膝關(guān)節(jié)植入物發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與趨勢(shì)綜述

塔娜 張帥 郝瑞星

1 國(guó)家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心 （北京 100081）

2 北京愛(ài)康宜誠(chéng)醫(yī)療器材有限公司 （北京 102200）

3 施樂(lè)輝醫(yī)用產(chǎn)品國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司 （上海 200120）

內(nèi)容提要： 膝關(guān)節(jié)植入物用于膝關(guān)節(jié)假體置換，對(duì)一些保守治療效果不佳的膝關(guān)節(jié)嚴(yán)重病變和畸形具有消除疼痛、矯正畸形、恢復(fù)功能的作用。文章對(duì)膝關(guān)節(jié)植入物組成與分類，國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行了綜述。

膝關(guān)節(jié)是下肢的主要關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)和功能都是人體關(guān)節(jié)中最復(fù)雜的[1-3]。同時(shí)，膝關(guān)節(jié)也是最容易受到病損的關(guān)節(jié)之一。膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)是治療膝關(guān)節(jié)嚴(yán)重病變和畸形有效手段[4]。成功的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)顯著緩解患者膝關(guān)節(jié)疼痛、改善膝關(guān)節(jié)功能，保障下肢站立的穩(wěn)定性和日常生活所需的關(guān)節(jié)活動(dòng)功能[5]。

本文以綜述形式對(duì)膝關(guān)節(jié)植入物的組成與分類，國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行介紹。

1.膝關(guān)節(jié)植入物組成與分類

1.1 膝關(guān)節(jié)植入物組成

膝關(guān)節(jié)植入物由股骨髁假體、脛骨假體及髕骨假體等主體假體和髓內(nèi)延長(zhǎng)桿和增補(bǔ)墊塊（包括股骨側(cè)墊塊、脛骨側(cè)墊塊和其他骨缺損填充塊）等附屬假體組成。

1.1.1 股骨髁假體

股骨髁假體主要由髕股滑車槽、髁關(guān)節(jié)面和髁間窩等部分組成。髕股滑車槽與生理髕骨/髕骨假體配合形成髕股關(guān)節(jié)面，髁關(guān)節(jié)面與脛骨墊片假體配合形成脛股關(guān)節(jié)面。髁間窩部分則根據(jù)交叉韌帶及側(cè)副韌帶功能情況不同，按限制形式分為限制型（后穩(wěn)定型）、半限制型（保留后交叉韌帶型）及非限制型（雙交叉韌帶保留型）。

股骨髁假體的材料在前期主要為不銹鋼，后期逐漸發(fā)展為鈷鉻鉬合金，并成為市場(chǎng)主流材料。除此之外，也有部分廠家對(duì)股骨髁表層進(jìn)行涂層或者改性處理。

1.1.2 脛骨假體

脛骨假體一般分為兩種：一體式脛骨假體和分體式脛骨假體。一體式脛骨假體通常由超高分子量聚乙烯制造而成。分體式脛骨假體通常由脛骨墊片假體和脛骨平臺(tái)假體兩部分組成，脛骨墊片假體由超高分子量聚乙烯或高交聯(lián)超高分子量聚乙烯制造而成，脛骨平臺(tái)假體由鈦合金或鈷鉻鉬合金加工而成。脛骨墊片假體下表面與脛骨平臺(tái)假體配合，起到固定和限位作用；脛骨墊片假體上表面與股骨髁假體配合形成人造脛股關(guān)節(jié)面。脛骨平臺(tái)假體由平臺(tái)、龍骨等部分組成，分為固定平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)。固定平臺(tái)假體植入人體后，平臺(tái)部分與脛骨墊片假體鎖合形成固定配合，無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)。活動(dòng)平臺(tái)假體又分為移動(dòng)平臺(tái)和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。龍骨部分插入脛骨髓腔，起到固定脛骨平臺(tái)假體的作用。

1.1.3 髕骨假體

髕骨假體是由超高分子量聚乙烯或高交聯(lián)超高分子量聚乙烯制造而成，通常帶有金屬材質(zhì)的顯影絲。

1.1.4 髓內(nèi)延長(zhǎng)桿

針對(duì)股骨髁假體和脛骨平臺(tái)假體需要加強(qiáng)固定的情況，應(yīng)使用髓內(nèi)延長(zhǎng)桿，優(yōu)化假體植入后的力學(xué)分布，防止假體無(wú)菌性松動(dòng)發(fā)生。通常，髓內(nèi)延長(zhǎng)桿由鈷鉻鉬合金或鈦合金材料制造而成。

1.1.5 墊塊

針對(duì)股骨或脛骨缺損量較大的情況，應(yīng)使用墊塊。墊塊分為股骨墊塊和脛骨墊塊，由鈷鉻鉬合金或鈦合金制造而成。

1.2 膝關(guān)節(jié)植入物分類

根據(jù)膝關(guān)節(jié)植入物替代位置的不同，可將其劃分為單間室、雙間室和三間室膝關(guān)節(jié)植入物[6]。其中，單間室植膝關(guān)節(jié)植入物是指用于替代膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)或外側(cè)間室的脛股關(guān)節(jié)面、髕股關(guān)節(jié)面的假體。雙間室膝關(guān)節(jié)植入物是指同時(shí)替代膝關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)間室的脛股關(guān)節(jié)面的假體。三間室膝關(guān)節(jié)植入物是指用于替代膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)和外側(cè)間室的脛股關(guān)節(jié)面，以及髕股關(guān)節(jié)面的假體。由于雙間室和三間室膝關(guān)節(jié)植入物只有是否包括髕骨假體的差異，因此，下文在分類介紹時(shí)將兩者合并介紹。

1.2.1 單間室植入物

單間室膝關(guān)節(jié)植入物根據(jù)其置換部位的不同主要分為單髁植入物（分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)單髁植入物）、髕股關(guān)節(jié)面植入物。①單髁植入物主要包括髁部件、墊片和脛骨部件，用于置換單個(gè)病變的股骨和脛骨間室的假體，使整個(gè)關(guān)節(jié)的軟組織和其他間室的關(guān)節(jié)軟骨得以保留，極大限度地保留了膝關(guān)節(jié)的生理功能。②髕股關(guān)節(jié)面植入物是伴隨著雙間室膝關(guān)節(jié)植入物發(fā)展起來(lái)的，但后來(lái)在針對(duì)髕股關(guān)節(jié)面的單一病變中具有良好的治療效果，后期逐漸發(fā)展為專門針對(duì)髕股關(guān)節(jié)面病變的置換假體。

1.2.2 雙間室和三間室植入物

根據(jù)交叉韌帶保留情況和側(cè)副韌帶功能情況，雙間室與三間室膝關(guān)節(jié)植入物主要分為非約束后穩(wěn)定型假體、半約束后穩(wěn)定型假體、半約束后側(cè)和雙側(cè)穩(wěn)定非鉸鏈?zhǔn)郊袤w、鉸鏈?zhǔn)叫D(zhuǎn)假體和鉸鏈?zhǔn)綗o(wú)旋轉(zhuǎn)假體。

非約束后穩(wěn)定型假體：手術(shù)過(guò)程中，前交叉韌帶和后交叉韌帶同時(shí)保留或只保留后交叉韌帶的情況下采用非約束后穩(wěn)定型假體進(jìn)行置換。常見(jiàn)的非約束后穩(wěn)定型假體有XR（前后交叉韌帶保留型）假體和CR（后交叉韌帶保留型）假體。①XR型假體是為適應(yīng)手術(shù)過(guò)程中前交叉韌帶和后交叉韌帶同時(shí)保留情況的非約束后穩(wěn)定型假體。XR型假體脛骨左右平臺(tái)通過(guò)假體前部連接，后部分離設(shè)計(jì)為平臺(tái)中間脊和前后前后交叉韌帶預(yù)留空間；股骨髁后髁部位無(wú)凸輪設(shè)計(jì)，呈分離狀，為前后前后交叉韌帶預(yù)留空間；墊片分左右兩部分，分別與脛骨平臺(tái)左右鎖合。②CR假體是為適應(yīng)手術(shù)過(guò)程中僅保留后交叉韌帶情況的非約束后穩(wěn)定型假體。CR型假體股骨髁后髁部位無(wú)凸輪設(shè)計(jì)，呈分離狀，為后交叉韌帶預(yù)留空間。脛骨墊片和脛骨平臺(tái)通過(guò)鎖合機(jī)制進(jìn)行配合固定，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

半約束后穩(wěn)定型假體：常見(jiàn)的半約束后穩(wěn)定型假體是PS（后交叉韌帶切除型）假體。針對(duì)前后交叉韌帶均因病變切除的患者，可使用PS假體。PS型假體主要的設(shè)計(jì)特征為股骨髁假體后部的凸輪及脛骨假體中部的立柱，立柱與凸輪配合起到后交叉韌帶的作用，防止脛骨過(guò)度后移導(dǎo)致的脛骨脫位。

半約束后側(cè)和雙側(cè)穩(wěn)定非鉸鏈?zhǔn)郊袤w：是針對(duì)前后交叉韌帶均已病變或切除的膝關(guān)節(jié)復(fù)雜初次置換和翻修患者開(kāi)發(fā)的。常見(jiàn)的半約束后側(cè)和雙側(cè)穩(wěn)定型非鉸鏈?zhǔn)郊袤w是CCK（髁限制型膝關(guān)節(jié)）假體。通常，CCK假體的脛骨墊片和脛骨平臺(tái)通過(guò)鎖合機(jī)制進(jìn)行配合固定，并通過(guò)專用螺釘將墊片和平臺(tái)進(jìn)行加強(qiáng)鎖定，使脛骨墊片和脛骨平臺(tái)之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

鉸鏈?zhǔn)叫D(zhuǎn)假體和鉸鏈?zhǔn)綗o(wú)旋轉(zhuǎn)假體：是針對(duì)翻修患者或者膝關(guān)節(jié)骨腫瘤患者出現(xiàn)大段骨缺損的情況開(kāi)發(fā)的。其中，鉸鏈?zhǔn)叫D(zhuǎn)假體除了恢復(fù)膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)外，還具備一定的旋轉(zhuǎn)功能；鉸鏈?zhǔn)綗o(wú)旋轉(zhuǎn)假體僅能實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動(dòng)。

2.膝關(guān)節(jié)植入物國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程

2.1 國(guó)外發(fā)展歷程

2.1.1 早期探索階段

通過(guò)修正病變膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面達(dá)到改善膝關(guān)節(jié)功能的設(shè)想是在19世紀(jì)中葉提出來(lái)的。

20世紀(jì)40年代，Campbell受髖關(guān)節(jié)金屬單杯置換的啟發(fā)開(kāi)始在膝關(guān)節(jié)上嘗試類似的金屬假體對(duì)磨損的股骨髁進(jìn)行修復(fù)。后來(lái)Smith Perterson對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，在金屬假體上增加了固定柄以提高假體的固定效果。1958年，Mc Keever研制出了脛骨半關(guān)節(jié)置換假體，金屬托假體安放至脛骨平臺(tái)與股骨髁形成摩擦關(guān)節(jié)，雖然此假體由于股骨髁磨損疼痛失敗，但其脛骨假體下方的龍骨結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)具有啟發(fā)意義。

2.1.2 鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)植入物發(fā)展階段

上世紀(jì)50年代，Walldius設(shè)計(jì)了帶有內(nèi)部鉸鏈和髓內(nèi)固定柄膝關(guān)節(jié)假體。這種假體最初使用丙烯酸材料，后來(lái)開(kāi)始使用金屬材料。由于該假體屬于完全限制性假體，只允許膝關(guān)節(jié)單一平面上活動(dòng)，因而不符合正常膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特點(diǎn)，導(dǎo)致假體-骨水泥-骨組織界面應(yīng)力異常集中，術(shù)后失敗率高。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，研究者們對(duì)鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)假體進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在維持鉸鏈?zhǔn)郊袤w良好內(nèi)在穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，拋棄了單軸鉸鏈結(jié)構(gòu)，改用連結(jié)式結(jié)構(gòu)，使得假體具有一定范圍內(nèi)的多軸向活動(dòng)能力，這樣更符合人體解剖要求。這類假體的主要代表有：Guepar型、球心型和Sheehan型。

2.1.3 現(xiàn)代膝關(guān)節(jié)植入物發(fā)展階段

20世紀(jì)70年代是膝關(guān)節(jié)置換發(fā)展史上的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期。膝關(guān)節(jié)假體之間從單純的鉸鏈?zhǔn)桨l(fā)展到非限制性假體。通過(guò)對(duì)膝關(guān)節(jié)解剖以及生物理學(xué)的深入研究，人們對(duì)膝關(guān)節(jié)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式有了更為深入的了解。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一系列的假體設(shè)計(jì)、概念和技術(shù)，并一直沿用至今。

1970年Freeman和Swanson（生物力學(xué)教授）合作設(shè)計(jì)了Freeman Swanson Knee。這款膝關(guān)節(jié)是真正意義上現(xiàn)代膝關(guān)節(jié)的起源。1971年，在Freeman研發(fā)膝關(guān)節(jié)的同時(shí)，他的一位同學(xué)John Insall在紐約特種外科醫(yī)院世界上首款雙髁膝。通過(guò)保留交叉韌帶來(lái)重建膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)，恢復(fù)自然自然膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。1978年，Insall和Burstein研發(fā)了首款后穩(wěn)定型膝關(guān)節(jié)Insall-Burstein膝。大多數(shù)現(xiàn)有的PS假體都來(lái)源于Insall-Burstein膝。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

大約在20世紀(jì)60年代，我國(guó)開(kāi)始開(kāi)展關(guān)節(jié)置換手術(shù)，相關(guān)的關(guān)節(jié)植入物才開(kāi)始發(fā)展。前期各類關(guān)節(jié)產(chǎn)品均進(jìn)口自國(guó)外，或者由國(guó)內(nèi)企業(yè)代工國(guó)外產(chǎn)品。1986年，呂厚山教授從美國(guó)學(xué)習(xí)回國(guó)后，與當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的人工關(guān)節(jié)制造商合作引進(jìn)了先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)，開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一代人工膝關(guān)節(jié)產(chǎn)品和配套工具。

之后，伴隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、材料技術(shù)、臨床手術(shù)技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)膝關(guān)節(jié)植入物設(shè)計(jì)、制造能力不斷提升，膝關(guān)節(jié)植入物質(zhì)量品質(zhì)逐步達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

3.膝關(guān)節(jié)植入物發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

3.1 基于增材制造的膝關(guān)節(jié)植入物開(kāi)發(fā)與制造

目前，3D打印技術(shù)在膝關(guān)節(jié)植入物領(lǐng)域主要有以下方面的應(yīng)用：①3D打印膝關(guān)節(jié)實(shí)體模型；②3D打印膝關(guān)節(jié)手術(shù)導(dǎo)航模板；③3D打印定制個(gè)性化及特殊需求的膝關(guān)節(jié)植入物[7]。截至2017年底，F(xiàn)DA已經(jīng)審批了超過(guò)100個(gè)3D打印醫(yī)療產(chǎn)品。這些產(chǎn)品既有來(lái)自Stryker、Zimmer和Smith &Nephuew等大型跨國(guó)企業(yè)，也有來(lái)自國(guó)內(nèi)醫(yī)療器械企業(yè)，如愛(ài)康醫(yī)療等。

3.2 膝關(guān)節(jié)植入物發(fā)展趨勢(shì)

關(guān)節(jié)置換的目的是為了重現(xiàn)關(guān)節(jié)以實(shí)現(xiàn)其原有的功能。目前，臨床手術(shù)中使用的膝關(guān)節(jié)植入物是依據(jù)大樣本解剖數(shù)據(jù)進(jìn)行的均一化設(shè)計(jì)，但每個(gè)患者的病情程度及病變范圍都有不同，導(dǎo)致植入物的大小、型號(hào)通常不能完全匹配，給術(shù)中植入物的選擇造成一定困難。依據(jù)患者個(gè)體膝關(guān)節(jié)病變情況定制膝關(guān)節(jié)植入物，可提高治療效果。因此，面向患者的關(guān)節(jié)植入物的個(gè)性化設(shè)計(jì)、快速高質(zhì)量制造、精準(zhǔn)化臨床應(yīng)用是現(xiàn)代骨關(guān)節(jié)發(fā)展的重要方向，目的是重建骨結(jié)構(gòu)、維持生物穩(wěn)定性、恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。

隨著相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，膝關(guān)節(jié)植入物行業(yè)將會(huì)獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，主要表現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和臨床手術(shù)技術(shù)方面。膝關(guān)節(jié)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)主要體現(xiàn)在多維度生物型新材料及動(dòng)力學(xué)膝關(guān)節(jié)假體，多維度生物型新材料主要體現(xiàn)在運(yùn)用3D打印技術(shù)制造出與人類骨組織結(jié)構(gòu)和彈性模量一致的、生物相容性良好的、具有誘導(dǎo)骨長(zhǎng)入能力的、耐磨損、耐腐蝕的復(fù)合材料；動(dòng)力學(xué)膝關(guān)節(jié)假體主要體現(xiàn)在新一代膝關(guān)節(jié)植入物將在新型生物材料基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出與自然膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)一致的植入物。該植入物臨床應(yīng)用過(guò)程中，要求實(shí)施手術(shù)者進(jìn)行髖臼-膝-髁生物力線、屈曲軸線、脛骨平臺(tái)傾斜角度等多因素立體對(duì)位，實(shí)現(xiàn)術(shù)后患者運(yùn)動(dòng)與自然膝運(yùn)動(dòng)效果一致。

4.小結(jié)

膝關(guān)節(jié)植入物由股骨髁假體、脛骨假體及髕骨假體等主體假體和髓內(nèi)延長(zhǎng)桿和增補(bǔ)墊塊等附屬假體組成。膝關(guān)節(jié)假體在國(guó)外經(jīng)歷了早期探索、鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)植入物和現(xiàn)代膝關(guān)節(jié)植入物三個(gè)發(fā)展階段。我國(guó)膝關(guān)節(jié)植入物制造和應(yīng)用起步較晚，但是國(guó)產(chǎn)A3系列膝關(guān)節(jié)植入物設(shè)計(jì)水平、制造能力和產(chǎn)品質(zhì)量均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，多維度生物型新材料及動(dòng)力學(xué)膝關(guān)節(jié)假體和新型手術(shù)技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)，并使置換后的膝關(guān)節(jié)逐步達(dá)到自然膝的效果。