全髋关节置换术中假体摩擦界面的研究现状

马 宁，白晓青，王 聪，梁钰琪，牛东生

全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）是治疗终末期髋关节疾病最有意义的手术之一，在消除患者疼痛、恢复关节功能、提高生活质量等方面具有明显效果[1]。从早期的探索到今天的相对成熟，人工关节的发展已历经百余年，尤其近20年发展迅速，在假体材料及手术技术方面都取得了长足进步[2]。但随着THA 患者的年轻化，其对假体的使用寿命有了更高的要求。本文对THA术中假体摩擦界面的应用现状进行综述，旨在为临床假体界面配伍提供参考依据。

1 THA假体摩擦界面的分类

THA假体摩擦界面是影响假体使用寿命的关键因素之一，目前全髋关节假体摩擦界面主要分4种，分别是陶瓷-陶瓷（ceramic-on-ceramic，COC）界面、金属-金属（metal-on-metal，MOM）界面、陶瓷-高交联聚乙烯（ceramic-on-highly cross-linked polyethylene，COP）界面和金属-高交联聚乙烯（metal-on-highly cross-linked polyethylene，MOP）界面[3]。

2 THA假体摩擦界面的优缺点

2.1 COC摩擦界面

人工陶瓷关节已从第一代发展到第四代，第一、二代因易破碎、翻修率高而被摒弃，目前临床上使用较多的是三、四代，其中第三代为高纯氧化铝陶瓷，代表假体是Forte 陶瓷（1994—现在），第四代为氧化锆强化的氧化铝（zirconia toughened alumina，ZTA）陶 瓷，代 表 假 体 是Delta 陶 瓷（2003—现在）。

2.1.1 优点

2.1.1.1 低磨损率COC界面是目前磨损率最低的摩擦界面[4]。Kress等[5]对62例COC界面髋关节假体置换病例进行随访研究，平均随访10.5 年，仅1例出现因磨损导致的松动，磨损率约为0.13～0.78 μm/年；Scholl 等[6]报道COC 界面磨损率约为0.55 mm3/106 周次，仅是MOP 界面的1/200；也有文献对不同摩擦界面的磨损率进行对比，依次是COC＜MOM＜COP＜MOP。

2.1.1.2 高硬度 适用于年轻、活动量大的患者[7]。Mahiques-Segura 等[8]进行一项前瞻性研究，结果表明，在20～40岁年轻患者中行COC-THA手术，可获得优良的生存率和功能结果，14 年假体存活率可达93.2%。

2.1.1.3 高亲水性 液体可均匀黏附在COC界面假体表面，提高表面湿润性，降低磨损率[9]。

2.1.1.4 生物惰性低、磨损颗粒小COC 界面组织反应性小，极大降低了溶骨反应及假体松动的发生率[10]。有临床研究报道35 例COC 界面THA 手术，骨溶解发生率为0[11]。

2.1.1.5 低感染率Pitto和Sedel[12]对84 894例接受不同摩擦界面THA 手术的患者进行为期15 年的研究，发现COC 界面假体周围感染发生率较COP、MOP、MOM界面低，但这项研究并未将体质量指数及疼痛评分纳入其中，结果存在一定的不确定性。

2.1.2 缺点

2.1.2.1 高脆性 从第一代到第四代，陶瓷假体破碎问题一直存在，但发生率在逐渐降低。据报道，第三代Forte陶瓷衬的破碎率为0.032%，头的破碎率为0.021%[13]，第四代Delta陶瓷为复合陶瓷，头、衬破碎率较第三代明显降低，适用于年轻及运动量大的患者[14]。马德春等[15]在87例年轻患者中应用第四代COC-THA假体，平均18.6个月的随访结果证实无假体磨损、溶解、松动征象，提示第四代假体短期效果可观，但陶瓷头破碎仍有发生。Yoon等[16]进行的一项Meta 分析共纳入45 项研究10 571 例THA 患者，随访时间2.0～18.8 年，结果表明，陶瓷破碎率在Forte 陶瓷组为0.9/1 000 人年，Delta陶瓷组为0.5/1 000 人年，未发现陶瓷破碎率与术后随访时间、患者年龄或体重指数之间存在显著相关性。

分析陶瓷破碎的原因，有学者认为可能与术中假体位置安放不佳、异物进入摩擦间隙等致单位面积压力过高引起[8,17]；亦有学者指出陶瓷破碎的主要原因与陶瓷界面出现碰撞、刮痕、应力分布不均有关[15]，应适当增加臼杯外展角和前倾角，且尽量去除髋臼杯周围骨赘及骨粒等杂质，减少股骨头与髋臼杯的撞击，以确保股骨头与髋臼杯紧密贴合；还有研究者提议将陶瓷头直径增加到32 mm，可显著减少陶瓷头破碎的发生[18]。

2.1.2.2 异响 为硬-硬摩擦界面所特有，文献报道发生率在1%～30%之间[19]。部分患者因此产生焦虑情绪，身心健康受到严重影响，需要通过翻修予以解决[20]。但也有文献报道，异响的存在对髋关节功能及假体的存活率没有影响，且40%的异响随着时间的推移，其频率和音调会逐渐减低，甚至消失[21]。Abdel 等[22]强调THA 术后未受外伤而出现的异响伴疼痛提示可能存在陶瓷衬破碎，异响原因可能与关节半脱位、周围肌肉松弛、臼边缘负重、头臼条形磨损、使用短颈假体等有关，需予以高度关注并适时进行手术探查。Schroder 等[23]总结异响的发生与假体成分及位置无关；也有人认为是多因素作用结果，但根本原因是假体周围液膜浸润不均匀，导致摩擦界面润滑性能减弱，从而产生异响[24]。有研究显示，第四代陶瓷有望减少异响，在使用第四代陶瓷的263例髋关节置换术患者中，随访3.1年无一例发生异响[25]。

2.1.2.3 无症状液体聚集Jennings等[26]开展一项至少随访2 年的临床研究，对37 例（42 个髋关节）COC-THA 术后无疼痛症状患者行金属伪影减少序列（MARS）MRI成像检查，结果有8个髋关节发生积液（19%），其中4个髋关节为关节囊内滑膜炎（3个髋关节滑膜增厚），4个髋关节发现直接与关节内沟通的关节外积液（2 个髋关节显示滑膜增厚），但X 线片或MRI 扫描中未发现骨溶解征象。这种无症状液体聚集会给患者带来何种影响，目前尚未有此方面研究。

2.2 MOM摩擦界面

MOM 假体应用于临床已有40 余年历史，主要有不锈钢、钴铬钼合金、钛合金3种材料。不锈钢材料抗腐蚀性、抗疲劳性及生物相容性均较差，且大多含有镍，释放后易引起过敏，甚至导致假体松动[27]，目前在人工关节中应用不多。相比于不锈钢，钴铬钼合金具有更好的的抗腐蚀性、抗疲劳性及生物相容性，但研究发现，使用MOM 假体的患者会出现过敏现象，尤其是钴过敏，可形成炎性假瘤，造成组织破坏[28]。钛合金中的Ti-6Al-4V 相比于不锈钢和钴铬钼合金来说，具有高度的生物相容性和低弹性模量（与人体骨骼接近），很少引起过敏及应力遮挡，是目前MOM 假体使用的主要合金，但耐磨性能差，摩擦系数高，不适合做关节面材料。有人尝试将液氮或氮离子注入其中，增强耐磨性和硬度，但Ti-6Al-4V 中的钒（V）具有细胞毒性，其安全性需要进一步研究[29]。

由于具有耐磨性高、脱位发生率低等优点，金属-金属髋关节表面置换（metal-on-metal hip resurfacing，MMHR）自面世以来就获得好评[30]，但随着时间延长，有研究发现，MOM 假体5 年翻修率达9.6%，10年达15.5%，明显高于其他摩擦界面假体[31]。分析其原因，主要是因为MOM假体存在机械辅助缝隙侵蚀（mechanically assisted crevice corrosion，MACC）现象，这种现象将导致金属假体表面氧化层破坏，金属假体被腐蚀，金属离子释放，导致局部组织不良反应（adverse local tissue reactions，ALTR）。

ALTR 的发病机制一直是关节置换相关领域研究的热点之一。一般认为假体释放的金属离子与人体蛋白质、细胞之间相互作用产生延迟性Ⅳ型超敏反应，从而导致无菌性淋巴细胞主导的血管炎病变，然而，在ALTR 中并不总是观察到淋巴细胞反应，其分子机制尚不清楚，金属离子造成的细胞损伤亦可能引发细胞因子分泌，引起炎症反应，导致部分患者出现与不良结局相关的过敏反应，最终导致翻修[32]。

ALTR现象严重影响MOM假体的临床使用，近几年基本处于弃用状态。对于已行MOM-THA手术的患者，亦应动态监测血清钴金属的离子浓度，以避免发生严重不良反应[33]。

2.3 COP、MOP摩擦界面

用于人工关节假体的高分子材料主要有超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）和高交联聚乙烯（highly cross-linked polyethylene，HXLPE）。有研究表明，HXLPE 磨 损 率 较UHMWPE 低 约40 倍，且HXLPE 产生的磨损微粒比UHMWPE 小[34]。因此，目前的高分子材料主要以HXLPE为主。

第三代HXLPE 改良材料更是通过添加维生素E 来稳定自由基，抗磨损性能优越[35]。Rochcongar 等[36]开展一项前瞻性随机对照试验，结果表明，HXLPE/VitE 组术后3 年磨损率明显低于UHMWPE 组，提示HXLPE/VitE 假体可防止骨溶解和假体松动，降低手术翻修几率，但这一结论还需长期随访研究来证实。一项平均12年的回顾性队列随访研究结果也发现，HXLPE组磨损率显著低于常规聚乙烯（conventional polyethylene，CPE）组，分别为0.035 mm/年和0.118 mm/年[37]。

至于选择陶瓷头还是金属头搭配HXLPE 内衬，目前人们更倾向于前者，因为其更耐磨，且磨损颗粒对人体不会产生毒副作用，陶瓷头破碎的发生率也可进一步降低。但无论是陶瓷头还是金属头，搭配HXLPE 内衬均可做成高边设计，臼杯放置更佳，脱位发生率更低，优于COC、MOM 摩擦界面[38]。此外，新型高分子材料聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）也值得期待，因为其与碳纤维或玻璃纤维组合而成的复合材料，可有效避免骨溶解的发生率，且陶瓷头搭配PEEK复合材料内衬较其他组合方式效果更好，但目前仍处于研究阶段[39]。

3 THA摩擦界面的使用情况

美国全国住院患者样本数据库显示，在2007—2014 年接受初次THA 的1 059 825 例患者中，MOP占46.9%，COP占29.1%，MOM占19.9%，COC 占4.2%，其中MOM、COC 使用率分别从2007 年的37.6%、7.0%下降至2014 年的4.0%、3.1%，而COP 使用率从2007 年的11.1%上升至2014 年的50.8%，MOP 使用率基本保持不变（2007 44.3% vs 2014 42.1%）[40]。Bedard 等[41]回顾2007 年—2015 年28 504 例初次THA 中摩擦界面的使用情况，最常用的摩擦界面依次是MOP（46.1%）、COP（33.2%）、MOM（17.1%）、COC（3.6%）；随时间推移，COP 使用率从2007 年的6.4%大幅增加至2015 年的52.0%，而MOM 的使用率在此期间有所下降；MOP 使用率在2012—2015年有所下降，COP使用率随年龄增长而减少，MOP 使用率随年龄增长而增加；女性、65 岁及以上患者更有可能接受MOP，而男性则更有可能接受MOM和COP。

英国关节登记中心（National Joint Registry，NJR）数据显示，自2011 年开始，COC 呈明显下降趋势，MOM 基本为弃用状态，2018 年MOP、COP摩擦界面使用率最高，其中COP呈明显增长趋势；美国关节登记中心（American Joint Replacement Registry，AJRR）数据显示，2012 年—2018 年陶瓷球头使用量逐年增加，与之配伍的HXLPE内衬占83.5%，尽管COC 磨损率较COP 小，但COP 破碎率仅为COC的1/25，美国95%的医生选择COP，仅5%的医生选择COC。国内暂无此方面的数据统计。

4 小结

随着THA 手术年轻患者增多，人们对假体生存期要求越来越高，各种适用于临床需求的髋关节假体及衍生摩擦界面应运而生。COP、MOP 摩擦界面因其良好的耐磨性，目前已成为关节外科医生的首选，但耐磨性是否会随时间的变化而降低，进而加剧聚乙烯磨损颗粒导致的骨溶解问题，还需长期随访研究予以验证；COP 摩擦界面因其并发症更少，目前使用率将超过MOP 摩擦界面。MOM 摩擦界面生物相容性好、弹性模量低、摩擦系数小，既往受到关节外科医师的青睐，后来因出现金属离子释放问题，逐渐被弃用。COC 摩擦界面硬度高，耐磨性能优异，组织反应轻微，尤其是第四代Delta陶瓷，更适合年轻、活动量大的患者，但陶瓷破碎仍然是关节外科医师使用COC 摩擦界面最大的担忧。

展望未来，一些新型材料如高分子材料PEEK、黑晶等有可能成为性能可靠的摩擦界面。COC 摩擦界面需要解决陶瓷破碎问题，MOM 摩擦界面面临的最大难题是金属离子的释放，MOP和COP 摩擦界面不同程度地存在磨损碎屑问题。近年来还出现了陶瓷-金属摩擦界面，可降低金属离子相关并发症，但进入临床时间较短，缺乏远期随访证据支持。