人工肱骨头假体柄界面剪切应力的生物力学研究

蔡 兵，于沈敏，林 文，张鹏翼，王以进，冷云飞，李 敏，付 隼

自人工关节假体诞生之日起，假体松动与界面磨损之间的关系就一直是该领域研究的焦点问题。尤其是骨水泥型假体，植入人体后存在假体/骨水泥和骨水泥/骨两个界面，两个界面不仅仅是分界线，而且是一个相互作用区域。界面之间的剪切应力使对应两者之间产生相对微动，当假体承受载荷产生运动的同时，界面即刻受到的生物力学影响可达到或超过生理限度，引起固定界面之间出现骨溶解，最后假体松动、失效。我们采用界面应力分析方法，评估人工肱骨头假体置换术后假体的稳定性和疗效，现报告如下。

资料与方法

1 标本制备

取新鲜国人尸体肩关节标本6具(由上海安久生物科技有限公司提供，标本资料见表1)，保存于－20℃冰箱内，取出后在常温下解冻，实验环境温度为(36.5±1)℃，分离剔除肱骨头周围软组织，保留肱二头肌长头腱，沿肱骨结节间沟、外科颈、解剖颈用骨凿造成四部分骨折。取出肱骨头，骨水泥填塞髓腔后置入人工肱骨头假体(原京航公司提供)，假体后倾30°固定。于大小结节断端分别穿骨洞若干，穿入双股“0”号涤纶线，将大、小结节分别复位后经假体柄上端外侧翼孔缝合固定。将标本在假体柄尖端处截断肱骨干，标本远端废弃处理。再将假体柄植入部分测量全长后均匀分为4段，测量每个标记点处肱骨干周径后截断(见图1)。

表1 新鲜国人尸体肩关节标本一般资料

2 剪切试验方法

截断后的标本放置在特制的剪切试验装置中进行调整，用带有力传感器的试验机，在杆塞上加载，以测定它的界面剪切应力，直至推出为止。由于每具肱骨干标本中部的横截面形状、最大直径、面积大小很不一致，且骨皮质形态不规则，故在实验前预制1套夹具，按圆形和椭圆形孔两类试件，辅以调整夹具，配以不同直径大小的基台和杆塞，以适合测试用(见图1～3)。

图1 标本截断方法

图2 剪切实验设备

图3 基台与杆塞

3 假体置换两个界面

骨水泥假体有两个交界面:假体与骨水泥、骨水泥与骨之间。在相同数值压力下，骨、骨水泥、金属的承受能力不同，因此在这些物质的交界面上存在着剪切应力。其中骨对压力和劳损有着持续的显微结构上的代谢活性反应，而最薄弱的环节是骨水泥。骨水泥承受反复循环的载荷可引起老化、疲劳断裂导致假体松动，同时假体、骨水泥和骨之间的应力分布与骨水泥的疲劳寿命也有密切关系。骨水泥内部应力受到假体设计、骨、骨水泥、金属的材料性质、手术技术和假体界面结构的影响，内部应力增加可加速其发生疲劳断裂(见图4)。

图4 微观骨-骨水泥-假体界面应力

4 典型的载荷-位移曲线

试验开始前严格调整夹具对准中心点，WD－5A试验机加载速率控制在1.4mm/min，准静态下进行界面应力试验。试验机缓慢加载，用程序控制进行数据处理。由于试验批量进行，这里给出典型的XY记录仪上不同界面上的载荷位移曲线，然后将载荷除以剪切面积得出界面剪切应力值(见图5)。

图5 不同界面上的载荷位移曲线

结 果

骨与植入物界面剪切应力计算公式如下:ζ=p/πDh。式中p为试验时所加的载荷，D为试件直径，h为试件高度。得到不同孔径试件的剪切应力值，作统计学分析。结果显示肱骨/骨水泥界面剪切应力为4.02±0.27，假体/骨水泥界面剪切应力为3.33±0.06，两者相差17%，统计显示具有显著性差异(P＜0.05)，说明假体/骨水泥的界面最先推出来，抗剪切力最小，属于易损界面(见表2)。

表2 界面剪切应力测试结果(N/mm2)

讨 论

骨水泥于50年代首先用于人工髋关节置换，60年代经Charnley的使用推广已广泛应用于固定各类关节假体，并在短期内取得良好效果［1］。但随着随访时间延长，逐渐出现了假体松动和失效病例，主要松动部位发生在假体/骨水泥界面［2］。假体松动与假体和周围骨之间以及假体本身内在的多种不良机械学因素有关，包括假体、骨、骨水泥的材料性质、假体/骨界面的结合强度、假体对周围骨应力遮挡作用等［3］。本实验结果发现非生物活性的假体/骨水泥界面最先推出来，抗剪切力最小，属于易损界面，与肩关节置换后随着骨水泥植入时间的延长，在固定界面出现松动、导致假体失效一致。其它原因包括温度、化学影响、填塞不当、假体位置偏移、手术操作不当等。Perkin等［4］发现骨水泥在承载条件下发生蠕变，变硬、脆性增加，可对长期固定人工关节产生不利的影响。具有生物活性的骨水泥/骨界面在实验中后推出来，原因在于骨水泥进入骨小梁间隙后在骨髓腔内均匀分布，增加了二者之间结合力，抗剪切力较高。

假体、骨、骨水泥3种材料弹性模量的差异是影响三者之间界面剪切应力的重要因素，同一压力下，它们的承受能力不同［5］。肩关节假体由钛合金制造，其弹性模量为0.10×106N/mm2，骨的弹性模量为0.01×106N/mm2，骨水泥的的弹性模量为2.8×103N/mm2，三者之间形成的结合强度差异明显。其次，由于骨水泥包裹假体的长度不一，一般来说骨水泥固结长度增大，界面剪切应力就减小，松动率会降低。再者，与手术操作、假体放置的准确与否和大小结节是否达到解剖复位等因素有关。

骨水泥是通过髓腔内充填和进入骨小梁空隙形成的微观交锁固定假体，而非利用骨水泥的黏合作用。骨水泥的固结能力取决于界面区域骨的形态和骨组织/骨水泥之间接触面积的大小，不规则的交接面使剪切力转化为侧向压力。骨水泥通过渗入骨组织相互交联形成一个良好的黏结界面而传递载荷，两者之间交联越充分、界面强度就越大［6］。随着骨痂长入骨水泥的孔隙中，界面剪切力随之增长。随着骨愈合时间的增加，临界剪切应力会进一步增高，造成假体与骨水泥之间易于破坏。骨组织在微动磨损过程中也会发生无机矿物质磨损、产生微裂纹、骨单位发生疲劳折断并被吸收等，都会导致假体松动，松动是假体柄、骨水泥与骨三者之间界面失效的主要形式［7］。假体远端由于骨水泥和骨之间的交联减少会降低两者界面应力，同时假体置换时髓腔内空气和血液混合残留，使骨水泥聚合不充分以致影响他们之间的黏结强度，导致远端界面剪切应力较低而发生假体松动。

［1］裘世静，戴克戎.骨水泥－骨界面后期松动的生物力学与生物学基础［J］.中华骨科杂志，1992，12(5):380－381.

［2］王以进，杜伟明，王公林，等.关节界面剪切应力问题研究［J］.中国生物医学工程学报，1990，9(4):247－252.

［3］Mann KA，Mocarski R，Damron LA，et al.Mixed－mode failure response of the cement bone interface［J］.J Orthop Res，2001，19(6):1153－1161.

［4］Perkin RD，Lee AJC，Ling RSM.Creep of methyimethacrylate cement［J］.J Bone Joint Surg(Br)，1989，71B:722.

［5］Ni GX，Choy YS，Lu WW，et al.Nano－mechanics of bone and bioactive bone cement interfaces in a load bearing model［J］.Biomaterials，2006，27(9):1963－1970.

［6］Lennon AB，Prendergast PJ.Residual stress due to curing can initiate damage in porous bone cement:experimental and theoretical evidence［J］.J Biomechanics，2002，35(3):311－321.

［7］Waanders D，Janssen D，Mann KA.The effect of cement creep and cement fatigue damageonthe micromechanics of the cement－bone interface［J］.J Biomech，2010，43(15):3028－3034.