21世紀，世界各國先后步入老齡化社會，到2050年中國將有近5億老年人口。骨關(guān)節(jié)炎作為常見老年病給患者晚年帶來極大的痛苦，目前依舊是醫(yī)學界的一大難題。已有大量的案例證明關(guān)節(jié)置換術(shù)能有效解決骨關(guān)節(jié)炎問題，因此關(guān)節(jié)置換術(shù)極大提升患者的生活質(zhì)量[1]。常用的人工關(guān)節(jié)材料主要有金屬材料，聚四氟乙烯與陶瓷材料。

人工關(guān)節(jié)與植入前后模型圖

腐蝕是指材料與所處環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學或者電化學作用，金屬遇見H+，Cl-等腐蝕性離子容易會丟失電子繼而變?yōu)橛坞x的金屬離子（溶液環(huán)境）。鈍化金屬在其自身表面形成一層屏障（氧化膜，如不銹鋼表面的Cr2O3），這層屏障減少了腐蝕產(chǎn)生的金屬離子。由于人體關(guān)節(jié)部位的受力與相對運動，關(guān)節(jié)組件摩擦磨損在所難免。在機械摩擦磨損與電化學腐蝕的交互作用下，人工關(guān)節(jié)材料降解更加劇烈[2]，過量金屬離子的釋放對人體有害。人工關(guān)節(jié)服役過程中，金屬表面產(chǎn)生鈍化膜在磨損過程中破碎，暴露的新鮮金屬被腐蝕為金屬離子。在腐蝕過程中，又會產(chǎn)生新的氧化膜來減弱腐蝕性離子的進攻。此外磨損產(chǎn)生的磨屑經(jīng)過腐蝕后也會產(chǎn)生大量的金屬離子。這種破壞-重塑的循環(huán)，就是人工關(guān)節(jié)材料服役過程中釋放金屬離子的主要過程[3-4]。

值得注意的是，人體體液中的生物大分子如蛋白質(zhì)、細胞等同樣對金屬的腐蝕產(chǎn)生重要的作用。由于金屬表面的疏水性，人體內(nèi)白蛋白會在金屬表面吸附，磨蝕過程將不斷吸附的蛋白質(zhì)擠壓、分解、夯實，最終在金屬表面形成一層混合金屬與有機物的膜結(jié)構(gòu)，稱為金屬生物膜。這層金屬生物膜在摩擦過程起到了潤滑作用，降低了摩擦系數(shù)，減少了磨屑的產(chǎn)生，同時也可作為金屬表面的物理屏障，降低電化學腐蝕速率[5]，而蛋白質(zhì)本身在靜態(tài)腐蝕下會加速材料降解[6]。

蛋白質(zhì)在金屬表面形成摩擦膜過程

目前有許多學者通過許多表面改性的方法，如磁控濺射涂層，水凝膠涂層，等離子氮化等手段，對表面的耐磨蝕性能進行強化，這些手段可有效降低金屬離子釋放。新的材料與表面改性技術(shù)在不斷研發(fā)中，人工關(guān)節(jié)材料未來可期。

參考文獻

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[2] Yu. Yan et al. Biotribocorrosion-an appraisal of the time dependence of wear and corrosion interactions-part I: the role of corrosion[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 39 (2006), pp. 3200-3205

[3] Yu Yan et al. Real-time corrosion measurements to assess biotribocorrosion mechanisms with a hip simulator[J]. Tribology International, 2013, 63 : 115-122.

[4] Yu Yan et al. In-situ electrochemical study of interaction of tribology and corrosion in artificial hip prosthesis simulators[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2013, 18 : 191-199.

[5] Zhongwei Wang et al. Lifecycle of cobalt-based alloy for artificial joints: From bulk material to nanoparticles and ions due to bio-tribocorrosion[J]. Journal of Materials Science & Technology,2020,46(11):98-106.

[6] Fei Yu et al. A synergistic effect of albumin and H2O2 accelerates corrosion of Ti6Al4V[J]. Acta Biomaterialia,2015,26.