人工关节的发展起始于人工髋关节，除了目前广泛开展的人工髖关节及膝关节置换外，人工关节置换已经用于治疗肩关节、肘关节、腕关节、指间关节及踝关节等疾患。人工关节置换尤其是髋关节和膝关节置换，已成为关节病变和关节损伤而造成关节功能丧失的主要治疗方法与手段，它能有效的重建关节功能，提高患者的生活质量。我国在60年代以后逐步开展人工关节的研制和应用，随着工业水平的提高，在40年内我国人工关节的研制及各种类型的人工关节的应用逐步跟上了世界人工关节技术的发展步伐。

人工关节的发展与材料学的进步密切相关，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。

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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。早期的人工关节是不锈钢制造的，但因其耐腐蚀性和强度不及钛合金与钴合金，已逐渐被后两者所替代。

（1）不锈钢：不锈钢是最早用作人工关节的金属材料。不锈钢材料虽然具有一定的抗腐蚀能力和机械强度，曾被用来制造人工关节假体，但是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，在人工关节的制造材料中，不锈钢已经逐渐被更好的材料如钴基合金和钛合金所替代，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，与不锈钢相比，其钝化膜更稳定，抗腐蚀性更好。钴基合金是目前常用来制造人工关节关节面的金属材料，为了达到表面的高光洁度以减少磨损，多采用数控车床车削后研磨，再进行超高表面抛光技术处理。为了使假体材料能和骨组织紧密结合，可以将用于假体柄的材料表面进行处理形成微孔涂层。涂层的材料可以是金属粉，也可以是生物活性陶瓷，如羟基磷灰石，以增加假体和骨组织的相容性及结合能力。

（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。临床应用较多的合金是 Ti-6Al-4V，其强度高、延展性好，耐腐蚀性能优良、弹性模量与人体骨骼接近，尤其适用于负荷强度很大的下肢关节。但其耐磨性相对较差，Ti-6Al-4v合金中的有毒元素钒进入人体，可以引起毒性反应造成损害，且极少数病人对钛合金有过敏现象，目前已经研制出一些表面处理技术用来改善钛合金的硬度和抗磨损特性。为了提高钛合金生物活性，通常在钛合金表面制备一层具有生物活性的陶瓷涂层，人工关节材料植入体内后，可与宿主骨形成牢固的骨性键合，且无毒性、无导致突变的危险、耐腐蚀，具有优异的生物相容性和生物活性。

纯钛涂层，等离子喷涂，电泳沉积结合真空等离子技术，保证最佳骨长入，实验见假体植入体内3周后骨长入情况。

（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。材料特性：抗刮擦力 和Cocr相比，Oxinium可以减少对骨水泥的磨损达4900倍。试验后Oxinium的光滑度是其160倍。抗聚乙烯磨损和Cocr相比，Oxinium降低聚乙烯磨损达85%。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10、11）

人工股骨头OXINIUM黑晶材料

（二）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。UHMWPE平均分子量约35万～800万，因分子量高而具有其它塑料无可比拟的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能，耐磨性高于一般的金属和塑料制品。关节替代材料是UHMWPE在医学中应用最多的领域。UHMWPE广泛应用在完全关节替代物上已经有40多年的历史。在人工关节中主要作为衬垫材料，承载上下骨的摩擦与运动。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。

特制超高分子量聚乙烯髋臼杯

虽然UHMWPE具有很多优点，但是随着应用时间的延长，人们逐渐发现，在松动的人工关节假体与骨界面间存在一层界膜，病理检查发现有弥漫的巨噬细胞、异物巨细胞浸润及大量UHMWPE磨屑，磨屑的形成及随后介导炎症反应引起的骨溶解是人工关节无菌性松动的主要原因。

（三）陶瓷材料

最初的陶瓷人工关节并不完善，陶瓷人工关节到目前为止已经经历了四代工艺改进，逐渐趋于完善（图13）。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。陶瓷材料主要有氧化铝陶瓷(Al2O3)、氧化锆陶瓷(ZrO2)和羟基磷灰石(HA) 生物活性陶瓷等，目前最常用的是 Al2O3和 ZrO2陶瓷。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。

而且，陶瓷材料可以在体内保持生物惰性，不会有金属离子析出，陶瓷材料的强度尺寸及密度也有了进一步的改善，但是，在关节置换术中可能发生陶瓷假体破损的并发症，导致手术失败。此外，假体部件不匹配，假体混配，外力创伤以及高强度载荷运动也可能导致陶瓷假体破裂，导致手术失败。

图13  第4代40mm大头陶瓷对陶瓷人工全髋关节

图14 关节液在陶瓷表面形成液膜，优异的亲水性，保证了关节面的润滑作用，其效果远优于其它材料。

图15 新一代非骨水泥压配固定髋臼系统第四代纳米复合陶瓷界面，纳米复合陶瓷界面关节置换术后7年，新生关节囊病理显示无陶瓷碎屑，滑膜表面光滑，轻度纤维化。

目前临床广泛应用的三种材料人工关节均有其各自的优缺点，而导致关节置换手术失败的主要原因为人工关节材料间出现的磨损，在磨损的过程中能够产生磨屑，置换部位因为磨屑的存在诱发无菌性炎症，进而影响了人工关节的使用效果。因此，研究新的材料以及人工关节的设计、造型、结构、固定方法等，以构建良好生物相容、耐蚀性、耐磨性、耐疲劳性、强韧性好及弹性模量更接近人体皮质骨的人工关节材料，对于提高工关节的质量和延长人工关节的使用时间具有十分深远的意义，也是全体医生和工程材料技术人员共同努力的目标。