歡迎來到科普小課堂，補充科技能量。今年9月，中國迎來首個“全國科普月”，今年主題為“科技改變生活 創(chuàng)新贏得未來”。小編推出“材料在身邊”系列，讓我們一起解鎖神奇材料小知識、探索材料的奧秘，發(fā)現(xiàn)科學(xué)與日常的奇妙連接！

今天向大家介紹一種兼具卓越力學(xué)性能與生物活性的前沿陶瓷材料——應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)的氮化硅陶瓷。

隨著全球人口老齡化趨勢的持續(xù)加劇，關(guān)節(jié)軟骨隨年齡增長而發(fā)生退行性變，類似于機械部件的自然磨損。骨關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎以及退行性骨關(guān)節(jié)病等疾病的發(fā)病率呈現(xiàn)上升趨勢。髖關(guān)節(jié)作為人體主要承重關(guān)節(jié)之一，長期承受較大負(fù)荷，因而成為此類疾病的高發(fā)部位。

人體常見骨科疾病發(fā)病部位示意圖

作為治療終末期髖關(guān)節(jié)疾病的有效手段，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）通過植入人工髖關(guān)節(jié)假體，能有效恢復(fù)關(guān)節(jié)功能，提升患者生活質(zhì)量。人工髖關(guān)節(jié)一般分為髖臼杯、內(nèi)襯、球頭和股骨柄四部分，如下圖所示。其內(nèi)襯和球頭之間構(gòu)成關(guān)鍵的摩擦承載界面，髖關(guān)節(jié)假體的承載界面主要經(jīng)歷了從“金屬-聚乙烯”到“陶瓷-聚乙烯”，再到“陶瓷-陶瓷”的演變過程。陶瓷材料以其強悍的機械性能、抗磨損性能和優(yōu)異的生物相容性，可以大幅提高人工關(guān)節(jié)假體的壽命，從而成為人工關(guān)節(jié)的理想材料。

髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)

隨著髖關(guān)節(jié)置換患者日益年輕化，其對術(shù)后活動能力的要求更高，相應(yīng)的對假體材料在耐久性、生物相容性及長期穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn)愈發(fā)關(guān)注與重視。氮化硅（Si₃N₄）作為一種新型陶瓷材料，以其優(yōu)異的力學(xué)和生物學(xué)性能，在人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，被視為下一代髖關(guān)節(jié)假體的重要候選材料之一。

與傳統(tǒng)的氧化物陶瓷（如氧化鋁、ZTA）相比，氮化硅具有以下優(yōu)勢：

1、優(yōu)良的生物相容性與骨結(jié)合性

氮化硅材料獨特的納米結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)特性，使其在體內(nèi)外細(xì)胞毒性實驗中均表現(xiàn)出良好的生物相容性，對人體細(xì)胞安全無害。此外，氮化硅優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性，能有效促進骨整合。研究表明，氮化硅植入后，其與骨組織界面處形成的新骨面積顯著多于傳統(tǒng)的聚醚醚酮(PEEK)和鈦植入物，其骨結(jié)合能力約可達鈦合金的兩倍。

2、顯著的抗菌、抗病毒與成像兼容性

氮化硅對細(xì)菌和病毒均表現(xiàn)出顯著的滅活能力。研究表明，氮化硅材料表面可在數(shù)分鐘內(nèi)使新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）失活，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌也展現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能。這種固有的抗菌、抗病毒特性，以及良好的生物組織親和性，有助于降低植入物感染風(fēng)險。此外，在醫(yī)學(xué)成像方面，氮化硅因其獨特介電與非磁性特質(zhì)，在X射線下呈半透明，在進行CT及MRI掃描時不會產(chǎn)生偽影或畸變，這為術(shù)中的精確定位和術(shù)后評估提供了清晰的影像學(xué)支持。

3、優(yōu)異的抗磨損與低摩擦特性

氮化硅具有自潤滑作用，摩擦系數(shù)小，可以有效降低運動過程中的動態(tài)摩擦，磨損產(chǎn)物也可以被人體自然分解與吸收。另外，氮化硅的高導(dǎo)熱特性可以有效控制摩擦界面溫度，減少因蛋白質(zhì)變性沉淀引發(fā)的第三者磨損。

4、抑制聚乙烯氧化的保護效應(yīng)

傳統(tǒng)氧化物陶瓷（如Al2O3、ZTA）在體內(nèi)環(huán)境可能促進活性氧的生成，進而加速聚乙烯襯墊的氧化損傷。氮化硅具有優(yōu)異的氧清除能力，能夠主動保護聚乙烯材料，從而顯著提升陶-聚承載界面的長期穩(wěn)定性。

中材生物材料（北京）有限公司自主研發(fā)、生產(chǎn)的氮化硅球頭及襯墊

近日，由304醫(yī)院骨科醫(yī)學(xué)部牽頭，中材生物材料（北京）有限公司作為聯(lián)合單位共同申報的國家級生物醫(yī)用材料創(chuàng)新項目——“應(yīng)用于第五代人工髖關(guān)節(jié)的氮化硅陶瓷關(guān)節(jié)的研發(fā)與應(yīng)用”，已作為“揭榜掛帥”項目成功通過工業(yè)和信息化部（工信部）的公示并獲批立項。這標(biāo)志著氮化硅作為第五代人工髖關(guān)節(jié)的理想材料，其研發(fā)正式步入國家戰(zhàn)略層面。該項目成果有望于未來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，打破國外在高端陶瓷關(guān)節(jié)領(lǐng)域的技術(shù)與市場壟斷，實現(xiàn)全國產(chǎn)化替代，進而推動我國骨科醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的自主健康發(fā)展。

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