影響骨水泥型股骨假體固定相關(guān)因素分析

趙利民，區(qū)得炎，鄧高用，肖榮馳

(桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，廣西 桂林)

0 引言

雖然生物固定技術(shù)在遠(yuǎn)期隨訪中獲得良好的效果，但是就目前相對(duì)于生物型固定來(lái)說(shuō)，骨水泥型髖關(guān)節(jié)置換可以獲得即刻穩(wěn)定性，對(duì)于髖關(guān)節(jié)置換的翻修、老年不穩(wěn)定骨折的髖關(guān)節(jié)置換、伴骨缺損的髖關(guān)節(jié)置換，骨水泥型假體相對(duì)更具有優(yōu)勢(shì)，有研究表明[1]在老年性股骨頸骨折性全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，使用骨水泥固定的股骨假體6個(gè)月的隨訪中療效明顯優(yōu)于非骨水泥固定。使用骨水泥股骨柄的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，骨水泥是固定假體與股骨的介質(zhì)，因此股骨與假體存在兩個(gè)固定界面：假體-骨水泥界面和骨水泥-骨界面，這兩個(gè)界面中的任一界面存在不穩(wěn)定性，都有導(dǎo)致假體松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

1 骨水泥作為假體-骨水泥界面和骨水泥-骨界面共同的載體，起著充填及傳遞負(fù)荷的作用，因此骨水泥自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響著兩個(gè)界面。

1.1 骨水泥復(fù)合物

目前骨水泥在材料學(xué)上的沒(méi)有明顯的發(fā)展，以固態(tài)粉末PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和(或)丙烯酸共聚物，混合液態(tài)單體MMA(甲基丙烯酸甲酯單體)為主流，但是一些研究人員在骨水泥中加入其它成分材料，以增強(qiáng)或者彌補(bǔ)PMMA的特性，增強(qiáng)PMMA機(jī)械強(qiáng)度、增強(qiáng)界面連接強(qiáng)度、降低PMMA放熱反應(yīng)和抗感染等特性。如Zang X等人[2]將雙相磷酸鈣(BCP)引入PMMA水泥中以制備可注射的復(fù)合骨水泥(BCPx / PMMA)，可促進(jìn)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生物礦化以及粘附，增殖和成骨分化。在Khandaker M等人[3]的研究中，將PMMA骨水泥和氧化鎂、羥基磷灰石、殼聚糖、硫酸鋇和二氧化硅的生物活性顆粒(尺寸從微米到納米)的組合對(duì)PMMA的機(jī)械，熱和電池功能性能的影響，研究結(jié)果表明摻有二氧化硅的PMMA試樣的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性明顯高于其他試樣。所有添加劑均延長(zhǎng)了達(dá)到最高固化溫度所需的時(shí)間，并顯著提高了PMMA樣品的細(xì)胞粘附力。Lin X等人[4]將鎂顆粒加入PMMA中以制備表面可降解骨水泥(SdBC)，PMMA/Mg具有增強(qiáng)的骨整合、血管生成和抗感染性能。

1.2 骨水泥孔隙率

骨水泥內(nèi)部的空泡會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，導(dǎo)致骨水泥裂隙，孔隙較多使得裂隙疊加致使骨水泥套發(fā)生斷裂。因此減小孔隙率可以防止或者減少疲勞發(fā)生的起始，增加機(jī)械強(qiáng)度。影響孔隙率的有不同的攪拌方式、骨水泥種類(lèi)和骨水泥溫度等因素。真空攪拌影響最大，孔隙率最小；中粘度水泥的孔隙率比高粘度水泥高；預(yù)冷水泥的孔隙率比室溫水泥的孔隙率高。有研究人員[5,6]將骨水泥柄在植入前進(jìn)行預(yù)熱或者股骨管預(yù)冷將有效降低骨水泥在假體-骨水泥界面的孔隙率，界面的抗剪強(qiáng)度顯著提高。但是對(duì)于同一類(lèi)型的骨水泥來(lái)說(shuō)，真空攪拌可以降低骨水泥內(nèi)部孔隙率，但是對(duì)骨-骨水泥界面的孔隙率卻無(wú)明顯作用。

1.3 骨水泥鞘

骨水泥鞘的厚度會(huì)影響假體穩(wěn)定性，骨水泥過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致骨水泥斷裂[7]，在Cristofolini等人[8]的研究中得出較薄骨水泥層厚度(1-2mm)顯示出比標(biāo)準(zhǔn)厚度(2-3mm)有明顯更多和更長(zhǎng)的裂紋，骨水泥開(kāi)裂和微動(dòng)破壞顯著增加。但是也有研究并不支持過(guò)厚的骨水泥層，如法國(guó)效應(yīng)(French Paradox)，Numata等人[9]研究了法國(guó)股骨柄Charnley-Marcel-Kerboull(CMK)，CMK中的薄骨水泥層(2.5mm)產(chǎn)生有效的環(huán)向應(yīng)力，而股骨假體和骨水泥穩(wěn)定工作。髖關(guān)節(jié)置換的骨水泥技術(shù)由第一代發(fā)展為目前的第四代，假體中置器的使用已成為當(dāng)前骨水泥型髖關(guān)節(jié)置換主流，使股骨假體處于髓腔中部，產(chǎn)生均勻的骨水泥厚度穩(wěn)定假體，但是關(guān)于骨水泥鞘厚度的標(biāo)準(zhǔn)一直存在爭(zhēng)議。

2 骨水泥-骨界面骨水泥與骨界面之間的固定

主要是通過(guò)骨水泥在骨與假體之間充填傳導(dǎo)負(fù)荷，并在骨的蜂窩結(jié)構(gòu)中的滲透來(lái)增強(qiáng)骨松質(zhì)框架的強(qiáng)度，將骨松質(zhì)轉(zhuǎn)化成一種骨-骨水泥復(fù)合物，這是一種更加堅(jiān)固的復(fù)合材料。其作用機(jī)制可簡(jiǎn)單歸納為：微觀交鎖及容積填塞。

2.1 微觀交鎖

骨-骨水泥界面的微觀交鎖是指面團(tuán)期的骨水泥向骨小梁中滲透，在界面上形成交織。因此有限元分析得出，影響骨水泥與骨交鎖的面積及深度的因素，都會(huì)影響骨水泥-骨界面的穩(wěn)定性[10,11]。加壓技術(shù)會(huì)將骨水泥進(jìn)一步壓入松質(zhì)骨的骨小梁中，從而提高界面的結(jié)合強(qiáng)度。有研究[12]探討了骨孔隙率與骨水泥界面抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，認(rèn)為越高的孔隙率產(chǎn)生的骨水泥界面剪切強(qiáng)度更強(qiáng)。Wang等人[13]就認(rèn)為骨水泥界面的強(qiáng)度與骨水泥滲透到骨中密切相關(guān)，并將一種改良與常規(guī)股骨加壓器設(shè)計(jì)相對(duì)比，研究結(jié)果得出改良的加壓器在股骨模型中產(chǎn)生更長(zhǎng)的較高壓力持續(xù)時(shí)間，這種設(shè)計(jì)修改可以增強(qiáng)水泥滲入松質(zhì)骨并可以改善股骨水泥固結(jié)。在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，關(guān)于骨水泥粘度的選擇有很多不同的觀點(diǎn)。Falez等人[14]的研究認(rèn)為低粘度水泥顯示出大量的極性濃度，這種極性濃度可能被認(rèn)為是早期植入失敗的危險(xiǎn)因素。它可能對(duì)股骨頭有兩種影響：生物性的(過(guò)度的局部放熱反應(yīng)可能導(dǎo)致骨細(xì)胞壞死)和生物力學(xué)的(可能導(dǎo)致股骨頭的負(fù)荷分布不均)。Trela-Larsen等人[15]研究了骨水泥類(lèi)型與初次全髖置換術(shù)后翻修風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，認(rèn)為不同粘度的翻修率之間沒(méi)有明顯的差異。

2.2 容積充填

界面孔隙率、髓腔清潔度、髓腔干燥度等因素會(huì)影響骨水泥與骨之間的充分接觸及充填，達(dá)不到良好的充填作用而減少假體的使用壽命。尹一然等人[16]對(duì)比了髓腔干燥與非干燥情況下骨與骨水泥結(jié)合的強(qiáng)度，結(jié)論為相對(duì)干燥的骨髓腔環(huán)境可顯著增加骨水泥-骨界面抗拉力和壓力的力量，并可以明顯提高骨水泥-骨小梁之間的微嵌合程度，提高骨水泥-骨界面間的穩(wěn)定性。

2.3 骨水泥的熱損傷

Berman等人[17]在兔模型中觀察到在大于或等于70度的溫度下，組織學(xué)切片始終可見(jiàn)骨壞死。在假體植入過(guò)程中，骨水泥發(fā)生聚合反應(yīng)，并放熱，其界面范圍在40度至110度之間，熱量釋放到周?chē)墓墙M織中，使得骨受熱損傷而壞死。骨組織中的壞死會(huì)導(dǎo)致植入物的早期松動(dòng)，引起疼痛并縮短植入物的壽命。

3 假體-骨水泥界面假體-骨水泥界面的穩(wěn)定性

主要考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移的條件和假體與骨水泥界面的粘附性。此界面涉及股骨柄假體及骨水泥，骨水泥此前已敘述。根據(jù)負(fù)荷轉(zhuǎn)移的條件可將骨水泥柄分為摩擦力閉合和形狀閉合設(shè)計(jì)理念兩種柄，前者通過(guò)假體柄與骨水泥發(fā)生相對(duì)微移位以增加摩擦力來(lái)平衡外力，不需要柄和骨水泥間存在連接，即拋光柄(Ra＜1.0um)，此類(lèi)柄多為錐形、無(wú)頸領(lǐng)；后者通過(guò)宿主骨和骨水泥表面的形狀達(dá)到骨水泥對(duì)柄的抓持，需要柄與骨水泥間堅(jiān)固的連接，其受到的力主要為剪力，這樣的柄需要磨砂或?yàn)榧y理狀的表面設(shè)計(jì)，即粗糙柄(Ra＞2.0um)，此類(lèi)柄多為橢圓形形、有頸領(lǐng)。

骨水泥股骨柄的表面處理技術(shù)是影響假體-骨水泥界面的重要因素，粗糙柄與骨水泥存在物理連接，理論上，粗糙柄-骨水泥界面更穩(wěn)定。如Wang等人[18]的研究中發(fā)現(xiàn)表面光潔度對(duì)界面強(qiáng)度影響最大，將表面粗糙度增加100倍可使界面剪切強(qiáng)度增加20倍。在Akiyama等人[19]的試驗(yàn)中表明隨著金屬表面粗糙度的增加，水泥的粘結(jié)強(qiáng)度也隨之提高。Ebramzadeh等人[20]的研究表明在內(nèi)側(cè)-外側(cè)方向，拋光柄的每周期運(yùn)動(dòng)比粗糙柄的每周期運(yùn)動(dòng)大43微米(P＜0.01)，且拋光柄比粗糙柄的下沉率更高。但是大量研究及臨床證據(jù)表明，粗糙柄與骨水泥一旦發(fā)生解離后會(huì)加速出現(xiàn)骨溶解，造成假體-骨水泥界面的無(wú)菌性松動(dòng)。Collis等人[21]在粗糙柄及拋光柄的研究對(duì)比中觀察到，兩者發(fā)生松動(dòng)和即將松動(dòng)的差異非常明顯，因而推薦使用拋光柄。這一現(xiàn)象的主要原因是粗糙假體與骨水泥摩擦產(chǎn)生磨損顆粒，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的聚集，從而發(fā)生骨溶解。另外，在Crawford等人[22]的研究中認(rèn)為沿粗糙和拋光柄沿柄-骨水泥界面的流體遷移存在差異，拋光的錐形桿密封了柄-骨水泥界面，比粗糙柄更不容易發(fā)生骨溶解。

也有證據(jù)表明不同的拋光程度存在不同程度的磨損，如Datir等人[23]，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)10年的隨訪后得出結(jié)論，具有亞光表面光潔度的股骨柄組件比具有光滑表面光潔度的類(lèi)似設(shè)計(jì)的股骨柄具有不令人滿意的10年生存期。由此可見(jiàn)骨水泥型的股骨柄假體表面拋光度越高穩(wěn)定性越好。Hoskins等人[24]的研究證實(shí)拋光柄和亞拋光柄在早期到中期都具有出色的效果，但拋光桿的長(zhǎng)期存活率要好得多，無(wú)菌松動(dòng)是亞拋光柄的一個(gè)問(wèn)題。

有學(xué)者將拋光柄與粗糙柄結(jié)合起來(lái)，將假體的近端設(shè)計(jì)成粗糙的表面，但是大量證據(jù)表明，這種設(shè)計(jì)并不能提高假體的生存時(shí)間，反而導(dǎo)致假體周?chē)侨芙?。如Grose等人[25]的研究中使用近端粗糙的股骨柄進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換，19例隨訪兩年以上，有9例出現(xiàn)嚴(yán)重骨溶解及松動(dòng)而失敗(47%)，失敗率高的驚人。說(shuō)明閉合形態(tài)固定柄及摩擦力閉合柄屬于兩個(gè)不同系統(tǒng)的固定方式要分清界限。

綜上所述，骨水泥型股骨假體固定的因素影響從骨水泥、骨水泥-骨界面及骨水泥-假體界面分析過(guò)程中我們可以發(fā)現(xiàn)，大部分影響因素已經(jīng)研究深入，但仍有不少問(wèn)題亟待解決，知道弱點(diǎn)在哪，才能作出相應(yīng)的改良，減少或消除不良影響的程度，提高患者滿意度。