骨水泥聚乙烯內(nèi)襯固定技術(shù)的生物力學(xué)研究*

盧偉杰李之琛陳藝陳東峰廖威明余楠生**

（1.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨外科，廣州510120；2.中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，廣州510080）

·基礎(chǔ)研究·

骨水泥聚乙烯內(nèi)襯固定技術(shù)的生物力學(xué)研究*

盧偉杰1李之琛1陳藝1陳東峰1廖威明2余楠生1**

（1.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨外科，廣州510120；2.中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，廣州510080）

背景：在因骨溶解和內(nèi)襯失敗進行翻修手術(shù)時，用骨水泥將新聚乙烯內(nèi)襯固定于穩(wěn)定金屬髖臼內(nèi)是可選擇的手術(shù)方式。如果金屬髖臼外翻或前傾角度不良，單純更換內(nèi)襯可有脫位的風(fēng)險。

目的：了解聚乙烯內(nèi)襯在一定范圍內(nèi)改變接觸面積以骨水泥固定于金屬髖臼內(nèi)的早期力學(xué)強度。

方法：選用40個60mm外徑的金屬髖臼、40個28mm內(nèi)徑的聚乙烯內(nèi)襯，其中8個聚乙烯內(nèi)襯外徑51mm為標(biāo)準(zhǔn)鎖定組即對照組，32個聚乙烯內(nèi)襯外徑47mm按內(nèi)襯與髖臼赤道面交角不同平均分為0°、10°、20°、30°四個實驗組。內(nèi)襯外表面紋理化后以骨水泥固定于金屬髖臼內(nèi)，各組分別進行杠桿及扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗，觀察內(nèi)襯或內(nèi)襯-骨水泥界面失敗的情況，測量標(biāo)準(zhǔn)鎖定裝置及骨水泥固定內(nèi)襯的最大抗杠桿力及抗扭力扭矩。

結(jié)果：對照組所有內(nèi)襯均出現(xiàn)分離或移位，實驗組各組均未出現(xiàn)內(nèi)襯-骨水泥界面的失敗。4個實驗組的最大抗杠桿力及抗扭力扭矩均優(yōu)于對照組（P＜0.05）。實驗組各組間最大抗杠桿力及最大抗扭力扭矩的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

結(jié)論：聚乙烯內(nèi)襯以骨水泥固定于金屬髖臼內(nèi)可以獲得足夠的初始固定力學(xué)強度。聚乙烯內(nèi)襯外表面紋理化后，內(nèi)襯與骨水泥、金屬髖臼接觸面積減少在一定范圍內(nèi)不會影響內(nèi)襯-骨水泥界面的初始固定力學(xué)強度。

髖關(guān)節(jié)；翻修；骨水泥；聚乙烯；生物力學(xué)

Background:ound:Cementing polyethylene liner into a well-fixed and w ell-positioned acetabularmetal shell hasbeen considered as an alternative procedure in cases of osteolysis or liner failure.If a stable cup was inappropriately inclined or anteverted, linerexchangewould be in risk of dislocation.

Objective:tive:To evaluate the strength of cementing polyethy lene liner into ametal acetabular shellw ith different contact areas in early term of the procedure.

Methods:hods:According to liner fixedmethodsand differentdegree versionsw ith respect to the shell,40 pairsofmetal acetabular cups and polyethylene linerswere divided into groups.51mm outer diameter(OD)linerswere fixed in 60mm ODmetal shellsw ith standard lockingmechanism and 47mm OD linerswere cemented into identical shells.Lever-outand torsion testswere performed to observe constructs'failandmeasure the early strength of standard lockingmechanism and liner-cement interface.

Results:ults:A ll liners w ith standard locking mechanism failed in control group,w hile none of liners in experimental groups were disengaged from the cementmantle.Lever-out and torque strength in experimental groupswere significantly greater than that in the control group(P＜0.05),but no significant difference was found between four cemented liner groups(P＞0.05).

Conclusions:ions:Cementing a polyethylene liner into awell-fixed shell is strong and safe in early fixation.With textured liner, declined contactareabetween polyethyleneand cementw illnotweaken the liner-cement interface.

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后髖臼側(cè)常出現(xiàn)聚乙烯內(nèi)襯磨損、失敗的情況，可手術(shù)單純更換內(nèi)襯，在無法獲得原型號新內(nèi)襯或金屬髖臼鎖定裝置損壞時，也可以選較小外徑的內(nèi)襯以骨水泥固定于原金屬髖臼內(nèi)[1]。

生物力學(xué)研究[2,3]表明，此技術(shù)形成的聚乙烯-骨水泥-金屬界面的早期固定強度優(yōu)于或相當(dāng)于髖臼假體標(biāo)準(zhǔn)鎖定機制。有報道稱，全髖翻修術(shù)中由于髖臼假體前傾角度不良而將內(nèi)襯以骨水泥增加10°前傾固定[4]，結(jié)果良好。然而目前并沒有對外傾或前傾角度不良的穩(wěn)定髖臼進行骨水泥固定內(nèi)襯的生物力學(xué)研究。內(nèi)襯與髖臼假體的相對位置發(fā)生變化，內(nèi)襯與骨水泥層的接觸面積減小，理論上可能降低聚乙烯-骨水泥界面的固定強度，能否如此固定尚缺乏理論依據(jù)。

本研究通過體外力學(xué)實驗，對標(biāo)準(zhǔn)鎖定裝置與骨水泥固定內(nèi)襯的初始固定強度進行比較，評價內(nèi)襯與骨水泥接觸面積減小時固定是否可靠，探討骨水泥固定內(nèi)襯對于內(nèi)襯翻修的臨床意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與準(zhǔn)備

選用北京威高亞華人工關(guān)節(jié)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的40個60mm外徑、51.1mm內(nèi)徑的GMC金屬髖臼以及40個GMC聚乙烯內(nèi)襯，內(nèi)徑均為28mm，其中8個內(nèi)襯外徑為51mm，其余32個內(nèi)襯外徑47mm。金屬髖臼與內(nèi)襯采用雙錐形自鎖設(shè)計，內(nèi)襯材料為高分子聚乙烯，內(nèi)襯帶15°防后脫高邊。內(nèi)襯由北京蒙太因醫(yī)療器械有限公司工廠使用機械車床精確加工，在距聚乙烯內(nèi)襯赤道面5mm的位置，沿兩條相互垂直徑線于內(nèi)表面開孔，共4孔，孔徑5mm，穿透至外表面，以骨蠟封閉內(nèi)襯內(nèi)面開孔，固定內(nèi)襯時骨水泥由外表面滲入孔內(nèi)，模擬內(nèi)襯紋理化（圖1）。56mm外徑的內(nèi)襯在防后脫高邊側(cè)的外表面按弧度作0°、10°、20°、30°標(biāo)記線（圖2），固定內(nèi)襯時，按照分組調(diào)整內(nèi)襯角度，將標(biāo)記線對準(zhǔn)髖臼假體邊緣，使內(nèi)襯與髖臼的兩個赤道面形成不同的夾角（圖3），內(nèi)襯與骨水泥之間的固定面積按弧度計算相應(yīng)減少0、1/18、1/9、1/6。

圖1 內(nèi)襯開孔

圖2 內(nèi)襯外表面不同角度標(biāo)記線

實驗采用廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科矯形技術(shù)及植入材料重點實驗室的新三思SANS CMT6104電子材料試驗機（深圳新三思公司，中國）以及電子扭轉(zhuǎn)試驗機MTSCTT1202（MTS公司，中國）。骨水泥為天津市合成材料研究所生產(chǎn)的丙烯酸樹脂骨水泥Ⅲ。訂制力學(xué)實驗所需的夾具及不銹鋼撬棒、扭轉(zhuǎn)桿。

1.2 實驗分組

8個外直徑51mm的聚乙烯內(nèi)襯與金屬髖臼配對作為標(biāo)準(zhǔn)鎖定組即對照組，32個外直徑47mm的內(nèi)襯按內(nèi)襯與金屬髖臼赤道面交角不同分為0°、10°、20°、30°四個實驗組，每組8對假體，再平均分為杠桿及扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗兩個亞組。各組金屬髖臼進行包埋時，按照分組將其赤道面與水平面的交角分別固定于0°、10°、20°、30°，骨水泥固定內(nèi)襯時，除了參照內(nèi)襯外表面弧度標(biāo)記線外，所有內(nèi)襯的赤道面均與水平面平行，保證各組內(nèi)襯與髖臼赤道面形成相應(yīng)的夾角，減少杠桿實驗中的系統(tǒng)誤差及避免扭轉(zhuǎn)實驗中由于扭轉(zhuǎn)桿與內(nèi)襯赤道面不垂直產(chǎn)生的剪切力。

1.3 力學(xué)實驗

杠桿力學(xué)實驗：如圖4所示，髖臼假體包埋后加載于SANS電子材料試驗機平臺，將不銹鋼撬棒一端插入內(nèi)襯防后脫高邊下方開孔內(nèi)，在金屬髖臼邊緣外設(shè)支點，尾端由SANS系統(tǒng)加壓平臺施加負(fù)荷，載荷速度設(shè)為10mm/m in。以內(nèi)襯分離、破壞或內(nèi)襯-骨水泥界面分離作為觀察結(jié)果，取位移-負(fù)荷曲線上相應(yīng)的負(fù)荷最大值，通過力矩公式計算最大抗杠桿力。

扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗：如圖5所示，將金屬扭轉(zhuǎn)桿一端的扭轉(zhuǎn)葉片插入內(nèi)襯內(nèi)表面對稱開孔內(nèi)，加載于MTS電子扭轉(zhuǎn)試驗機對中裝置上，施加扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，扭速設(shè)為每分鐘2°。以內(nèi)襯破壞或內(nèi)襯在骨水泥層或髖臼中旋轉(zhuǎn)為終點，在扭角-扭矩曲線中顯示為抗扭力扭矩最大值，單位：N·m。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

圖3 內(nèi)襯固定與髖臼假體包埋（A.10°組；B.20°組；C.30°組）

統(tǒng)計學(xué)處理使用SPSS 13.0軟件，結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，多組間均數(shù)比較應(yīng)用單因素方差分析，經(jīng)方差同質(zhì)性檢驗后采用SNK法做兩兩組間比較。檢驗水準(zhǔn)α=0.05，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

對照組中所有內(nèi)襯均被撬出，與金屬髖臼分離或在金屬髖臼中扭轉(zhuǎn)，均未出現(xiàn)內(nèi)襯破壞。4個實驗組中均未出現(xiàn)內(nèi)襯-骨水泥界面的失敗，內(nèi)襯均被金屬撬棒或扭轉(zhuǎn)葉片劃破。

杠桿力學(xué)實驗及扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗結(jié)果見表1，各組結(jié)果比較如圖6，7所示。兩個實驗各組樣本的實驗結(jié)果經(jīng)正態(tài)性檢驗均符合正態(tài)分布。單因素方差分析顯示杠桿力學(xué)及扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗各組間結(jié)果差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。方差同質(zhì)性檢驗顯示各組實驗結(jié)果方差齊性一致。SNK法比較各組間結(jié)果顯示0°組、10°組、20°組、30°組抗杠桿力及抗扭力扭矩均強于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），0°組、10°組、20°組、30°組組間兩兩比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

圖4 杠桿力學(xué)實驗圖

圖5 扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗圖

表1 杠桿力學(xué)及扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)

圖6 杠桿力學(xué)實驗組間比較結(jié)果（*P＜0.05）

圖7 扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗組間比較結(jié)果（*P＜0.05）

3 討論

聚乙烯內(nèi)襯失敗是人工全髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)的重要原因之一。髖臼外傾角、前傾角過大、肥胖、活動量大等因素易致傳統(tǒng)聚乙烯內(nèi)襯磨損、穿透；內(nèi)襯與髖臼假體之間的微動、反復(fù)撞擊使扣鎖裝置破壞、內(nèi)襯松動脫出；聚乙烯磨損顆粒還可引起髖臼周圍骨溶解。若術(shù)前沒有發(fā)現(xiàn)金屬髖臼松動的證據(jù)，術(shù)中檢查金屬髖臼固定牢固，可以選擇保留金屬髖臼，單純

更換內(nèi)襯[5]。若扣鎖裝置損壞或無法找到匹配內(nèi)襯，可將較小外徑的新內(nèi)襯用骨水泥固定于原金屬髖臼內(nèi)，通過內(nèi)襯外表面已有的環(huán)形凹槽或術(shù)中用擺鋸在內(nèi)襯外表面制作凹槽進行紋理化[4,5]，使骨水泥與內(nèi)襯外表面之間交鎖，加強固定。國內(nèi)外臨床報道[4,6,7]短期結(jié)果優(yōu)良，具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快的優(yōu)點，避免全髖臼翻修可能導(dǎo)致的骨量減少、骨盆不連續(xù)等問題。Koh等[8]回顧80例髖臼翻修術(shù)，均選擇合并骨溶解的穩(wěn)定髖臼病例，發(fā)現(xiàn)全髖臼翻修與單純更換內(nèi)襯在并發(fā)癥、骨溶解進展、再翻修率、臨床評分方面沒有不同，認(rèn)為在骨溶解病例如果金屬髖臼固定良好，位置正常，可選擇單純更換內(nèi)襯。對于位置不良的髖臼能否采用更換內(nèi)襯翻修術(shù)則沒有定論。Blom等[9]報道更換內(nèi)襯術(shù)后脫位發(fā)生率高，認(rèn)為更換內(nèi)襯不適用于有髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)定史及髖臼假體位置不良的病例。而Beaule等[4]報道32例骨水泥固定內(nèi)襯翻修術(shù)，其中6例因術(shù)中髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)定而將內(nèi)襯增加10°前傾角后固定，術(shù)后平均隨訪5.1年，UCLA髖關(guān)節(jié)評分顯著提高，有1例因關(guān)節(jié)不穩(wěn)定于術(shù)后半年再次翻修，通過調(diào)整內(nèi)襯角度獲得髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定。以往的生物力學(xué)研究報道僅對內(nèi)襯以骨水泥固定于原位的固定強度進行研究，未見調(diào)整內(nèi)襯角度后對聚乙烯-骨水泥界面固定強度測試的報道。

我們的實驗結(jié)果顯示，各實驗組抗杠桿力及抗扭力扭矩強度均顯著大于對照組（P＜0.05），在一定范圍內(nèi)改變內(nèi)襯角度，聚乙烯-骨水泥-金屬界面有足夠的初始固定強度。從內(nèi)襯失敗的情況看，對照組都發(fā)生分離或移位，其固定強度均未達到聚乙烯材料的屈服力值，實驗組未見內(nèi)襯-骨水泥界面分離，所有內(nèi)襯均被金屬撬棒或扭轉(zhuǎn)葉片劃破，其抗杠桿力及抗扭力扭矩最大值均超過聚乙烯屈服力。實驗組各組間抗杠桿力及抗扭力扭矩強度比較沒有差異(P＞0.05)，說明在一定范圍內(nèi)，內(nèi)襯與骨水泥層的固定面積改變不影響其初始固定力學(xué)強度。Hofmann[2]等的生物力學(xué)研究證明骨水泥固定內(nèi)襯于金屬髖臼內(nèi)的抗杠桿力與標(biāo)準(zhǔn)鎖扣裝置無明顯差異，其扭轉(zhuǎn)實驗中紋理化內(nèi)襯后行水泥固定的抗扭力則顯著強于標(biāo)準(zhǔn)鎖扣裝置，而光滑表面的內(nèi)襯固定后的抗扭力則與標(biāo)準(zhǔn)鎖扣裝置的差異無統(tǒng)計學(xué)意義。本實驗中將內(nèi)襯外表面開孔，水泥進入后凝固形成強大的鎖扣機制，這種精確、易行的紋理化方式可避免擺鋸使內(nèi)襯粗糙程度不同導(dǎo)致的實驗誤差，在手術(shù)中也容易實施。

在內(nèi)襯外表面紋理化條件下，內(nèi)襯與骨水泥的固定面積減少1/6（金屬髖臼與聚乙烯髖臼成30°夾角）也不會降低初始固定強度，其結(jié)果能為金屬髖臼位置不良時行內(nèi)襯更換改向固定提供實驗依據(jù)。實驗中，我們設(shè)置30°組，可以模擬髖臼外傾75°時將內(nèi)襯固定于外傾45°的情況，雖然其界面固定強度與0°、10°、20°組沒有差異，但并不能說明實際手術(shù)中可以對外傾75°的髖臼假體采用此種手術(shù)方式，關(guān)節(jié)醫(yī)生可能更傾向于施行全髖臼翻修術(shù)。

與多數(shù)體外實驗相同，本實驗采用的杠桿與扭轉(zhuǎn)力學(xué)實驗不能完全模擬體內(nèi)內(nèi)襯失敗的機制，僅能反映內(nèi)襯-骨水泥界面的早期固定力學(xué)強度，對內(nèi)襯-骨水泥界面進行髖關(guān)節(jié)模擬循環(huán)運動后再測試遠期固定強度則更能反映內(nèi)襯以骨水泥固定于髖臼假體內(nèi)的安全性。

金屬髖臼穩(wěn)定的翻修手術(shù)選擇何種術(shù)式目前并無指南，更換內(nèi)襯翻修術(shù)對于內(nèi)襯磨損而髖臼假體穩(wěn)定、全身情況不適合全髖臼翻修的病例尤為適合，可更換高交聯(lián)聚乙烯減少磨損及允許髖臼周圍植骨重建骨量[10]。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后髖臼假體外傾、前傾角度不良較為常見[11]，本研究結(jié)果表明，在紋理化條件下，適當(dāng)減少內(nèi)襯-骨水泥界面面積不會影響內(nèi)襯-骨水泥界面的初始固定力學(xué)強度，可能為此類患者的髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)提供另一種可選擇的手術(shù)方式，但仍需要進一步的實驗和臨床研究。

[1]Haft GF,Heiner AD,Callaghan JJ,et al.Polyethy lene liner cementation into fixed acetabular shells.J Arthroplasty, 2002,17(4 Suppl1):167-170.

[2]Hofmann AA,Prince EJ,D rake FT,et al.Cementation of a polyethylene liner into a metal acetabular shell.JArthroplasty,2009,24(5):775-782.

[3]M auerhan DR,Peind l RD,Coley ER,et al.Cementation of polyethylene liners into well-fixed metal shells at the time of revision total hip arthroplasty.JA rthroplasty,2008,23 (6):874-878.

[4]Beaule PE,Ebramzadeh E,LeDuff M,et al.Cementing a liner into a stable cementless acetabular shell:the doublesocket technique.JBone Joint Surg Am,2004,86(5):929-934.

[5]Jiranek WA.Acetabular liner fixation by cement.Clin Orthop RelatRes,2003,417:217-223. [6]Springer BD,Hanssen AD,Lewallen DG,et al.Cementation of an acetabular liner into a well-fixed acetabular shell during revision total hip arthroplasty.JArthroplasty,2003, 18(7Suppl1):126-130.

[7]劉志宏,馮建民,楊慶銘,等.單純聚乙烯內(nèi)襯更換在髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)中的應(yīng)用.中華關(guān)節(jié)外科雜志(電子版),2009, 3(5):547-551.

[8]Koh KH,Moon YW,Lim SJ,et al.Complete acetabular cup revision versus isolated liner exchange for polyethylenewear and osteolysiswithout loosening in cementless total hip arthroplasty.Arch Orthop Trauma Surg,2011,131 (11):1591-1600.

[9]Blom AW,Astle L,Loveridge J,etal.Revision of an acetabular liner has a high risk of dislocation.JBone Joint Surg Br,2005,87(12):1636-1638.

[10]Lombardi AV Jr,Berend KR.Isolated acetabular liner exchange.JAm Acad Orthop Surg,2008,16(5):243-248.

[11]盧偉杰,金大地,李之琛,等.全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后髖臼假體外傾角的臨床研究.中國臨床解剖學(xué)雜志,2012,30(2): 233-236.

Biomechanicsstudy of polyethylene liner cementing intometalacetabular shell*

LUWeijie1,LIZhichen1,CHENYi1,CHEN Dongfeng1,LIAOWeim ing2,YU Nansheng1**
(1.Departmentof Orthopaedics,The FirstA ffiliated Hospital,Guangzhou MedicalUniversity,Guangzhou 510120; 2.Departmentof JointSurgery,The FirstA ffiliated Hospital,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510080,China)

ords:Hip;Revision;Cement;Polyethylene;Biomechanics

2095-9958（2015）08-0 348-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2015.04-017

廣東省科技廳項目（項目編號：2013B021800306）；廣州市屬高校科技計劃項目（項目編號：1201420096）

**通信作者：余楠生，E-mail：yunans1940@163.com