人工關(guān)節(jié)會(huì)用到哪些高分子材料？國內(nèi)市場正蓬勃發(fā)展！

人工關(guān)節(jié)是替代病變或損傷關(guān)節(jié)的植入性假體，除了應(yīng)滿足生物相容性要求外，必須具有足夠的耐磨損性能、力學(xué)性能和抗氧化性能等。

人工關(guān)節(jié)作為一種人體內(nèi)植入物，須具備以下特性：

①與人體組織相容，對人體無毒副作用，無排異反應(yīng)；

②生物力學(xué)性能合適，能較好地適應(yīng)植入部位人體組織；

③能較好地與生物界面結(jié)合穩(wěn)定；

④性能穩(wěn)定，可耐受人體微環(huán)境，不易被降解、電解和腐蝕；

⑤易于合成制造，可批量生產(chǎn)。

目前尚無絕對滿足以上全部條件的假體材料問世，組合不同優(yōu)勢的材料可彌補(bǔ)單一材料的不足。鑒于此種情況，骨科醫(yī)生往往根據(jù)各種關(guān)節(jié)假體材料的綜合性能匹配選用，盡可能地滿足生理環(huán)境和關(guān)節(jié)生物力學(xué)的要求。目前常用的人工關(guān)節(jié)假體材料主要有3種：金屬材料、高分子材料和陶瓷材料。

常見的人工關(guān)節(jié)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。

性能優(yōu)勢：具有優(yōu)異的耐磨損性、耐應(yīng)力開裂、自潤滑性及生物相容性，摩擦系數(shù)低，能有效減少關(guān)節(jié)面之間的磨損，在體內(nèi)耐降解性能好，有一定的黏彈性，與金屬的摩擦系數(shù)很低。

應(yīng)用情況：是目前最重要的人工關(guān)節(jié)用高分子材料之一，常用于制造人工關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面，如髖臼杯襯墊等，廣泛應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等置換手術(shù)中。在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換中，超高分子量聚乙烯作為關(guān)節(jié)面的內(nèi)襯材料被廣泛應(yīng)用，是人工關(guān)節(jié)中高分子材料應(yīng)用的重要部分，在一些關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，僅髖臼杯襯墊等關(guān)節(jié)面部分使用超高分子量聚乙烯，從體積上看約占整個(gè)關(guān)節(jié)假體的10%-20%左右，但從功能和重要性上看，卻是不可或缺的關(guān)鍵部分。

性能優(yōu)勢：具有高強(qiáng)度、高剛性、優(yōu)異的韌性和抗疲勞性能，能破解金屬關(guān)節(jié)存在的如重金屬離子過敏、金屬腐蝕、聚乙烯磨損、成像干擾、早期翻修等六大 “瓶頸”。其化學(xué)穩(wěn)定性良好，在生理環(huán)境中不易降解和腐蝕，生物相容性較好，可降低炎癥反應(yīng)和排異反應(yīng)的發(fā)生概率。

應(yīng)用情況：在人工關(guān)節(jié)中的應(yīng)用日益廣泛，如用于制造人工關(guān)節(jié)的臼杯、關(guān)節(jié)柄等部件，尤其適用于對力學(xué)性能要求較高的關(guān)節(jié)部位，在部分人工關(guān)節(jié)產(chǎn)品中，聚醚醚酮類材料占比可達(dá)30%-50%左右，也可用于脊柱融合器等骨科植入物。隨著技術(shù)發(fā)展和對其性能優(yōu)勢的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，其應(yīng)用占比有逐漸增加的趨勢。

性能優(yōu)勢：具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，可與人體組織形成較好的結(jié)合，固化后具有一定的強(qiáng)度和韌性，能夠在一定程度上承受關(guān)節(jié)部位的負(fù)荷，并且可以根據(jù)需要調(diào)整其形狀和尺寸，以適應(yīng)不同的關(guān)節(jié)修復(fù)需求。

應(yīng)用情況：主要作為骨水泥使用，用于固定人工關(guān)節(jié)假體與人體骨骼，填充假體與骨組織之間的間隙，使假體能夠穩(wěn)定地固定在骨骼上，提高人工關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和使用壽命，常用于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)置換手術(shù)中。在整個(gè)關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，雖然其用量相對較少，但卻是確保關(guān)節(jié)假體穩(wěn)定固定的關(guān)鍵材料，一般在手術(shù)中骨水泥的使用量根據(jù)關(guān)節(jié)部位和假體固定情況而有所不同，通常占整個(gè)關(guān)節(jié)置換材料重量的5%-15%左右。

性能優(yōu)勢：具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、低摩擦系數(shù)和良好的生物相容性，能夠在生理環(huán)境中長期保持穩(wěn)定，不易受到體內(nèi)各種化學(xué)物質(zhì)的影響，其低摩擦系數(shù)可減少關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的磨損，提高關(guān)節(jié)的靈活性和使用壽命。

應(yīng)用情況：常用于人工關(guān)節(jié)的表面涂層或作為關(guān)節(jié)部件的材料，以改善關(guān)節(jié)的摩擦性能和生物相容性，如用于制造人工關(guān)節(jié)的髖臼內(nèi)襯等部件，減少關(guān)節(jié)面之間的摩擦和磨損。

髖關(guān)節(jié)：高分子材料在髖關(guān)節(jié)人工關(guān)節(jié)中的占比相對較高，除了金屬股骨頭外，髖臼杯襯墊常采用超高分子量聚乙烯或陶瓷-聚乙烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中超高分子量聚乙烯的占比約為20%-30%。此外，在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中，有時(shí)會(huì)使用聚醚醚酮等材料制作的髖臼杯和關(guān)節(jié)柄，其占比可能會(huì)進(jìn)一步增加。

膝關(guān)節(jié)：人工膝關(guān)節(jié)通常由股骨髁、脛骨平臺(tái)和墊片組成，墊片常采用超高分子量聚乙烯材料，其在整個(gè)膝關(guān)節(jié)假體中的體積占比約為10%-15%，但對于關(guān)節(jié)的摩擦和磨損性能起著關(guān)鍵作用。同時(shí)，在一些新型的膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)中，也開始嘗試使用聚醚醚酮等材料來優(yōu)化關(guān)節(jié)的性能，使高分子材料的占比有一定的上升趨勢。

其他關(guān)節(jié)：在肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)置換中，高分子材料的應(yīng)用相對較少，但在一些特定的假體設(shè)計(jì)或臨床需求情況下，也會(huì)使用超高分子量聚乙烯作為關(guān)節(jié)面的摩擦材料或聚甲基丙烯酸甲酯作為骨水泥固定假體，其占比一般在10%-20%左右。

輻照交聯(lián)與熱處理聯(lián)用：先對超高分子量聚乙烯進(jìn)行輻照交聯(lián)，使分子鏈之間形成交聯(lián)鍵，提高材料的耐磨性能和力學(xué)強(qiáng)度。然后通過熱處理，有效消除輻照產(chǎn)生的自由基，避免自由基引發(fā)的氧化降解反應(yīng)，使材料的抗氧化性能得到顯著提升，同時(shí)進(jìn)一步改善材料的結(jié)晶度和物理性能，實(shí)現(xiàn)耐磨損性、抗氧化性和力學(xué)性能的同步提高。

自增強(qiáng)注塑工藝：采用超低分子量聚乙烯作為流動(dòng)改性劑，與超高分子量聚乙烯共混，改善其加工性。在注塑成型過程中，施加強(qiáng)剪切流動(dòng)場，誘導(dǎo)共混體系中形成大量 shish-kebab 串晶和超高分子量聚乙烯取向片晶自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高人工關(guān)節(jié)植入體的力學(xué)強(qiáng)度。

3D 打印與表面涂層技術(shù)結(jié)合：通過3D打印技術(shù)制備聚醚醚酮人工關(guān)節(jié)，可以根據(jù)患者的具體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和病情進(jìn)行個(gè)性化定制，提高關(guān)節(jié)與人體的適配性。在3D打印的聚醚醚酮人工關(guān)節(jié)表面，利用物理氣相沉積法制備納米鉭金屬涂層等親生物涂層，可增強(qiáng)人工關(guān)節(jié)的生物相容性和骨整合能力，同時(shí)提高其力學(xué)性能。

復(fù)合材料制備：采用碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，通過調(diào)整碳纖維的含量、長度、取向與鋪展順序等，可使復(fù)合材料具有適宜的低彈性模量和高的強(qiáng)度等性能，更好地模擬人體關(guān)節(jié)的力學(xué)性能，同時(shí)提高材料的耐磨性能和耐疲勞性能。

聚甲基丙烯酸甲酯：添加生物活性物質(zhì)：在聚甲基丙烯酸甲酯中添加生物活性物質(zhì)，如羥基磷灰石、生物玻璃等，通過化學(xué)溶液法、真空浸漬法或鹽類溶液法等制備成復(fù)合材料，可提高材料的生物活性和骨整合能力，使其與人體組織能夠形成更好的聯(lián)結(jié)和相互作用。

化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾：對聚甲基丙烯酸甲酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，如引入特定的官能團(tuán)或側(cè)鏈，以改善其生物相容性、降低聚合熱、提高固化后的力學(xué)性能以及減少潛在的毒性等。

共混改性與表面修飾聯(lián)用：將聚四氟乙烯與其他生物相容性良好的材料進(jìn)行共混，如添加生物活性物質(zhì)或具有良好骨整合能力的材料，制備出具備更好生物相容性和力學(xué)性能的復(fù)合材料。同時(shí)，利用膠體穩(wěn)定技術(shù)和其它表面修飾技術(shù)對聚四氟乙烯涂層進(jìn)行修飾，控制其粒徑和表面形貌，進(jìn)一步提高涂層的穩(wěn)定性和潤滑性能，降低摩擦系數(shù)，減少磨損。

市場規(guī)模：2023年全球醫(yī)用超高分子量聚乙烯市場容量達(dá)到2.81億元，至2029年全球醫(yī)用超高分子量聚乙烯市場規(guī)模預(yù)計(jì)將會(huì)達(dá)到5.22億元，復(fù)合年增長率為10.33%。在2016年，人工關(guān)節(jié)占全球醫(yī)療超高分子量聚乙烯消費(fèi)的47%左右，占據(jù)**市場。

隨著對聚醚醚酮性能優(yōu)勢的認(rèn)識(shí)和技術(shù)的發(fā)展，在人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加，但目前尚無確切的單獨(dú)針對聚醚醚酮人工關(guān)節(jié)的市場規(guī)模統(tǒng)計(jì)。整體來看，聚醚醚酮作為一種高性能熱塑性工程塑料，在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，其在人工關(guān)節(jié)中的占比有逐漸上升的趨勢。

國際市場：全球人工關(guān)節(jié)市場主要由五大巨頭占據(jù)，包括 Zimmer Biomet、Stryker、Johnson & Johnson、Smith & Nephew 等，這些企業(yè)擁有較高的市場份額和技術(shù)實(shí)力，前三大生產(chǎn)商共占據(jù)超過60%的市場份額。在高分子材料人工關(guān)節(jié)方面，這些企業(yè)也處于領(lǐng)先地位，擁有先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和豐富的產(chǎn)品線。

國內(nèi)市場：國內(nèi)人工關(guān)節(jié)市場已經(jīng)涌現(xiàn)出了一批具有一定規(guī)模和影響力的企業(yè)，如威高骨科、春立醫(yī)療、愛康醫(yī)療等。這些企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新和品牌建設(shè)不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力，在市場中占據(jù)了一定的份額。同時(shí)，國際知名企業(yè)也紛紛進(jìn)入中國市場，加劇了市場競爭的激烈程度。

材料性能提升：不斷有新型的超高分子量聚乙烯材料出現(xiàn)，如高交聯(lián)超高分子量聚乙烯等，其耐磨性和力學(xué)性能更好，可進(jìn)一步提高人工關(guān)節(jié)的使用壽命和性能。同時(shí)，對于聚醚醚酮等材料的改性研究也在不斷進(jìn)行，以更好地滿足人工關(guān)節(jié)的臨床需求。

個(gè)性化定制：隨著3D打印技術(shù)的興起，人工關(guān)節(jié)的個(gè)性化定制成為可能。醫(yī)生可以根據(jù)患者的具體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和病情，精確地制造出最適合患者的人工關(guān)節(jié)，提高手術(shù)的成功率和患者術(shù)后的恢復(fù)效果。這也對高分子材料的加工和成型提出了更高的要求，需要能夠快速、精準(zhǔn)地制造出符合患者個(gè)體需求的關(guān)節(jié)部件。

生物相容性優(yōu)化：研發(fā)具有更好生物相容性的高分子材料仍是重點(diǎn)方向之一，以減少炎癥反應(yīng)和排異反應(yīng)的發(fā)生概率，提高患者的長期使用效果和生活質(zhì)量。例如，通過表面改性、添加生物活性物質(zhì)等方法，進(jìn)一步改善高分子材料與人體組織的相互作用。