21世纪，世界各国先后步入老龄化社会，到2050年中国将有近5亿老年人口。骨关节炎作为常见老年病给患者晚年带来极大的痛苦，目前依旧是医学界的一大难题。已有大量的案例证明关节置换术能有效解决骨关节炎问题，因此关节置换术极大提升患者的生活质量[1]。常用的人工关节材料主要有金属材料，聚四氟乙烯与陶瓷材料。

人工关节与植入前后模型图

腐蚀是指材料与所处环境介质发生化学或者电化学作用，金属遇见H+，Cl-等腐蚀性离子容易会丢失电子继而变为游离的金属离子（溶液环境）。钝化金属在其自身表面形成一层屏障（氧化膜，如不锈钢表面的Cr2O3），这层屏障减少了腐蚀产生的金属离子。由于人体关节部位的受力与相对运动，关节组件摩擦磨损在所难免。在机械摩擦磨损与电化学腐蚀的交互作用下，人工关节材料降解更加剧烈[2]，过量金属离子的释放对人体有害。人工关节服役过程中，金属表面产生钝化膜在磨损过程中破碎，暴露的新鲜金属被腐蚀为金属离子。在腐蚀过程中，又会产生新的氧化膜来减弱腐蚀性离子的进攻。此外磨损产生的磨屑经过腐蚀后也会产生大量的金属离子。这种破坏-重塑的循环，就是人工关节材料服役过程中释放金属离子的主要过程[3-4]。

值得注意的是，人体体液中的生物大分子如蛋白质、细胞等同样对金属的腐蚀产生重要的作用。由于金属表面的疏水性，人体内白蛋白会在金属表面吸附，磨蚀过程将不断吸附的蛋白质挤压、分解、夯实，最终在金属表面形成一层混合金属与有机物的膜结构，称为金属生物膜。这层金属生物膜在摩擦过程起到了润滑作用，降低了摩擦系数，减少了磨屑的产生，同时也可作为金属表面的物理屏障，降低电化学腐蚀速率[5]，而蛋白质本身在静态腐蚀下会加速材料降解[6]。

蛋白质在金属表面形成摩擦膜过程

目前有许多学者通过许多表面改性的方法，如磁控溅射涂层，水凝胶涂层，等离子氮化等手段，对表面的耐磨蚀性能进行强化，这些手段可有效降低金属离子释放。新的材料与表面改性技术在不断研发中，人工关节材料未来可期。

参考文献

[1] M.J. Griffith et al. Socket wear in Charnley low friction arthroplasty of the hip[J]. Journal of Clinical Orthopaedics, 137 (1978), pp. 37-47

[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.