魏寶剛 齊巖松 徐永勝 史占軍
近年來,全球人口老齡化持續(xù)加速,高齡人口基數(shù)增加,骨關節(jié)疾病患者人數(shù)也顯著增加。同時,關節(jié)疾病亦出現(xiàn)年輕化的趨勢,一些可能導致行動不便、關節(jié)機能喪失甚至癱瘓等嚴重后果的膝關節(jié)、髖關節(jié)病變發(fā)病率在中青年人群中也逐年升高。人工關節(jié)置換可使患病關節(jié)部分或全部恢復機能。由于關節(jié)機能的特殊性,人工假體材料須兼具高強度、富韌性、可塑性、抗疲勞、耐磨損等特性[1],年輕患者人工關節(jié)置換對假體材料的要求更高。具體包括:與人體組織相容,對人體正常生理功能無毒副作用,且無排異反應;生物力學性能適宜,能較好地適應植入部位人體組織彈性形變、骨骼強度、膨脹率等特性;貼合生物界面,骨結合能力強,不會相對移動或下沉;性能穩(wěn)定、可靠,耐受人體環(huán)境變化腐蝕及肌肉、骨骼活動所致疲勞;摩擦系數(shù)低,產生顆粒少,設計壽命一般應高于20年(50年較為理想)[2];便于合成制造,可批量生產、消毒保存和質量檢測。目前尚無滿足以上全部條件的假體材料問世,優(yōu)勢的組合材料可彌補單一材料的不足,但也存在著復雜的工藝問題。此外,國內外工程技術人員和骨科醫(yī)師正在研究利用新型材料和制造技術設計各種關節(jié)假體,但多數(shù)材料尚處于實驗階段,仍需長時間的觀察和研究。鑒于此種情況,目前的生物材料還未達到盡善盡美,只能根據(jù)綜合性能匹配選用,盡可能滿足生理環(huán)境和關節(jié)生物力學的要求。本文試對現(xiàn)有人工髖關節(jié)假體材料做總結歸納,提出存在問題,并對今后的研究方向進行展望。
自19 世紀末至今,人工關節(jié)假體材料制備經過一百年來的迭代演進,目前常用的有3 種: 生物醫(yī)學金屬材料、生物陶瓷材料和高分子材料。
金屬材料因其良好的力學性能、易加工性和可靠性在人工關節(jié)中有較為廣泛的應用。髖關節(jié)是人體承受重量較大的關節(jié),因此金屬材料在大關節(jié)中有其天然的優(yōu)勢。
不銹鋼是最早應用于人工關節(jié)假體的材料,1938年出現(xiàn)了首例不銹鋼假體全髖關節(jié)置換手術。作為關節(jié)假體材料,不銹鋼雖然具有一定的抗腐蝕能力和機械強度,但因內含Ni 等元素有致畸、致癌作用,不適合長期留于體內[3],而醫(yī)用不銹鋼的腐蝕易造成其長期植入的穩(wěn)定性差,再加之材料本身無生物活性,且難于和骨組織形成牢固結合。因此,在人工關節(jié)的制造材料中,不銹鋼逐漸被鈷基合金和鈦合金所替代,歐美國家如今已限制不銹鋼的臨床使用。
近年來,臨床多采用鈷合金和鈦合金作為人工髖關節(jié)置換材料。鈷鉻鉬合金目前有鑄造鈷鉻鉬合金和鍛造鈷鉻鉬合金2 種,后者力學性能更優(yōu)越。與不銹鋼相比,鈷合金鈍化膜更穩(wěn)定,抗腐蝕性更好,其缺點主要包括金屬摩擦腐蝕造成Co、Ni 等離子的溶出對成骨細胞的毒性大,分泌細胞因子RANKL、OPG 等物質[4],在體內引起細胞和組織的壞死,從而導致患者疼痛,關節(jié)松動、下沉等并發(fā)癥。
鈦合金與人體組織相容性較好,與人骨彈性模量較鈷合金更貼近,射線透過良好,表面可生成二氧化鈦氧化膜,耐腐蝕,且密度較低(只有鈷合金的一半),與生物組織結合可靠[5],被認為是最具前景的骨關節(jié)假體材料之一。目前,骨科常用鈦合金標號Ti-6Al-4V,其強度高、延展性好,耐腐蝕性能優(yōu)良、彈性模量與人體骨骼接近,尤其適用于負荷強度大的關節(jié),其短板主要表現(xiàn)在耐磨性差。此外,Ti-6Al-4V合金中的有毒元素釩進入人體會緩慢產生“黑水”。Vendittoli等[6]的研究發(fā)現(xiàn),人工關節(jié)金屬假體植入1年后,患者血液中金屬離子含量升高。此外,鈦合金假體置換術后可能引發(fā)Ⅳ型變態(tài)反應,大量巨噬細胞、淋巴細胞浸潤等鈷鉻合金過敏反應[7],合金材料刺激人體免疫細胞分泌炎性因子IL-1和TNF- 可能成為導致假體松動的原因[8]。
20 世紀90年代中期,鉭金屬被用于制造關節(jié)假體。該金屬的多孔結構與人體骨骼類似,加之化學性質穩(wěn)定,熔點高,強度高,耐腐蝕,對生物組織無刺激,不釋放有毒離子,可刺激成骨細胞分裂與增殖[9],諸多優(yōu)點使得鉭金屬被廣泛應用于髖關節(jié)假體材料,目前尚無不良反應報道。相比鈦合金與鈷鉻鉬合金,鉭金屬假體價格更加高昂,此外鉭材料應用于臨床時間仍較短,需要長期臨床訪期驗證其效果和安全性。
其他新型金屬材料,如Oxinium 黑晶材料,是經由鋯鈮合金氧化而來的。這一過程將材料表面的金屬特性轉變成陶瓷特性,兼具鈷鉻鉬和陶瓷兩種材料的最優(yōu)特性,同時又避免了這兩種材料的弱點。鋯鈮合金(97.5%鋯+2.5%鈮)被認為是生物相容性最好的金屬材料之一,其材料特性與鈷鉻鉬合金相比,抗刮擦力是鈷鉻鉬的4900 倍,光滑度是其160 倍,硬度比常用鈷鉻鉬更堅硬,同時黑晶中不含鎳,減少了金屬離子過敏的不良反應。但其價格相對昂貴,應用時間短,缺乏長期應用效果和大樣本資料,有待進一步研究。
Neumann 等[10]對99 例采用金屬假體行全髖關節(jié)置換的患者進行了長達10年的隨訪,股骨假體總生存率為98%,髖臼假體為96%,僅有6 例患者進行了二次翻修手術。Saito等[11]的隨訪也印證了上述研究結果。長期臨床研究證實,金屬材料假體用于髖關節(jié)置換的穩(wěn)定性好、脫位率低、磨損性低,預后總體較好。
生物陶瓷材料主要有氧化鋁陶瓷(Al2O3)、氧化鋯陶瓷(ZrO2)和羥基磷灰石(HA)生物活性陶瓷等。自20 世紀70年代初陶瓷應用于假體材料,不僅具有良好的生物相容性,而且具有超高硬度、耐磨性和耐蝕性。陶瓷有較好的親水性,可適應潮濕環(huán)境,極性液體可均勻覆蓋陶瓷表面,形成流體薄膜潤滑,降低摩擦。此外,陶瓷材料能夠解決金屬和高分子假體材料的磨損顆粒引起的骨溶解問題,同時避免金屬假體在人體內釋放金屬離子的問題,因此成為當今髖關節(jié)假體材料重要選擇之一。最初的陶瓷假體并不完善,因易碎而飽受詬病,目前已經歷四代。第四代陶瓷假體于2003年問世,并沿用至今。新一代陶瓷材質純度、密度更高,顆粒直徑更小,破碎率降至0.004%,組織相容性優(yōu)良,不易產生骨溶解,有研究指出,陶瓷假體中短期骨溶解率低于1%[12]。目前,臨床常用的陶瓷假體包括氧化鋁、氧化鋯、ZTA、AMC 等。
高純度的氧化鋁陶瓷摩擦系數(shù)低、硬度高、浸潤性好,適合作為關節(jié)摩擦面,在體內長期存在而不影響其穩(wěn)定性。氧化鋯作為髖關節(jié)假體材料能夠降低假體剛性斷裂的風險,同時兼具小直徑球頭高耐磨性[13],但其性質不穩(wěn)定,晶型易變。ZTA 為復合陶瓷材料,是將氧化鋯顆粒分布在致密、小型氧化鋁陶瓷基體中,使之具備高硬度、強度不衰減、高韌性等特性。髖關節(jié)模擬實驗表明,該種材料磨損率更低[14]。AMC 材料是在ZTA 中再加入氧化鍶、氧化鉻,融合氧化鋁和氧化鋯的優(yōu)點,能實現(xiàn)異形陶瓷部件的加工[15]。
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20 世紀中期,高分子材料在人工關節(jié)假體領域開始為人們所關注。該類材料主要有聚乙烯(UHMWPE)、聚醚醚酮(PEEK)、碳纖維復合材料。
1973年,聚乙烯材料首次應用于人工髖關節(jié)置換。聚乙烯(UHMWPE)的相對分子量超過150 萬,而超高分子量聚乙烯相對分子量可達600 萬~800 萬。高分子材料力學性能良好,耐腐蝕,組織相容性好,是髖關節(jié)髖臼內襯的首選材料。但其也有明顯缺陷,即耐磨性差。隨著髖關節(jié)假體使用時間的延長,人們逐漸發(fā)現(xiàn),在松動的人工關節(jié)假體與骨界面間存在一層界膜,病理檢查發(fā)現(xiàn)有彌漫的巨噬細胞、異物巨細胞浸潤及大量聚乙烯磨屑,從而引發(fā)一系列細胞免疫、生化反應,導致骨破壞、關節(jié)松動和骨溶解[18]。目前臨床多用的二、三代高分子交聯(lián)聚乙烯,采用大劑量射線或電子束交聯(lián)輻射UHMWPE,提高耐磨性、減少磨損碎屑,并加入維生素E,進一步提升耐磨與抗氧化特性。近年來,有研究將碳納米管、羥基磷灰石與UHMWPE 混合,或嘗試自增強法用以提高材料力學、抗疲勞和耐磨性能。
聚醚醚酮(PEEK)具有耐高溫、耐腐蝕、抗磨損等優(yōu)點,常與碳纖維或玻璃纖維混合制成功能強化型改性材料,可有效避免骨溶解。Whang 等[19]研究發(fā)現(xiàn),陶瓷關節(jié)股骨頭搭配PEEK 復合材料髖關節(jié)窩,臨床表現(xiàn)優(yōu)于金屬陶瓷配對。PEEK 材料在未來或將成為高分子復合材料熱點,其植入人體后的反應及臨床效果目前鮮有報道,對此類材料植入的病例值得持續(xù)跟蹤關注。
20 世紀60年代末,Bokros 等[20]將碳纖維復合材料應用于醫(yī)學。此類材料彈性模量低、力學強度高、抗沖擊性好、抗疲勞,能滿足多種剛度和強度要求,同時熱穩(wěn)定性好、成型工藝簡單、比重輕等,臨床上多用于假體制備輔料,其應用具有一定發(fā)展空間。
20 世紀60年代,合金股骨頭假體與聚乙烯髖臼內襯的組合方案成功應用于臨床,至今仍是臨床髖關節(jié)置換最常用的假體。組合方案多為鈷合金加聚乙烯。但該方案界面磨損率高(聚乙烯每年磨損超過0.1 mm,骨溶解發(fā)生率將大幅升高[21]),可能引發(fā)骨溶解和無菌性松動。另一方面,與金屬、陶瓷內襯相比,聚乙烯內襯易于制作髖關節(jié)防后脫位的高邊。
陶瓷-合金組合的磨損率較合金-合金界面低,體液中金屬離子釋放減少,假體韌性高于陶瓷-陶瓷界面。金屬頭—陶瓷臼杯髖關節(jié)置換臨床應用較少,實際應用效果有待驗證。
聚乙烯內襯的線性磨損和蠕變在術后1 ~2年里凸顯,其后隨時間延長呈指數(shù)下降。目前,高交聯(lián)聚乙烯材料應用較廣,其強度和耐磨性較一般聚乙烯材料優(yōu)勢明顯。Markhoff等[26]有關研究表明,其磨損率低于一般聚乙烯材料的1/8。高交聯(lián)材料撞擊后結果明顯輕于其他組合材料,將其與金屬或陶瓷配伍,可能減少一半磨損率。此外,尚無關于高交聯(lián)材料對骨溶解程度影響的報道,需要進一步跟蹤隨訪。
綜上,不同材料的界面組合各有優(yōu)缺點,如何選擇需要視患者情況而定。同時,應用材料技術的發(fā)展,對相關術式的改革具有直接推動作用。對不同材料及組合臨床效果的研究,需要大量隨訪數(shù)據(jù)作支撐。
假體周圍感染是人工關節(jié)置換的災難性并發(fā)癥,生物膜理論已經被越來越多的學者接受。由于假體表面黏附細胞會逐漸繁殖形成生物膜[27],因此人工假體在體內時間越久,感染發(fā)病率越高。目前,材料學研究主要通過改變材料表面的物理結構及化學性質來抑制細菌繁殖,防范人工假體感染。
材料表面負電荷會導致假體植入后表面細菌黏附,逐漸產生大量蛋白代謝物,形成生物膜,造成感染。可通過化學方法,改變材料表面化學性質,破壞蛋白空間結構,防止細菌黏附。Nie 等[28]研究指出,在鈦合金界面涂抹聚乙二醇,能夠抑制細菌黏附聚集,降低材料周圍組織感染,促進骨細胞增生和骨愈合。
一是利用高能輻射改性法。用高能射線照射材料表面,產生自由基并與單體聚合。通常用 射線、 射線和 射線及加速器產生的X 射線和電子射線實現(xiàn)材料表面的物理改性。Ganesh 等[29]用 射線將親水單體接到聚醚氨酯上,提高材料親水性,并大幅降低葡萄球菌黏附。
二是通過將離子加速后轟擊注入生物材料表面并達一定深度可提升抗菌性。Rodriguez 等[30]研究表明鈣離子注入鈦表面,鈦合金抗菌性和組織相容性有明顯提升。
三是電解。將人工假體置于含氟溶液中,在電壓作用下形成二氧化鈦納米管,可以明顯減少細菌黏附。原因是調節(jié)電解液成分和陽極氧化參數(shù),可使人工材料表面形成不同化學成分和多孔的氧化膜層。
多項研究表明,涂層改進是相對簡單可行的假體抗菌方案,在預防關節(jié)感染方面效果顯著,能夠提高髖關節(jié)置換手術成功率,延長假體壽命。離子涂層可提高生物材料組織相容性[31]; 銀離子注入材料表面可抑制細菌黏附,同時促進成骨細胞黏附,具有成骨作用[32]; 將氮化鈦和羥基磷灰石涂在鈦合金表面能抑制細菌黏附和聚集[33];二氧化鋯可使鈦合金和鈷鉻鉬合金表面細菌黏附降低[34]; Adams 等[35]發(fā)現(xiàn)利用同價修飾原理將萬古霉素加到鈦表面可有效降低細菌黏附,抑制感染。但涂層法也同時存在涂層和假體表面的黏附力不足、涂層制備操作復雜、長期安全性不明等問題[36]。
歷經百年,人工髖關節(jié)假體材料不斷改良,制備假體技術已較為成熟,不同材料的假體手術技術亦有區(qū)別,合金、陶瓷和高分子復合材料結合臨床實際合理選擇大都能獲得滿意效果。陶瓷假體使用壽命明顯延長,遠期臨床效果優(yōu)良,是今后全髖關節(jié)置換假體的發(fā)展方向。當前假體材料研究的重點是提升性能、提高置換成功率、降低并發(fā)癥。對于骨科醫(yī)師,不僅要注意提高手術操作技術,也要堅持問題導向,持續(xù)關注病患預后,加強隨訪,積累數(shù)據(jù),提倡醫(yī)工結合,為生物醫(yī)學、材料學等跨領域研究提供線索思路,幫助他們創(chuàng)新材料種類、改進制作工藝,從而形成良性學研產互動鏈路,反哺臨床應用需要,真正落實醫(yī)工交叉學科的研究目標,創(chuàng)造更好的人工關節(jié)假體,為廣大患者服務。