第二章 全膝人工關節的構造與分類
2.6 全膝人工關節使用材質介紹
人工關節的設計及材質是生物力學專家、材料工程師及骨科醫師 不斷努力的智慧結晶。它多由金屬和高密度的塑膠質材，依照人體關 節的構造、形狀和功能製作而成。金屬的種類，包括鈦合金（Titanium）、 鈷鉻合金（Cobalt-chrome）及不銹鋼（Stainless steel）等，而塑膠材質 是超高分子量耐磨損的聚乙烯（Polyethylene）。為了讓關節和骨骼緊密 結合，日後不易產生鬆動可使用骨水泥（Bone cement）固定或利用人 工關節上的孔狀處理（Porous coating）或人工關節表面噴塗氫氧基磷 灰石（Hydroxyapetite coating），讓骨頭長入。
z 鈦合金 ( Titanium )
鈦材料本身是一種高強度且質輕耐腐蝕之優良材料，以往鈦合金 產品主要供引擎、機體結構件與一般工業用零組件等使用，目前則以
13
通訊、家電外殼為中心急速蓬勃的發展。過去，以粉末冶金成型之鈦 合金具有密度低強度高重量輕等特性；鑄造方法成型雖可以達較高之 強度但品質不穩定，產量有限且成本高；以燒結方式成型者緻密度不 高、拉伸強度、延展性、強度不足；以板材沖壓方式成型者，受限於 鈦合金之高硬度，模具耗損程度高，且形狀變化不多、不夠確實，但 直角部位成型不理想等缺點在國內產業界技術的引進研發下已逐漸克 服，而鈦合金鑄件的商業化在設備與技術能力上仍有待產業界共同努 力。
事實上，鈦合金因具有低密度、高強度等特性，目前已被廣泛地 應用在航太、生醫、筆記型電腦、數位相機、行動電話、VCD、DVD、
PDP TV 等外殼及汽機車、自行車等零件方面重要使用的材料。隨科技 的進步，鈦合金在未來工業及電子產業上，將會佔有更重要的地位。
此外，鈦合金表面性質與鋁表面特性類似，在空氣或電解液中易形成 抗氧化性良好的氧化薄膜，對抗氯離子的侵蝕有不錯的性能，亦逐漸 地被使用於海洋工程材料上。
鈦-鋁-釩合金 ( Ti - Al - V alloy) 如 Ti 6Al4 V,具有之生化相容 性，抗蝕性比不鏽鋼、鈷鉻合金佳，此外和其它高強度的金屬材料相 比有較低的密度，及與骨骼較接近的彈性係數，兼具良好的疲勞強度，
因此可減輕患者的負擔，且避免材料與骨頭彈性係數相差過大的缺點 如應力集中與骨質衰弱等現象，但其缺點由於目前僅能以鍛造或切削 加工為主，精密鑄造技術較難，所以商業化較困難。
z 鈷鉻合金 ( Cobalt-Chrome )
鈷－鉻－鉬－（鎳）合金（Co－Cr－Mo－（Ni）Alloy）具面心立 方結構，排列斷層表面能（Stacking fault energy）很低，所以耐磨耗性
14
很強，但韌性不佳容易脆化，因此可以加入鎳促使加工性，韌性均可 藉此改善。鈷鉻合金則由於表面會形成鉻氧化膜，因此在體液中之耐 磨性與生物相容性較不鏽鋼為佳。
z 不銹鋼 ( Stainless Steel )
不銹鋼 ( Stainless Steel )具有良好的抗蝕性，尤其是在大氣中。主 要添加的合金元素是鉻，其濃度至少需11%鉻以上。此外藉著添加鎳、
鉬或銅可強化抗蝕性。不銹鋼依據顯微結構主要可分成三類，包括麻 田散鐵型、肥粒鐵和沃斯田鐵型。麻田散鐵型不銹鋼能藉熱處理使其 內部產生麻田散鐵，因此具較高的機械強度。沃斯田鐵型和肥粒鐵型 不銹鋼只能藉著冷加工來硬化和強化材質，因為它們是無法熱處理 的。沃斯田鐵型不銹鐵因為高鉻含量和鎳的添加，其耐蝕性最好;而其 產量也是最大的。
316L 超低碳不鏽鋼具有良好的耐孔蝕性（Pitting），並且由低碳 量，在體內不容易因敏化 ( Sensitization ) 造成晶界應力腐蝕，但缺點 是由於強度稍差需以冷加工改善，且抗耗磨性不佳.
z 聚乙烯 ( Polyethylene )
聚乙烯(Polyethylene，PE)是工業、生活上應用最廣的塑膠，一般 常分為高密度聚乙烯(HDPE)與低密度聚乙烯(LDPE)兩種，HDPE 較 LDPE 熔點高、硬度大，且更耐腐蝕性液體之侵蝕。PE 對於酸性和鹼 性的抵抗力都很優良，目前市面上所見到的塑膠袋及各種半透明或不 透明的塑膠瓶幾乎都是PE 所製造，像清潔劑、洗髮精、沐浴乳、食用 油、農藥等等，大部份以HDPE 瓶來盛裝。其辨識法為：多半不透明，
手感似臘，塑膠袋揉搓或摩擦時有沙沙聲。
15
高密度聚乙烯利用低壓氣相式或液相式，經由中壓法及低壓法則 可製得高密度聚乙烯(HDPE)(密度為 0.950～0.965)，HDPE 則為硬質的 熱塑性塑膠。中空成型品方面，多以 HDPE 製造為佳，以 LDPE 製作 者僅為少量。
低密度聚乙烯以高溫高壓法製得，低密度聚乙烯(LDPE)(密度 0.915
～0.930)，LDPE 是屬於半硬質的熱塑性塑膠。LDPE 薄膜在應用方面 頻受 PVC 和 PP 材料的挑戰，尤其是在收縮和拉伸包裝方面，具有可 替代性。
16