生物型关节假体骨长入的影响因素研究进展

江辉 流小舟 赵建宁

非骨水泥固定假体以其相对低的远期松动率正在人工关节外科中得到广泛的运用。要获得满意的骨长入除了要求金属假体周围良好的骨质，还要假体骨间的紧密接触以及一定的骨生长时间。然而许多关节置换术患者骨床的骨质量都有不同程度的降低，这在返修手术患者中更为显著[1]。即使是初次置换术，扩髓的过程都可伴随骨的丢失，这都影响了新生骨的形成。人工关节假体的生物学固定是以骨长入假体表面孔隙为基础形成的骨与假体之间的结合，从而降低机械性松动的发生率[2]。许多研究着眼于改良假体表面来提高骨长入，比如羟基磷灰石涂层 (Hydroxyapatite,HA)较钴铬钼合金微粒涂层能显著提高金属植入体周围的新生骨量。而HA涂层只能起到一种骨传导作用，在体内必将降解，且如果不能保持 HA吸收和骨长入的同步，将影响假体的稳定性，导致关节松动。还有报道称羟基磷灰石涂层能阻塞微孔，反而影响骨长入，并且骨长入平均需6周左右的时间无法满足早期负重。如何提高假体周围的骨长入能力是目前关注的焦点，也是本综述需要重点阐明的内容。

1 假体外界面骨长入及骨整合

众多研究对生物固定型人工关节假体-骨界面的骨整合进行了探讨，各种不断改进的多孔表面技术以及羟基磷灰石涂层等均已被证实在优化界面成骨并生长进入假体表面而达到两者结合方面是有益的[3]，而且人们已对人工髋关节股骨柄假体近端表面处理及其与股骨近端髓腔骨床骨整合的重要性达成了共识[4]。蔡谞等人[2]在犬多孔中空股骨柄假体表面处理上沿用了这些成熟的技术，采用近端1/2羟基磷灰石涂层处理。他们的研究结果表明，在假体近端早期机械固定可靠，避免微动的情况下，实心和中空假体近端与骨界面的横截面骨性结合率在术后8个月均可达到40%以上。在多孔中空假体，由于其腔室内植入的自体松质骨尤其是载有重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2)复合物具有成骨诱导作用，并有可能通过孔洞缓释rhBMP-2进入假体-骨界面间隙，从而抑制了竞争性的成纤维细胞增生，使界面基于促进间充质细胞向骨组织分化的骨质早期再生修复过程更快、成骨量更大，这也与前期研究结果一致[5]，因此早期假体表面骨结合率相对更高。尽管随着时间的延长，假体-骨界面的骨性结合率差异不再明显，但是该诱导成骨的时限特点对于假体在髓腔内尽早减少或消除其与骨床之间残留的间隙并达到界面的骨整合和持续稳定具有重要作用。另外，与植入长骨干骺端研究非负荷状态下中空假体内骨形成的 BHC(骨收集室，bone harvest chamber)等有所不同，其所采用的动物模型直接模拟了人股骨柄假体在体负重状态下界面的成骨特性，增加了假体一骨界面剪切力和股骨近端应力遮挡等因素的影响，进一步证实了假体中的空腔部分作为一个为内、外源性成骨因子提供缓释场所，在促进应力状态下界面骨长入和骨整合足有意义的，目前这方面的研究报道并不多见[6]。但是由于现有实验技术的局限性，中空假体整个表面的骨结合率与实心假体的区别尚待进一步探讨。

有研究认为，假体一骨界面骨质的再生修复是成骨因子诱导下由骨髓和骨内膜的间充质细胞或纤维组织向骨组织分化的结果[7]，因此该研究也不排除腔室内间充质细胞经诱导分化成骨或者界面骨长入与之同时并存的可能性，尤其是在中空部分载有rhBMP-2的复合物时，即所谓假体内成骨[8]。对于植入自体松质骨的中空假体，可能是诱导成骨、引导成骨、腔室内外骨质通过孔洞再愈合以及骨形态改建的综合过程，其后期结果与装载 rhBMP-2缓释体组相接近。假体腔室内成骨并与其周围骨床的连接，实际上使股骨柄假体近端的中空部分完全包埋于骨质中，形成一种实心假体不能达到的骨-假体相对“一体化”结构。这样除了可以获得良好的假体外表面骨结合外，内、外骨质通过孔洞形成的骨桥可进一步将假体锁定，即增加了假体的稳定性和界面抗剪切的承载能力，又有可能进一步消除有效关节间隙[9]，从而减少磨损颗粒向远端扩散的途径。另外，也有可能将假体承载的应力通过这种结合传导至周围骨质，从而减少或消除假体周围股骨近端的应力遮挡，这一点有待进一步研究证实。

2 骨形态发生蛋白对人工关节骨长入的影响

生物型人工关节主要依靠假体周围的骨长入和骨贴附生长达到持久稳定。但金属表面的骨长入能力通常较低，Engh等[10]报道即使多孔表面假体，其骨长入的总量也不足 10%。假体与骨的暂时固定主要是依靠纤维组织而不是骨组织。应用骨生长诱导剂提高假体周围骨长入能力是解决此问题的重要途径。骨形态发生蛋白(BMP)为转化生长因子2(transforming growth factor2,TGF2)家族成员，其无种族特异性的诱导骨发生的机理早被阐明[11]。当骨组织完整时，BMP处于休眠状态，骨组织损伤时迅速出现量的增加和活性的增强，通过诱导骨基质内未分化的间充质细胞转化为软骨细胞及成骨细胞,继而钙盐沉积而形成新骨。故现已被广泛用于骨折不愈合的治疗，椎体融合等，但其在人工关节中应用不多，主要在关节返修手术中作为骨替代物运用于假体周围的骨缺损区，显著提高骨长入率[12]。在初次的关节置换中，BMP对假体稳定性的研究还都停留在实验阶段，Esenwein[13]在HA包被的钛植入物周围放入BMP-2后，组织学证实在假体周围的间隙内有大量新骨形成，而无结缔组织膜。达到了更好的骨整合性，并且经过生物力学的测定其拔出强度明显提高。张煜等[1]研究结果表明：骨形态发生蛋白能提高植入体周围的新生骨长入，这种作用在植入早期更为明显。骨形态发生蛋白使界面的骨性结合在早期就达较高水平，缩短了骨结合时间。这不仅可以减少患者的术后卧床时间，降低假体周围产生纤维组织层的可能,而且减少早期的磨损微粒进入“有效关节间隙”，避免微粒诱导的生物性溶骨作用，防止晚期松动发生。

3 多孔涂层假体对骨长入的影响研究

由于人们对骨水泥固定假体后期较高松动率的担忧，近年来对多孔层假体的应用日益受到重视。部分患者良好的临床效果使人们看到了生物学机制固定假体的前景。目前国外不少研究机构发表了有关翻修出的多孔涂层假体界面骨长入的研究报道[14]，探讨了促进骨长入的条件，为此不断地完善手术操作及假体设计。在大量动物实验证实有骨长入金属微孔基础上，20世纪70年代人们开始将多孔涂层假体应用于人类，以期通过骨长入涂层内生物学固定大道稳定假体的目的。随后国外率先对翻修出的或经尸体获取的多孔涂层假体骨长入研究，取得了一定的经验。但由于国内关节置换起步较晚，植入体内的多孔涂层假体不易获得及制作假体标本的设备不足，极少见到该方面的报道。假体材料性质及涂层界面设计也影响骨长入。张亚东等人[15]研究钛合金涂层内骨长入多于微孔钴合金涂层，也有研究认为这是钛的良好相容性使骨与假体间有间接的化学链接出现骨整合促进骨长入。加之钛良好的弹性模量，钛合金假体的应用日益普及。同是钴合金假体，由于微孔涂层孔径在350～550 m，孔隙率45%，珍珠层面孔径在1000 m，孔隙率在50%而出现骨长入差异。目前一般认为孔径在100～400 m才利于骨长入涂层锚瞄合假体。

4 阿仑膦酸钠对假体周围骨长入的促进作用

由磨损颗粒引起的破骨细胞性骨吸收可能是人工关节假体周围骨溶解的主要发病机制。二磷酸盐是目前较为有效的骨吸收抑制剂之一，其主要作用是抑制破骨细胞性骨吸收，以往的研究已经证实阿仑膦酸钠可抑制颗粒磨损诱导的人工关节假体周围骨溶解[16]，近来研究又表明阿仑膦酸钠可能具有促进成骨作用。李宏斌等人[17]研究的实验组假体柄周围纤维界膜薄且稀少，新生骨与假体界面多为直接接触，有些部位新生骨与假体界面完全整合，看不到明显界膜。形态计量学检测证实，假体与周围骨的结合明显优于对照组。Giuliani[18]报道在对鼠和人骨髓进行培养时，磷酸盐可刺激成骨细胞前体增生及矿化结节的形成。GangoitiMV[19]研究表明各种二磷酸盐均可诱导鼠颅骨成骨细胞增生。Tipton DA[20]的研究表明，含氮二磷酸盐可以促进成骨细胞表达I型胶原、碱性磷酸酶等成骨细胞特异性标记物，这些标记物的增加表明成骨细胞在含氮二磷酸盐作用后其成骨能力明显增加。近来Bellido T[21]通过体外培养发现，阿仑膦酸钠可促进成骨细胞的分化与成熟，且在细胞培养液中检测到促进成骨的BMP-2及与成骨相关的I型胶原和骨钙素均明显增高。Koch FP[22]研究还发现阿仑膦酸钠可以抑制骨细胞及成骨细胞的凋亡。因此，李宏斌实验中实验组与对照组假体周围界膜问的这种差别可能与阿仑膦酸钠促进成骨的作用有关。

5 材料孔隙结构对骨长入的影响

当材料微观结构处于纳米级时，主要影响的是材料的生物相容性，因为此时机体和材料发生反应主要在蛋白质水平。当材料微观结构处于微米水平时,主要影响的是细胞行为，包括细胞黏附到材料表面的方式、细胞排列的朝向等。早期植入物表面是光滑的，只能被纤维组织包裹，后来人们发现粗糙表面可以促进骨与材料的紧密接触。粗糙表面促进血小板附着和纤维蛋白块的粘连[23]，为早期骨形成提供初始的稳定环境。细胞必须黏附才能延展，延展刺激细胞增值。粗糙性抑止细胞延展,促使细胞向分化的方向发展。增值和分化是相对拮抗的。Tina Mygind等人的研究[24]印证了这种关系。他们将人间充质干细胞置于多孔 HA支架中培养，一种孔隙直径200 m，另一种为500 m。其结果表明，前者有利于细胞分化，而后者有利于细胞增值。在设计材料时应尽量达到平衡，即提供足够粗糙的表面让细胞黏附，又让细胞在整个材料内部延展、增值。总之，材料孔隙结构对骨长入有巨大的影响。虽然有大量的文献集中在这一问题上,也达成了一些共识，但离问题的解决还有距离。主要有这么几点[25-26]：一是不同的动物模型之间很难进行比较，二是体外实验的结果不能反映体内的情况。三是很多实验引入了干细胞和 BMP。这些实验都说明了特定的问题，但也带来了干扰因素。针对具体的要求，设计具体的实验，找到具体的孔隙结构，也许是未来工作要注意的。

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