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人工關節是替代病變或損傷關節的植入性假體，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。人工關節作為一種人體內植入物，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定；④性能穩定，可耐受人體微環境，不易被降解、電解和腐蝕；⑤易于合成制造，可批量生產。

目前尚無絕對滿足以上全部條件的假體材料問世，組合不同優勢的材料可彌補單一材料的不足。鑒于此種情況，骨科醫生往往根據各種關節假體材料的綜合性能匹配選用，盡可能地滿足生理環境和關節生物力學的要求。目前常用的人工關節假體材料主要有3種：金屬材料、高分子材料和陶瓷材料。

金屬材料因其具備良好的力學性能、易加工性和穩定性在人工關節中有廣泛的應用。金屬材料主要包括不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、鉭金屬這幾類。

陶瓷材料是繼金屬和聚乙烯之后出現的一種新型假體材料。因其生物相容性好，磨損率低而被廣泛使用。

1、人工關節用高分子材料 

常見的人工關節用高分子材料：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。

1、超高分子量聚乙烯

性能優勢：具有優異的耐磨損性、耐應力開裂、自潤滑性及生物相容性，摩擦系數低，能有效減少關節面之間的磨損，在體內耐降解性能好，有一定的黏彈性，與金屬的摩擦系數很低。

應用情況：是目前最重要的人工關節用高分子材料之一，常用于制造人工關節的關節面，如髖臼杯襯墊等，廣泛應用于髖關節、膝關節等置換手術中。在髖關節和膝關節置換中，超高分子量聚乙烯作為關節面的內襯材料被廣泛應用，是人工關節中高分子材料應用的重要部分，在一些關節置換手術中，僅髖臼杯襯墊等關節面部分使用超高分子量聚乙烯，從體積上看約占整個關節假體的 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。

2、聚醚醚酮

性能優勢：具有高強度、高剛性、優異的韌性和抗疲勞性能，能破解金屬關節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”。其化學穩定性良好，在生理環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生概率。

應用情況：在人工關節中的應用日益廣泛，如用于制造人工關節的臼杯、關節柄等部件，尤其適用于對力學性能要求較高的關節部位，在部分人工關節產品中，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。隨著技術發展和對其性能優勢的進一步認識，其應用占比有逐漸增加的趨勢。

3、聚甲基丙烯酸甲酯

性能優勢：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部位的負荷，并且可以根據需要調整其形狀和尺寸，以適應不同的關節修復需求。

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，使假體能夠穩定地固定在骨骼上，提高人工關節的穩定性和使用壽命，常用于髖關節、膝關節等關節置換手術中。在整個關節置換手術中，雖然其用量相對較少，但卻是確保關節假體穩定固定的關鍵材料，一般在手術中骨水泥的使用量根據關節部位和假體固定情況而有所不同，通常占整個關節置換材料重量的 5%-15% 左右。

4、聚四氟乙烯和全氟乙丙烯等氟塑料材料

性能優勢：具有優異的化學穩定性、低摩擦系數和良好的生物相容性，能夠在生理環境中長期保持穩定，不易受到體內各種化學物質的影響，其低摩擦系數可減少關節運動時的磨損，提高關節的靈活性和使用壽命。

應用情況：常用于人工關節的表面涂層或作為關節部件的材料，以改善關節的摩擦性能和生物相容性，如用于制造人工關節的髖臼內襯等部件，減少關節面之間的摩擦和磨損。

2、關節部位的應用占比 

髖關節：高分子材料在髖關節人工關節中的占比相對較高，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柄，其占比可能會進一步增加。

膝關節：人工膝關節通常由股骨髁、脛骨平臺和墊片組成，墊片常采用超高分子量聚乙烯材料，其在整個膝關節假體中的體積占比約為 10%-15%，但對于關節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假體設計中，也開始嘗試使用聚醚醚酮等材料來優化關節的性能，使高分子材料的占比有一定的上升趨勢。

其他關節：在肩關節、肘關節、踝關節等關節置換中，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。

3、加工成型工藝 

超高分子量聚乙烯：輻照交聯與熱處理聯用：先對超高分子量聚乙烯進行輻照交聯，使分子鏈之間形成交聯鍵，提高材料的耐磨性能和力學強度。然后通過熱處理，有效消除輻照產生的自由基，避免自由基引發的氧化降解反應，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，可以根據患者的具體關節結構和病情進行個性化定制，提高關節與人體的適配性。在 3D 打印的聚醚醚酮人工關節表面，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結和相互作用?；瘜W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定性和潤滑性能，降低摩擦系數，減少磨損。

4、市場規模及競爭格局 

市場規模：2023 年全球醫用超高分子量聚乙烯市場容量達到 2.81 億元，至 2029 年全球醫用超高分子量聚乙烯市場規模預計將會達到 5.22 億元，復合年增長率為 10.33%。在 2016 年，人工關節占全球醫療超高分子量聚乙烯消費的 47% 左右，占據最大市場。隨著對聚醚醚酮性能優勢的認識和技術的發展，在人工關節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的市場規模統計。整體來看，聚醚醚酮作為一種高性能熱塑性工程塑料，在醫療領域的應用前景廣闊，其在人工關節中的占比有逐漸上升的趨勢。

國際市場：全球人工關節市場主要由五大巨頭占據，包括 Zimmer Biomet、Stryker、Johnson & Johnson、Smith & Nephew 等，這些企業擁有較高的市場份額和技術實力，前三大生產商共占據超過 60% 的市場份額。在高分子材料人工關節方面，這些企業也處于領先地位，擁有先進的生產技術和豐富的產品線。

國內市場：國內人工關節市場已經涌現出了一批具有一定規模和影響力的企業，如威高骨科、春立醫療、愛康醫療等。這些企業通過技術創新和品牌建設不斷提高產品質量和市場競爭力，在市場中占據了一定的份額。同時，國際知名企業也紛紛進入中國市場，加劇了市場競爭的激烈程度。

5、發展趨勢 

材料性能提升：不斷有新型的超高分子量聚乙烯材料出現，如高交聯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的臨床需求。

個性化定制：隨著 3D 打印技術的興起，人工關節的個性化定制成為可能。醫生可以根據患者的具體關節結構和病情，精確地制造出最適合患者的人工關節，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部件。

生物相容性優化：研發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。