THA和TKA中陶瓷的摩擦学问题

上世纪70年代起，陶瓷在全关节置换术中的应用不断增多，彰显了在人工关节材料方面的持续改进。如今，已有多种陶瓷材料(氧化铝，氧化锆以及新型复合材料)可用作摩擦界面。因其卓越的摩擦特性，陶瓷材料的使用降低了关节界面的磨损率，从而使假体使用更耐久。在全髋关节置换中，长期临床研究证实了陶瓷材料的卓越特性，从而使植入物失败的风险较小。而在全膝关节置换中，实验数据显示了陶瓷材料的低磨损率，初步临床应用结果优良也令人鼓舞。

关节置换术中的陶瓷

自从上世纪70年代起，陶瓷材料就被用于骨科的THA和TKA。其卓越的摩擦学特性和在软或硬界面中的低磨损率使得临床应用陶瓷材料极具吸引力，特别是对年轻和活跃的患者。因降低了对磨损颗粒生物学反应而致的骨溶解，同时又由于陶瓷的化学惰性、抗腐蚀和与金属材料相比的抗过敏特性，使得陶瓷成为用作关节置换术中摩擦界面的一个良好选择。然而，陶瓷的失败仍是一个风险，可给患者带来严重后果，也对行翻修术的医生构成挑战。自陶瓷最初用于临床以来，其材料特性、制造方法、假体设计以及测试程序均已得到极大改善，碎裂的风险已降至很低的程度。

尽管陶瓷具有脆性，但其硬度有利于对抗三体磨损。与钴铬合金(CoCr)相比，抛光的陶瓷表面表现出卓越的摩擦特性，这得益于表面粗糙度的影响。因陶瓷材料的亲水性(低接触角)，提高了表面的浸润度。和金属表面相比，这可进一步降低摩擦。

THA和TKA中应用的陶瓷材料可以分为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷以及复合陶瓷。表1汇总了不同陶瓷的机械特性。其他假体界面的陶瓷表面改性，包括氧化锆、类金刚石以及氮化钛、氮化硅和碳化硅陶瓷，临床甚少应用或正在开发之中。因此本文未涉及这些涂层材料。

氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷在骨外科的临床应用中历史最悠久。三氧化二铝为多晶单相结构。除化学惰性和抗腐蚀外，它还可抗老化。高硬度的表面可以抵抗损伤和磨损。但与其他陶瓷相比，氧化铝陶瓷的抗弯强度和断裂韧性有限(表1)。

氧化锆陶瓷

氧化锆是1985年开始用于关节置换术的，试图取代机械性能较弱的氧化铝。氧化锆陶瓷为多晶体四方和单斜结构。由于老化过程中的相位变换会导致体积变化，通常加入氧化钇作为稳定剂。因此骨科应用的标准氧化锆是指钇稳定的氧化锆(Y-TZP)。基于氧化锆球头曾被召回及临床结果欠佳，氧化锆已甚少用于关节置换。

复合陶瓷

由于Y-TZP会老化而氧化铝的机械特性又欠佳，从而开发了复合陶瓷。骨科中常用的复合陶瓷材料是氧化锆增韧的氧化铝(氧化铝中添加含约25％的氧化锆)、氧化铝增韧的氧化锆(氧化钇稳定的氧化锆中添加约20％的氧化铝)和氧化铝基质复合材料(AMC或铝基质变形强化和原位晶片加固的复合材料)，后者以氧化锆增韧的氧化铝复合陶瓷为基础，额外添加铝酸锶和氧化铬。在这一复合物中，氧化钇阻止了氧化锆的相变，氧化锆增加了氧化铝的硬度，而嵌入氧化铝基质中的铝酸锶形成晶片，能够阻止裂隙扩展。

大多数关节假体制造厂家利用了陶瓷界面耐磨的优势，提供各种各样的全髋和全膝关节置换产品。这些假体已在模拟磨损、实验室和临床中得到广泛的研究，并成为标准的临床应用。