人工髋关节假体摩擦界面的进展

徐步国 综述 严世贵 审校

（浙江大学医学院附属第二医院骨科，杭州310009）

20世纪60年代Jone Charnley根据髋关节低摩擦生物学原理，提出金属股骨头和聚乙烯髋臼组合获得巨大成功，一度成为衡量其他关节关节置换手术的金标准。随着全髋关节置换术的广泛开展，人们逐渐认识到影响人工关节寿命最主要的原因是假体无菌性松动[1]，其最常见的发生机制是关节假体磨损产生的颗粒导致的骨溶解，文献报道最主要的磨损颗粒是聚乙烯颗粒[2]。为了改善传统超高分子量聚乙烯抗磨损性差的缺点，随着材料学和制造工艺进步，近年来临床上对金属-高交联聚乙烯、金属-金属、陶瓷-陶瓷界面组合进行了更多的应用和研究，取得阶段性成果，这些进展给了医生更多的选择。

1 金属--聚乙烯界面

传统金属-超高分子量聚乙烯界面仍然是临床应用最多、最广的关节组合。目前临床多采用的钴铬合金和聚乙烯配对，具有较低的摩擦系数和较好的组织相容性优点。长期随访结果显示该种界面组合的15年以上假体生存率可达85%[3]。聚乙烯内衬较金属、陶瓷内衬优势之一是聚乙烯内衬可以制成防后脱位的高边；此外，金属-聚乙烯因为撞击而导致的磨损及后果较陶瓷-陶瓷和金属-金属组合轻的多。

随着金属-聚乙烯界面的广泛应用，聚乙烯磨损导致的骨溶解引起人们广泛关注。理论上，聚乙烯内衬具有每年0.1 mm磨损率，但是由于骨水泥屑、骨碎屑等第三方颗粒存在导致三体磨损，会加速聚乙烯材料的磨损[4]。文献报道金属-聚乙烯界面总的磨损率为每年0.04～0.2 mm，而Dumbleton等[5]研究认为聚乙烯的磨损阈值是每年0.1 mm，超过该值，骨溶解的发生率极大。Harris[6]对应用金属-聚乙烯界面全髋关节置换（THA）患者进行术后6年随访研究发现，约20%患者出现骨溶解。正是由于普通超高分子量聚乙烯抗磨损性能较差，易于老化，人们对于聚乙烯材料的改性进行多方面的探索。

2 高交联聚乙烯界面

高交联聚乙烯材料自1999年开始广泛应用于临床，系由惰性环境γ射线照射，打断碳碳分子和碳氢分子的共价连接，在相邻碳分子间形成交联，同时或随后热处理可以促进交联并清除自由基。高交联材料和普通聚乙烯相比，具有更高的强度和耐磨损性能。经研究证实前者的磨损率约为后者的1/8或1/10[7]。由于热处理温度和放射处理方法的不同，所产生的高交联材料性能也有所差异[8]。

聚乙烯内衬的磨穿是蠕变和磨损2个因素共同作用的结果。线性磨损和蠕变在最初1～2年较严重，蠕变随着时间延长呈指数下降趋势。高交联聚乙烯比普通超高分子聚乙烯更耐磨，在体内，高交联聚乙烯磨损率为10 mm/106周次，非交联聚乙烯为48 mm/106周次[9]。磨合期后，磨损率稳定在每年10 μm以下，与金属-金属和陶瓷-陶瓷磨损率接近[4]。Dorr[10]等2005年报道31例患者采用电子束照射高交联材料，最短随访5年，结果发现：对照组（普通超高分子聚乙烯组）平均穿透磨损率为每年（0.065±0.03）mm，而高交联 Durasul组为每年（0.029±0.02）mm，前者为后者2.2倍。Olyslaegers等[11]和 Rajadhyaksha等[12]分别在 2008 年和 2009 年报道了类似结果：两者均随访5年，其高交联材料较普通超高分子聚乙烯臼杯的磨损率分别下降了51%和59%。由于高交联材料耐磨，可以适当减少内衬厚度而使用较大直径股骨头来增加关节稳定性。同样的，高交联聚乙烯可以有防脱位的后高边设计，其撞击后果也较陶瓷-陶瓷和金属-金属组合轻的多。新一代高交联聚乙烯可以配伍金属头或陶瓷头，相对于金属-聚乙烯界面，陶瓷-聚乙烯界面可以减少50%磨损率[13]。虽然大量体内外研究证实：高交联材料较普通聚乙烯假体的磨损率有显著的下降，但是其骨溶解程度是否有显著下降，尚需要长期的证据支持。

3 金属--金属界面

20世纪80年代末，由于聚乙烯高磨损率导致的骨溶解和假体远期松动被逐步认识，金属-金属界面重新得到了重视。第一代金属-金属界面假体高失败率主要由于假体设计不良和粗糙的制造工艺；第二代金属-金属界面假体采用了锻造钴铬钼合金、合适的头臼间距匹配度及头臼界面光洁度处理有了显著提高。近几年，第三代金属-金属界面假体采用大头、高抛光、小间隙组合设计，具有十分理想的摩擦性能。而且金属内衬通常包被聚乙烯缓冲层以减少金属-骨骼间的弹性模量，使得金属-金属假体在全世界范围内的应用有了越来越广泛的趋势[14]。

金属-金属界面主要优点：①具有极低的磨损率。在快速磨损期，金属-金属线性磨损率为每年25～35 μm，到第三年稳态磨损后，线性磨损率降低到每年5 μm，容积磨损率为每年0.3 μm3，比传统聚乙烯低100倍[15]。而且金属-金属组合还具有自抛光特性，植入人体后，正常运动中可以将各种原因导致的表面刮痕重新抛光，一定程度降低了磨损率。②可以使用大直径的股骨头假体。金属-金属组合润滑机制主要为混合润滑，当股骨头足够大、头臼径向间距足够小及表面足够光滑时，可以增加滑动速度，将更多关节液吸入关节，改善λ值（摩擦液膜厚度与摩擦表面粗糙度比值），从而降低磨损。而且金属大头增加了关节活动度，同时也提高关节稳定性，降低了关节脱位概率。

尽管金属-金属界面组合减少了磨损率，但是与金属离子全身性扩散相关的迟发型超敏反应及长期潜在危险等问题仍未得到解决[16]。MacDonad等[17]报道，MOM全髋关节置换术后，其血清及尿中钴、铬离子浓度要显著高于使用聚乙烯界面者,如血清钴高7.9倍，血清铬高2.3倍。血中显著升高的金属离子浓度引起了人们对是否导致肾脏损害、致畸性、致癌或其他结缔组织疾病的担忧。故目前对肾功能不全患者、育龄妇女的患者不推荐使用MOM组合假体。此外，金属离子过敏问题越发受到关注。临床报道：少数MOM关节置换术患者出现金属离子过敏反应，表现为无菌性渗出、湿疹样皮炎、多形性红斑等，甚至可能引起骨溶解[18,19]。免疫检查显示：血管周围T、B淋巴细胞浸润及嗜酸粒细胞堆积，考虑存在迟发型过敏反应。虽然金属离子过敏概率较低，但是我们要引起足够重视，进行必要的中远期研究随访。

4 陶瓷--陶瓷界面

自20世纪70年代法国医生Piere Boutin首次应用Al2O3陶瓷人工关节[20]，陶瓷材料应用于人工髋关节摩擦界面已经超过30多年。陶瓷材料有较高耐磨、耐压特性，高亲水性和周围组织对其磨损颗粒低反应性，且陶瓷在体内不会解析出金属离子，避免了金属离子的过敏反应。第一代氧化铝陶瓷纯度较差，晶体颗粒密度低、直径大，导致陶瓷材料脆性大，破碎的发生率较高。第二代氧化铝陶瓷改善了晶体颗粒的直径、密度及颗粒排列，使陶瓷性能有了很大提高。随着现代陶瓷工艺改进，在第三代陶瓷材料中应用热等静压技术制造零气孔率、晶粒细小均匀的陶瓷，激光蚀刻技术降低陶瓷表面应力点等，使得陶瓷材料的密度、尺寸和强度有了长足进步。目前，第三代氧化铝陶瓷已经广泛应用于临床，取得了令人满意的结果[21,22]。

陶瓷-陶瓷界面组合是目前磨损率最低的界面组合，其体外磨损试验结果为0.5 mm3/106周次；临床翻修的陶瓷假体15年仅磨损数微米，线性磨损率为每年0.001 mm，是金属-聚乙烯界面1/2000，金属-金属界面的1/100[23,24]。氧化铝陶瓷是生物惰性材料，具有良好的生物相容性，其磨损颗粒在体内反应性低，可以有效减轻骨溶解。D'Antonio等[25]对316例患者进行了5年随访，发现陶瓷-陶瓷患者骨溶解率为金属-聚乙烯假体组合患者骨溶解率的1/10。Christel[26]比较了聚乙烯、金属和陶瓷颗粒对组织的反应性，发现陶瓷颗粒的组织反应最轻，钛金属次之，聚乙烯最大，且陶瓷颗粒不引起机体的成纤维反应。

陶瓷-陶瓷界面组合主要缺点：①陶瓷碎裂。陶瓷假体的破损是严重的并发症，是导致陶瓷假体翻修主要原因之一，其原因包括假体设计、外力创伤、撞击、高强度运动和假体匹配不佳等。Takata等[27]报道，对356例（419髋）全陶瓷髋关节置换术后患者进行4年随访，仅1例患者陶瓷头碎裂。Garino等[28]报道CeramTec公司2001～2005年生产的陶瓷部件的碎裂率进行统计，结论为：陶瓷球头碎裂率为2/10000（0.02%）；陶瓷内衬边缘破损率较低，一般稳定在0.018%左右。除了外伤，撞击是陶瓷破损的首要因素。为了减少撞击导致的陶瓷破损，要遵循一定手术技巧：第一，手术时适当增加球头直径，调整合适颈长和偏心距,彻底去除髋臼缘骨赘。第二，术中做好软组织平衡，避免过松。第三，适当减少外展角，将陶瓷头和内衬接触形成的高应力区分布在内衬中央，避免边缘区过度载荷，可以减少破裂的发生[29]。②高调摩擦音。“吱吱声”摩擦音发生概率约为：2.7%～7%[30,31]。目前其发生机制尚未明确，一般而言为多因素作用的结果，可能与撞击、带状磨损和边缘承重有关。一般而言，关节异响并不影响关节功能，大部分随时间而消失，但对患者心理有一定的影响。Jarrett等[32]统计131例陶瓷-陶瓷THA患者，术后随访有14例出现过“吱吱”关节异响，甚至1例患者难以忍受而行关节翻修术。采用聚乙烯界面假体翻修是消除摩擦音最可靠的方法。③假体脱位。因为陶瓷假体无聚乙烯的后高边和金属带裙边加长股骨头，对后入路陶瓷-陶瓷THA，应适当增加髋臼的前倾角和减少外翻角（前倾20°～25°，外翻40°），同时选用较大直径（32 mm或36 mm）陶瓷球头，可以降低脱位率[33]。

陶瓷-陶瓷关节假体一旦出现陶瓷碎裂，应该尽早手术，多数学者认为翻修手术一般应选用陶瓷假体。如果采用全陶瓷假体翻修，一般需要将股骨假体一并翻修，或更换带金属套筒的特制陶瓷头以替换或覆盖加强受损的假体股骨颈[34]。翻修手术中，要彻底清除陶瓷碎屑，以防止三体摩擦。但是，对陶瓷头破裂的翻修，Vineet等[35]认为行关节前、后部滑膜切除是必要，其报道了87例使用金属-聚乙烯假体翻修，平均随访126个月，Harris评分达95分，未出现1例并发症。

陶瓷-陶瓷THA因为陶瓷材料耐磨性、良好的生物相容性正逐渐成为年轻、富于运动患者的首选[36-37]。虽然陶瓷碎裂、关节异响等特有并发症限制了陶瓷假体使用，相信随着假体设计和工艺的进步（如：第四代BIOLOX®delta复合陶瓷）和手术技术正确使用，陶瓷假体的应用前景十分广阔。

5 陶瓷--金属界面

尽管目前有陶瓷头-金属臼（或金属内衬）新型摩擦界面产品出现，实验室也报道了不错的结果[38,39]：陶瓷-金属界面比较金属-金属界面有更低磨损率、血液中析出金属离子浓度更低等，但尚缺乏中长期的临床研究结果。有研究表明金属球头-陶瓷内衬的界面组合是失败的，其磨损率要高于金属-金属界面，其界面组合有零星病例报告[40]，但失败率高。

综上，新一代金属-高交联聚乙烯，金属-金属及陶瓷-陶瓷界面都有较好的耐磨损、低摩擦特点，能减少磨损颗粒产生，达到较好的临床使用效果。三者相互间又各有优缺点，但是究竟哪种组合更有利于延长假体使用寿命还需要进一步的随访研究。

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