接骨钢板是什么材料(膝关节置换假体是什么材料做的？膝关节置换假体有陶瓷的吗？)

Posted 2023-05-27

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接骨钢板是什么材料(膝关节置换假体是什么材料做的？膝关节置换假体有陶瓷的吗？)

膝关节置换假体是什么材料做的?膝关节置换假体有陶瓷的吗?

大多数医生都认为术者本身的手术技术是影响关节置换术后结果的最重要因素。然而，TKA假体的设计缺陷或者材料缺陷也可能导致不良预后和关节置换早期失败。即使假体本身没有任何问题，假如为患者选择了不合适的假体，也可导致手术困难和不良预后。

采用递进制原则分级选择假体是一种普遍而传统的观念，也就是根据病变的严重程度逐步选择假体。例如，采用单髁假体治疗单间室骨性关节炎，而铰链式假体用在最严重退变和畸形的膝关节上。但是随着假体发展和手术技术进步，假体的选择现在更多的是取决于医生的决策，尤其是在关节炎程度、畸形或不稳严重程度不高的情况下。

无论选择何种类型的膝关节假体，假体材料都应具有一定强度、生物相容性和耐久性。同时，假体设计应与人工关节的力学性能相兼容，并应使手术操作更容易。如果可以的话，假体应该为特殊情况下使用提供多种选择，并且在翻修手术中不会造成困难。

由于假体在体内和体外的研究结果有很大差异，所以很难一眼看出哪种假体满足所有这些要求。总体上来说，建议选择那些良好理论背景、长期临床效果优良和术者熟悉的假体。

材料

材料包括：股骨髁和胫骨平台所使用的金属材料，最近出现的陶瓷材料、髌骨和垫片使用的超高分子量聚乙烯、固定假体使用的骨水泥。所有的材料是在各个制造商的实验室中通过充分的测试生产出来的。然而，即使材料在体外测试中已经被证明是非常优秀，假体在植入体内后也可能出现完全不同的结果。了解这些材料的性质是很重要的，因为实验室结果并不总是与临床结果相一致。

金属

制造假体所使用的金属需要具备生物相容性、强度足够承受负荷和在体内不能被腐蚀。人体内使用的绝大多数金属材料都是合金。包括铁基不锈钢合金、钴铬合金、钛合金、锆合金和钛金属。

金属的特性，比如强度、耐久度和生物相容性，是由其成分和结构决定的。在生产过程中，各种生产工艺都可以改变金属特性。

金属本质上是一种晶体，被制成各种合金以便改善其本身特性。合金可由添加少量碳、氧、氮等填隙原子或者少量锰、铝、钒等替代原子到基质中合成。加热使替代原子均匀分散称为沉淀硬化。金属可以通过热处理和冷处理来加工。热加工通过减小晶粒尺寸来改变其形状和固化内部键合，效果取决于温度和时长。冷加工通过加强晶体间的结合来减少金属晶体的位错，从而提高屈服强度和降低塑性。

强度也受植入物的加工方式影响。多数骨科植入物的加工方式是铸造、机加工和锻造。由于铸造可能不能保证均匀的晶粒大小，因此它会降低植入物的强度。即使使用最好的植入物材料，如果在金属制造过程中存在缺陷，其弹性模量都会发生变化，即使0.2%的缺陷也会影响其强度。

疲劳和腐蚀与使用年限密切相关。疲劳强度是材料在107个循环的反复恒定冲击下产生裂纹的转折点。疲劳强度与金属的使用方式(强度和受力方向)、金属本身瑕疵以及金属的性能密切相关。金属腐蚀是金属的氧化降解，是由电化学溶解现象和磨损，或两者的协同作用引起的。当金属断裂时，金属腐蚀会加速。

植入人体的金属植入物的腐蚀有两个影响：第一，它降低了植入体的强度;第二，腐蚀产生的材料或离子会导致植入体周围的骨质溶解和炎症反应。

金属腐蚀可出现在金属局部或者整个表面。当暴露于空气或盐水中时，通过金属元素的氧化在金属的最外层表面形成一个非常薄的2-10nm的薄膜。该惰性的薄膜可以阻止进一步金属腐蚀和金属离子释放。不锈钢产生氧化亚铁、三氧化二铁和三氧化二铬，而钴铬合金产生三氧化二铬，钛合金产生二氧化钛。该氧化膜的强度和其与金属基体的结合强度对腐蚀有很大的影响。为了减少腐蚀，在制造过程中，金属被浸在含水氮气中，或者表面经过处理，以增加被动式薄膜的强度。

生物相容性受磨损颗粒或腐蚀产生的材料或两者同时影响。这些物质要么通过血液循环扩散到全身，引起组织损伤或免疫反应，要么集中沉积，引起炎症反应、组织破坏和肿瘤形成。这些反应受金属类型、接触时间和磨损颗粒数量影响。

不锈钢

不锈钢是一种铁基合金，根据添加氮或锰的强化方法，或根据制造工艺，可分为多种类型。主要用在接骨钢板和螺钉上。过去，不锈钢也曾用在人工关节植入物中，但是其可靠性不如钴铬合金和钛合金，所以不再用于该用途。

钴铬合金

钴铬合金强度大、耐腐蚀，但是在铸造时，其晶粒变得不规则，其强度往往会下降。它具有低延展性和高耐磨性，但这意味着对它的加工相当困难。钼、碳、镍、硅或者铁元素被添加其中以增强其特性。钴铬钼合金包含钼，以减少点蚀和腐蚀。

纯钛只用于制造多孔涂层，因为它的低强度。在骨科领域，Ti-Al6-V4通常用于植入人体，因为它具有卓越的生物相容性，并且不引起炎症反应、中毒反应，同时具有高强度和高抗疲劳性能。它的弹性模量只有钴铬合金的一半，有利于应力从植入物分散到骨质上，从而减少应力遮挡导致的骨再塑。然而，与钴铬合金相比，钛合金形成钝化膜较差，与钴铬合金相比，防止基体腐蚀能略差。因此，它不再用于人工膝关节的股骨部分，因为当与PE垫片关节时，它会导致磨损问题。

锆

锆金属与钛类似。锆合金包含2.5%铌，抗疲劳性能与钴铬合金类似。当锆被氧化时，在其表面会形成5μm左右的二氧化锆，也就是自然界中的陶瓷。换句话说，其基体依然是金属，但是表面变成陶瓷以降低磨损。因此，加热灭菌会产生表面碎裂。

这种陶瓷表面相比其他金属拥有优异的抗磨损能力。与钴铬合金相比，能减少40-90%的聚乙烯磨损。Ezzet等报告，氧化锆股骨髁能够显著减少运动活跃的TKA患者在模拟条件下的聚乙烯(PE)磨损。但是，这种TKA的磨损主要是分层磨损，完全不同于粘着磨损。因此，对于氧化锆是否能减少磨损在临床中仍存在疑问。Hui等报告，在临床中和放射学结果中，是否使用氧化锆股骨髁没有显著的区别。Kim等报告，在一项5年随访研究中，钴铬合金股骨髁和氧化锆合金股骨髁在磨损颗粒大小、年磨损重量和形状上没有区别。

钽(多孔坦金属)

与人工关节常用的金属相比，坦金属是一种具有多种潜在优势的生物材料，包括低刚度、高孔隙率、高摩擦系数。钽表面也有增加宿主白细胞活化和降低细菌粘附的作用。

坦的弹性模量与骨质相似。当孔隙率保持在80%时，骨就会向内生长。坦主要作为骨小梁系统用于骨缺损和生物型胫骨平台。

金属之间的相互作用

在同一部位使用两种不同的植入物时，如果可能，应使用相同的金属，以减少电偶腐蚀。电偶腐蚀是由于金属间的电化学转移而发生的。在不锈钢与钴铬合金之间、不锈钢与钛合金之间的电偶腐蚀更为明显。钴铬和钛合金之间的电偶腐蚀很小。

陶瓷

陶瓷表面稳定，摩擦系数小。陶瓷在人工关节中的存在是以氧化物形式，包括氧化铝和氧化锆。陶瓷化学性能稳定，不发生氧化降解。陶瓷具有良好的生物相容性和优异的强度，尤其耐腐蚀和疲劳。此外，多孔陶瓷弹性模量接近于骨的弹性模量，因此载荷向骨的传递比金属的更为平缓。与铝基陶瓷相比，锆基陶瓷的韧性更高，不易碎裂。另一个优势是，骨可以生长到多孔陶瓷表面的孔隙。基于这些优点，自20世纪60年代以来，它已被用于髋关节假体。

然而，因为膝关节比髋关节更复杂的生物力学和结构，因此陶瓷材料很难用在人工膝关节植入物中。同时陶瓷不能使用骨水泥固定。因此，它会导致髋关节髋臼移位的问题，胫骨侧也会出现同样的问题。Onishi报告，当在膝关节中使用陶瓷时，失败的主要原因是胫骨部件松动，不是由于化学反应，而是由于机械因素。因此，为了保证稳定的固定，目前正在研究制造金属背面的陶瓷产品。

陶瓷材料具有较强的抗压缩能力，但抗拉、剪切能力较弱。此外，由于低延展性，它是脆性的。当施加循环力时，它会发生微破裂。此外，由于难以控制晶粒尺寸，在加工过程中很难达到均匀性。由于陶瓷耐热性较弱，在灭菌过程中可能会出现问题。虽然氧化锆与聚乙烯关节不会引起磨损，但氧化锆-氧化锆的关节会显著增加磨损。