人工关节是替代病变或损伤关节的植入性假体，除了应满足生物相容性要求外，必须具有足够的耐磨损性能、力学性能和抗氧化性能等。人工关节作为一种人体内植入物，须具备以下特性：①与人体组织相容，对人体无毒副作用，无排异反应；②生物力学性能合适，能较好地适应植入部位人体组织；③能较好地与生物界面结合稳定；④性能稳定，可耐受人体微环境，不易被降解、电解和腐蚀；⑤易于合成制造，可批量生产。

目前尚无绝对满足以上全部条件的假体材料问世，组合不同优势的材料可弥补单一材料的不足。鉴于此种情况，骨科医生往往根据各种关节假体材料的综合性能匹配选用，尽可能地满足生理环境和关节生物力学的要求。目前常用的人工关节假体材料主要有3种：金属材料、高分子材料和陶瓷材料。

金属材料因其具备良好的力学性能、易加工性和稳定性在人工关节中有广泛的应用。金属材料主要包括不锈钢、钴基合金、钛合金、钽金属这几类。

陶瓷材料是继金属和聚乙烯之后出现的一种新型假体材料。因其生物相容性好，磨损率低而被广泛使用。

 

1、人工关节用高分子材料 

 

常见的人工关节用高分子材料：超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和全氟乙丙烯等氟塑料材料等。

 

1、超高分子量聚乙烯

 

性能优势：具有优异的耐磨损性、耐应力开裂、自润滑性及生物相容性，摩擦系数低，能有效减少关节面之间的磨损，在体内耐降解性能好，有一定的黏弹性，与金属的摩擦系数很低。

 

应用情况：是目前最重要的人工关节用高分子材料之一，常用于制造人工关节的关节面，如髋臼杯衬垫等，广泛应用于髋关节、膝关节等置换手术中。在髋关节和膝关节置换中，超高分子量聚乙烯作为关节面的内衬材料被广泛应用，是人工关节中高分子材料应用的重要部分，在一些关节置换手术中，仅髋臼杯衬垫等关节面部分使用超高分子量聚乙烯，从体积上看约占整个关节假体的 10%-20% 左右，但从功能和重要性上看，却是不可或缺的关键部分。

 

2、聚醚醚酮

 

性能优势：具有高强度、高刚性、优异的韧性和抗疲劳性能，能破解金属关节存在的如重金属离子过敏、金属腐蚀、聚乙烯磨损、成像干扰、早期翻修等六大 “瓶颈”。其化学稳定性良好，在生理环境中不易降解和腐蚀，生物相容性较好，可降低炎症反应和排异反应的发生概率。

 

应用情况：在人工关节中的应用日益广泛，如用于制造人工关节的臼杯、关节柄等部件，尤其适用于对力学性能要求较高的关节部位，在部分人工关节产品中，聚醚醚酮类材料占比可达 30%-50% 左右，也可用于脊柱融合器等骨科植入物。随着技术发展和对其性能优势的进一步认识，其应用占比有逐渐增加的趋势。

 

3、聚甲基丙烯酸甲酯

 

性能优势：具有良好的生物相容性和骨传导性，可与人体组织形成较好的结合，固化后具有一定的强度和韧性，能够在一定程度上承受关节部位的负荷，并且可以根据需要调整其形状和尺寸，以适应不同的关节修复需求。

 

应用情况：主要作为骨水泥使用，用于固定人工关节假体与人体骨骼，填充假体与骨组织之间的间隙，使假体能够稳定地固定在骨骼上，提高人工关节的稳定性和使用寿命，常用于髋关节、膝关节等关节置换手术中。在整个关节置换手术中，虽然其用量相对较少，但却是确保关节假体稳定固定的关键材料，一般在手术中骨水泥的使用量根据关节部位和假体固定情况而有所不同，通常占整个关节置换材料重量的 5%-15% 左右。

 

4、聚四氟乙烯和全氟乙丙烯等氟塑料材料

 

性能优势：具有优异的化学稳定性、低摩擦系数和良好的生物相容性，能够在生理环境中长期保持稳定，不易受到体内各种化学物质的影响，其低摩擦系数可减少关节运动时的磨损，提高关节的灵活性和使用寿命。

 

应用情况：常用于人工关节的表面涂层或作为关节部件的材料，以改善关节的摩擦性能和生物相容性，如用于制造人工关节的髋臼内衬等部件，减少关节面之间的摩擦和磨损。

 

2、关节部位的应用占比 

 

髋关节：高分子材料在髋关节人工关节中的占比相对较高，除了金属股骨头外，髋臼杯衬垫常采用超高分子量聚乙烯或陶瓷 - 聚乙烯复合结构，其中超高分子量聚乙烯的占比约为 20%-30%。此外，在髋关节翻修手术中，有时会使用聚醚醚酮等材料制作的髋臼杯和关节柄，其占比可能会进一步增加。

 

膝关节：人工膝关节通常由股骨髁、胫骨平台和垫片组成，垫片常采用超高分子量聚乙烯材料，其在整个膝关节假体中的体积占比约为 10%-15%，但对于关节的摩擦和磨损性能起着关键作用。同时，在一些新型的膝关节假体设计中，也开始尝试使用聚醚醚酮等材料来优化关节的性能，使高分子材料的占比有一定的上升趋势。

 

其他关节：在肩关节、肘关节、踝关节等关节置换中，高分子材料的应用相对较少，但在一些特定的假体设计或临床需求情况下，也会使用超高分子量聚乙烯作为关节面的摩擦材料或聚甲基丙烯酸甲酯作为骨水泥固定假体，其占比一般在 10%-20% 左右。

 

3、加工成型工艺 

 

超高分子量聚乙烯：辐照交联与热处理联用：先对超高分子量聚乙烯进行辐照交联，使分子链之间形成交联键，提高材料的耐磨性能和力学强度。然后通过热处理，有效消除辐照产生的自由基，避免自由基引发的氧化降解反应，使材料的抗氧化性能得到显著提升，同时进一步改善材料的结晶度和物理性能，实现耐磨损性、抗氧化性和力学性能的同步提高。自增强注塑工艺：采用超低分子量聚乙烯作为流动改性剂，与超高分子量聚乙烯共混，改善其加工性。在注塑成型过程中，施加强剪切流动场，诱导共混体系中形成大量 shish-kebab 串晶和超高分子量聚乙烯取向片晶自增强结构，从而大幅度提高人工关节植入体的力学强度。

 

聚醚醚酮：3D 打印与表面涂层技术结合：通过 3D 打印技术制备聚醚醚酮人工关节，可以根据患者的具体关节结构和病情进行个性化定制，提高关节与人体的适配性。在 3D 打印的聚醚醚酮人工关节表面，利用物理气相沉积法制备纳米钽金属涂层等亲生物涂层，可增强人工关节的生物相容性和骨整合能力，同时提高其力学性能。复合材料制备：采用碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，通过调整碳纤维的含量、长度、取向与铺展顺序等，可使复合材料具有适宜的低弹性模量和高的强度等性能，更好地模拟人体关节的力学性能，同时提高材料的耐磨性能和耐疲劳性能。

 

聚甲基丙烯酸甲酯：添加生物活性物质：在聚甲基丙烯酸甲酯中添加生物活性物质，如羟基磷灰石、生物玻璃等，通过化学溶液法、真空浸渍法或盐类溶液法等制备成复合材料，可提高材料的生物活性和骨整合能力，使其与人体组织能够形成更好的联结和相互作用。化学结构修饰：对聚甲基丙烯酸甲酯的化学结构进行修饰，如引入特定的官能团或侧链，以改善其生物相容性、降低聚合热、提高固化后的力学性能以及减少潜在的毒性等。

聚四氟乙烯和全氟乙丙烯等氟塑料材料：共混改性与表面修饰联用：将聚四氟乙烯与其他生物相容性良好的材料进行共混，如添加生物活性物质或具有良好骨整合能力的材料，制备出具备更好生物相容性和力学性能的复合材料。同时，利用胶体稳定技术和其它表面修饰技术对聚四氟乙烯涂层进行修饰，控制其粒径和表面形貌，进一步提高涂层的稳定性和润滑性能，降低摩擦系数，减少磨损。

 

4、市场规模及竞争格局 

 

市场规模：2023 年全球医用超高分子量聚乙烯市场容量达到 2.81 亿元，至 2029 年全球医用超高分子量聚乙烯市场规模预计将会达到 5.22 亿元，复合年增长率为 10.33%。在 2016 年，人工关节占全球医疗超高分子量聚乙烯消费的 47% 左右，占据最大市场。随着对聚醚醚酮性能优势的认识和技术的发展，在人工关节领域的应用逐渐增加，但目前尚无确切的单独针对聚醚醚酮人工关节的市场规模统计。整体来看，聚醚醚酮作为一种高性能热塑性工程塑料，在医疗领域的应用前景广阔，其在人工关节中的占比有逐渐上升的趋势。

 

国际市场：全球人工关节市场主要由五大巨头占据，包括 Zimmer Biomet、Stryker、Johnson & Johnson、Smith & Nephew 等，这些企业拥有较高的市场份额和技术实力，前三大生产商共占据超过 60% 的市场份额。在高分子材料人工关节方面，这些企业也处于领先地位，拥有先进的生产技术和丰富的产品线。

 

国内市场：国内人工关节市场已经涌现出了一批具有一定规模和影响力的企业，如威高骨科、春立医疗、爱康医疗等。这些企业通过技术创新和品牌建设不断提高产品质量和市场竞争力，在市场中占据了一定的份额。同时，国际知名企业也纷纷进入中国市场，加剧了市场竞争的激烈程度。

 

5、发展趋势 

 

材料性能提升：不断有新型的超高分子量聚乙烯材料出现，如高交联超高分子量聚乙烯等，其耐磨性和力学性能更好，可进一步提高人工关节的使用寿命和性能。同时，对于聚醚醚酮等材料的改性研究也在不断进行，以更好地满足人工关节的临床需求。

个性化定制：随着 3D 打印技术的兴起，人工关节的个性化定制成为可能。医生可以根据患者的具体关节结构和病情，精确地制造出最适合患者的人工关节，提高手术的成功率和患者术后的恢复效果。这也对高分子材料的加工和成型提出了更高的要求，需要能够快速、精准地制造出符合患者个体需求的关节部件。

生物相容性优化：研发具有更好生物相容性的高分子材料仍是重点方向之一，以减少炎症反应和排异反应的发生概率，提高患者的长期使用效果和生活质量。例如，通过表面改性、添加生物活性物质等方法，进一步改善高分子材料与人体组织的相互作用。

 

 

 

来源：Internet

关键词： 人工关节 高分子材料