人工髋关节置换研究进展

马 涛，张育民,郝林杰，宋 伟，文鹏飞

西安交通大学附属红会医院髋关节外科(西安710054)

人工髋关节置换术一般包括全髋关节置换术及半髋关节置换术(即人工股骨头置换术)。早期的髋关节置换术由于磨损颗粒引起的异物反应，严重影响了假体的远期效果。因此，为了延长假体长期生存率，如何降低甚至消除假体摩擦界面的磨损和磨损颗粒的产生以及由此而导致的一系列不良就成为了研究重点，新型材料的研制以及假体固定方式的不断改进都使得关节外科取得了长足进步。

1材 料理想的人工关节材料应该具有很好的耐磨损、抗腐蚀性能，以及良好的生物相容性，具有较好的抗疲劳强度，对机体无任何毒副作用，其弹性模量接近于人体的骨质。界面材料最好不产生磨碎微粒，或者产生后不会引起骨溶解等并发症。现阶段使用的人工髋关节材料主要有金属材料、聚乙烯材料、陶瓷材料，还有一些临床应用较少或者正在试验阶段的材料，比如碳纤维、玻璃纤维、PEEK(Polyetheretherketone)、PEI(Polyethylenimine)等。

2假体摩擦界面髋关节置换术后摩擦界面产生磨损颗粒引起骨溶解、假体松动等，最终导致假体失败。为了降低关节负重界面的磨损颗粒的产生以及引发的不良生物型反应，延长假体生存期，出现了多种负重界面，最常用的为金属-聚乙烯(Metal- polyethylene，M-P)界面，随着材料科学及制造业的发展，金属-金属(Metal-metal，M-M)及陶瓷-陶瓷(Ceramic-ceramic,C-C)等组成的摩擦界面在临床上也大量使用。金属-聚乙烯假体已在临床应用多年，最突出的问题仍为聚乙烯磨损产生的颗粒问题，聚乙烯颗粒已被认为是引起骨质溶解导致无菌性松动的主要原因之一，同时，也会因为金属假体的磨损产生少量金属离子。虽然近年来高交联聚乙烯较多应用于临床，相对传统的聚乙烯材料明显降低了材料的磨损率，但是仍未能彻底解决磨损碎屑问题[1-2]。据统计，在2008年时，美国75%的髋关节置换使用的是交联聚乙烯假体，是普通聚乙烯使用量的10倍多[3]。另外，交联聚乙烯材料由于经过射线照射，会产生氧自由基，虽然通过添加维生素E等措施进行抗氧化处理，但是其抗疲劳性能仍需长期的观察和研究[4]。新一代金属-金属和陶瓷-陶瓷均属于硬-硬(Hard-hard)的假体界面，有较多研究都表明具有较高的假体生存率，尤其是更适用于活动量大或者年轻患者，其10年生存率达到90.8%～97.4%[5]。相对于金属-聚乙烯假体，其界面更光滑，摩擦率更低，明显降低磨损，骨溶解发生率更低。相比M-P假体，第二代M-M假体不论是线性磨损率还是容积磨损率，均大大降低。据报道，在最初的1～2年的磨合期，M-M假体线性磨损率为20～25 μm/年，随后处于稳定期，降低为2.5～10 μm /年，相对于传统的M-P假体，降低了20～180倍[6-7]。通过体外试验发现，M-M假体容积磨损率为0.06～0.11 mm3/百万圈，而M-P假体中高交联聚乙烯为3 mm3/百万周期[8]。另外，M-M假体具有自抛光功能(Self-polishing function)，能够去除由其它微粒引起的表面刮痕，保持摩擦界面的光滑，降低摩擦系数，延长假体寿命[9]。M-M假体另外一个优势在于可以使用大球头的关节假体。一方面，通过增加股骨头直径可以提高关节稳定性，降低脱位发生率，另一方面，相比于M-P假体并不会增加磨损率。相对于小球头，M-M假体大球头能够缩短磨合期，并且降低这一期的容积磨损率[10]。在经过磨合期进入稳定器之后，不论球头大小，其磨损率均大致相似[11]。此外，M-M假体也具有降低假体周围骨溶解发生率的潜力。在一项前瞻性随机对照研究中，对比39例M-M髋置换和39例M-P置换术后假体周围骨溶解发生情况，在平均69个月的随访期内，M-P假体有9例发生，而M-M假体无一例发生[12]。M-M假体同样也存在缺点，主要是假体磨损碎屑导致的局部及全身反应。局部反应主要是假体周围局部软组织发生一些不良反应，主要有无菌性淋巴细胞脉管炎损害(Aseptic lymphocyticvasculitis-associated lesions，ALVAL)、炎性假瘤以及局部骨溶解。全身反应不要为金属离子在人体内升高以及潜在的生物毒性，虽然动物实验表明钴、铬等离子的致癌作用，但是仍然缺乏M-M假体释放的金属离子与人体肿瘤等疾病具有相关性的充分证据。早期的C-C假体由于设计及材料的原因，失败率较高。现在使用的多为第三或第四代陶瓷假体，具有良好的中期效果[5]。C-C假体最大的优势在于磨损更低、磨损颗粒所导致的不良反应更小以及磨损颗粒相关的骨溶解发生率更低。其容积磨损率为0.004～0.05 mm3/百万周期[13]，线性磨损率为0.025～0.05 μm /年，为M-M假体的1/100，是M-P假体的1/2000～1/10000[14]。C-C假体最大的问题在于假体的碎裂以及术后关节异响。现代的C-C假体碎裂概率较前已经明显下降，但仍未能完全避免，约为0.004%[15]。所谓关节异响指在髋关节活动时产生的高音调可听见的声音，其发生率报道不一，从0.5%～21%不等[16-18]。虽然异响与临床效果并无明显相关性，大多数关节异响的患者具有良好的功能及较高的满意度，通过改进关节假体的设计以及精确地假体植入可以进一步降低其发生率，但其具体机制仍不清楚，但仍需深入研究[19]。另外，C-C关节假体易受摩擦碎屑的影响，关节表面极小的瑕疵也会迅速加速假体的磨损。C-C关节置换术对术者技术要求较高，假体位置安放精度要求也较高。近年来，陶瓷-金属(Ceramic-metal，C-M)界面也开始出现，也属于硬-硬(hard-hard)的假体界面。通过髋关节模拟器及临床研究证实C-M界面假体磨损产生的金属离子较M-M界面假低，可以降低金属离子引起的一系列并发症。较C-C界面假体，C-M界面假体理论上可以使用更薄的金属髋臼，从而使用更大直径的球头，可以进一步降低股骨头脱位以及球头碎裂的风险。但是，C-M界面假体在临床使用时间短，数量少，缺乏全面及长期的数据去进一步评估。另外，陶瓷-高交联聚乙烯(Ceramic-highly crosslinked polyethylene ,C-Pxl)界面近年也较多应用于临床。Amanatullah等[20]对357例随机采用C-C界面或者C- Pxl界面的全髋关节置换术患者进行比较，虽然两者临床效果评分上并无明显差别，但是C-C界面的磨损几乎是C- Pxl界面磨损率的1/10，而C- Pxl界面假体其陶瓷的碎裂率及异响率明显较低。

3固定方式假体的机械性松动仍是目前关节置换失败的一个重要原因，固定方式尤为关键。现阶段，假体的固定方式主要有两种：骨水泥固定和非骨水泥固定。最早出现的是骨水泥固定，由于使用后出现假体的松动、下沉等问题，随后又出现了非骨水泥固定方式，同时，骨水泥固定技术也在不断的改进与提高中，人工关节的固定方式依然朝着两个方向发展。长期的随访发现，骨水泥固定与非骨水泥固定的远期效果相似。目前初次髋关节置换术髋臼侧固定倾向于非骨水泥固定方式，仅在翻修术中髋臼有明显骨质缺失时使用骨水泥固定。股骨柄的固定也以生物固定方式为首选，但对于一些高龄、骨质疏松以及存在骨质缺失的肿瘤患者等仍需使用骨水泥固定。对于全髋关节置换，混合型固定也较为常见，即股骨柄侧使用骨水泥固定，而髋臼侧使用生物固定方式。

3.1 骨水泥固定 骨水泥固定即通过在骨与假体间隙中填充骨水泥，通过容积填充以及骨水泥与骨床之间的微交锁而达到机械稳定的方式[21]。骨水泥技术经历了四代的发展，目前多使用的为第三代及第四代技术。现代骨水泥技术包括真空搅拌、髓腔冲洗、髓腔栓、骨水泥枪、加压固定、假体柄的中位化等[21]。随着骨水泥固定技术的不断提高，其假体远期生存率较前已有明显提高，10年生存率可达到96%，18年生存率可达到81%[22]。相对于生物固定，骨水泥固定可以达到早期固定的效果，患者可以较早下床活动，减少了术后长时间卧床所带来的并发症。但是，骨水泥碎屑颗粒引起的周围骨溶解现象仍然难以解决，另外，骨水泥也存在疲劳效应，长期使用后可能会出现较小的碎裂等现象，难以达到长久牢靠的固定效果。通过进一步降低骨水泥孔隙率，提高均匀度等增强骨水泥强度而加强骨水泥固定效果，但是程度有限。也可通过骨水泥中加入一些羟基磷灰石或者小骨粒等方式来加强骨水泥强度及固定效果，但临床上尚未推广使用。理论上，加强假体表面的粗糙程度可以增强其与骨水泥的结合强度，但是目前仍存在争议。相信随着骨水泥技术的不断改进以及新型骨水泥材料的出现，骨水泥固定关节置换术依然会继续长期存在。

3.2 非骨水泥固定 非骨水泥固定即生物固定方式，主要是通过紧密压配原则(Press-fit)而达到固定，为了达到骨与假体界面的牢固结合，尽量改善骨-假体界面生物学及力学状态，通过等离子喷涂、高温烧结等技术对假体进行表面处理，主要有两种方式：改变假体表面形态和其表面生物学改进。假体表面形态的改变主要是增大表面积，从而增强结合强度。主要有巨孔型及微孔型。巨孔型假体其孔隙大小一般为0.5～2 mm，通过表面粗糙化，使得骨组织交错生长来达到生物固定，属于早期的人工关节假体表面类型，比如珊瑚面和珍珠面髋关节假体。微孔型孔隙为微米级别，孔径多为100～700μm，不同类型其孔隙容积率各不相同，比如金刚砂磨面和多孔面，具有较好的骨长入。对假体表面生物学特性的改变主要是通过一些具有特殊生物学活性的材料进行表面喷涂而达到的，最常见的为羟基磷灰石(HA)喷涂假体，与骨组织构成具有诱导骨长入。近年来，随着复合材料逐渐使用，在微孔涂层基础上出现了复合涂层，进一步增强涂层强度或者增加涂层表面积，近年来发展迅速，比如陶瓷-HA、钛-HA复合涂层等。有学者[23]将BMP-2(Bone morphogenetic protein-2)复合至假体涂层表面，表明其能够明显促进干细胞的增殖、分化为成骨细胞，促进新生骨形成，但是目前仍未应用于临床。非骨水泥固定初期多采用螺钉或紧压配合等方法, 并通过骨长入使骨与假体表面形成紧密地生物固定。相比于骨水泥固定，具有手术时间短、创伤小、风险相对小等优点, 避免了骨水泥的不良反应以及术后假体翻修所带来的取出麻烦、骨质破坏过多等问题。非骨水泥固定也存在不足，其远期失败的主要原因是应力遮挡等引起的假体周围骨溶解、术后大腿痛，另外，由于非骨水泥固定是通过紧密压配原则固定，容易出现假体周围骨折而导致失败。

4髋关节表面置换术髋关节表面置换术最早出现于19世纪30年代，跨越了了几十年的技术发展。髋关节表面置换术在设计上不同于传统的全髋置换，其保留了股骨颈，没有承重的股骨柄，并且使用较大的球头，头颈比例和生理接近。早期的髋表面置换由金属股骨头及聚乙烯髋臼构成，由于材料技术等限制，去掉了较多的髋臼侧骨质，严重的聚乙烯磨损碎屑，导致了严重的髋臼及股骨侧骨吸收。早期的髋关节表面置换术失败的的主要原因是较高的无菌性松动、磨损及骨溶解发生率[24-26]。随着全髋技术的发展，其适应症也越来越广，患者的年龄不再是手术的禁忌症，而活动量较大的年轻患者THA术后有较高的失败率并且难以满足患者功能要求。随着新的摩擦负重界面、更好的固定方式以及手术技术的提高，髋关节表面置换又重新进入了人们的视线。现阶段髋关节表面置换主要使用大球头的MOM界面假体，大多采用髋臼侧生物固定及股骨侧水泥固定的混合固定模式，髋臼假体一般不超过5mm，保留了较多骨质，没有聚乙烯磨损的产生。有学者就表示髋关节表面置换对于活动量大的年轻患者更适用[27]。相对于全髋置换，髋表面置换具有更大的活动度而脱位率较低，更多股骨近端骨保留，更多的本体感受，更接近于人体解剖，更少的应力遮挡，翻修后更类似于初次全髋置换[28-30]。有学者研究对于55岁以下骨性关节炎患者行髋关节表面置换更优于全髋置换，其假体生存率更高且活动量较大，几乎均正常参加重体力劳动及体育活动[31]。2007年，澳大利亚关节登记系统报告称髋关节表面置换累积翻修率为3.8%，而对小于55岁患者，5年的累积翻修率为2.8%，相比较而言，THA的累积翻修率为2.8%，而对于小于55岁患者生物固定的THA翻修率为3.1%[32]，更支持年轻患者行髋表面置换。Baker等[33]比较108名性别、年龄、BMI以及术前活动度均匹配的年轻患者分别行Birmingham髋表面置换(BHR)与混合固定的全髋关节置换(THR)的中期效果，THR组平均随访10年，其翻修率为16.7%，BHR平均随访9年翻修率为9.3%，且BHR组OHS、UCLA及EuroQol视觉模拟评分优于THR组，提示髋关节表面置换中期效果优于全髋关节置换。但是也有学者持不同意见，Bengs等[34]对年轻患者行生物固定的全髋置换与髋表面置换效果行Meta分析，全髋置换组纳入6408髋，平均随访8.4年，股骨侧假体翻修率1.3%，而髋表面置换组纳入3269髋，平均随访3.9年，股骨侧翻修率为2.6%，提示髋关节表面置换翻修率更高。也有学者通过体外实验发现传统的全髋置换活动度优于髋关节表面置换，前者股骨颈与髋臼杯撞击频率明显更低，而假体颈与髋臼杯的撞击可能是其松动的一个重要原因。另外，Hing等[35]报道髋关节表面置换术后股骨颈变细，但未能明确其在临床上的意义。Ritter等[36]研究发现几乎所有超过10年的股骨侧假体失败病例其股骨颈都会出现变细。由于缺乏长期的随访数据结论，对于年轻患者选择髋关节表面置换术或者全髋关节置术换仍将存在较大争议。

5髋关节置换并发症虽然人工关节置换术成功率越来越高，但是仍有许多问题存在，比如因为骨质溶解和应力接档导致的无菌性松动，尤其是对于活动量较多的年轻患者更为明显。全髋关节置换后，除了假体松动、关节脱位、股骨骨折、以及大手术后均可发生的全身性并发症外，主要还有深静脉血栓及肺栓塞、感染及异位骨化等并发症[37]。虽然初次关节置换失败率在不断降低，但随着关节置换总体数量的不断增长，关节翻修术的绝对数量也在增加。与初次置换相比较，关节翻修术手术难度大，持续时间长，出血量大，感染风险高，对术者手术技术要求更高，而翻修术的效果都比初次置换术差。因此，髋关节置换的发展道路任重而道远。