全陶瓷人工髖關(guān)節(jié)的研究進(jìn)展

馬軍峰，劉志斌，賈 托，葛郁龍

(延安大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，陜西 延安 716000)

1 人工髖關(guān)節(jié)的研究背景

1.1 人工關(guān)節(jié)置換的發(fā)展歷史

人工關(guān)節(jié)置換外科的發(fā)展歷史，應(yīng)首先追溯到20世紀(jì)40年代人們?yōu)楦纳企y關(guān)節(jié)功能所作出的辛勤探索，正是由于這些先人的卓越才知和貢獻(xiàn)，才開創(chuàng)了今天人工髖關(guān)節(jié)外科的輝煌[1]。因此，人工關(guān)節(jié)置換是由髖關(guān)節(jié)起步，然后拓展到全身其他關(guān)節(jié)如膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)，繼而發(fā)展到指間關(guān)節(jié)和掌指間關(guān)節(jié)。人工椎體、人工椎間盤、人工髓核和人工骨則是近20年到30年的事，人工腕關(guān)節(jié)直到今天仍然不能令人滿意[1]。故人工髖關(guān)節(jié)的發(fā)展，很大程度上是演繹了人工關(guān)節(jié)的發(fā)展歷史。沒有人工髖關(guān)節(jié)的研究和發(fā)展，就不可能有今天人工關(guān)節(jié)的發(fā)展和完善[1]。

1.2 國外人工關(guān)節(jié)的發(fā)展歷史

Gluck(1890)對髖關(guān)節(jié)強(qiáng)直患者采用切斷強(qiáng)直部，以用象牙雕琢后作為頭臼間隔為的關(guān)節(jié)成形為起始，到1918年Delbet采用增強(qiáng)橡膠股骨頭治療股骨頸骨折等早期髖關(guān)節(jié)成形的努力，是人工髖關(guān)節(jié)的起源。嗣后，髖關(guān)節(jié)屢試屢敗，但始終蘊(yùn)含著將來的巨大的發(fā)展前景[2]。近年來，人工髖關(guān)節(jié)外科仍然是骨科領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)展最為迅速的亞學(xué)科之一。其進(jìn)展主要表現(xiàn)在:生物固定新材料、保留骨量假體、新關(guān)節(jié)面材料的制備與配伍、高屈曲膝關(guān)節(jié)假體、微創(chuàng)人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，以及計(jì)算機(jī)輔助人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)[6]。在過去的10年時(shí)間里，臨床醫(yī)生嘗試了多種人工關(guān)節(jié)材料，諸如高交聯(lián)聚乙烯(highly cross－linked polyethylene)，金屬對金屬，陶瓷對陶瓷甚至金屬對陶瓷和陶瓷化地金屬對金屬(ceramic－like coating)等多種髖關(guān)節(jié)界面[5]。大量針對磨損性能的髖關(guān)節(jié)模擬器研究屢見不鮮。但多如牛毛的文獻(xiàn)資料卻又常常令人迷惑，存在的問題是缺乏統(tǒng)一規(guī)范的實(shí)驗(yàn)方法，同時(shí)相當(dāng)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)中心獲得了商業(yè)資助。想客觀的評價(jià)某種界面選擇，現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)過早，至少還需要另外10年的臨床觀察。

1.3 國內(nèi)人工關(guān)節(jié)的發(fā)展歷史

我國人工髖關(guān)節(jié)起步于20世紀(jì)60年代，以范國聲(1963)首先報(bào)告應(yīng)用Judet型塑料人工股骨頭治療內(nèi)收型股骨頸骨折為起點(diǎn)[3]。70年代后期，在王桂生等領(lǐng)導(dǎo)下，成立了我國最早的人工關(guān)節(jié)專業(yè)委員會，人工關(guān)節(jié)置換的知識與經(jīng)驗(yàn)才在國內(nèi)逐漸推行，病例數(shù)和療效逐年擴(kuò)大和提高[4]。人工髖關(guān)節(jié)的發(fā)展，反映了我國人工關(guān)節(jié)的發(fā)展歷史。我國人工髖關(guān)節(jié)外科發(fā)展所經(jīng)歷的歷程，是以我國在較長時(shí)間里一直開展著多種多種髖關(guān)節(jié)成形術(shù)為基礎(chǔ)的[6]。人工全髖關(guān)節(jié)置換成形在我國主要大中城市開展近十年左右而不衰，并逐漸在中小城市推廣，假體的材質(zhì)和加工工藝經(jīng)過幾番改進(jìn)，至90年代后期，其應(yīng)用已基本在全國城鄉(xiāng)普及[5]。

2 陶瓷的特性

2.1 陶瓷的耐磨性及可濕性

陶瓷對陶瓷髖關(guān)節(jié)界面僅從磨損率來分析，陶瓷對陶瓷的界面無疑是具有明顯的優(yōu)勢的。比如，標(biāo)準(zhǔn)髖關(guān)節(jié)模擬器上測得28 mm陶瓷對陶瓷界面的磨損率低于0.1 mm/106次[7]。但由于陶瓷部件對制造的大小和形狀有限制，因此尚未出現(xiàn)大直徑的陶瓷髖關(guān)節(jié)。因此，也沒有通過增加直徑獲得接近流體潤滑機(jī)制的優(yōu)勢[8]。但陶瓷材料具有很好的可濕性(wettability)，這對它對液膜的緊密吸附又有積極作用。從陶瓷髖翻修取出的假體上觀察到表面的條紋(stripe)，這種特殊類型的磨損是無法在普通的模擬器上復(fù)制實(shí)現(xiàn)的，一些學(xué)者把這種想象歸因于髖關(guān)節(jié)假體瞬間的微小分離(micro－separation)和由此產(chǎn)生的邊緣負(fù)重(head－rim contact)[9]。采用這種方法模擬得到的陶瓷界面在有條紋時(shí)的磨損率就上升到了1.4mm/106次[10]。同等條件下測得的高交聯(lián)聚乙烯配伍金屬球頭磨損率僅較陶瓷髖高4倍[11]。如果這種特殊的磨損試驗(yàn)更接近現(xiàn)實(shí)情況，那么兩種界面的磨損率就變得不那么明顯了[12]。

2.2 陶瓷的生物活性

第三代生物陶瓷在摩擦學(xué)性質(zhì)和機(jī)械學(xué)性質(zhì)方面都有長足的進(jìn)步。同金屬對金屬假體一樣，陶瓷假體的磨損微粒體積和形狀特點(diǎn)亦屬于低生物活性類型。由此引起的并發(fā)癥少見報(bào)道[13]。陶瓷的耐磨損和易碎裂是一對相伴而生的矛盾，近年出現(xiàn)的復(fù)合成分陶瓷在一定程度上解決了這一問題[14]。在氧化鋁中加入氧化鋯、氧化釔等成分作為添加劑，制成氧化鋯強(qiáng)化的氧化鋁陶瓷(Zirconia Toughned Alumina ZTA)，氧化鋯陶瓷晶體散布于氧化鋁晶格之間，利用其在外力作用下可以改變相態(tài)的特性，起到緩沖作用來吸收應(yīng)力，加入鋯、鍶等氧化物還可以在氧化鋁晶體間形成“小板”樣的晶體結(jié)構(gòu)，這樣的氧化鋁陶瓷(ZTPA)硬度和韌度進(jìn)一步提高，可以被加工成更多的形狀和厚度，以適應(yīng)臨床上的多種需要[15]。使用這種特殊陶瓷材料，甚至可以在直徑只有28 mm的陶瓷球頭內(nèi)嵌入直徑18 mm的金屬適配套管，也不影響假體的強(qiáng)度[15]。陶瓷的高硬度使得其脆性極高，由于這個(gè)原因，早期設(shè)計(jì)的假體失敗率、顆粒磨損和假體骨折的發(fā)生率均較高。回顧失敗的機(jī)制，歸結(jié)為以下三個(gè)方面:①“邊緣－應(yīng)力”假體，即外翻角較大的假體應(yīng)力作用于髖臼假體的邊緣;②發(fā)生了半脫位或脫位;③股骨頸直接撞擊髖臼緣導(dǎo)致陶瓷碎裂。經(jīng)過相當(dāng)多的臨床實(shí)踐，人們才認(rèn)識到堅(jiān)固的陶瓷假體的惰性特征不能誘導(dǎo)骨長入到骨－假體界面[15]。因此，移動(dòng)和松動(dòng)存在于早期設(shè)計(jì)的髖臼假體。由于過去使用的單一結(jié)構(gòu)的非骨水泥固定髖臼假體，如有螺紋的聚乙烯臼杯、陶瓷臼杯等效果不佳，因此開發(fā)了新的組合式髖臼假體。這種髖臼分兩部分，外層為金屬的螺旋臼或半球形的壓配合臼杯，內(nèi)層為聚乙烯或陶瓷襯墊。金屬外杯表面的涂層使骨－假體界面間具備較好的繼發(fā)穩(wěn)定性。壓配合假體的邊緣較髖臼銼稍大可提供早期的穩(wěn)定性。稍大的假體在廣泛區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓力并在髖臼負(fù)重區(qū)域和軟骨下骨產(chǎn)生緊密的摩擦。半球形壓配合假體要求只去除少量骨質(zhì)，而且要保護(hù)髖臼底的生理結(jié)構(gòu)[15]。襯墊采用錐形邊緣匹配概念，這種設(shè)計(jì)可保證陶瓷和聚乙烯襯墊與外杯間有較大的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，襯墊和外杯間的相對活動(dòng)被消滅。影響磨損的因素很多，例如，假體的材質(zhì)、假體設(shè)計(jì)、假體植入的位置及初期的穩(wěn)定性、聚乙烯厚度與股骨頭直徑、假體撞擊，以及患者自身的因素等[16]。

3 結(jié)語

綜上所述:硬度高且生物相容性好的氧化鋁陶瓷關(guān)節(jié)的引入，是否能夠防止或至少延遲因顆粒磨損而引起的假體遠(yuǎn)期松動(dòng)目前仍有爭論。從影響磨損的因素來看:主要是磨損顆粒。如聚乙烯顆粒、骨水泥顆粒、金屬顆粒、陶瓷顆粒。聚乙烯顆粒數(shù)量是影響骨溶解的重要因素[17]。陶瓷的耐磨損和易碎裂是一對相伴而生的矛盾，近年出現(xiàn)的復(fù)合成分陶瓷在一定程度上解決了這一問題，且陶瓷碎屑可被看做是惰性物質(zhì)，不散發(fā)出離子也不發(fā)生生化反應(yīng)。第三代生物陶瓷在摩擦學(xué)性質(zhì)和機(jī)械學(xué)性質(zhì)方面都有長足的進(jìn)步。僅從磨損率來分析，陶瓷對陶瓷的界面無疑是具有明顯的優(yōu)勢的。陶瓷材料具有很好的可濕性(wettability)，同金屬對金屬假體一樣，陶瓷假體的磨損微粒體積和形狀特點(diǎn)亦屬于低生物活性類型。由此引起的并發(fā)癥少見報(bào)道。全髖關(guān)節(jié)置換中采用大直徑股骨頭假體有著許多理論上的優(yōu)勢，如髖關(guān)節(jié)活動(dòng)度更大、關(guān)節(jié)脫位可能性更低、可能提高患者的本體感覺等[18]。因此，全陶人工髖關(guān)節(jié)具有很好的發(fā)展前景，是未來生物型人工關(guān)節(jié)研究的主要熱點(diǎn)之一。

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