骨外科体内植入物-材料研究

植入物材料

任何金属植入物在人体内都可能存在下列几种腐蚀：

缝隙腐蚀，磨损腐蚀，点腐蚀，疲劳腐蚀，晶间腐蚀(裂纹)

衡量外科金属类永久植入物，特别是骨科植入物，最重要的指标之一：弹性模量

• 表征材料对弹性形变的抗力

• 人骨随载荷增加，变形(弹性模量)也递增，金属没有

• 不同形变系数(弹性模量)的金属植入物与人骨配合时，高应力区可能会有骨吸收，低应力区可能会有骨质退化

引自：外科植入物用不锈钢工艺及性能研究. 2003, 陈锡民

植入物材料分类

• 不锈钢

• 钴基合金

• 钛基合金

  Ø 第一代：纯钛、钛6铝4钒(Ti6AL4V)

  Ø 第二代：钛6铝7铌(Ti6AL7Nb)

  Ø 第三代：钛13铌13锆…(Ti13Nb13Zr)

  Ø 第四代：形状记忆合金(Ti-Ni)

• 有毒元素：铬(Cr)、钴(Co) 、钒(V) 、镍(Ni)

• 无毒元素：钛(Ti)、钽(Ta) 、铌(Nb)、锆(Zr) 、钼(Mo)

引自：外科植入物用钛合金研究进展与标准化现状. 2003, 王桂生, 朱明

第二代与第一代钛基合金区别简图

力学性能二代优于一代，弹性模量相似；用无毒铌代替钒

生物性能见下表(细胞相容性与组织相容性二代优于一代)

第二代钛基合金制备的髋假体：见下图

一、高氮锻造不锈钢

Protasul^®-10=StainlessSteel=高氮锻造不锈钢

• 1926年始用于外科

• 氮含量高，材料的耐蚀性越高(由于氮离子的亲湿性，能在假体表面凝聚很薄一层液体，由此减少磨擦与损耗)

• 带红标的表示该捷迈产品由此材料制成，后同 Bipolar(锁环：锻造钴镍铬钼合金)，骨水泥Metabloc，ZCA内嵌显示环

不锈钢是一种不错的骨科用人工假体基材。

在美国，有近一半的外科植入物用的不锈钢，在欧洲，钛合金的普及率在40%左右

二、钴铬钼合金

Protasul^®-S30/20=CoCr Alloy=锻造钴铬钼合金

• 铬(Cr)能显著提高各种合金，包括钴(Co)基合金的强度、硬度、耐磨性，但同时降低塑性和韧性(Cr与Co合金化后，形成面心立方固溶体，失去铁磁性，因而质地强硬，耐磨)

• 钼(Mo)可使合金的晶粒细化，提高CoCr合金的淬透性和热强性(Mo原子半径最大，与Cr、Co合金化后，产生固溶强化，阻止晶粒长大，提高合金强度、耐蚀性)

☆Durom，CoCr股骨头，CPT，VersysAdvocate，Versys Fullcoat(铸造/锻造)，Multipolar(铸造，锁环：钛6铝4钒)

注：从某种意义上来讲，不推荐医生用Fullcoat翻修柄不是因为这种柄的理念有什么问题，而是因为这类柄使用的材料弹性模量过高，不利于翻修病例的骨质重建，且直径小于14mm的柄可能会有疲劳折断的风险，即使是钛合金材质的柄。

三、高碳锻造钴铬钼合金

Protasul^®-21WF=Metasul^®=高碳锻造钴铬钼合金

和CoCr相比

Metasul ^®提高了碳比例 (碳可提高材料力学性能)，降低了Cr比例。

表面粗糙度(Ra)不一样，Metasul ^®的光滑度高一个数量级

CoCr股骨头：Ra≤0.05um

Metasul ^®股骨头：Ra≤0.006um

陶瓷股骨头：Ra≤0.02um

☆Metasul ^®股骨头、Metasul ^®内衬

部分品牌推出的黑金头，个人理解，可能是使用钛合金加球面类金刚石涂层（一种特殊的碳涂层，可提高钛合金的耐磨性能，具体有待求证），优势是钛合金的金属毒性小了，缺点是一旦涂层被碎骨屑等磨破，磨迹会持续进展，因为钛合金的耐磨性能不好）

四、纯钛

延展性能较钴基合金好

拉伸强度、屈服强度、耐磨性能较钴基合金弱

Allofit臼杯与配套螺栓(配套螺钉：锻造钛6铝7铌，臼杯顶孔螺帽：锻造钴镍铬钼合金)，

☆髋臼加强环与笼架(Roof Ring and Cage)，

☆TMARS里的加强笼架(TMARS Long/Short Flange Cage)，

☆各种假体上的钛丝(Fiber Metal)

五、钛6铝4钒(锻造)

Protasul^®-64=Tivanium^®=Ti6AL4V=钛6铝4钒(锻造)

在医用领域的应用始于20世纪50~60年代

在纯钛里添加了6%的铝、4%钒，其余间隙元素基本无差异

与钴基合金比较，Ti6Al4V力学性能略弱，但可塑性/弹性更好

进口棒材较国产的钒含量略低，主要成份偏差范围小，间隙元素控制更均匀

进口棒材的拉伸强度较国产的平均高出60MPa，屈服强度较国产的平均高出40MPa

☆Trilogy(包括螺钉、锁环)，Trilogy AB，Trilogy IT，TM杯内胆

☆Versys FMT，M/L Taper with Kinectiv，Wagner Cone，ZMR

六、钛6铝7铌(锻造)

Protasul^®-100=Ti6AL7Nb=钛6铝7铌(锻造)

1985年瑞士Sulzer公司将这一新型材料应用于临床

与钛6铝4钒相比：

Ø 用无毒的铌替代了钒，其余间隙元素基本相当

Ø 力学性能较其好，与钴基合金一样

Ø 可塑性/弹性更好

不同厂家出品的钛6铝7铌性能有差异，总体进口好于国产，尽管都符合国际标准ISO5832-11和美国标准AS®F1295

☆CLS，Wagner SL，非骨水泥Metabloc

七、钽金属

Trabecular Metal^®=骨小梁金属^®(纯钽)

蒸馏法将钽金属沉淀在碳纤维支架上制成

弹性模量(3 Gpa)最接近人松质骨的金属材质

孔隙率80±5%

摩擦系数0.98

☆TM杯、Continuum ^®外敷层，TMARS，TM Primary柄外敷层，钽棒

植入物材料的金属离子毒性

铬离子

Ø 三价铬(氯化铬)是人体必需的微量元素之一，但高剂量仍会表现出肝细胞毒性

Ø 六价铬(重铬酸盐)毒性是三价铬的400多倍，皮炎、肝肾损伤、致畸、致癌等急慢性中毒症状

钒离子

Ø 人体必需微量元素，单纯金属离子毒性低，但其化合物毒性高，价态越高，毒性越大

Ø 荨麻疹、鼻眼、呼吸道刺激等急性中毒症状；生殖、胚胎毒性，致突变，致癌等慢性中毒症状

Ø 维生素C可减轻其毒性，因其能将五价钒还原成三价钒

钴离子

Ø 人体必需微量元素之一

Ø 大剂量钴离子可引起“皮肤潮红、胸骨后疼痛、皮肤炎症、耳鸣、恶心呕吐、神经性耳聋” 等急性症状，或“心力衰竭、酸中毒、心源性休克、心电图异常”等慢性症状

镍离子

Ø 人体必需微量元素之一

呼吸道致癌毒性 (肺癌、鼻癌)，免疫系统毒性

过度磨损是导致上述金属离子毒性突显的重要原因，主要发生在头臼处

引自以下文献：

1、三价铬与六价铬化合物对L-02肝细胞毒性的比较. 2005, 莫民帅

2、镍及其化合物对人和动物的毒性作用. 2005, 蔡跃华

3、钒氧配合物的合成_结构_性质及其细胞毒性作用. 2006, 邹伟

感谢各位百忙之中查阅