關節置換的材料是什麼？對人體有害嗎？

我們每天做很多髖、膝關節置換術，經常有患者好奇關節假體是用什麼材料製造的。簡而言之，關節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」。

如果這些科學辭彙讓您感覺比較枯燥，那麼讓我們換一種說法：「你的關節假體和殲20戰鬥機用了同一種材料！」「陶瓷也可以用來做關節假體！」「你的關節假體零件和裝油條的塑膠袋，都是用聚乙烯做的！」您先不用驚訝，這些都是事實，下面我們來詳細介紹關節假體的製造材料。

骨關節置換常見的是髖關節和膝關節，為敘述方便，我們把關節假體分為主體，摩擦界面和骨-假體界面三個部分來講。

1.主體部分

主體部分，即膝關節的脛骨平台托，髖關節的股骨柄和髖臼外杯，一般是TC4鈦合金，由鈦和少量的釩、鋁製成。鈦合金腐蝕，質地輕盈，機械性能良好，在工業上被譽為「航天金屬」：美國的SR-71高空偵察機就是鈦合金做的外殼，我國最新型的殲20戰鬥機裡鈦合金比例高達20%。

在各種金屬中，鈦合金力學參數比較接近人骨，和骨頭有良好的力學相容性，既不因為太軟支撐不住，又不容易因為太硬壓壞骨頭。鈦合金表面有一層緻密的氧化層，在人體內很難被腐蝕，生物相容性好，極少有排斥反應，目前也沒有發現明確的毒害作用。雖然有種種優異的性能使鈦合金成為了骨科內植物的理想材料，但鈦合金難冶煉，更難加工，這是關節假體價格較貴的原因之一。

2.摩擦界面

（1）金屬：

摩擦界面是關節活動功能的核心。如果是金屬構成的摩擦界面，例如髖關節假體的金屬股骨頭和膝關節假體的股骨髁，採用的是鈷-鉻或鈷鉻鉬合金。這類合金最突出的特性是耐磨。鈷在工業上用於製造硬質合金刀具，鉬更是坦克裝甲不可或缺的金屬材料。強強聯合製成的合金，耐磨耐衝擊，用這些合金製造關節假體摩擦界面，利於延長假體壽命，減少有害的磨損碎屑產生。

（2）聚乙烯：

為了緩衝和耐磨，膝關節脛骨和股骨假體中間需要放置一片塑料墊片，髖關節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，從臉盆到塑膠袋都有它的身影。關節假體要植入人體，還要使用很多年不損壞，用這麼低端的塑料會不會難以勝任呢？其實歷史上，人類也嘗試過更高級的塑料，比如聚四氟乙烯（特氟龍）但表現都不理想，經過多年大浪淘沙的篩選，聚乙烯以優良的耐磨損和抗衝擊性能成為了最優選擇。關節假體所用的聚乙烯，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，製造出「超高分子量聚乙烯」，獲得了更好的耐磨損性能，更低的摩擦係數。90年代以來，又通過化學反應甚至高能射線，輔以精細的熱處理，讓聚乙烯分子相互「拉起手來」，形成高交聯聚乙烯，進一步增加耐磨性。所以，關節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，其實不是同一層次的東西了。

（3）陶瓷：

陶瓷確實可以用來製造人工關節，不但如此，目前最先進的髖關節假體都使用了陶瓷的。關節假體選用的陶瓷材料，不是您家裡做碗的那種。生活中的陶瓷，是由黏土經過高溫燒結，形成的堅硬材料；而關節假體的陶瓷，製造原料是高純度的氧化鋁、氧化鋯，燒結的溫度也更高，控制得更嚴格。氧化鋁和氧化鋯是什麼呢？天然的氧化鋯晶體稱為斜鋯石，您不知道斜鋯石是什麼沒關係，那麼氧化鋁的天然晶體您一定聽說過：藍寶石和紅寶石——都是高硬度的寶石。這樣出色材料和特殊工藝製造出的陶瓷，既耐磨又堅硬。陶瓷製造的髖關節假體，每年隻磨損5微米（20萬分至一米），經久耐用，是年輕患者的最佳選擇。

瓷碗容易摔碎，於是人們發明了搪瓷碗，關節假體的研發思路也是一樣的。早期的陶瓷髖關節假體容易碎裂，未解決這一問題，人們在假體金屬表面燒結一層陶瓷，成為「黑晶」假體。這樣既保留了陶瓷的耐磨特性，也佔到了金屬不宜碎裂的好處。實際上，現在的第四代陶瓷假體，已經極少發生碎裂，黑晶假體和陶瓷假體各有千秋，並沒有明確的優劣之分。

3.骨-假體界面

假體需要固定在骨頭上，對於多數膝關節假體和少數髖關節假體，假體和骨頭之間需要塗抹一層」骨水泥」，就像砌牆用的灰漿一樣，通過填塞骨面和假體的縫隙，來實現假體的固定。「骨水泥」是一種聚合材料，它的化學名稱叫做「聚甲基丙烯酸甲酯」。「聚甲基丙烯酸甲酯」還有一個更通俗的名字——「有機玻璃」，這又是一種生活中常見的材料，就是用來製作公車站台廣告牌和印章的那個。普通的有機玻璃經過化學改性，使其更適宜骨科應用，就成了骨水泥。骨水泥化學性質穩定，生物相容性好，應用於骨科手術已有超過60年的歷史。

當然，在髖關節，大部分情況下是不需要這層水泥的，取而代之的是一些塗層物質，包塊羥基磷灰石、微小鈦珠或者噴砂製成的粗糙面以及骨小梁塗層等，都是為了讓骨頭和金屬假體之間實現生物癒合，也就是長在一起。

總結

以上便是關節假體的常用材料。一副關節假體看似不起眼，但它的背後是冶金、化工，機械加工等多領域科技的融合，是人工關節外科幾十年嘗試和積累的凝聚，其複雜和精妙令人嘆為觀止。