我們每天做很多髖、膝關節置換術，經常有患者好奇關節假體是用什麼材料製造的。簡而言之，關節假體常用的材料有稀有合金（鈦合金、鈷鉻合金）、聚乙烯和陶瓷，固定假體用的是骨水泥“聚甲基丙烯酸甲酯”。
如果這些科學詞彙讓您感覺比較枯燥，那麼讓我們換一種說法：“你的關節假體和殲20戰鬥機用了同一種材料！”“陶瓷也可以用來做關節假體！”“ 你的關節假體零件和裝油條的塑膠袋，都是用聚乙烯做的！”您先不用驚訝，這些都是事實，下面我們來詳細介紹關節假體的製造材料。
骨關節置換常見的是髖關節和膝關節，為敘述方便，我們把關節假體分為主體，摩擦介面和骨-假體介面三個部分來講。
1.主體部分
主體部分，即膝關節的脛骨平臺託，髖關節的股骨柄和髖臼外杯，一般是TC4鈦合金，由鈦和少量的釩、鋁製成。鈦合金腐蝕，質地輕盈，機械效能良好，在工業上被譽為“航天金屬”：美國的SR-71高空偵察機就是鈦合金做的外殼，中國最新型的殲20戰鬥機裡鈦合金比例高達20%。
在各種金屬中，鈦合金力學引數比較接近人骨，和骨頭有良好的力學相容性，既不因為太軟支撐不住，又不容易因為太硬壓壞骨頭。鈦合金表面有一層緻密的氧化層，在人體內很難被腐蝕，生物相容性好，極少有排斥反應，目前也沒有發現明確的毒害作用。雖然有種種優異的效能使鈦合金成為了骨科內植物的理想材料，但鈦合金難冶煉，更難加工，這是關節假體價格較貴的原因之一。
2.摩擦介面
（1）金屬：
摩擦介面是關節活動功能的核心。如果是金屬構成的摩擦介面，例如髖關節假體的金屬股骨頭和膝關節假體的股骨髁，採用的是鈷-鉻或鈷鉻鉬合金。這類合金最突出的特性是耐磨。鈷在工業上用於製造硬質合金刀具，鉬更是坦克裝甲不可或缺的金屬材料。強強聯合制成的合金，耐磨耐衝擊，用這些合金製造關節假體摩擦介面，利於延長假體壽命，減少有害的磨損碎屑產生。
（2）聚乙烯：
為了緩衝和耐磨，膝關節脛骨和股骨假體中間需要放置一片塑膠墊片，髖關節假體髖臼部分也可以選擇塑膠的襯墊。聚乙烯是一種古老且常見的塑膠，日程生活中，從臉盆到塑膠袋都有它的身影。
關節假體要植入人體，還要使用很多年不損壞，用這麼低端的塑膠會不會難以勝任呢？其實歷史上，人類也嘗試過更高階的塑膠，比如聚四氟乙烯（特氟龍）但表現都不理想，經過多年大浪淘沙的篩選，聚乙烯以優良的耐磨損和抗衝擊性能成為了最優選擇。關節假體所用的聚乙烯，和用來做塑膠臉盆的略有不同。60年代人們透過增加普通聚乙烯分子大小，製造出“超高分子量聚乙烯”，獲得了更好的耐磨損效能，更低的摩擦係數。
90年代以來，又透過化學反應甚至高能射線，輔以精細的熱處理，讓聚乙烯分子相互“拉起手來”，形成高交聯聚乙烯，進一步增加耐磨性。所以，關節假體所用的聚乙烯和生活中常見的聚乙烯，除了名字和類似之外，其實不是同一層次的東西了。
（3）陶瓷：
陶瓷確實可以用來製造人工關節，不但如此，目前最先進的髖關節假體都使用了陶瓷的。關節假體選用的陶瓷材料，不是您家裡做碗的那種。生活中的陶瓷，是由黏土經過高溫燒結，形成的堅硬材料；而關節假體的陶瓷，製造原料是高純度的氧化鋁、氧化鋯，燒結的溫度也更高，控制得更嚴格。
氧化鋁和氧化鋯是什麼呢？
天然的氧化鋯晶體稱為斜鋯石，您不知道斜鋯石是什麼沒關係，那麼氧化鋁的天然晶體您一定聽說過：藍寶石和紅寶石——都是高硬度的寶石。這樣出色材料和特殊工藝製造出的陶瓷，既耐磨又堅硬。陶瓷製造的髖關節假體，每年只磨損5微米（20萬分至一米），經久耐用，是年輕患者的最佳選擇。
瓷碗容易摔碎，於是人們發明了搪瓷碗，關節假體的研發思路也是一樣的。早期的陶瓷髖關節假體容易碎裂，未解決這一問題，人們在假體金屬表面燒結一層陶瓷，成為“黑晶”假體。這樣既保留了陶瓷的耐磨特性，也佔到了金屬不宜碎裂的好處。實際上，現在的第四代陶瓷假體，已經極少發生碎裂，黑晶假體和陶瓷假體各有千秋，並沒有明確的優劣之分。
3.骨-假體介面
假體需要固定在骨頭上，對於多數膝關節假體和少數髖關節假體，假體和骨頭之間需要塗抹一層”骨水泥”，就像砌牆用的灰漿一樣，透過填塞骨面和假體的縫隙，來實現假體的固定。“骨水泥”是一種聚合材料，它的化學名稱叫做“聚甲基丙烯酸甲酯”。
“聚甲基丙烯酸甲酯”還有一個更通俗的名字——“有機玻璃”，這又是一種生活中常見的材料，就是用來製作公交站臺廣告牌和印章的那個。普通的有機玻璃經過化學改性，使其更適宜骨科應用，就成了骨水泥。骨水泥化學性質穩定，生物相容性好，應用於骨科手術已有超過60年的歷史。
當然，在髖關節，大部分情況下是不需要這層水泥的，取而代之的是一些塗層物質，包塊羥基磷灰石、微小鈦珠或者噴砂製成的粗糙面以及骨小梁塗層等，都是為了讓骨頭和金屬假體之間實現生物癒合，也就是長在一起。
總結
以上便是關節假體的常用材料。一副關節假體看似不起眼，但它的背後是冶金、化工，機械加工等多領域科技的融合，是人工關節外科幾十年嘗試和積累的凝聚，其複雜和精妙令人歎為觀止。
我們每天做很多髖、膝關節置換術，經常有患者好奇關節假體是用什麼材料製造的。簡而言之，關節假體常用的材料有稀有合金（鈦合金、鈷鉻合金）、聚乙烯和陶瓷，固定假體用的是骨水泥“聚甲基丙烯酸甲酯”。
如果這些科學詞彙讓您感覺比較枯燥，那麼讓我們換一種說法：“你的關節假體和殲20戰鬥機用了同一種材料！”“陶瓷也可以用來做關節假體！”“ 你的關節假體零件和裝油條的塑膠袋，都是用聚乙烯做的！”您先不用驚訝，這些都是事實，下面我們來詳細介紹關節假體的製造材料。
骨關節置換常見的是髖關節和膝關節，為敘述方便，我們把關節假體分為主體，摩擦介面和骨-假體介面三個部分來講。
1.主體部分
主體部分，即膝關節的脛骨平臺託，髖關節的股骨柄和髖臼外杯，一般是TC4鈦合金，由鈦和少量的釩、鋁製成。鈦合金腐蝕，質地輕盈，機械效能良好，在工業上被譽為“航天金屬”：美國的SR-71高空偵察機就是鈦合金做的外殼，中國最新型的殲20戰鬥機裡鈦合金比例高達20%。
在各種金屬中，鈦合金力學引數比較接近人骨，和骨頭有良好的力學相容性，既不因為太軟支撐不住，又不容易因為太硬壓壞骨頭。鈦合金表面有一層緻密的氧化層，在人體內很難被腐蝕，生物相容性好，極少有排斥反應，目前也沒有發現明確的毒害作用。雖然有種種優異的效能使鈦合金成為了骨科內植物的理想材料，但鈦合金難冶煉，更難加工，這是關節假體價格較貴的原因之一。
2.摩擦介面
（1）金屬：
摩擦介面是關節活動功能的核心。如果是金屬構成的摩擦介面，例如髖關節假體的金屬股骨頭和膝關節假體的股骨髁，採用的是鈷-鉻或鈷鉻鉬合金。這類合金最突出的特性是耐磨。鈷在工業上用於製造硬質合金刀具，鉬更是坦克裝甲不可或缺的金屬材料。強強聯合制成的合金，耐磨耐衝擊，用這些合金製造關節假體摩擦介面，利於延長假體壽命，減少有害的磨損碎屑產生。
（2）聚乙烯：
為了緩衝和耐磨，膝關節脛骨和股骨假體中間需要放置一片塑膠墊片，髖關節假體髖臼部分也可以選擇塑膠的襯墊。聚乙烯是一種古老且常見的塑膠，日程生活中，從臉盆到塑膠袋都有它的身影。
關節假體要植入人體，還要使用很多年不損壞，用這麼低端的塑膠會不會難以勝任呢？其實歷史上，人類也嘗試過更高階的塑膠，比如聚四氟乙烯（特氟龍）但表現都不理想，經過多年大浪淘沙的篩選，聚乙烯以優良的耐磨損和抗衝擊性能成為了最優選擇。關節假體所用的聚乙烯，和用來做塑膠臉盆的略有不同。60年代人們透過增加普通聚乙烯分子大小，製造出“超高分子量聚乙烯”，獲得了更好的耐磨損效能，更低的摩擦係數。
90年代以來，又透過化學反應甚至高能射線，輔以精細的熱處理，讓聚乙烯分子相互“拉起手來”，形成高交聯聚乙烯，進一步增加耐磨性。所以，關節假體所用的聚乙烯和生活中常見的聚乙烯，除了名字和類似之外，其實不是同一層次的東西了。
（3）陶瓷：
陶瓷確實可以用來製造人工關節，不但如此，目前最先進的髖關節假體都使用了陶瓷的。關節假體選用的陶瓷材料，不是您家裡做碗的那種。生活中的陶瓷，是由黏土經過高溫燒結，形成的堅硬材料；而關節假體的陶瓷，製造原料是高純度的氧化鋁、氧化鋯，燒結的溫度也更高，控制得更嚴格。
氧化鋁和氧化鋯是什麼呢？
天然的氧化鋯晶體稱為斜鋯石，您不知道斜鋯石是什麼沒關係，那麼氧化鋁的天然晶體您一定聽說過：藍寶石和紅寶石——都是高硬度的寶石。這樣出色材料和特殊工藝製造出的陶瓷，既耐磨又堅硬。陶瓷製造的髖關節假體，每年只磨損5微米（20萬分至一米），經久耐用，是年輕患者的最佳選擇。
瓷碗容易摔碎，於是人們發明了搪瓷碗，關節假體的研發思路也是一樣的。早期的陶瓷髖關節假體容易碎裂，未解決這一問題，人們在假體金屬表面燒結一層陶瓷，成為“黑晶”假體。這樣既保留了陶瓷的耐磨特性，也佔到了金屬不宜碎裂的好處。實際上，現在的第四代陶瓷假體，已經極少發生碎裂，黑晶假體和陶瓷假體各有千秋，並沒有明確的優劣之分。
3.骨-假體介面
假體需要固定在骨頭上，對於多數膝關節假體和少數髖關節假體，假體和骨頭之間需要塗抹一層”骨水泥”，就像砌牆用的灰漿一樣，透過填塞骨面和假體的縫隙，來實現假體的固定。“骨水泥”是一種聚合材料，它的化學名稱叫做“聚甲基丙烯酸甲酯”。
“聚甲基丙烯酸甲酯”還有一個更通俗的名字——“有機玻璃”，這又是一種生活中常見的材料，就是用來製作公交站臺廣告牌和印章的那個。普通的有機玻璃經過化學改性，使其更適宜骨科應用，就成了骨水泥。骨水泥化學性質穩定，生物相容性好，應用於骨科手術已有超過60年的歷史。
當然，在髖關節，大部分情況下是不需要這層水泥的，取而代之的是一些塗層物質，包塊羥基磷灰石、微小鈦珠或者噴砂製成的粗糙面以及骨小梁塗層等，都是為了讓骨頭和金屬假體之間實現生物癒合，也就是長在一起。
總結
以上便是關節假體的常用材料。一副關節假體看似不起眼，但它的背後是冶金、化工，機械加工等多領域科技的融合，是人工關節外科幾十年嘗試和積累的凝聚，其複雜和精妙令人歎為觀止。