髋关节假体材料及界面选择

髋关节假体材料及界面选择

河北医科大学第三医院作者：陈百成

髋关节假体材料及界面选择经过近百年的发展，人工髋关节置换术已经成为治疗非感染性髋关节疾病终末期的最佳方法之一，具有能够缓解疼痛、改善关节功能、恢复关节的稳定和功能等优点，已经得到广大患者的认同，并迅速推广。但随着初次置换数量的不断增加，每年因各种原因导致手术失败需要翻修的数量也在不断增加。人工假体的磨损及松动问题促使关节外科医生对髋关节假体材料及界面的选择进行深入的研究。

一、髋关节假体材料的应用分析

人工髋关节是受力复杂的负重关节，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用，每年要承受100 万~300 万次循环的体质量负荷并且由于其长期植入体内，要经受体液的腐蚀作用。鉴于特殊的使用环境，假体材料要满足以下基本要求：1、生物相容性好。即生物材料能被人体组织所接受、且对人体无毒、无排异反应等。2、生物力学相容性好。人工关节材料与骨骼的弹性模量、热膨胀性能及其强度应尽量一致，才能将应力通过人工关节材料-组织界面进行有效传递。3、生物结合性能好、固定好：即要求人工关节与周围的骨组织结合良好、不发生相对移动和下沉等。4、寿命长。人工关节一般设计寿命为20~50 年。

超高分子量聚乙烯由于良好的生物相容性、低摩擦系数、费用低廉以及较好的抗磨损性能而成为制造人工关节假体的常用材料。但聚

乙烯假体的最大问题是材料磨损以及产生的磨损颗粒。在关节活动过程中假体表面发生形变是聚乙烯假体磨损产生微米和亚微米颗粒的核心特征之一。目前国内外学者就聚乙烯使用中的磨损问题进行大量的实验研究，对聚乙烯进行表面改性，主要利用辐射交联和离子注入等表面处理技术，改变聚乙烯的表面分子结构、物理和化学特性，达到提高抗磨损性能和生物力学相容性的目的。Martell 等研究发现，体内常规聚乙烯线型磨损0.21mm/年，而高交联聚乙烯则仅为0.14 mm/年。

金属材料是制造人工关节假体的重要材料，主要有不锈钢、钴钼合金、钴铬钼合金、钛合金等。现代金属材料强度高，具有抗弯曲、扭转和抗疲劳特性。新一代假体采用大头、高抛光、小间隙，直径相差约100μ m 组合设计时其摩擦性能非常理想。然而，金属的弹性模量(100~200 GPa)与人体骨骼(1~30 GPa) 相差甚远，导致了应力遮挡效应，从而引起假体的疏松和不稳定，并且由于金属是生物惰性材料，植入人体后始终作为宿主的异体存在，容易变形和松动。

陶瓷材料目前已经发展到第四代，主要有氧化铝、氧化锆、羟基磷灰石（HA）以及复合陶瓷等。陶瓷的离子结构可以吸引带极性的液体，使之均匀地覆盖在陶瓷的表面，有利于形成流体薄膜润滑效果，并且陶瓷材料硬度高、磨损率低、磨损颗粒小。另外陶瓷可以在潮湿的条件下正常工作，克服了金属假体在体内潮湿环境下容易释放金属离子的问题。加快陶瓷磨损的有关因素有垂直位臼杯、股骨颈碰撞以及股骨头分离等，这些对术者的手术技术提出了更高的要求。

黑晶材料，主要成分是锆97.5％+铌2.5％，锆合金在空气中加热，空气中的氧弥散进入合金，将表面转换为陶瓷，氧化的表面为5μm。试验证实，黑晶具有以下特点：①具有钴铬钼合金的强度②拥有陶瓷的光滑度及抗磨损特性③能够避免陶瓷的脆性破裂问题④可以避免金属过敏（不含金属镍）⑤翻修时，可用于破损锥部等。承重试验证实，当承重达到8060 磅时陶瓷头出现破碎，而黑晶头在承重高达2 0,000 磅时，仍完好无损。但需要注意的是，假体表面5μm 的Zr O2 涂层一旦损伤后，将会带来更大的磨损。

二、髋关节假体界面的分类及选择

1、髋关节假体摩擦界面的比较与选择

影响髋关节假体寿命的因素很多，但人工关节的磨损已经成为制约假体远期效果的最主要因素。其中关节摩擦副的选择至关重要。金属与超高分子量聚乙烯配对的人工关节是目前最常用的组合，但聚乙烯与金属磨损颗粒导致的骨溶解是远期失败的最主要因素之一。为此，学者们不断探索新的组合，包括：高交联高分子量聚乙烯的应用、金属对金属组合、陶瓷对陶瓷组合、陶瓷对聚乙烯组合等，这些新组合在体外具有优良的摩擦和润滑性能，但也存在各自缺点，且远期疗效尚待观察。

金属—超高分子量聚乙烯界面，目前临床多采用钴铬钼合金和聚乙烯配对，具有低摩擦和较好的生物相容性等优点，长期的临床实践证明其具有较好的稳定性，超过15 年的随访结果显示假体生存率可达90％。此外，聚乙烯内衬可以做出各种特定的形状，如高边内衬、

偏心距内衬等特殊形态，同时比硬对硬界面可以更好的耐受撞击。但聚乙烯较差的抗磨损性能，产生大量的磨损颗粒进入关节和周围软组织，是造成骨溶解和松动的主要原因，也是影响假体远期寿命的最直接原因。目前通过惰性环境γ 射线消毒和热熔处理增加交联率、降低氧自由基残余，形成的高交联超高分子聚乙烯可明显提高抗磨损及老化性能，但对聚乙烯最佳的交联率还存在较大的争议，并且尚缺乏大宗病例的远期随访。

金属—金属界面，相比金属对聚乙烯界面其摩擦系数大大降低，超过10 年的随访结果显示其摩擦率低于1~20μ m/年，而金属对聚乙烯的摩擦率为70~600μ m/年。另外，体内外研究证实，金属对金属关节的线性摩擦率只相当于金属对普通超高分子聚乙烯的百分之一。伴随低摩擦率而来的是骨溶解率大大降低。Migaud 等进行了一项前瞻性的对照研究，对39 例金属对金属髋关节平均随访6.

6 年，无1 例发生骨溶解。另外一个优势在于通过增加股骨头假体直径可以明显降低假体脱位的发生率。但是，金属假体磨损将释放金属离子和颗粒，研究显示患者钴铬离子的血清浓度可达正常人的

7 倍，潜在的金属离子致癌可能、金属过敏和肾毒性等问题均有待进一步解决，尤其是金属过敏可能与假体失败密切相关。

陶瓷—陶瓷界面，是目前已知的最低摩擦关节组合。陶瓷具有极高的表面硬度有利于表面抛光，产生更小的表面粗糙度，可减少摩擦。而陶瓷的表面亲水性能使滑液可以更均匀的分布于摩擦面，有助于润滑性能。另外，陶瓷对陶瓷关节还可以在不增加关节磨损的情况下，

增大股骨头假体的直径来增加关节的活动度、减少脱位概率。陶瓷磨损颗粒的相对生物惰性也有利于减轻骨溶解反应。

同样，陶瓷对陶瓷关节也存在着一定的缺点，如陶瓷头及臼杯的碎裂、术后的嘎吱声等。Toni 等报道，在3746 例髋陶瓷对陶瓷T HA 患者中，有4 例发生股骨头碎裂，10 例发生髋臼陶瓷边缘碎裂，但陶瓷头直径≥32mm 者无一例发生头碎裂。O’Toole 等随访了2 397 例陶瓷对陶瓷THA 患者，发现有17 例患者诉髋部有嘎吱声（0. 7％）。Toni 等分析发生嘎吱声患者的关节液后指出，关节液中出现陶瓷磨损碎屑说么假体关节面破坏并导致出现嘎吱声，会导致假体固定失败翻修，建议此类患者应行CT 扫描检查。

陶瓷—聚乙烯界面，相对于陶瓷对陶瓷界面，降低了陶瓷头碎裂的发生率，术后发生撞击时能将危害降到最低。同时也能够降低一部分手术费用。氧化锆陶瓷由于对高温比较敏感，可导致磨损的增加，因此只能与聚乙烯组合。Dambreville A 等报道了101 例氧化锆—聚乙烯THA 患者的7 年临床观察结果，发现其平均磨损率约为0. 1mm/年。

临床上摩擦副的选择主要在患者，包括患者的年龄、身体状况、活动水平、预期寿命和经济状况。对于年纪大于60 岁，活动量小的患者，金属对聚乙烯仍属首选，对年轻患者，由于活动量大、预期寿命长，则应优先考虑陶瓷对陶瓷关节假体。选择金属对金属假体时，还要排除对金属过敏及肾功能损害的患者。高交联高分子量聚乙烯的远期效果尚有待于进一步验证。

2、髋关节假体固定界面的比较与选择

不管何种原因引起的假体失败，假体固定界面的松动为其最终结局，因此，髋关节假体固定界面是决定人工髋关节远期效果的最重要因素。人工关节发展至今，假体的固定方式仍分为两种，骨水泥固定和非骨水泥固定。对于髋关节假体的固定界面则主要分为三种：骨-金属假体界面，骨-羟基磷灰石-假体界面和骨-骨水泥-假体界面。

骨-金属假体界面，初期稳定性主要依靠假体表面与骨床的匹配度，后期稳定则需要依靠假体与骨床的愈合效果。骨-金属界面骨整合是一种仅见于非骨水泥固定假体的现象，即活骨与植入物间直接接触并能承受应力的一种现象，因此临床上报道的X 线下所见的骨整合是不确切的。早期失败的原因除了感染以外，主要是由于界面初始稳定性不足导致。晚期失败的机制则包括生物学因素和力学因素，前者主要为磨损颗粒引起的骨溶解，后者则主要继发于应力遮挡以及骨适应性重建。控制界面的方法则主要是提高界面的骨整合、减少应力遮挡以及抑制骨溶解等。

骨-羟基磷灰石-假体界面，由于骨-金属假体界面的骨整合程度有限，且不同金属骨整合能力差别大，因此现代非骨水泥假体引进了羟基磷灰石（HA）涂层以提高界面骨愈合。HA 是骨组织的无机成分，能与骨形成良好的整合，其作为涂层可明显促进假体骨整合。

Coathup 等将21 例死亡患者的股骨假体取出，分析假体骨界面的骨塑形情况，结果显示HA 多孔涂层假体骨界面的骨长入量及假体骨接触面积均明显大于普通涂层及喷砂处理的假体。Geesink 等

对436 例HA 涂层股骨柄进行平均8 年的随访，仅有1 例翻修，未见骨溶解。其中224 例出现股骨柄中远段的股骨塑形现象，说明应力通过假体向股骨皮质正常传递。但还需要更长时间的随访结果来证实其优越性，同时HA 涂层存在的主要问题是涂层脱落和吸收、崩解等，而涂层的崩解可能会造成假体的失败。

骨-骨水泥-假体界面，通过假体和骨之间的骨水泥大块填充以及骨水泥和骨床之间的微观交锁而达到界面的机械稳定。骨水泥的弹性模量很低，有利于应力自假体向骨逐步传递。骨水泥不是粘合剂，因此必须做到大块填充和微交锁，术中应清洁骨松质面、减少骨面出血、加压充填等。早期骨水泥固定假体的失败多与不适当的技术应用有关，其次与假体的不良设计。晚期失败则有生物学因素（磨损颗粒导致的骨溶解）和力学因素（扭曲应力导致水泥鞘断裂）有关。

骨水泥固定和生物型固定应在临床选择时，患者因素仍处于第一要素。对于类风湿关节炎患者、有长期应用激素或老年患者，由于骨质量较差，初始界面强度不足，而且骨愈合能力差，骨-金属界面形成的概率低，因此一般不使用生物型假体；对于年轻、活动量大、骨质条件较好的患者或翻修病例，则应该首选生物型假体。HA 涂层技术推荐初次置换时采用近端或部分涂层，有利于避免应力遮挡，而全长涂层则主要用于翻修术。