超高分子量聚乙烯表面仿生多孔结构的制备及其摩擦学性能研究(2)
经能够应用多种金属或合金、高分子聚合物、碳质材料、陶瓷材料等对患者进行骨或关节的置换。目前, 人工关节的置换包括有骸、膝、肩、肘、腕等关节，但以骸关节和膝关节置换为主，因为骸关节和膝关节是人体主要的受力和磨损部位，损坏率高。在我国，大约有3000万人需要进行人工关节植入手术，但目前只有万套，市场潜力很大。其中进口产品市场约占1/4，主要用户在大中城市的大中型医院，而国产产品的主要用户是经济相对落后地区的医院。预计人工关节的需求随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，将会不断扩大，年增长约为25%以上，年需求量将达到20～30万套。
而作为人工关节用材料，也经历了近百年的发展过程。19世纪50年代以前，采用的是白金和银等贵金属，其价格昂贵。后来应用的高速钢、含钒钢等金属，都因受到体液的腐蚀而失败。直到1890年，德国人用象牙研究成功了人工关节。 20世纪20年代，不锈钢广泛作为人体植入物材料。1936年左右, 使用了称之为文塔利姆高钴铬铝耐热合金。从此人工关节用材料得以迅速发展。常用材料主要包括金属材料、聚合物高分子材料、陶瓷材料等。其主要特点见表1。
表1 人工关节常用材料一览表
序号 类别 代表性材料 特点
1 金属材料 不锈钢、钛及钛合金、钴铬钼合金、钴镍铬钼合金等 具有优良的加工性能及抗压强度，但容易腐蚀
2 高分子材料 聚乙烯、硅橡胶、超高分子量聚乙烯等 低摩擦系数，晚期易磨损
3 陶瓷材料 氧化铝陶瓷和羟基磷灰石 硬度、高弹性模量和材料和经基磷灰石高抗压强度以及优良的耐磨损性, 而且具有良好的生物相容性和化学稳定性, 但较其它材料质脆且易折（应力集中）
4 碳基生物材料 热解碳、玻璃碳、气相沉积碳等 生物相容性好、化学性物材料相沉积碳等能稳定、机械性能好,缺点是抗弯强度低
人工关节作为一种植入器官, 至少须满足以下几点要求：
（1）生物相容性，即材料本身对人体的正常生理功能无不良影响。
（2）生物力学相容性，人体植入物与周围组织在力学上的反应要匹配。
（3）生物结合性，即植入物与周围的组织彼此依附结合，植入物尽量少用附加材料固定。
人工关节的设计目标为①能使50用年；②低摩擦, 几乎没有磨损碎片；③结构简单, 满足生活所需的功能范围；④好固定, 由骨水泥固定或生物自锁固定等。此外,还要求人工关节所使用的材料具备很好的耐腐蚀性,不被体液或组织所侵蚀,易于合成和制造、加工,便于大量生产和质量检测。而且人工关节必须便于临床操作,价格低廉,易于推广应用。
表2 几种工程塑料的动摩擦因数
材料名称 动摩擦因数µ
自润滑 水润滑 油润滑
UHMW-PE 0.10~0.22 0.05~0.10 0.05~0.08
聚四氟乙烯 0.04~0.25 0.04~0.08 0.04~0.05
尼龙66 0.15~0.40 0.14~0.19 0.02~0.11
聚甲醛 0.15~0.35 0.10~0.20 0.05~0.10
而在聚合物高分子材料在人工关节中的应用，聚乙烯（PE）是最早被用于人工关节的高分子材料，以后又采用性能更好的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。由于其较低的动摩擦因数，表2为UHMWPE与其他工程塑料摩擦因数的比较，它已成为用于人工腕关节、膝关节与骸臼等，较好地解决了人工关节的摩擦磨损问题。超高分子量聚乙烯的使用曾是现代人工关节成熟的标志。其主要用于关节凹等摩擦面，如人工髓臼等。聚乙烯用于解决人工关节的摩擦问题，收到了较好的效果。