欢迎来到科普小课堂，补充科技能量。今年9月，中国迎来首个“全国科普月”，今年主题为“科技改变生活 创新赢得未来”。小编推出“材料在身边”系列，让我们一起解锁神奇材料小知识、探索材料的奥秘，发现科学与日常的奇妙连接！

今天向大家介绍一种兼具卓越力学性能与生物活性的前沿陶瓷材料——应用于人工关节的氮化硅陶瓷。

随着全球人口老龄化趋势的持续加剧，关节软骨随年龄增长而发生退行性变，类似于机械部件的自然磨损。骨关节炎、类风湿性关节炎以及退行性骨关节病等疾病的发病率呈现上升趋势。髋关节作为人体主要承重关节之一，长期承受较大负荷，因而成为此类疾病的高发部位。

人体常见骨科疾病发病部位示意图

作为治疗终末期髋关节疾病的有效手段，全髋关节置换术（THA）通过植入人工髋关节假体，能有效恢复关节功能，提升患者生活质量。人工髋关节一般分为髋臼杯、内衬、球头和股骨柄四部分，如下图所示。其内衬和球头之间构成关键的摩擦承载界面，髋关节假体的承载界面主要经历了从“金属-聚乙烯”到“陶瓷-聚乙烯”，再到“陶瓷-陶瓷”的演变过程。陶瓷材料以其强悍的机械性能、抗磨损性能和优异的生物相容性，可以大幅提高人工关节假体的寿命，从而成为人工关节的理想材料。

髋关节假体系统

随着髋关节置换患者日益年轻化，其对术后活动能力的要求更高，相应的对假体材料在耐久性、生物相容性及长期稳定性等方面的表现愈发关注与重视。氮化硅（Si3N4）作为一种新型陶瓷材料，以其优异的力学和生物学性能，在人工关节领域具有广阔的应用前景，被视为下一代髋关节假体的重要候选材料之一。

与传统的氧化物陶瓷（如氧化铝、ZTA）相比，氮化硅具有以下优势：

1、优良的生物相容性与骨结合性

氮化硅材料独特的纳米结构及表面化学特性，使其在体内外细胞毒性实验中均表现出良好的生物相容性，对人体细胞安全无害。此外，氮化硅优异的骨传导性，能有效促进骨整合。研究表明，氮化硅植入后，其与骨组织界面处形成的新骨面积显著多于传统的聚醚醚酮(PEEK)和钛植入物，其骨结合能力约可达钛合金的两倍。

2、显著的抗菌、抗病毒与成像兼容性

氮化硅对细菌和病毒均表现出显著的灭活能力。研究表明，氮化硅材料表面可在数分钟内使新型冠状病毒（SARS-CoV-2）失活，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌也展现出优异的抗菌性能。这种固有的抗菌、抗病毒特性，以及良好的生物组织亲和性，有助于降低植入物感染风险。此外，在医学成像方面，氮化硅因其独特介电与非磁性特质，在X射线下呈半透明，在进行CT及MRI扫描时不会产生伪影或畸变，这为术中的精确定位和术后评估提供了清晰的影像学支持。

3、优异的抗磨损与低摩擦特性

氮化硅具有自润滑作用，摩擦系数小，可以有效降低运动过程中的动态摩擦，磨损产物也可以被人体自然分解与吸收。另外，氮化硅的高导热特性可以有效控制摩擦界面温度，减少因蛋白质变性沉淀引发的第三者磨损。

4、抑制聚乙烯氧化的保护效应

传统氧化物陶瓷（如Al2O3、ZTA）在体内环境可能促进活性氧的生成，进而加速聚乙烯衬垫的氧化损伤。氮化硅具有优异的氧清除能力，能够主动保护聚乙烯材料，从而显著提升陶-聚承载界面的长期稳定性。

中材生物材料（北京）有限公司自主研发、生产的氮化硅球头及衬垫

近日，由304医院骨科医学部牵头，中材生物材料（北京）有限公司作为联合单位共同申报的国家级生物医用材料创新项目——“应用于第五代人工髋关节的氮化硅陶瓷关节的研发与应用”，已作为“揭榜挂帅”项目成功通过工业和信息化部（工信部）的公示并获批立项。这标志着氮化硅作为第五代人工髋关节的理想材料，其研发正式步入国家战略层面。该项目成果有望于未来实现产业化，打破国外在高端陶瓷关节领域的技术与市场垄断，实现全国产化替代，进而推动我国骨科医疗产业的自主健康发展。

（本文部分内容参考文献资料，版权归原作者所有，文章仅供学习参考之用禁止用于商业用途，若涉及版权问题，请及时联系我们进行删除。）