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，下面我們來詳細介紹關(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-假體界面三個部分來講。

1.主體部分

主體部分，即膝關(guān)節(jié)的脛骨平臺托，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，機械性能良好，在工業(yè)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(zhàn)斗機里鈦合金比例高達20%。

在各種金屬中，鈦合金力學參數(shù)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。強強聯(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(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，又通過化學反應(yīng)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(lián)聚乙烯，進一步增加耐磨性。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，其實不是同一層次的東西了。

（3）陶瓷：

陶瓷確實可以用來制造人工關(guān)節(jié)，不但如此，目前最先進的髖關(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)過高溫燒結(jié)，形成的堅硬材料；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，人們在假體金屬表面燒結(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，來實現(xiàn)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，就是用來制作公交站臺廣告牌和印章的那個。普通的有機玻璃經(jīng)過化學改性，使其更適宜骨科應(yīng)用，就成了骨水泥。骨水泥化學性質(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現(xiàn)生物愈合，也就是長在一起。

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。