人工关节用金属材料的表面处理研究

吴献斌

（浙江科惠医疗器械股份有限公司，浙江 金华 321000）

据临床研究结果表明，人工关节结构具有一定的人体生物性及亲和性，能在使用状态下承受重力、应力以及疲劳的影响。现阶段，相关行业已经自主开发生产出了诸如钛合金、316 不锈钢等多种金属材料，氧化铝和金属锆等陶瓷复合类金属材料，以及其他生物体活性金属材料等。在这些金属材料的实际应用过程中，表面处理工艺质量的高度与否尤为关键。

1 人工关节简述

现今由于骨关节炎、损伤等各种疾病给我们人体的骨关节健康发展带来了严重的不良影响，最有效的手术治疗关节方法是直接进行人工关节软骨置换手术。关节活动置换术的手术治疗可以有效修复活动关节不同类型的疾病，降低关节疼痛感、稳定关节等，帮助关节患者有效提高日常生活质量。人工关节的技术发展主要是从进行人工人造髋关节置换开始，现阶段，人工关节相关行业比较成熟的技术应用领域主要是人工膝关节置换和人工髋关节置换。除此之外，市场上在需求量不断增大、置换设计技术不断稳步提升的实际情况下，人工肘关节、踝关节和肩关节的设计也获得了快速发展。

人工关节是一种外科植入物体，因此自设的材质不仅要满足特定的性能，还要满足生物安全的规定，例如，人工关节需要具有一定的力学能力、抗腐蚀能力、化学惰性、摩擦学性能以及各种生物间的相容性等。当下人工关节的结构材料主要种类有三大类，分别指的是复合金属、陶瓷和金属高分子这三种主要材料。

金属材料因其优秀的流体力学和机械加工工艺性能，在人工关节中已经受到广泛应用，其中三种具有重要代表性的材料，钛合金、钛及不锈钢。不锈钢材料具有较好的流体力学和机械抗腐蚀作用性能，这种材料在早期通常应用生产髋关节部位。但根据临床研究结果表明，使用不锈钢在进入人体中容易直接出现腐蚀、摩擦和其他电化学介质腐蚀的多种情况，导致材料质量损耗速度大大加快，缩短了人工关节的寿命。此外，不锈钢中的金属离子释放到人的体液中会导致人皮肤表面出现炎症，严重的甚至可能会直接形成恶性肿瘤。

陶瓷材料还具有较强的化学耐腐蚀性，硬度较高、耐磨性好以及稳定的生物化学惰性，有良好的生物安全性，其中的化学磨粒通常较小，不会直接给任何人体环境带来不良反应，现今临床应用较为广泛的陶瓷材料是氧化铝和氧化锆。但由于陶瓷本身的硬度大、力学性能接近，但和人骨之间仍存有较大硬度差距，给其力学性能的匹配带来不良影响。将其作为人工关节很容易出现骨损伤。除此之外，陶瓷的本身韧性相对较低很容易发生破裂，该情况通常出现在年轻患者或者高强度运动患者的身上。高分子人工关节材料主要有聚醚醚酮和UHMWPE，其材料具有稳定的化学性能，通常广泛应用在人工关节中各种零部件中，特别应用于人工髋关节臼杯连接位置和人工膝关节的内衬。此外，为了提升材料的性能，可以在UHMWPE 中注入离子，这种方法在临床上得到了广泛应用。

2 涂层制作方法与性能

实际情况下，陶瓷骨骼的拉伸压缩膨胀强度虽然要比其他人体骨的拉伸压缩膨胀强度高，但拉伸和弯曲的压缩强度等却要比其他人体骨骼更低，并和人体骨骼具有良好的物质亲和性。生物体活性化学材料涂层是一种人工关节上的金属基材上的一层涂料，其中金属基材提供一定的强度，涂层材料让金属基材与人体更加有效结合。涂层的材料一般有HAP、AW 等，这些材料已经获得临床认可。

为了不断地影响其他金属合成基体的化学性能，需要不断提高其金属表面的化学耐磨性和其他生物体的化学相容性。应用的方法有：在基体金属陶瓷基体上的表面涂层增加一些异种金属粒子，让基体金属表面涂层实现金属合金化和其他陶瓷材质化，这种方法称为表面改性法；在金属表面形成与基体性质不同的金属或陶瓷涂层，这种方法称为表面涂层法。例如，提高人工骨股头关节和人工膝关节的耐磨性可以在基体表面层注入氮离子，注入Ca 离子能够提高人工骨和人体结合的效果。电子束法是在基体表层作用高能量，让表层在加热的处理下从非晶化转变到硬化。可以再细分为各种湿式喷漆涂层法、烧结、喷涂等，现阶段医用材料表面层喷涂层处理技术通常主要使用湿式喷涂涂层法。

3 喷涂法制作陶瓷涂层

喷涂复合法的主要作用及其原理主要是对金属和其他陶瓷材料进行加热熔融固化处理，再将压缩空气或其他惰性金属气体高速加热喷射到金属基体的表面，从而形成一种金属或其他陶瓷类的涂层，这种喷涂方式下陶瓷涂层和金属基体的相互结合作用情况会更好，并且它还能通过喷涂后的条件变化有效改善金属涂层的整体厚度，这种喷涂方法已经广泛应用在医用金属物体与陶瓷材料的复合化喷涂处理中。

4 高功能涂层

4.1 涂层用陶瓷材料

作用在金属基体表面的生物体用陶瓷涂层材料的类型如下：能进行骨缺损填补的材料有HAP、Al2O3、AW、生物体玻璃陶瓷和玻璃陶瓷；能够应用于人工关节的材料有HAP、AL2O3、PSZ、Si3N4、AW、生物体玻璃陶瓷和玻璃陶瓷；能够用于骨骼固粉的材料有AW、生物体玻璃陶瓷以及玻璃陶瓷；能够应用于人工齿根的材料有HAP、AL2O3、PSZ、生物体玻璃陶瓷和玻璃陶瓷。现阶段，HAP、AW 等这些与人骨和软组织能够进行良好结合的材料已经应用在临床上。而氧化铝和氧化锆等生物体惰性材料能够防止某些金属离子基体中有害的金属离子基体溶解释放出来，造成某些金属基体受到腐蚀影响。

4.2 金属基体表面前处理

金属材料基体陶瓷表面涂层制作的各种陶瓷基体涂层，不仅需要与金属基体涂层结合的结构足够牢固，并且还需要与整个人体骨软组织保持牢固的结构。要想做到以上两点，需要对基体表面作多孔化、粗化的处理。对选择的基体表面要做出凹凸，并在其脱脂和清洗后进行喷涂处理。对表面粗化处理的方法有两种，分别是喷丸和金属喷涂。应用喷丸粗化的方法可以将基体表面的粗化达到Rmax5 ～50μm，而应用金属喷涂的方法能够让其粗化程度达到Rmax200 ～500μm。金属基体表面的粗糙程度直接影响与人骨的结合性。对基体进行多孔处理的方法有空心球烧结、喷涂法以及金属纤维烧结法。为让人骨向基体空隙方向伸展生长，可以将表面的空隙设置在250 ～450μm，由此可见，其对选择基体空隙的利用范围以及对基体空隙的综合处理利用方法十分重要。

喷涂法能够让钛以及其他金属离子通过喷涂的方法增加孔数。喷涂材料提供的压力条件直接影响了喷涂空隙的斜率、空隙之间的摩擦大小以及喷涂孔层之间的摩擦强度。空心球烧结方法中空心球的直径确定接合空隙的宽度大小，通常在控制接合材料强度上主要采用高温处理，但这种方法对基体的材料有一定要求，保证基体材料在高温的作用下性能不会降低。金属纤维烧结法是对316L 不锈钢、钛等短纤维进行处理，将其放在网板中通过施加一定压力让其成型，然后应用在基体表面上进行扩散结合，这样就能得到一个多孔表面。

5 生物体活性陶瓷涂层与作用

应用喷涂的方法能使HAP 类的生物活性陶瓷在金属基体表面进行制陶工作，根据相关研究，为了得到和基体结合程度高的涂层，可以对基体表面进行钛喷涂，应用这种处理方法能使基体表面粗化，能够在上面获得20μm 厚的HAP 涂层，经过处理后，能将之前存在的空隙全都覆盖上。在狗的骨头中植入上述方法制作的HAP 涂层试片，经过观察，这种方法制作的涂层与骨头的结合力最高。氧化铝空心球涂层的空隙率约为38%、钛网状的涂层空隙率大约在47%，钛合金粉末涂层等离子空心喷涂层的空隙的比率大约在56%～60%，通过对这三种试片的测试后，在使用钛合金粉末涂层等离子空心喷涂的涂层表面上需要使用一种湿式涂层包覆法制作的AW 涂层试片，要在过程中对其进行热处理，以及使用氧化铝加工成的粗糙试片，将以上五种粗糙试片分别植入狗的腿和大腿骨中，可以测试每种涂层的结合的能力。通过分析实验结果表明，经过多层单孔化涂层处理结合力比氧化铝粗糙试片高出约3 ～8 倍，按照其结合的效果在最初能够排出结合力的大小分别是：经过钛等离子喷涂多孔化处理的AW 试片>只经过钛等离子喷涂多孔化处理试片>氧化铝空心球多孔化处理试片>铁网状涂层试片。

6 结语

综上所述，金属材料制作生物活体性陶瓷材料已经成功实验在动物体医学研究和临床治疗中。钛合金作为基体的材料与生物体的相容性较好，现今已经广泛应用在人工关节中。对金属表面进行粗化、多孔化的处理，能够让材料和人骨连接得更牢固。现阶段，相关行业正在积极研究金属材料碱处理成膜技术在提高生物亲和力方面的应用，在未来可给人工关节金属材料表面处理提供更多发展思路。