人工關節(jié)用金屬材料的表面處理研究

吳獻斌

（浙江科惠醫(yī)療器械股份有限公司，浙江 金華 321000）

據(jù)臨床研究結果表明，人工關節(jié)結構具有一定的人體生物性及親和性，能在使用狀態(tài)下承受重力、應力以及疲勞的影響。現(xiàn)階段，相關行業(yè)已經(jīng)自主開發(fā)生產(chǎn)出了諸如鈦合金、316 不銹鋼等多種金屬材料，氧化鋁和金屬鋯等陶瓷復合類金屬材料，以及其他生物體活性金屬材料等。在這些金屬材料的實際應用過程中，表面處理工藝質量的高度與否尤為關鍵。

1 人工關節(jié)簡述

現(xiàn)今由于骨關節(jié)炎、損傷等各種疾病給我們人體的骨關節(jié)健康發(fā)展帶來了嚴重的不良影響，最有效的手術治療關節(jié)方法是直接進行人工關節(jié)軟骨置換手術。關節(jié)活動置換術的手術治療可以有效修復活動關節(jié)不同類型的疾病，降低關節(jié)疼痛感、穩(wěn)定關節(jié)等，幫助關節(jié)患者有效提高日常生活質量。人工關節(jié)的技術發(fā)展主要是從進行人工人造髖關節(jié)置換開始，現(xiàn)階段，人工關節(jié)相關行業(yè)比較成熟的技術應用領域主要是人工膝關節(jié)置換和人工髖關節(jié)置換。除此之外，市場上在需求量不斷增大、置換設計技術不斷穩(wěn)步提升的實際情況下，人工肘關節(jié)、踝關節(jié)和肩關節(jié)的設計也獲得了快速發(fā)展。

人工關節(jié)是一種外科植入物體，因此自設的材質不僅要滿足特定的性能，還要滿足生物安全的規(guī)定，例如，人工關節(jié)需要具有一定的力學能力、抗腐蝕能力、化學惰性、摩擦學性能以及各種生物間的相容性等。當下人工關節(jié)的結構材料主要種類有三大類，分別指的是復合金屬、陶瓷和金屬高分子這三種主要材料。

金屬材料因其優(yōu)秀的流體力學和機械加工工藝性能，在人工關節(jié)中已經(jīng)受到廣泛應用，其中三種具有重要代表性的材料，鈦合金、鈦及不銹鋼。不銹鋼材料具有較好的流體力學和機械抗腐蝕作用性能，這種材料在早期通常應用生產(chǎn)髖關節(jié)部位。但根據(jù)臨床研究結果表明，使用不銹鋼在進入人體中容易直接出現(xiàn)腐蝕、摩擦和其他電化學介質腐蝕的多種情況，導致材料質量損耗速度大大加快，縮短了人工關節(jié)的壽命。此外，不銹鋼中的金屬離子釋放到人的體液中會導致人皮膚表面出現(xiàn)炎癥，嚴重的甚至可能會直接形成惡性腫瘤。

陶瓷材料還具有較強的化學耐腐蝕性，硬度較高、耐磨性好以及穩(wěn)定的生物化學惰性，有良好的生物安全性，其中的化學磨粒通常較小，不會直接給任何人體環(huán)境帶來不良反應，現(xiàn)今臨床應用較為廣泛的陶瓷材料是氧化鋁和氧化鋯。但由于陶瓷本身的硬度大、力學性能接近，但和人骨之間仍存有較大硬度差距，給其力學性能的匹配帶來不良影響。將其作為人工關節(jié)很容易出現(xiàn)骨損傷。除此之外，陶瓷的本身韌性相對較低很容易發(fā)生破裂，該情況通常出現(xiàn)在年輕患者或者高強度運動患者的身上。高分子人工關節(jié)材料主要有聚醚醚酮和UHMWPE，其材料具有穩(wěn)定的化學性能，通常廣泛應用在人工關節(jié)中各種零部件中，特別應用于人工髖關節(jié)臼杯連接位置和人工膝關節(jié)的內襯。此外，為了提升材料的性能，可以在UHMWPE 中注入離子，這種方法在臨床上得到了廣泛應用。

2 涂層制作方法與性能

實際情況下，陶瓷骨骼的拉伸壓縮膨脹強度雖然要比其他人體骨的拉伸壓縮膨脹強度高，但拉伸和彎曲的壓縮強度等卻要比其他人體骨骼更低，并和人體骨骼具有良好的物質親和性。生物體活性化學材料涂層是一種人工關節(jié)上的金屬基材上的一層涂料，其中金屬基材提供一定的強度，涂層材料讓金屬基材與人體更加有效結合。涂層的材料一般有HAP、AW 等，這些材料已經(jīng)獲得臨床認可。

為了不斷地影響其他金屬合成基體的化學性能，需要不斷提高其金屬表面的化學耐磨性和其他生物體的化學相容性。應用的方法有：在基體金屬陶瓷基體上的表面涂層增加一些異種金屬粒子，讓基體金屬表面涂層實現(xiàn)金屬合金化和其他陶瓷材質化，這種方法稱為表面改性法；在金屬表面形成與基體性質不同的金屬或陶瓷涂層，這種方法稱為表面涂層法。例如，提高人工骨股頭關節(jié)和人工膝關節(jié)的耐磨性可以在基體表面層注入氮離子，注入Ca 離子能夠提高人工骨和人體結合的效果。電子束法是在基體表層作用高能量，讓表層在加熱的處理下從非晶化轉變到硬化。可以再細分為各種濕式噴漆涂層法、燒結、噴涂等，現(xiàn)階段醫(yī)用材料表面層噴涂層處理技術通常主要使用濕式噴涂涂層法。

3 噴涂法制作陶瓷涂層

噴涂復合法的主要作用及其原理主要是對金屬和其他陶瓷材料進行加熱熔融固化處理，再將壓縮空氣或其他惰性金屬氣體高速加熱噴射到金屬基體的表面，從而形成一種金屬或其他陶瓷類的涂層，這種噴涂方式下陶瓷涂層和金屬基體的相互結合作用情況會更好，并且它還能通過噴涂后的條件變化有效改善金屬涂層的整體厚度，這種噴涂方法已經(jīng)廣泛應用在醫(yī)用金屬物體與陶瓷材料的復合化噴涂處理中。

4 高功能涂層

4.1 涂層用陶瓷材料

作用在金屬基體表面的生物體用陶瓷涂層材料的類型如下：能進行骨缺損填補的材料有HAP、Al2O3、AW、生物體玻璃陶瓷和玻璃陶瓷；能夠應用于人工關節(jié)的材料有HAP、AL2O3、PSZ、Si3N4、AW、生物體玻璃陶瓷和玻璃陶瓷；能夠用于骨骼固粉的材料有AW、生物體玻璃陶瓷以及玻璃陶瓷；能夠應用于人工齒根的材料有HAP、AL2O3、PSZ、生物體玻璃陶瓷和玻璃陶瓷。現(xiàn)階段，HAP、AW 等這些與人骨和軟組織能夠進行良好結合的材料已經(jīng)應用在臨床上。而氧化鋁和氧化鋯等生物體惰性材料能夠防止某些金屬離子基體中有害的金屬離子基體溶解釋放出來，造成某些金屬基體受到腐蝕影響。

4.2 金屬基體表面前處理

金屬材料基體陶瓷表面涂層制作的各種陶瓷基體涂層，不僅需要與金屬基體涂層結合的結構足夠牢固，并且還需要與整個人體骨軟組織保持牢固的結構。要想做到以上兩點，需要對基體表面作多孔化、粗化的處理。對選擇的基體表面要做出凹凸，并在其脫脂和清洗后進行噴涂處理。對表面粗化處理的方法有兩種，分別是噴丸和金屬噴涂。應用噴丸粗化的方法可以將基體表面的粗化達到Rmax5 ～50μm，而應用金屬噴涂的方法能夠讓其粗化程度達到Rmax200 ～500μm。金屬基體表面的粗糙程度直接影響與人骨的結合性。對基體進行多孔處理的方法有空心球燒結、噴涂法以及金屬纖維燒結法。為讓人骨向基體空隙方向伸展生長，可以將表面的空隙設置在250 ～450μm，由此可見，其對選擇基體空隙的利用范圍以及對基體空隙的綜合處理利用方法十分重要。

噴涂法能夠讓鈦以及其他金屬離子通過噴涂的方法增加孔數(shù)。噴涂材料提供的壓力條件直接影響了噴涂空隙的斜率、空隙之間的摩擦大小以及噴涂孔層之間的摩擦強度。空心球燒結方法中空心球的直徑確定接合空隙的寬度大小，通常在控制接合材料強度上主要采用高溫處理，但這種方法對基體的材料有一定要求，保證基體材料在高溫的作用下性能不會降低。金屬纖維燒結法是對316L 不銹鋼、鈦等短纖維進行處理，將其放在網(wǎng)板中通過施加一定壓力讓其成型，然后應用在基體表面上進行擴散結合，這樣就能得到一個多孔表面。

5 生物體活性陶瓷涂層與作用

應用噴涂的方法能使HAP 類的生物活性陶瓷在金屬基體表面進行制陶工作，根據(jù)相關研究，為了得到和基體結合程度高的涂層，可以對基體表面進行鈦噴涂，應用這種處理方法能使基體表面粗化，能夠在上面獲得20μm 厚的HAP 涂層，經(jīng)過處理后，能將之前存在的空隙全都覆蓋上。在狗的骨頭中植入上述方法制作的HAP 涂層試片，經(jīng)過觀察，這種方法制作的涂層與骨頭的結合力最高。氧化鋁空心球涂層的空隙率約為38%、鈦網(wǎng)狀的涂層空隙率大約在47%，鈦合金粉末涂層等離子空心噴涂層的空隙的比率大約在56%～60%，通過對這三種試片的測試后，在使用鈦合金粉末涂層等離子空心噴涂的涂層表面上需要使用一種濕式涂層包覆法制作的AW 涂層試片，要在過程中對其進行熱處理，以及使用氧化鋁加工成的粗糙試片，將以上五種粗糙試片分別植入狗的腿和大腿骨中，可以測試每種涂層的結合的能力。通過分析實驗結果表明，經(jīng)過多層單孔化涂層處理結合力比氧化鋁粗糙試片高出約3 ～8 倍，按照其結合的效果在最初能夠排出結合力的大小分別是：經(jīng)過鈦等離子噴涂多孔化處理的AW 試片>只經(jīng)過鈦等離子噴涂多孔化處理試片>氧化鋁空心球多孔化處理試片>鐵網(wǎng)狀涂層試片。

6 結語

綜上所述，金屬材料制作生物活體性陶瓷材料已經(jīng)成功實驗在動物體醫(yī)學研究和臨床治療中。鈦合金作為基體的材料與生物體的相容性較好，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應用在人工關節(jié)中。對金屬表面進行粗化、多孔化的處理，能夠讓材料和人骨連接得更牢固。現(xiàn)階段，相關行業(yè)正在積極研究金屬材料堿處理成膜技術在提高生物親和力方面的應用，在未來可給人工關節(jié)金屬材料表面處理提供更多發(fā)展思路。