人工關節(jié)會用到哪些高分子材料？國內(nèi)市場正蓬勃發(fā)展！
人工關節(jié)是替代病變或損傷關節(jié)的植入性假體，除了應滿足生物相容性要求外，必須具有足夠的耐磨損性能、力學性能和抗氧化性能等。
人工關節(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； ②生物力學性能合適，能較好地適應植入部位人體組織； ③能較好地與生物界面結合穩(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)境和關節(jié)生物力學的要求。目前常用的人工關節(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。
01 超高分子量聚乙烯 性能優(yōu)勢：具有優(yōu)異的耐磨損性、耐應力開裂、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。 應用情況：是目前最重要的人工關節(jié)用高分子材料之一，常用于制造人工關節(jié)的關節(jié)面，如髖臼杯襯墊等，廣泛應用于髖關節(jié)、膝關節(jié)等置換手術中。在髖關節(jié)和膝關節(jié)置換中，超高分子量聚乙烯作為關節(jié)面的內(nèi)襯材料被廣泛應用，是人工關節(jié)中高分子材料應用的重要部分，在一些關節(jié)置換手術中，僅髖臼杯襯墊等關節(jié)面部分使用超高分子量聚乙烯，從體積上看約占整個關節(jié)假體的10%-20%左右，但從功能和重要性上看，卻是不可或缺的關鍵部分。 02 聚醚醚酮
性能優(yōu)勢：具有高強度、高剛性、優(yōu)異的韌性和抗疲勞性能，能破解金屬關節(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，可降低炎癥反應和排異反應的發(fā)生概率。 應用情況：在人工關節(jié)中的應用日益廣泛，如用于制造人工關節(jié)的臼杯、關節(jié)柄等部件，尤其適用于對力學性能要求較高的關節(jié)部位，在部分人工關節(jié)產(chǎn)品中，聚醚醚酮類材料占比可達30%-50%左右，也可用于脊柱融合器等骨科植入物。隨著技術發(fā)展和對其性能優(yōu)勢的進一步認識，其應用占比有逐漸增加的趨勢。 03 聚甲基丙烯酸甲酯
性能優(yōu)勢：具有良好的生物相容性和骨傳導性，可與人體組織形成較好的結合，固化后具有一定的強度和韌性，能夠在一定程度上承受關節(jié)部位的負荷，并且可以根據(jù)需要調整其形狀和尺寸，以適應不同的關節(jié)修復需求。 應用情況：主要作為骨水泥使用，用于固定人工關節(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，提高人工關節(jié)的穩(wěn)定性和使用壽命，常用于髖關節(jié)、膝關節(jié)等關節(jié)置換手術中。在整個關節(jié)置換手術中，雖然其用量相對較少，但卻是確保關節(jié)假體穩(wěn)定固定的關鍵材料，一般在手術中骨水泥的使用量根據(jù)關節(jié)部位和假體固定情況而有所不同，通常占整個關節(jié)置換材料重量的5%-15%左右。 04 聚四氟乙烯和全氟乙丙烯等氟塑料材料
性能優(yōu)勢：具有優(yōu)異的化學穩(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)各種化學物質的影響，其低摩擦系數(shù)可減少關節(jié)運動時的磨損，提高關節(jié)的靈活性和使用壽命。 應用情況：常用于人工關節(jié)的表面涂層或作為關節(jié)部件的材料，以改善關節(jié)的摩擦性能和生物相容性，如用于制造人工關節(jié)的髖臼內(nèi)襯等部件，減少關節(jié)面之間的摩擦和磨損。
髖關節(jié)：高分子材料在髖關節(jié)人工關節(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-聚乙烯復合結構，其中超高分子量聚乙烯的占比約為20%-30%。此外，在髖關節(jié)翻修手術中，有時會使用聚醚醚酮等材料制作的髖臼杯和關節(jié)柄，其占比可能會進一步增加。 膝關節(jié)：人工膝關節(jié)通常由股骨髁、脛骨平臺和墊片組成，墊片常采用超高分子量聚乙烯材料，其在整個膝關節(jié)假體中的體積占比約為10%-15%，但對于關節(jié)的摩擦和磨損性能起著關鍵作用。同時，在一些新型的膝關節(jié)假體設計中，也開始嘗試使用聚醚醚酮等材料來優(yōu)化關節(jié)的性能，使高分子材料的占比有一定的上升趨勢。 其他關節(jié)：在肩關節(jié)、肘關節(jié)、踝關節(jié)等關節(jié)置換中，高分子材料的應用相對較少，但在一些特定的假體設計或臨床需求情況下，也會使用超高分子量聚乙烯作為關節(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。 超高分子量聚乙烯 輻照交聯(lián)與熱處理聯(lián)用：先對超高分子量聚乙烯進行輻照交聯(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強度。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，使材料的抗氧化性能得到顯著提升，同時進一步改善材料的結晶度和物理性能，實現(xiàn)耐磨損性、抗氧化性和力學性能的同步提高。 自增強注塑工藝：采用超低分子量聚乙烯作為流動改性劑，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，施加強剪切流動場，誘導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結構，從而大幅度提高人工關節(jié)植入體的力學強度。 聚醚醚酮 3D 打印與表面涂層技術結合：通過3D打印技術制備聚醚醚酮人工關節(jié)，可以根據(jù)患者的具體關節(jié)結構和病情進行個性化定制，提高關節(jié)與人體的適配性。在3D打印的聚醚醚酮人工關節(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，可增強人工關節(jié)的生物相容性和骨整合能力，同時提高其力學性能。 復合材料制備：采用碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，通過調整碳纖維的含量、長度、取向與鋪展順序等，可使復合材料具有適宜的低彈性模量和高的強度等性能，更好地模擬人體關節(jié)的力學性能，同時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：在聚甲基丙烯酸甲酯中添加生物活性物質，如羥基磷灰石、生物玻璃等，通過化學溶液法、真空浸漬法或鹽類溶液法等制備成復合材料，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)結和相互作用。 化學結構修飾：對聚甲基丙烯酸甲酯的化學結構進行修飾，如引入特定的官能團或側鏈，以改善其生物相容性、降低聚合熱、提高固化后的力學性能以及減少潛在的毒性等。 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行共混，如添加生物活性物質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性能的復合材料。同時，利用膠體穩(wěn)定技術和其它表面修飾技術對聚四氟乙烯涂層進行修飾，控制其粒徑和表面形貌，進一步提高涂層的穩(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)模預計將會達到5.22億元，復合年增長率為10.33%。在2016年，人工關節(jié)占全球醫(yī)療超高分子量聚乙烯消費的47%左右，占據(jù)最大市場。 隨著對聚醚醚酮性能優(yōu)勢的認識和技術的發(fā)展，在人工關節(jié)領域的應用逐漸增加，但目前尚無確切的單獨針對聚醚醚酮人工關節(jié)的市場規(guī)模統(tǒng)計。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)療領域的應用前景廣闊，其在人工關節(jié)中的占比有逐漸上升的趨勢。 國際市場：全球人工關節(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實力，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節(jié)方面，這些企業(yè)也處于領先地位，擁有先進的生產(chǎn)技術和豐富的產(chǎn)品線。 國內(nèi)市場：國內(nèi)人工關節(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)通過技術創(chuàng)新和品牌建設不斷提高產(chǎn)品質量和市場競爭力，在市場中占據(jù)了一定的份額。同時，國際知名企業(yè)也紛紛進入中國市場，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，其耐磨性和力學性能更好，可進一步提高人工關節(jié)的使用壽命和性能。同時，對于聚醚醚酮等材料的改性研究也在不斷進行，以更好地滿足人工關節(jié)的臨床需求。 個性化定制：隨著3D打印技術的興起，人工關節(jié)的個性化定制成為可能。醫(yī)生可以根據(jù)患者的具體關節(jié)結構和病情，精確地制造出最適合患者的人工關節(jié)，提高手術的成功率和患者術后的恢復效果。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、精準地制造出符合患者個體需求的關節(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方向之一，以減少炎癥反應和排異反應的發(fā)生概率，提高患者的長期使用效果和生活質量。例如，通過表面改性、添加生物活性物質等方法，進一步改善高分子材料與人體組織的相互作用。