腐蚀现象，但由于金属摩擦腐蚀造成Co、Ni等离子的溶出，在体内会引起细胞和组织的坏死，从而导致患者疼痛、关节松动、下沉等并发症。
图2 钴铬钼合金-聚乙烯人工关节
（3）钛及钛合金：纯钛在生理环境中具有良好的抗腐蚀性能，但其强度较低，耐磨损性能较差，限制了它在承载较大部位的应用，需进行合金化处理。
（4）OXINIUM黑晶材料：97.5%锆+2.5%铌-锆铌合金，生物相容性最好的金属元素之一。具有超强硬度、良好的生物相容性、高配伍性、表面完整性等优点。（图3）
图3 使用OXINIUM黑晶材料制成的人工股骨头
（二）陶瓷材料
陶瓷材料不仅具有良好的生物相容性，而且具有超高硬度、耐磨性和耐蚀性，能够解决金属和高分子假体材料的磨损颗粒引起的骨溶解问题；另外陶瓷还可以克服假体在体内释放金属离子的问题。陶瓷材料具有很好的亲水能力，作为人工关节可以保证关节的润滑性。但是，在关节置换术中可能发生陶瓷假体破损的问题，导致假体失败。有些假体存在异响，给患者造成困扰。
图4 陶瓷人工关节
（三）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）
UHMWPE是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，平均分子量150万以上，具有卓越的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。自1960年代Charney首次将UHMWPE应用于人工关节以来，UHMWPE已经在临床应用50多年，在人工关节中主要作为衬垫材料，为胫骨和股骨提供承载和润滑作用。大量的临床实践证明，以UHMWPE为人工关节关节面材料的假体临床效果比较满意，是当今最主要的人工关节材料，也是唯一的人工关节高分子材料。（图5）
图5 基于UHMWPE的人工髋关节(a)和膝关节(b)
在长期的临床应用中，人们发现传统的UHMWPE会因磨损而在体内产生磨屑，进而导致关节假体松动、脱位、骨溶解等问题。因此，开发稳定、高强度、高耐磨的UHMWPE对于改善人工关节性能、提高人工关节寿命至关重要。
中科院宁波材料所生物医用高分子材料团队针对UHMWPE发展前沿和临床对高性能人工关节的需求，重点围绕高强度、低磨损、抗氧化医用超高分子量聚乙烯的关键科学和技术难题进行攻关，自主开发了先进的结构调控技术、抗氧化技术、成型加工工艺和装备、磨损性能评价设备等，成功研发了具有高强度、低磨损、抗氧化的新型UHMWPE材料。将材料的断裂伸长率、断裂能和冲击强度分别提高到原来的2.5、2.1和1.4倍，磨损速率降低了80%以上，综合性能全面超过国外同类产品水平，已经实现了规模化制备，正在进行生物安全性评价。
相关研究得到了国家重点研发计划支持，已授权中国发明专利两项，有关成果得到了国际同行的重点关注，被评为本领域三大代表性进展之一。相关论文获得2015年度美国骨与关节医师协会刊物《临床骨科与相关研究》（CORR）最佳论文奖，该刊主编专门采访并撰文介绍有关成果。
未来，该团队将推动该技术产业化，为人工关节产业的发展提供材料基础，造福患者和社会。