• 采矿：提取自然状态下的矿石；
• 原材料：将从地壳中提取的矿石转化为金属原材料的过程；
• 金属的组合：金属与金属的组合，或金属与另一种元素的组合，以产生合金；
• 初步装置的制造：铸造、热等静压；
• 表面处理：可采用氮化、酸蚀、抛光或喷砂等方法获得。

在某些设备上，无论是无骨水泥股骨柄还是必须进行钝化处理的接骨设备，都必须进行表面处理。

前三个步骤与其他行业相同：汽车、海军或飞机工业. . . 粉末合金可在高温下浇铸。在获得初步装置后，还需要使用其他特定工艺来准备骨科装置：抛光对于骨水泥股骨柄来说仍然至关重要，对于用于全髋关节置换术（THA）的植入物来说，抛光对于获得低摩擦扭矩也至关重要。对于非骨水泥股骨柄，表面处理可增加粗糙度，从而为成骨细胞提供更好的锚定，使其重新定殖于骨科装置，例如微孔或大孔涂层。这些涂层可通过在表面添加金属珠或金属纤维获得（图 2）。由于熔化这些附加材料需要很高的温度，因此会改变原始装置的特性。

图 2. A. 带有羟基磷灰石涂层的非骨水泥股骨柄。B. 带有钛涂层的非骨水泥股骨干。

通过喷砂或刚玉研磨形成的粗涂层是氧化铝颗粒高速喷射的结果。这种表面处理尤其适用于钛植入物。

另一种方法是使用等离子或火焰喷涂，直接将涂层投射到所需区域。这是一种快速、非饱和的工艺，但一些报告强调了沉积层的不均匀性，尤其是在羟基磷灰石涂层的情况下。

三、骨科中使用的金属

由于纯金属没有足够的机械性能来抵抗作用在骨骼上的机械应变，因此工业上最常用来制备骨科设备的金属是合金。骨科的情况与颌面外科的情况在数量级上有所不同。矫形外科从不使用纯金属（如铂、铜或金），而且有些金属有剧毒（如铅）。

不锈钢通常用于制作骨科设备。最常见的钢的碳含量为 0.03%，被称为 316L（L 代表低碳含量）。它由 60-65% 的铁、17-20% 的铬和 12-17% 的镍组成。此外还含有微量的钼、磷、硅、锰、硫或氮。低碳含量使其具有耐腐蚀性能。由于不锈钢具有良好的机械阻力特性和相对可塑性，它仍然是骨科设备，尤其是接骨术的首选生物材料（图 3）。

图 3. 不同不锈钢矫形器的示例。

钴基合金主要用于关节成形装置。钴合金有多种，其中最著名的是含钴、铬和钼的 Vitallium。所有合金中钴的比例都超过 55%，铬接近 20%。在 ASTM F75 合金（美国材料试验协会）中，钼的含量为 5-7%。Vitallium 仍是矫形外科使用最多的合金，被称为 ASTM F75 Co-Cr。钴铬合金因其机械阻力和良好的生物相容性而被广泛使用。此外，一些髋关节假体也使用 Co-Cr 合金来提高摩擦扭矩。

钛从来不是纯钛，它总是被一层薄薄的钛氧化物钝化，“商业纯钛 ”被称为 CP 钛。然而，由于存在少量的氧、铁、碳或氮，在各种 ASTM 等级中都存在 CP 形式，这些杂质会影响机械阻力。钛基合金是骨科设备中使用最多的材料。它们可用于骨合成装置和假肢。钛合金具有完美的兼容性和高度耐腐蚀性。Ti-6Al-4 V 合金（又称 TA6 V）含有铝（6%）和钒（4%）。其 ASTM 名称为 F136（5 级），有两种形式：Ti-6Al-4 V 或 Ti-6AL-4 V ELI（ELI 表示超低间隙）。ELI 形式的碳含量低于 0.08%，氢含量低于 0.0125%，铁含量低于 0.25%，氮含量低于 0.05%，氧含量低于 0.13%。最近，钛 6-7 合金（ASTM F1295-16，用铌代替钒作为β稳定元素）被提出用于骨科。钛合金具有高抗压性，因此被用于钉子或钢板等骨合成装置。此外，钛合金尤其是 TAV ELI 的杨氏模量与骨的杨氏模量接近。钛合金具有良好的生物相容性和极强的机械和耐腐蚀性，有利于将其用于假体柄。此外，钛装置的普遍使用也降低了这类装置的生产成本（图 4）。

图 4. 钛骨科装置实例。A. 肱骨锁定钉 B. 髋关节假体的股骨干 C. 带锁定螺钉（左）和普通螺钉（右）的手腕锁定板。

钽最近被引入骨科，用于制备骨填充生物材料 Trabecular Metal（TM-Zimmer Biomet）等设备。TM 是一种由 98% 以上的钽制成的支架；其孔隙（直径 550 米）呈四开十面体形状，其微结构模仿骨小梁。这就赋予了它极佳的生物相容性，使其具有非常好的骨结合特性（其体积的 80% 可被新骨定植）。它主要用于全髋关节或膝关节置换术的修复，作为松质骨缺损情况下的骨移植；不过，最近它也被用于全踝关节置换术的修复，但效果不佳（图 5）。

图 5. 钽骨科装置的实例。A. 钽泡沫微结构的扫描电镜。B. 用于骨缺损的髋臼重建装置。C. 用于骨缺损的膝关节重建装置。

其他类型的金属可用作氧化物来制备氧化铝或氧化锆等陶瓷。这些陶瓷是骨科植入物中常用的另一类生物材料。由于具有高耐磨性，这些惰性陶瓷的摩擦扭矩较低。氧化铝是一种由铝的氧化物 Al2O3 制成的陶瓷，因其出色的摩擦学特性（摩擦和磨损），40 多年来一直被用于制备 THA 中的合成股骨头。氧化锆与氧化铝混合制备的 Ceramic Delta（图 6）也有同样的用途。

图 6. 骨科中使用的陶瓷实例。A. 氧化铝髋臼和股骨头。B. 髋臼锆植入钛金属背。

四、用于接骨术的植入物

接骨术是一种外科手术，包括使用由生物相容性金属制成的植入装置来固定骨折。其目的是减少骨折部位的骨碎片，并通过植入装置将其稳定。有许多装置可用于接骨术。长期以来，螺钉和钢板一直是接骨术的主要选择。稳定装置可将骨折的骨端固定在一起，并在骨折部位愈合的同时形成骨痂。螺钉可单独使用，也可用于稳定钢板。螺钉会受到剪切和撕裂应力的作用，偶尔也会出现金属疲劳失效的情况。

针对不同的应用提出了不同类型的钢板：

• 中和板：与压缩螺钉一起使用，以避免螺钉疲劳失效；
• 加压钢板：对骨骼进行静态加压，促进愈合过程；
• 支撑板：保护骨折部位免受弯曲负荷和剪切应力的影响；
• 张力带接线板：将剪切应变转化为压缩应变；
• 桥接板：通过限制骨膜血管脱落来对齐并促进骨愈合（图 7）。

图 7. 使用金属植入物进行骨合成的 X 光图像。A. 双螺钉关节固定术 B. 踝关节骨折的骨合成术。C. 手腕骨折的骨合成术。

不锈钢最常用于制作接骨术装置。其优点是可塑性强，工艺简单。缺点是易腐蚀、疲劳失效增加、生产成本高，因为必须长时间高温加热合金才能获得具有合适性能的合金。铸造钴铬合金也因其高耐腐蚀性而受到青睐。其主要缺点是抗疲劳性低、刚性高以及铬在体液中的释放。TA6V 具有较高的抗疲劳性和耐腐蚀性，目前也在使用。不过，钛装置的高骨结合特性可能会限制其在接骨术中的应用，因为要必须能方便地取出装置。

在接骨手术中，髓内钉（IN）是最新的手术之一，但仍然是骨干骨折的最佳选择之一。髓内钉用于稳定长骨的骨干骨折，方法是将金属钉插入髓腔，在骨折碎片上架起一座桥梁。插入材料的手术方法通常是微创的，是稳定骨干骨折的最佳机械方法。为了加快钢钉插入髓腔的速度，从而确保更快的愈合过程，开发了髓内扩孔技术，使用口径越来越大的磨具对髓内管进行扩孔。这触发了刺激骨愈合的细胞信号。1939 年，德国外科医生 Küntscher 首次为人类股骨实施了髓内钉。稳定的骨折髓内钉是通过经皮方法进行的，这种方法避免了骨膜血液供应丧失，有助于伤口愈合。然而，这并不能避免骨碎片在旋转中的恶性固定。直到 20 世纪 70 年代，锁定技术才得以发展，解决了旋转造成的问题。如今，“锁定 ”钉已成为标准：两端有孔，可以用锁定螺栓固定，防止旋转（图 8）。最早的钉子由不锈钢制成，但如今钛合金因其机械性能更好而受到青睐。

图 8. 钉式接骨术的 X 光图像。A. 带锁定钉的胫骨骨折。B. 胫骨骨折远端锁定钉。C. 在胫骨骨折处锁定钉子的近端。

五、假肢

假肢是为替换关节（即关节成形术）而设计的。如今，市场上的假体有肩部、肘部、腕部、髋部、膝部、踝部... 这些装置的长期功能效果各不相同。例如，髋关节假体的功能效果无疑是最好的，可以存活 20 多年。髋骨关节炎的发病率解释了为什么特别适合这种手术的假体的开发如此成功。此外，关节的生物力学功能也是假体部件设计的关键点。有些关节的建模非常复杂，这可能是某些假体功能不佳的原因（如肘关节或腕关节假体）。假体长期使用效果良好的另一个关键在于改善假体在骨骼中的固定，因为固定不良可能导致假体无菌性松动。固定不良或位置不正确会导致假体过早磨损和松动。曾有人提出用丙烯酸水门汀固定假体。最近，又开发出了骨水泥的替代品，如表面涂层，可直接固定在骨中。如何确保选择最合适的解决方案来降低轴承表面的摩擦扭矩仍是一个争论不休的问题。

选择摩擦扭矩是因为其生物力学和摩擦学特性，例如低摩擦系数和低磨损量。假体部件的错位或非锚定可能会引起磨损碎片的异常释放，从而导致炎症反应，造成假体松动。

如今，假肢是用金属合金制成的。根据假肢制造行业的不同，合金的选择也不尽相同。大多数公司使用铬-钴合金制造假肢，但也有一些公司使用钛基合金。其理由是在机械性能、抗腐蚀性和生产成本之间取得平衡。铬-钴假体具有良好的抗腐蚀性，生产成本低，但机械性能却比钛合金差。此外，骨锚固也是选择特定金属合金的一个辅助因素。与钛合金相比，铬-钴合金可以抛光，表面粗糙度较小，这种工程工艺的目标是使用丙烯酸骨水泥固定假体（图 9）。

图 9. 全髋关节置换术的 X 光图像。A. 骨水泥股骨柄。B. 无骨水泥股骨柄。注意每个病例中的髋臼组件都是无骨水泥的。

对 THA 的固定进行了深入研究。髋关节假体的无水泥固定可通过两种方式进行：一次固定可在植入时获得稳定性（形状、手术技术、涂层）；二次固定是通过改善植入物/骨界面（骨结合）来实现的，可保证长期稳定性。这种固定方式取决于种植体的形状、所用材料及其表面特性。市场上有许多不同形状的无骨水泥假体：直柄假体、解剖型假体、模块化假体和定制假体。对于股骨，主要的稳定性可以通过两种方式实现：

• 自锁柄是直的，截面为矩形，提供骨干锁定，有时提供干骺端填充。
• 解剖柄具有类似于人体解剖结构的干骺端部分，确保最佳填充并提供压入式锁定。

表面条件必须多孔或粗糙，或者覆盖羟基磷灰石（HA），以利于骨结合。羟基磷灰石涂层可覆盖骨干的部分或整个长度。

目前的直柄或多或少呈郁金香形状，以帮助骺端和骨干锁定。

解剖假体则不同，它们在矢状面上呈弧形，以符合带有螺旋轴的股骨形状，因此提供了左右两个模型，以实现骺端锁定。

与骨水泥柄不同，具有抛光表面的柄可以避免丙烯酸水泥的摩擦和磨损。无骨水泥柄的表面经过涂层以增加其粗糙度，从而改善主要骨锚定并增加骨/种植体界面。涂层呈现以粗糙度和孔隙率为特征的宏观和微观结构。一些用磷酸钙沉积物制备的涂层是生物活性陶瓷。

生物活性涂层可以是磷酸钙陶瓷，如 HA。自 20 世纪 80 年代以来，它们一直是最常用的植入物涂层材料。HA 接近骨的矿物相。这些材料的优点是具有骨传导性，即有助于骨再生和骨细胞定植。多项研究表明，羟基磷灰石具有生物相容性、生物活性、可吸收性和骨诱导能力。当羟基磷灰石被吸收后，就会被骨取代。当羟基磷灰石消失后，骨就会与种植体直接接触。然而，羟基磷灰石涂层的脱层会导致种植体柄的松动和最终的失效。

对于髋臼装置，有几种机械解决方案可以提高主要稳定性：撞击、拧紧、用螺钉稳定或用骨水泥密封。撞击式髋臼杯最为常用。一个稍大的髋臼杯被强行塞入髋臼腔中，这就是所谓的 “压配合” 效应。可以通过添加爪、钉或螺钉来提高稳定性。髋臼杯可以是刚性的，也可以是弹性的（弹性是通过一个或多个避免旋转的槽来实现的）。涂层聚乙烯髋臼杯也可采用撞击法，不需要骨水泥固定。在螺纹杯中，主要通过将种植体压入骨质来实现稳定。然而，用于螺钉固定的孔会导致磨损颗粒向髋臼骨迁移。有些模型的外表面有螺纹，可以直接插入髋臼腔（图 10）。

图 10. A. 金属后方髋臼组件 B. 全聚乙烯非骨水泥髋臼装置。C. 非骨水泥髋臼组件的 X 光片。D. 旋入式髋臼组件的 X 光片。

六、应力屏蔽

应力屏蔽是骨骼对植入装置的一种适应性反应。在 THA 中的无骨水泥股骨柄中可以观察到这种现象。骨的杨氏模量与所用生物材料的杨氏模量之间的差异会引起机械应力的改变，从而导致适应性重塑，导致局部骨密度降低。THA 术后，X 光片上可观察到近端骨皮质萎缩，远端骨膜和骨内膜肥厚。无骨水泥关节置换依靠初始的 “压入配合 ”来获得基本的机械稳定性。患者、装置、手术技术和生物力学环境的特点决定了周围骨骼发生重塑的程度。虽然股骨近端骨小梁数量会减少，但一般不会导致疼痛或植入物松动（图 11）。必须使用金属假体柄，但必须在机械性能和杨氏模量之间进行折衷：假体柄必须有足够的耐受性，但金属合金比骨更坚硬，会产生应力屏蔽。对于髋臼组件，我们也观察到了同样的现象，但在使用全压配聚乙烯髋臼杯时则存在差异。这些装置的杨氏模量接近骨骼，很少观察到应力屏蔽。其他一些假体有一个金属髋臼杯，另一个部件（陶瓷或聚乙烯）插入金属后方。这会导致髋臼杯后部的髂骨小梁骨质流失，而髋臼杯的赤道部位则会出现骨硬化。应力屏蔽只涉及用于 THA 的压入式装置。当使用丙烯酸水门汀固定假体时，由于机械应变分布在整个柄上，因此不存在应力屏蔽。即使压入式装置如今已被普遍使用，但THA的金标准仍然是丙烯酸水门汀固定，尽管添加水门汀作为第三种成分可能会引起更多问题（见下文）（图12）。

图 11. 股骨应力屏蔽的长期演变。A. 术后即刻的 X 光片。B. 三个月后 C. 术后 12 个月。注意大转子骨溶解的进展。

图 12. 金属病 (A) 组织学方面的金属病，巨噬细胞细胞质内有大量黑色磨损碎屑。B. 金属碎片的能量 X 射线色散光谱分析，可识别铬、镍和钼。C. X 光片显示大转子和腋骨的溶骨病灶（绿色箭头）。

七、金属腐蚀

腐蚀是指生物材料在体内环境中的破坏。在骨科中，金属或合金的耐腐蚀性一直是选择金属或合金的驱动力。确保腐蚀最小化是选择金属或合金的主要决定因素。贵金属由于机械性能差，不能用于制备矫形设备。此外，这些金属的成本也限制了它们在牙科或非常特殊的骨科适应症中的使用（例如，类风湿性关节炎生物疗法患者的银假体）。然而，贵金属具有最佳的抗腐蚀性能。金属生物材料在人体内暴露的环境中含有各种阴离子、阳离子、有机物和溶解氧。这种环境中氯化物的浓度是海水的三倍，氧气的浓度是空气的四倍。

工业企业使用的钝化合金具有良好的机械性能和高耐腐蚀性。这种工艺包括氧化设备的表层，以防止金属与体液发生反应。

钛合金和不锈钢仍主要用于制备整形器械。对于不锈钢，通常使用氧化铬进行钝化。对于钴铬基合金，氧化铬仍然用于钝化。对于钛合金，钝化则以氧化钛（TiOx，x 表示各种钛氧化物的组合，如 TiO2、Ti2O3. . .)。虽然钝化层理论上具有抗腐蚀性，但在实际应用中总是会出现腐蚀现象，导致有毒离子的释放。据报道，铝离子可从 TA6 V 骨科设备中释放出来，并通过与骨基质中的羟基磷灰石络合而在邻近的骨微环境中定位。

最近的论文通过同步加速器的 X 射线荧光显示了钛的释放并沉积在骨基质中以及患者的指甲中。对于铬钴合金，Cr 和 Co 离子会导致 IV 型超敏反应，这是金属在体内使用时非常罕见的副作用。此外，Cr和Co离子具有肾毒性，血液中高浓度可导致不可逆的肾衰竭。此外，这些离子还会损害成骨细胞和破骨细胞的活性以及矿化过程。

腐蚀有不同的具体类型：

• 点蚀是不锈钢植入设备中常见的一种现象。在生理条件下，氧化物钝化层的缺陷会导致这种局部腐蚀。这些局部点会发生活性腐蚀，并在材料表面形成凹坑；
• 摩擦腐蚀是由于首先去除钝化层的机械过程造成的。当材料发生断裂，露出内部自由表面时，骨合成装置就会出现这种腐蚀；
• 缝隙腐蚀：由于界面的几何形状，骨合成装置在螺钉和钢板之间的区域会出现缝隙腐蚀。腐蚀是由于螺钉、钢板和体液之间的界面电位差造成的；
• 电化学腐蚀是由于两种不同金属或合金之间的接触造成的。

由于存在电位差，其中一种金属将充当阳极，而另一种金属则充当阴极。因此，溶解在体液中的离子（充当电解质）发生位移，两种金属都会出现腐蚀，从而模仿电池的效果，特别是在酸性环境下。在骨科手术中，不建议在同一手术区使用不同的合金或金属。

八、金属沉积和磨损碎片

金属沉积是指金属矫形装置产生的金属微粒进入机体。它可能来自接骨装置或假体。在第一种情况下，机械抗疲劳性是生物材料的基本特性。板或钉子的稳定性对于抵抗微动至关重要。该材料确保断裂区域的初步稳定性并避免磨损碎片的释放。如上所述，装置的疲劳断裂会释放周围组织（骨骼、肌肉、关节囊）中的金属磨损碎片。

对于假体而言，金属颗粒也可能在周围组织中释放。最常见的方式是扭力摩擦的改变导致磨损碎片的产生。金属对金属假体就会出现这种情况。如今，金属对金属假体越来越不流行。钝化铬-钴合金会在组织中释放大量金属碎片，并在血液中释放金属离子。接受过此类假体的患者需要接受血液中 Co 含量的跟踪检测，检测结果必须保持在 <7ug/L 的水平。有些反应可能非常严重，被称为金属碎片不良反应（ARMD）：

• 无菌性淋巴细胞性血管炎相关病变（ALVAL），发生率为 0.6%；
• 金属-金属假体周围形成液体或固体肿块（假性肿瘤），对于直径≥36 毫米的头部并进行表面重修，发生率为 0 至 6.5%；
• 严重的假体周围溶骨：过敏型反应。ARMD 反应与高血清 Co 水平无关。

其他硬摩擦扭矩由氧化铝陶瓷制成。由于氧化铝-氧化铝耦合物具有很高的机械耐受性和良好的生物相容性，因此已经使用了几十年（图 13）。氧化铝-氧化铝的摩擦学特性产生的摩擦力矩比金属-聚乙烯耦合产生的磨损颗粒少 4000 倍，因此假体周围的骨溶解率很低。根据莫氏硬度，氧化铝是仅次于金刚石的地球上最硬的材料之一。然而，最近的研究表明，在假体周围组织中可能会发现氧化铝的磨损碎屑。氧化铝陶瓷摩擦力矩的一个不便之处是其杨氏模量非常高，可能会导致术后疼痛和吱吱声。此外，这种陶瓷的成本也相对较高。由于其低磨损特性，生产成本相对较高，其使用仍仅限于年轻患者。

图 13. A. 氧化铝摩擦力矩氧化铝关节置换术五年后的无菌松动。B. 股骨头的扫描电子显微镜低倍分析，显示表面有一个大坑。C. 假体周围组织中磨损碎屑的组织学分析。注意巨噬细胞的细胞质中存在褐色碎片，血红素-红花染色。D. 陶瓷碎片的能量 X 射线色散光谱分析，确定为氧化铝。

最理想的摩擦扭矩是钝化金属合金头和聚乙烯杯。这种摩擦扭矩会带来一些不便，例如聚乙烯磨损碎片会释放到周围组织中，导致炎症反应。磨损碎屑还可能迁移到距离假体较远的淋巴结中。巨噬细胞会尝试吞噬聚乙烯磨损碎屑，但由于聚乙烯的不可降解性，这会诱发巨细胞的慢性炎症反应。这种慢性炎症反应反过来又会导致假体金属头和金属柄的腐蚀。在这些病例中，会出现金属病变和所谓的 “塑性病变”，无菌性假体松动是最终的并发症（图 14）。

图 14. A. 修复无菌性松动时取出的假体周围组织中的聚乙烯磨损碎屑。血红素-荧光素-藏红花染色，明视野成像。注意到存在大量巨噬细胞，细胞质嗜酸性，以及大量多核巨细胞（绿色箭头）。B. 在偏振光下观察同一区域：聚乙烯碎片具有高度双折射性，呈白色。C. 对氢氧化钠溶解后从假体周围组织中分离出的聚乙烯颗粒进行的扫描电镜分析。

九、结论

骨科手术必须使用金属。然而，只能使用某些合金。机械性能和耐腐蚀性能是选择金属合金的依据。需要考虑的一个重要参数仍然是植入物的成本。所用材料的生物相容性也是关节置换术或接骨术矫形装置工程中的一个核心问题。疲劳断裂、腐蚀、金属中毒是这些不良影响造成的非常严重的后果，而先进的工程设计可以避免这些后果。此外，外科医生正确使用这些材料也是避免这些不良后果的关键所在。最后，骨科需求的增长与 3D 打印等新技术的结合，为关节成形术和接骨术所用材料的改进带来了光明的前景。

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