人工全髖關(guān)節(jié)聚乙烯內(nèi)襯的特點(diǎn)及搭配

張 明，袁 振

(山東省千佛山醫(yī)院，濟(jì)南 250014)

上世紀(jì) 60年代，Charnley提出低磨擦設(shè)計(jì)理論并設(shè)計(jì)出用金屬股骨頭和超高分子量聚乙烯髖臼組合的假體，開創(chuàng)了低摩擦人工關(guān)節(jié)假體的新時(shí)代。金屬與超高分子量聚乙烯目前仍是最常用的摩擦界面組合，并成為衡量其他組合的金標(biāo)準(zhǔn)。目前臨床采用的聚乙烯內(nèi)襯可以與金屬或陶瓷制成的股骨頭搭配，金屬股骨頭均為鈷鉻鉬合金制成，而聚乙烯內(nèi)襯已經(jīng)有了長足的發(fā)展，除超高分子聚乙烯(UHMWPE)外，超高交聯(lián)聚乙烯(X-PE)已經(jīng)用于臨床并且取得了較好的臨床效果。

1 聚乙烯內(nèi)襯的特點(diǎn)

超高分子聚乙烯是一種線型結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料，其相對分子質(zhì)量在 100萬以上，具有耐沖擊、耐磨損、自潤滑性、耐化學(xué)腐蝕等性能;另外，UHMWPE還有優(yōu)異的生物相容性，除用于人工關(guān)節(jié)外，還用于制造心臟瓣膜。其具有良好的抗折斷能力和耐磨性，制成的內(nèi)襯可具備各種特定形狀，如防脫位的高邊、高偏心距內(nèi)襯，高限制性內(nèi)襯等，這是金屬或陶瓷制作的內(nèi)襯難以達(dá)到的。與陶瓷內(nèi)襯相比，聚乙烯內(nèi)襯不會出現(xiàn)碎裂。金屬-UHMWPE摩擦界面的缺點(diǎn)主要在于聚乙烯磨損顆粒的危害。多項(xiàng)研究表明其線性磨損率為 0.1～0.2 mm/a，其磨損每年產(chǎn)生的顆粒多達(dá) 10億，這些顆粒的直徑 ＜10μm，能夠沿假體與骨界面的微小間隙擴(kuò)散并導(dǎo)致假體周圍骨溶解的發(fā)生。有關(guān)磨損顆粒誘導(dǎo)骨溶解的機(jī)理尚不完全清楚，部分學(xué)者認(rèn)為這種骨溶解主要是聚乙烯碎屑導(dǎo)致周圍組織炎性反應(yīng)所致。巨噬細(xì)胞吞噬或包繞磨損碎屑并分泌腫瘤壞死因子、白介素、前列腺素以及膠原酶等，這些局部介質(zhì)激活破骨細(xì)胞，進(jìn)一步引起骨質(zhì)吸收和溶解;也有人認(rèn)為是吞噬細(xì)胞不能“消化”這些耐腐蝕的聚乙烯碎屑，細(xì)胞壞死后釋放蛋白酶導(dǎo)致骨溶解，并且沒有被“消化”的聚乙烯碎屑再次釋放，形成惡性循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植入物穩(wěn)定時(shí)，假體與骨的界面中沒有骨長入的部分是一層細(xì)胞數(shù)目較少的膠原纖維組織;而當(dāng)植入物松動時(shí)，該界面內(nèi)充滿大量的巨噬細(xì)胞。因此如何減少磨損碎屑的產(chǎn)生和碎屑產(chǎn)生后如何抑制局部異物反應(yīng)，是材料學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)要共同解決的難題。改善聚乙烯的磨損特性也就成為摩擦界面研究的主要方向。

制作工藝能影響 UHMW-PE的耐磨性能。制作聚乙烯部件的作用技術(shù)是壓模加工和機(jī)械加工。壓模加工是將聚乙烯材料輕度加溫，然后用鋼模壓制成形;機(jī)械加工則是指用專業(yè)機(jī)械在常溫下切割、拋光。壓模制聚乙烯表現(xiàn)出較機(jī)械切削制聚乙烯更優(yōu)良的抗磨性能，磨損率的差別可達(dá) 1倍以上。其原因被認(rèn)為是切削制聚乙烯經(jīng)歷了從加溫、加壓、大塊擠出到切削成形多個(gè)步驟，在非連續(xù)性生產(chǎn)過程中溫度與壓力具有不穩(wěn)定性及間隙性特點(diǎn)，故聚乙烯材料中易形成空泡，分子量也不均勻，故抗磨性能也較差;與此相反，壓模制聚乙烯將聚乙烯樹脂直接轉(zhuǎn)變?yōu)榧袤w外型，整個(gè)過程一步完成，加溫、加壓較恒定，抗磨性能也較好。

提高聚乙烯內(nèi)襯耐磨性的另一方法是交聯(lián)。UHMW-PE在無氧條件下經(jīng) γ射線、電子束輻射可以引起分子間的交聯(lián)，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為高交聯(lián)聚乙烯。與UHMWPE的線型結(jié)構(gòu)不同，X-PE是在 UHMW-PE的線型基礎(chǔ)上使其相互交聯(lián)，分子間的交聯(lián)能對抗分子間移動，有效抵抗垂直于分子主鏈軸平面的形變和磨損，明顯提高聚乙烯的抗磨損性能，而且其機(jī)械強(qiáng)度和抗蠕變性能也更好。提高聚乙烯內(nèi)襯的性能還需要消除其內(nèi)的自由基。聚乙烯在消毒(不能高溫消毒)和交聯(lián)過程中經(jīng) γ射線照射或電子束輻射會產(chǎn)生自由基，在有氧條件下自由基可以迅速發(fā)生氧化反應(yīng)，殘留的自由基存在于聚乙烯分子內(nèi)可達(dá)數(shù)年之久，與體內(nèi)的氧分子相互作用后可使聚乙烯氧化變性，強(qiáng)度降低，脆性增加，更容易發(fā)生磨損。熱熔處理能降低自由基殘留，可明顯提高聚乙烯的抗磨損和抗老化性能。經(jīng)過超高交聯(lián)和熱熔處理的X-PE體外模擬測試顯示其線性磨損率為 0.01～0.05 mm/a，因此可以非常明顯地減少磨損顆粒的產(chǎn)生，而且其磨損顆粒的形態(tài)、數(shù)量和大小也與 UHMW-PE不同。UHMWPE內(nèi)襯的磨損顆粒多為直徑數(shù)微米的條形碎屑，是造成骨溶解和松動的主要原因，直接影響假體遠(yuǎn)期壽命。X-PE產(chǎn)生的磨損顆粒主要為納米級的球形顆粒，組織學(xué)反應(yīng)更小。X-PE的缺點(diǎn)是抗第三體磨損的能力下降，即當(dāng)摩擦界面中夾有“異物”時(shí)其抗磨損能力下降。另外，其臨床運(yùn)用時(shí)間畢竟較短，大宗病例的遠(yuǎn)期隨訪結(jié)果尚待總結(jié)，而且不同廠家的高交聯(lián)的工藝迥異，有待于進(jìn)一步的提高和標(biāo)準(zhǔn)化。

2 聚乙烯內(nèi)襯的搭配

從材質(zhì)上講，聚乙烯內(nèi)襯可以與金屬或陶瓷股骨頭搭配。金屬—聚乙烯搭配臨床應(yīng)用最多，較適合老年人;又由于其價(jià)格相對較低，也有不少中年人選擇使用，但其不適合年輕人使用。陶瓷—聚乙烯的搭配是近年來有很多醫(yī)生在使用，其磨損率有所降低，但是對年輕人仍需慎用。從金屬股骨頭的直徑上看，目前仍在應(yīng)用的金屬股骨頭的直徑有22、24、26、28和 32 mm等，陶瓷股骨頭直徑有 28和 32 mm兩種。為了防止聚乙烯內(nèi)襯的過度蠕變和磨損，聚乙烯的厚度要大于 6 mm，所以患者關(guān)節(jié)大小決定了人工全髖關(guān)節(jié)的股骨頭直徑。越小的股骨頭術(shù)后人工髖關(guān)節(jié)的脫位率越高，盡量選擇直徑較大的股骨頭可以使人工關(guān)節(jié)更穩(wěn)定，活動范圍也越大，臨床效果也就更好。