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陶瓷材料在骨科中的应用
文章作者 : 佚名 发布时间:2015-05-19 15:53:21

· 98 · 动脉破裂的危险与所有钝性外伤病人相比增加有力证据。9倍,而侧方压迫和髋臼骨折病人主动脉损伤的危险与所有钝性外伤病人相同。因之,前后压迫骨盆骨折应提供关于主动脉损伤可能存在的,j 蝈瞿登兰墨登篓苎堕坌壁C J Taruma 1992;33(3>:429N434 f英文) 宋贤武节译柴本甫校] 醛.一‘陶瓷材料在骨科中的应用R 、G .咖w k /F ~t 擒要陶瓷是金属与氧或其它阴离子的稳定化舍物。由于它们的耐磨性和生物化学惰性,近三十年拳人们一直设想将其用作骨科植入物。尽管为了实现这一愿望做出了很大的努力,但由于它们的脆性会导致负董植入物的王I法预料的灾难性失败,因而陶瓷禾被广泛接受。也许在甩作复合材料植入物中的增强纤维以及作为金属性植物的羟化磷灰石钙涂层以诱导直接的骨性结合方面,陶瓷材料有着最寿光明的前景。陶瓷是由金属与非金属尤其是氧的化合物组成的坚固材料。与骨科密切相关的陶瓷材料是氧化铝,A1。O。,羟化磷灰石(HAP),Ca·o (PO。)。(OH)。。陶瓷化合物生成时,尤其是基础金属如铝或钛与氧反应时,释放出大量的化合能。这些化合物因而处在很低的能量状态,也就是说,进一步的自发反应不可能再发生了。因此在所有材料中,陶瓷最具生物学与化学惰性。在分子水平上,各组分原子紧密地结合在一起,很难分开。以此种键结合的材料不仅具有惰性,而且具有质硬、坚固与耐磨损的特点。比氧化铝更硬的只有钻石。..某些陶瓷类化合物如HAP的羟磷灰石三钙(TCP)、Ca。(POt)。,比氧化物强度差些而化学活泼性大些。这类材料在生物体内可能会缓慢分解,.已被认为是能促进新骨形成的生物活性剂。虽然纯碳是元素而非化合物,但它具有类似陶瓷的特性以及在生物体内的惰性,通常也被归入陶瓷家族中。晶体结构晶状结构由于排列有序允许离子密集存在,因而每一离子都与尽可能多的毗邻的离子相接触。这样就增加了原子键的数量而降低了整体的能量。大量的达到植入物要求的陶瓷样品,通常是由细小的晶体或晶粒紧密聚合而成的。相邻的晶粒之间除了排列方向不同外,彼此的晶状结构是绝对相同的。晶粒间的界面区是高能量区。在一个含大量晶粒的样本中,可以通过减少晶粒界面的总量使总体能量下降。制陶过程‘将纯净的氧化铝研磨成细末(O.1~1O m),每一细末基本上就是一个单晶体。然后在约7 0 MPa下压入预制模具中。烧制过程中,细末通过扩散(而非熔化)烧结在一起,它们之间的接触点就形成了晶粒界面。在冷却过程中,相邻晶粒有差异的收缩率导致裂纹产生,大约与晶粒一样大小。这些内在裂纹影响了强度。正因为如此,人们尽力控制晶粒的大小从而控制裂纹。现代烧结技术能够使得晶粒小于10 m而氧化铝的密度不低于98 。脆性碎裂由于在冷却过程中产生的微小裂纹,陶瓷材料的实际强度远远低于据单体的原子键强度推算所得。原因是当陶瓷体受力时,内在裂隙顶部的局部应力比整体其它部位的要大得多。顶部的较大应力导致裂纹扩展。在大负荷的作用下,大的裂纹很快扩展,完全碎裂几乎在瞬维普资讯http://www.cqvip.com 1993年5月第14卷第2期间发生,不会有持久性或弹性变形。这就是脆裂。较小的负荷作用下,较小的裂纹扩展会慢些,直至临界水平时,此后将加速扩展,同样导致脆裂。不仅如此,在水或盐溶液的环境下,铝基陶瓷的细小裂纹扩展速度将变为原来的100 倍。缓慢的裂纹扩展有时称为静力性疲劳,与金属不同的是,它与反复受载和去载无关。而骨科植入用陶瓷所承受的周期性的负荷完全可以诱发裂纹的缓慢扩展。在每一周期内负荷最大的时刻,裂纹增长了一部分。循环至一定次数后,裂纹总会达到临界水平,脆裂随之发生。为安全起见,骨科陶瓷植入物的设计必须是非常保守的。设计的部件必须足够粗大,保证植入物在运转时所受到的应力非常小,不会引起可能存在的最大的裂隙的扩展。此外,须严格避免表面擦痕和锐角,它们和裂纹一样有害。担心脆裂是陶瓷植入物应用于临床进展缓慢的主要原因。早期应用于骨科的陶瓷陶瓷材料作为骨科植入物的设想始于1963 年。70年代初,对大量陶瓷材料进行了力学、腐蚀性试验和动物实验。在以后的二十年问,可能作为植入物的陶瓷缩减至数量较小的三大:1)非反应或近乎惰性陶瓷:仅存三氧化二铝和碳;2)可吸收陶瓷:TCP;3)生物活性或表面活性陶瓷:包括HAP和某些含磷、钙和钠的硅基玻璃。氧化铝实验室与生理学检测都证实氧化铝在活体中不会释放出铝离子。而且,它属于最坚硬、牢固、耐磨的一类物质。它也不贵,与纯陶瓷一样易于加工。植入体内后很快被机体组织膜包裹起来,无明显生化效应,与其它植入材料的致瘤性相同或略低。1972年,法国首先报道应用氧化铝复合物进行全髋置换。人工全髋以陶瓷杯对安装于合金柄上的陶瓷头制成。磨损率低,位置好,很少松动,早期效果不错,随访中效果亦佳。也有使用全陶瓷股骨头柄对陶瓷杯的人工全髋。动物实验与机械学试验是成功的。但因· 99 · 为担心陶瓷杯在张力应力下会疲劳折断,所以始终未能应用于临床。随后又出现新的设计:氧化铝做成的头部,带有蜡烛芯状孔,可以嵌在配对的金属颈上。这种设计使陶瓷头与金属柄之间完全是机械锁定,在欧美风行一时。然而存在着用骨水泥固定的氧化铝杯的松动问题。据悉与陶瓷植入物和松质骨床之间硬度的骤然改变有关。欧美的报道都指出,松动问题的持续存在首先是植入物本身的设计问题,其次是安装器械的设计存在问题。然而,必须指出的是,在活体中,陶瓷对陶瓷I搀磨损率远远低于金属对聚乙烯,很少因为陶瓷折断而导致植入失败。钛合金对聚乙烯做成的人工髋、人工膝的广泛应用,暴露出来一个问题,即大量的磨蚀的金属碎屑释放至周围组织,偶而引起不良后果。应用氧化铝陶瓷头安装于钛合金柄上,再用聚乙烯做髋臼杯有希望解决上述问题。在人工膝、掌指关节、肱骨头方面,氧化铬没有显示明显优点。磷酸钙陶瓷钙与磷酸根离子POi一形成的化合物有很多种。每一种化合物都有各自的晶体结构和各自的钙磷组成比。其中两种化合物有可能作为骨科植入物,它们是HAP和TCP。磷酸钙盐中的原子键比氧化铝的为弱,因而在强度和惰性方面不如氧化铝。7O年代出现了硬磷灰石,强度有了很大的提高。而且它的降解率非常低,基本上是惰性的。磷酸盐陶瓷还有引导骨生成的特性,这一点已被证实。HAP的引导能力比TCP强。尽管磷酸盐陶瓷材料有着独特的优点,但由于它们的生物稳定性和强度的不确定性,使得它们不能很快应用于临床。有吸引力的补救方法,是给常用金属植入物覆盖一层HAP涂层,以利用它的直接生物化学结合的能力。HAP的另一项有前途的应用是涂在多孔植入物的表面以引导骨生成。这种涂层可以促进早期的骨组织长入固定。这种特点在承重植入物中也许可以抵消微小运动妨碍骨组织长入维普资讯http://www.cqvip.com ·Ioo· 植入物的不利影响。HAP的其它临床应用仅限于作为移植骨的替代物填充骨缺损.碳缓慢加热聚合纤维、人造丝、聚合丙烯腈或煤焦油等,以驱除挥发性成份留下纯碳,可以得到除金刚石与石墨之外的另一种形态的碳。由热分解方法得到的碳纤维具有很好的强度与可加工性,这是它应用于骨科的基础。直接用热分解得到的碳做成人工股骨头,比合金假体耐磨。但至今没有用于临床。碳纤维起初用于骨科的韧带置换,只取得了有限的成功。因为纤维间互相磨擦导致断裂。将碳纤维涂层或诱导疤痕组织长入以起保护作用的尝试未能挽回败局。人们做出了相当的努力,用碳纤维来增强许多骨科复合物。碳纤维尽管确实起到了增强聚乙烯植入物强度的作用,最终还是由于疲劳和磨损问题而中断了。将碳纤维添加于骨水泥的努力也归于失·因外医学·刨伤与外科基本同题分册败。原因是碳纤维没有增加骨水泥的强度反而增加了粘性,不利于埋入操作和骨水泥与松质骨间的机械嵌合作用。碳纤维在骨科最新和最有前途的应用是在人工全关节置换复合体中作为增强成份。这些复合物的最吸引人之处,是它们的加工物与骨的硬度相当,而金属或陶瓷做不到。碳纤维复合物的应用有希望产生新一代的植入物,它们与骨组织以更符合生理状态的方式分担负荷,由此可以减少松动率。动物实验已获得成功,在不久的将来即会有临床经验报道。讨论氧化铝植入物未必可以成为骨科中一种有用的变通方法。对骨与羟化磷灰石涂层的直接化学结合的可能性,今后几年里肯定会有孜孜以求者。陶瓷砭用予骨科的最有前途的新发展,是将碳纤维增强复合材料用于主要承重植入物。这些材料的进一步发展应密切关注。[Clin Orthop 1992;276(8):185,',-'148 (英文,王毅超节译张光健校】诚意合作上海建东医科技术开发公司是上海市医学科学技术情报研究所下属的独立核算、自主经营、具有独立法人资格的全民所有制公司。主营医学情报领域的技术开发、技术咨询等八技’服务,兼营医疗保健用品的研制、开发、销售等。本公司将利用上海的优势,真诚地与国内外科技人员合作,共同研制、共同开发高科技产品,欢迎单位和个人前来联系。地址:上海市建国西路602号电话:4728661、4728269 邮政编码:2OOO31 法人代表:龚宪中联系人:郁德豪陈楚雯维普资讯http://www.cqvip.com

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