人工髖關節(jié)置換研究進展

馬 濤，張育民,郝林杰，宋 偉，文鵬飛

西安交通大學附屬紅會醫(yī)院髖關節(jié)外科(西安710054)

人工髖關節(jié)置換術一般包括全髖關節(jié)置換術及半髖關節(jié)置換術(即人工股骨頭置換術)。早期的髖關節(jié)置換術由于磨損顆粒引起的異物反應，嚴重影響了假體的遠期效果。因此，為了延長假體長期生存率，如何降低甚至消除假體摩擦界面的磨損和磨損顆粒的產生以及由此而導致的一系列不良就成為了研究重點，新型材料的研制以及假體固定方式的不斷改進都使得關節(jié)外科取得了長足進步。

1材 料理想的人工關節(jié)材料應該具有很好的耐磨損、抗腐蝕性能，以及良好的生物相容性，具有較好的抗疲勞強度，對機體無任何毒副作用，其彈性模量接近于人體的骨質。界面材料最好不產生磨碎微粒，或者產生后不會引起骨溶解等并發(fā)癥?，F階段使用的人工髖關節(jié)材料主要有金屬材料、聚乙烯材料、陶瓷材料，還有一些臨床應用較少或者正在試驗階段的材料，比如碳纖維、玻璃纖維、PEEK(Polyetheretherketone)、PEI(Polyethylenimine)等。

2假體摩擦界面髖關節(jié)置換術后摩擦界面產生磨損顆粒引起骨溶解、假體松動等，最終導致假體失敗。為了降低關節(jié)負重界面的磨損顆粒的產生以及引發(fā)的不良生物型反應，延長假體生存期，出現了多種負重界面，最常用的為金屬-聚乙烯(Metal- polyethylene，M-P)界面，隨著材料科學及制造業(yè)的發(fā)展，金屬-金屬(Metal-metal，M-M)及陶瓷-陶瓷(Ceramic-ceramic,C-C)等組成的摩擦界面在臨床上也大量使用。金屬-聚乙烯假體已在臨床應用多年，最突出的問題仍為聚乙烯磨損產生的顆粒問題，聚乙烯顆粒已被認為是引起骨質溶解導致無菌性松動的主要原因之一，同時，也會因為金屬假體的磨損產生少量金屬離子。雖然近年來高交聯聚乙烯較多應用于臨床，相對傳統(tǒng)的聚乙烯材料明顯降低了材料的磨損率，但是仍未能徹底解決磨損碎屑問題[1-2]。據統(tǒng)計，在2008年時，美國75%的髖關節(jié)置換使用的是交聯聚乙烯假體，是普通聚乙烯使用量的10倍多[3]。另外，交聯聚乙烯材料由于經過射線照射，會產生氧自由基，雖然通過添加維生素E等措施進行抗氧化處理，但是其抗疲勞性能仍需長期的觀察和研究[4]。新一代金屬-金屬和陶瓷-陶瓷均屬于硬-硬(Hard-hard)的假體界面，有較多研究都表明具有較高的假體生存率，尤其是更適用于活動量大或者年輕患者，其10年生存率達到90.8%～97.4%[5]。相對于金屬-聚乙烯假體，其界面更光滑，摩擦率更低，明顯降低磨損，骨溶解發(fā)生率更低。相比M-P假體，第二代M-M假體不論是線性磨損率還是容積磨損率，均大大降低。據報道，在最初的1～2年的磨合期，M-M假體線性磨損率為20～25 μm/年，隨后處于穩(wěn)定期，降低為2.5～10 μm /年，相對于傳統(tǒng)的M-P假體，降低了20～180倍[6-7]。通過體外試驗發(fā)現，M-M假體容積磨損率為0.06～0.11 mm3/百萬圈，而M-P假體中高交聯聚乙烯為3 mm3/百萬周期[8]。另外，M-M假體具有自拋光功能(Self-polishing function)，能夠去除由其它微粒引起的表面刮痕，保持摩擦界面的光滑，降低摩擦系數，延長假體壽命[9]。M-M假體另外一個優(yōu)勢在于可以使用大球頭的關節(jié)假體。一方面，通過增加股骨頭直徑可以提高關節(jié)穩(wěn)定性，降低脫位發(fā)生率，另一方面，相比于M-P假體并不會增加磨損率。相對于小球頭，M-M假體大球頭能夠縮短磨合期，并且降低這一期的容積磨損率[10]。在經過磨合期進入穩(wěn)定器之后，不論球頭大小，其磨損率均大致相似[11]。此外，M-M假體也具有降低假體周圍骨溶解發(fā)生率的潛力。在一項前瞻性隨機對照研究中，對比39例M-M髖置換和39例M-P置換術后假體周圍骨溶解發(fā)生情況，在平均69個月的隨訪期內，M-P假體有9例發(fā)生，而M-M假體無一例發(fā)生[12]。M-M假體同樣也存在缺點，主要是假體磨損碎屑導致的局部及全身反應。局部反應主要是假體周圍局部軟組織發(fā)生一些不良反應，主要有無菌性淋巴細胞脈管炎損害(Aseptic lymphocyticvasculitis-associated lesions，ALVAL)、炎性假瘤以及局部骨溶解。全身反應不要為金屬離子在人體內升高以及潛在的生物毒性，雖然動物實驗表明鈷、鉻等離子的致癌作用，但是仍然缺乏M-M假體釋放的金屬離子與人體腫瘤等疾病具有相關性的充分證據。早期的C-C假體由于設計及材料的原因，失敗率較高?，F在使用的多為第三或第四代陶瓷假體，具有良好的中期效果[5]。C-C假體最大的優(yōu)勢在于磨損更低、磨損顆粒所導致的不良反應更小以及磨損顆粒相關的骨溶解發(fā)生率更低。其容積磨損率為0.004～0.05 mm3/百萬周期[13]，線性磨損率為0.025～0.05 μm /年，為M-M假體的1/100，是M-P假體的1/2000～1/10000[14]。C-C假體最大的問題在于假體的碎裂以及術后關節(jié)異響?，F代的C-C假體碎裂概率較前已經明顯下降，但仍未能完全避免，約為0.004%[15]。所謂關節(jié)異響指在髖關節(jié)活動時產生的高音調可聽見的聲音，其發(fā)生率報道不一，從0.5%～21%不等[16-18]。雖然異響與臨床效果并無明顯相關性，大多數關節(jié)異響的患者具有良好的功能及較高的滿意度，通過改進關節(jié)假體的設計以及精確地假體植入可以進一步降低其發(fā)生率，但其具體機制仍不清楚，但仍需深入研究[19]。另外，C-C關節(jié)假體易受摩擦碎屑的影響，關節(jié)表面極小的瑕疵也會迅速加速假體的磨損。C-C關節(jié)置換術對術者技術要求較高，假體位置安放精度要求也較高。近年來，陶瓷-金屬(Ceramic-metal，C-M)界面也開始出現，也屬于硬-硬(hard-hard)的假體界面。通過髖關節(jié)模擬器及臨床研究證實C-M界面假體磨損產生的金屬離子較M-M界面假低，可以降低金屬離子引起的一系列并發(fā)癥。較C-C界面假體，C-M界面假體理論上可以使用更薄的金屬髖臼，從而使用更大直徑的球頭，可以進一步降低股骨頭脫位以及球頭碎裂的風險。但是，C-M界面假體在臨床使用時間短，數量少，缺乏全面及長期的數據去進一步評估。另外，陶瓷-高交聯聚乙烯(Ceramic-highly crosslinked polyethylene ,C-Pxl)界面近年也較多應用于臨床。Amanatullah等[20]對357例隨機采用C-C界面或者C- Pxl界面的全髖關節(jié)置換術患者進行比較，雖然兩者臨床效果評分上并無明顯差別，但是C-C界面的磨損幾乎是C- Pxl界面磨損率的1/10，而C- Pxl界面假體其陶瓷的碎裂率及異響率明顯較低。

3固定方式假體的機械性松動仍是目前關節(jié)置換失敗的一個重要原因，固定方式尤為關鍵?，F階段，假體的固定方式主要有兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定。最早出現的是骨水泥固定，由于使用后出現假體的松動、下沉等問題，隨后又出現了非骨水泥固定方式，同時，骨水泥固定技術也在不斷的改進與提高中，人工關節(jié)的固定方式依然朝著兩個方向發(fā)展。長期的隨訪發(fā)現，骨水泥固定與非骨水泥固定的遠期效果相似。目前初次髖關節(jié)置換術髖臼側固定傾向于非骨水泥固定方式，僅在翻修術中髖臼有明顯骨質缺失時使用骨水泥固定。股骨柄的固定也以生物固定方式為首選，但對于一些高齡、骨質疏松以及存在骨質缺失的腫瘤患者等仍需使用骨水泥固定。對于全髖關節(jié)置換，混合型固定也較為常見，即股骨柄側使用骨水泥固定，而髖臼側使用生物固定方式。

3.1 骨水泥固定 骨水泥固定即通過在骨與假體間隙中填充骨水泥，通過容積填充以及骨水泥與骨床之間的微交鎖而達到機械穩(wěn)定的方式[21]。骨水泥技術經歷了四代的發(fā)展，目前多使用的為第三代及第四代技術。現代骨水泥技術包括真空攪拌、髓腔沖洗、髓腔栓、骨水泥槍、加壓固定、假體柄的中位化等[21]。隨著骨水泥固定技術的不斷提高，其假體遠期生存率較前已有明顯提高，10年生存率可達到96%，18年生存率可達到81%[22]。相對于生物固定，骨水泥固定可以達到早期固定的效果，患者可以較早下床活動，減少了術后長時間臥床所帶來的并發(fā)癥。但是，骨水泥碎屑顆粒引起的周圍骨溶解現象仍然難以解決，另外，骨水泥也存在疲勞效應，長期使用后可能會出現較小的碎裂等現象，難以達到長久牢靠的固定效果。通過進一步降低骨水泥孔隙率，提高均勻度等增強骨水泥強度而加強骨水泥固定效果，但是程度有限。也可通過骨水泥中加入一些羥基磷灰石或者小骨粒等方式來加強骨水泥強度及固定效果，但臨床上尚未推廣使用。理論上，加強假體表面的粗糙程度可以增強其與骨水泥的結合強度，但是目前仍存在爭議。相信隨著骨水泥技術的不斷改進以及新型骨水泥材料的出現，骨水泥固定關節(jié)置換術依然會繼續(xù)長期存在。

3.2 非骨水泥固定 非骨水泥固定即生物固定方式，主要是通過緊密壓配原則(Press-fit)而達到固定，為了達到骨與假體界面的牢固結合，盡量改善骨-假體界面生物學及力學狀態(tài)，通過等離子噴涂、高溫燒結等技術對假體進行表面處理，主要有兩種方式：改變假體表面形態(tài)和其表面生物學改進。假體表面形態(tài)的改變主要是增大表面積，從而增強結合強度。主要有巨孔型及微孔型。巨孔型假體其孔隙大小一般為0.5～2 mm，通過表面粗糙化，使得骨組織交錯生長來達到生物固定，屬于早期的人工關節(jié)假體表面類型，比如珊瑚面和珍珠面髖關節(jié)假體。微孔型孔隙為微米級別，孔徑多為100～700μm，不同類型其孔隙容積率各不相同，比如金剛砂磨面和多孔面，具有較好的骨長入。對假體表面生物學特性的改變主要是通過一些具有特殊生物學活性的材料進行表面噴涂而達到的，最常見的為羥基磷灰石(HA)噴涂假體，與骨組織構成具有誘導骨長入。近年來，隨著復合材料逐漸使用，在微孔涂層基礎上出現了復合涂層，進一步增強涂層強度或者增加涂層表面積，近年來發(fā)展迅速，比如陶瓷-HA、鈦-HA復合涂層等。有學者[23]將BMP-2(Bone morphogenetic protein-2)復合至假體涂層表面，表明其能夠明顯促進干細胞的增殖、分化為成骨細胞，促進新生骨形成，但是目前仍未應用于臨床。非骨水泥固定初期多采用螺釘或緊壓配合等方法, 并通過骨長入使骨與假體表面形成緊密地生物固定。相比于骨水泥固定，具有手術時間短、創(chuàng)傷小、風險相對小等優(yōu)點, 避免了骨水泥的不良反應以及術后假體翻修所帶來的取出麻煩、骨質破壞過多等問題。非骨水泥固定也存在不足，其遠期失敗的主要原因是應力遮擋等引起的假體周圍骨溶解、術后大腿痛，另外，由于非骨水泥固定是通過緊密壓配原則固定，容易出現假體周圍骨折而導致失敗。

4髖關節(jié)表面置換術髖關節(jié)表面置換術最早出現于19世紀30年代，跨越了了幾十年的技術發(fā)展。髖關節(jié)表面置換術在設計上不同于傳統(tǒng)的全髖置換，其保留了股骨頸，沒有承重的股骨柄，并且使用較大的球頭，頭頸比例和生理接近。早期的髖表面置換由金屬股骨頭及聚乙烯髖臼構成，由于材料技術等限制，去掉了較多的髖臼側骨質，嚴重的聚乙烯磨損碎屑，導致了嚴重的髖臼及股骨側骨吸收。早期的髖關節(jié)表面置換術失敗的的主要原因是較高的無菌性松動、磨損及骨溶解發(fā)生率[24-26]。隨著全髖技術的發(fā)展，其適應癥也越來越廣，患者的年齡不再是手術的禁忌癥，而活動量較大的年輕患者THA術后有較高的失敗率并且難以滿足患者功能要求。隨著新的摩擦負重界面、更好的固定方式以及手術技術的提高，髖關節(jié)表面置換又重新進入了人們的視線?，F階段髖關節(jié)表面置換主要使用大球頭的MOM界面假體，大多采用髖臼側生物固定及股骨側水泥固定的混合固定模式，髖臼假體一般不超過5mm，保留了較多骨質，沒有聚乙烯磨損的產生。有學者就表示髖關節(jié)表面置換對于活動量大的年輕患者更適用[27]。相對于全髖置換，髖表面置換具有更大的活動度而脫位率較低，更多股骨近端骨保留，更多的本體感受，更接近于人體解剖，更少的應力遮擋，翻修后更類似于初次全髖置換[28-30]。有學者研究對于55歲以下骨性關節(jié)炎患者行髖關節(jié)表面置換更優(yōu)于全髖置換，其假體生存率更高且活動量較大，幾乎均正常參加重體力勞動及體育活動[31]。2007年，澳大利亞關節(jié)登記系統(tǒng)報告稱髖關節(jié)表面置換累積翻修率為3.8%，而對小于55歲患者，5年的累積翻修率為2.8%，相比較而言，THA的累積翻修率為2.8%，而對于小于55歲患者生物固定的THA翻修率為3.1%[32]，更支持年輕患者行髖表面置換。Baker等[33]比較108名性別、年齡、BMI以及術前活動度均匹配的年輕患者分別行Birmingham髖表面置換(BHR)與混合固定的全髖關節(jié)置換(THR)的中期效果，THR組平均隨訪10年，其翻修率為16.7%，BHR平均隨訪9年翻修率為9.3%，且BHR組OHS、UCLA及EuroQol視覺模擬評分優(yōu)于THR組，提示髖關節(jié)表面置換中期效果優(yōu)于全髖關節(jié)置換。但是也有學者持不同意見，Bengs等[34]對年輕患者行生物固定的全髖置換與髖表面置換效果行Meta分析，全髖置換組納入6408髖，平均隨訪8.4年，股骨側假體翻修率1.3%，而髖表面置換組納入3269髖，平均隨訪3.9年，股骨側翻修率為2.6%，提示髖關節(jié)表面置換翻修率更高。也有學者通過體外實驗發(fā)現傳統(tǒng)的全髖置換活動度優(yōu)于髖關節(jié)表面置換，前者股骨頸與髖臼杯撞擊頻率明顯更低，而假體頸與髖臼杯的撞擊可能是其松動的一個重要原因。另外，Hing等[35]報道髖關節(jié)表面置換術后股骨頸變細，但未能明確其在臨床上的意義。Ritter等[36]研究發(fā)現幾乎所有超過10年的股骨側假體失敗病例其股骨頸都會出現變細。由于缺乏長期的隨訪數據結論，對于年輕患者選擇髖關節(jié)表面置換術或者全髖關節(jié)置術換仍將存在較大爭議。

5髖關節(jié)置換并發(fā)癥雖然人工關節(jié)置換術成功率越來越高，但是仍有許多問題存在，比如因為骨質溶解和應力接檔導致的無菌性松動，尤其是對于活動量較多的年輕患者更為明顯。全髖關節(jié)置換后，除了假體松動、關節(jié)脫位、股骨骨折、以及大手術后均可發(fā)生的全身性并發(fā)癥外，主要還有深靜脈血栓及肺栓塞、感染及異位骨化等并發(fā)癥[37]。雖然初次關節(jié)置換失敗率在不斷降低，但隨著關節(jié)置換總體數量的不斷增長，關節(jié)翻修術的絕對數量也在增加。與初次置換相比較，關節(jié)翻修術手術難度大，持續(xù)時間長，出血量大，感染風險高，對術者手術技術要求更高，而翻修術的效果都比初次置換術差。因此，髖關節(jié)置換的發(fā)展道路任重而道遠。