維生素E穩(wěn)定型高交聯(lián)聚乙烯人工關(guān)節(jié)磨損及磨屑的研究進展

馮景 李春亞 黃秀玲 華子愷

0 引言

目前，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已相當(dāng)成熟，高交聯(lián)聚乙烯(highly cross-linked polyethylene,HXLPE)引入人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域后被證明其性能優(yōu)于超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene,UHMWPE)人工關(guān)節(jié)，具有低磨損率和高存活率[1-3]。然而，臨床結(jié)果顯示聚乙烯人工關(guān)節(jié)在植入體內(nèi)10年后開始氧化，且磨損率增加[4]。為了解決此問題，研究者將抗氧化劑維生素E(vitamin E,VE)作為填充劑注入HXLPE，形成維生素E穩(wěn)定型高交聯(lián)聚乙烯(vitamin E stabilized highly cross-linked polyethylene,VE/HXLPE)，并于2007年應(yīng)用于全關(guān)節(jié)置換術(shù)。針對VE/HXLPE人工關(guān)節(jié)的摩擦磨損問題，目前還缺少系統(tǒng)的總結(jié)。因此，本文調(diào)研近十年關(guān)于VE/HXLPE人工關(guān)節(jié)磨損研究文獻，從體外與臨床方面綜述VE/HXLPE型人工關(guān)節(jié)摩擦磨損性能及其磨屑特征的研究進展。

1 VE/HXLPE人工關(guān)節(jié)體外磨損量研究

1.1 VE/HXLPE髖關(guān)節(jié)磨損量

近十年，已有大量VE/HXLPE型人工關(guān)節(jié)的體外磨損研究。表1是關(guān)于VE/HXLPE人工髖關(guān)節(jié)的磨損研究，所有樣品均根據(jù)ISO 14242-1與ISO 14242-3在髖關(guān)節(jié)模擬試驗機上進行實驗。Oral等[5]進行500萬次步態(tài)循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)，VE/HXLPE的磨損率比HXLPE的磨損率略低且無顯著性差異，但是比UHMWPE的磨損率降低了約90%。VE/HXLPE髖臼內(nèi)襯在頂部與側(cè)邊保留了較清晰的加工痕跡，而UHMWPE髖臼內(nèi)襯表面整個受力區(qū)域的加工痕跡磨損嚴重。Halma等[6]研究同樣得出VE/HXLPE髖關(guān)節(jié)的體積磨損率比UHMWPE的降低了約80%。

Affatato等[7-8]發(fā)現(xiàn)3種聚乙烯關(guān)節(jié)在體外磨損時的磨損量隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，且磨損率呈現(xiàn)UHMWPE>VE/HXLPE>HXLPE的趨勢，但UHMWPE與兩種交聯(lián)材料的磨損率差異從120萬次循環(huán)后才顯現(xiàn)。并且在整個磨損試驗過程中，HXLPE的磨損量始終低于VE/HXLPE，這可能是由于試驗材料使用共混法制備，在相同劑量γ射線輻照后，低濃度VE[0.1%(質(zhì)量分數(shù))]限制了材料的交聯(lián)程度，達不到與HXLPE相同的交聯(lián)度。因此，把控給予的輻射劑量可改善VE混合材料的耐磨性能[9]。

Popoola等[10]對VE/HXLPE型人工髖關(guān)節(jié)進行了1億次體外磨損試驗，VE/HXLPE髖臼內(nèi)襯的體積磨損率與UHMWPE相比降低約90%以上，并且VE/HXLPE髖臼內(nèi)襯在1億次循環(huán)中的磨損量(200.90 mm3±26.86 mm3)與UHMWPE髖臼內(nèi)襯在500萬次循環(huán)中的磨損量(190.40 mm3±14.00 mm3)相當(dāng)，足以說明VE/HXLPE人工關(guān)節(jié)優(yōu)越的耐磨性能。Grupp等[11]將人工老化的聚乙烯髖臼內(nèi)襯進行體外磨損測試，結(jié)果顯示老化6周的VE/HXLPE磨損率遠小于老化4周的普通UHMWPE和老化6周的HXLPE磨損率，這說明VE/HXLPE髖關(guān)節(jié)在老化后也可保持良好的耐磨性能。

表1 VE/HXLPE型人工髖關(guān)節(jié)在體外模擬試驗機上的磨損研究Table 1 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial hip joint in vitro

1.2 VE/HXLPE膝關(guān)節(jié)磨損量

表2是關(guān)于VE/HXLPE型人工膝關(guān)節(jié)的磨損研究，所有樣品均根據(jù)ISO 14243-1與ISO 14243-3在膝關(guān)節(jié)模擬試驗機上進行實驗。Haider等[12]全面對比了不同聚乙烯膝關(guān)節(jié)襯墊的磨損情況，VE/HXLPE襯墊比UHMWPE襯墊減少了73%～86%的磨損，且兩種材料的大CR型襯墊磨損率均顯著高于同材料的小CR型和PS型襯墊，如圖1所示。

圖1 500萬次循環(huán)后VE/HXLPE與UHMWPE膝關(guān)節(jié)襯墊磨損率Figure 1 Wear rate of VE/HXLPE and UHMWPE tibial bearings after 5 million cycles

Micheli等[13]將500萬次步態(tài)循環(huán)后的CR型UHMWPE、VE/HXLPE膝關(guān)節(jié)進行人工老化2周，并繼續(xù)模擬250萬次步態(tài)循環(huán)，結(jié)果顯示VE/HXLPE襯墊的磨損率在老化前后沒有顯著變化，且均比UHMWPE磨損率低90%以上。在掃描電鏡下，UHMWPE襯墊和VE/HXLPE襯墊在摩擦區(qū)域均有大面積的磨損[14]。Grupp等[15]研究了加速老化2周后UHMWPE、VE/HXLPE膝關(guān)節(jié)襯墊的體外磨損情況，結(jié)果顯示VE/HXLPE型比UHMWPE型減少了約55%的磨損。此外，Vaidya等[16]和Wernle等[17]的研究也可得出各聚乙烯關(guān)節(jié)老化后，VE/HXLPE膝關(guān)節(jié)襯墊的磨損率顯著低于UHMWPE和HXLPE的磨損率，說明VE/HXLPE膝關(guān)節(jié)在老化前后均可保持良好的耐磨性能。

通過以上髖、膝關(guān)節(jié)的體外磨損實驗，可得到VE/HXLPE人工關(guān)節(jié)的磨損率比UHMWPE的磨損率低50%～90%[5-8,10,12-13]，但是比HXLPE的磨損率增加2～3倍[7-8]。若將各聚乙烯材料加速老化[11,13,15-17]，VE/HXLPE的磨損率在老化前后基本保持不變，且顯著低于老化后的UHMWPE與HXLPE的磨損率，同時維持其他良好性能。

表2 VE/HXLPE型人工膝關(guān)節(jié)在體外模擬試驗機上的磨損研究Table 2 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial knee joint in vitro

2 VE/HXLPE人工關(guān)節(jié)臨床磨損量研究

VE/HXLPE型人工關(guān)節(jié)應(yīng)用于臨床的時間較短，經(jīng)翻修手術(shù)取出的案例極少。Rowell等[18]回收了15個VE/HXLPE的髖臼內(nèi)襯(平均19.5個月)和膝關(guān)節(jié)襯墊(平均36.6個月)，在掃描電鏡下可觀察到整個關(guān)節(jié)表面保留了較清晰的加工痕跡，而普通UHMWPE襯墊表面的加工痕跡在植入的第1年就會被拋光[19]，這表明VE/HXLPE型人工關(guān)節(jié)在植入短期內(nèi)具有優(yōu)良的耐磨性和抗變形性。

較多研究者對植入VE/HXLPE髖關(guān)節(jié)的患者進行了短中期隨訪，結(jié)果如表3所示。Bergvinsson等[20]對植入UHMWPE型和VE/HXLPE型髖關(guān)節(jié)的患者進行為期5年的隨訪，結(jié)果顯示VE/HXLPE組的總磨損量顯著低于UHMWPE組，且VE/HXLPE組的磨損率(0.01 mm/年)顯著低于UHMWPE組的磨損率(0.08 mm/年)。Rochcongar等[21]的5年隨訪結(jié)果顯示VE/HXLPE髖關(guān)節(jié)磨損率比UHMWPE的低66%。根據(jù)1～5年之間蠕變和磨損的變化，研究者預(yù)測兩組之間的差異會隨著時間繼續(xù)增加。Massier等[22]使用隨機對照試驗方法對199例患者進行6年隨訪，發(fā)現(xiàn)VE/HXLPE髖臼內(nèi)襯的股骨頭穿透率(femoral head penetration rate)明顯減少，但與UHMWPE內(nèi)襯相比，兩種人工關(guān)節(jié)的臨床結(jié)果、翻修率和并發(fā)癥方面沒有差異。Galea等[23]在HXLPE型和VE/HXLPE型髖關(guān)節(jié)植入7年的隨訪中發(fā)現(xiàn)VE/HXLPE的股骨頭總磨損量低于HXLPE，但兩組并無顯著性差異，因此還需要長期隨訪來評估關(guān)節(jié)材料的安全性和抗氧化性。Busch等[24]對植入HXLPE型和VE/HXLPE型髖關(guān)節(jié)的患者進行5年隨訪，結(jié)果顯示添加VE并不顯著影響HXLPE的磨損行為，這與Kj?rgaard等[25]和Thoen等[26]的研究結(jié)果相同。

表3 VE/HXLPE型人工髖關(guān)節(jié)在臨床的磨損研究Table 3 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial hip joint in vivo

綜合隨訪結(jié)果，如圖2所示，VE/HXLPE人工髖關(guān)節(jié)在臨床短中期的平均穿透率在-0.01～0.05 mm/y范圍內(nèi)，低于UHMWPE髖關(guān)節(jié)[20-22]，但與HXLPE髖關(guān)節(jié)相比并無顯著性差異[23-26]。Dumbleton等[27]提出易導(dǎo)致骨溶解的年磨損量閾值為0.1 mm/y，即磨損量低于此值可有效避免骨溶解。以上所有研究中的VE/HXLPE髖關(guān)節(jié)的平均磨損量均未超過此值，說明VE/HXLPE人工關(guān)節(jié)或許可以減少骨溶解的發(fā)生。此外，所有隨訪中VE/HXLPE髖關(guān)節(jié)沒有出現(xiàn)并發(fā)癥或翻修等情況。綜合臨床研究來看，VE/HXLPE關(guān)節(jié)在臨床短中期具有良好耐磨性，但還需要更多高質(zhì)量、長期的隨機對照試驗以評估VE/HXLPE關(guān)節(jié)的臨床性能，并探究該材料的低磨損率是否在長期植入后不易導(dǎo)致骨溶解和無菌性松動。

圖2 臨床中聚乙烯人工關(guān)節(jié)的磨損研究Figure 2 Overview of wear of polyethylene artificial joint in vivo

3 VE/HXLPE人工關(guān)節(jié)磨屑研究

目前，研究中分析的VE/HXLPE磨屑多由體外試驗產(chǎn)生。Teramura等[28-29]發(fā)現(xiàn)VE/HXLPE和UHMWPE的兩種膝關(guān)節(jié)磨屑均分布在0.1～10 μm內(nèi)，但VE/HXLPE磨屑中亞微米級磨屑(0.1～1.0 μm)占比降低約5%，即活性尺寸范圍內(nèi)的磨屑比例下降，這表明VE/HXLPE磨屑在一定程度上會降低溶骨介質(zhì)的產(chǎn)生。Bichara等[30]研究發(fā)現(xiàn)VE/HXLPE膝關(guān)節(jié)磨屑的平均等效圓直徑(equivalent circle diameter,ECD)為1.12 μm(范圍為0.28～79.08 μm)，而UHMWPE磨屑的平均ECD為1.22 μm(范圍為0.28～82.04 μm)，兩組磨屑的尺寸分布相似，且無顯著性差異。Galliera等[31]通過Zeta電位觀測到VE/HXLPE磨屑與UHMWPE磨屑在亞微米尺寸的頻率分布相似，且VE/HXLPE磨屑尺寸略小。Bladen等[32]表征了不同VE含量的聚乙烯磨屑與普通聚乙烯磨屑，各類磨屑的尺寸頻率分布無明顯差異，但體積濃度分布有較大差異。高VE濃度磨屑在0.1～1.0 μm范圍內(nèi)數(shù)量最多，但在1.0～10 μm范圍內(nèi)的體積濃度最高，這些特征對于關(guān)節(jié)壽命有不利影響。此外，研究者將各類磨屑與外周血單核細胞培養(yǎng)，含VE的聚乙烯磨屑比普通聚乙烯磨屑引起的生物反應(yīng)小，但也會刺激TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8等炎癥因子的分泌。

Popoola等[10]通過1億次髖關(guān)節(jié)磨損試驗得出，UHMWPE和VE/HXLPE的髖臼內(nèi)襯會產(chǎn)生數(shù)十億磨屑，但VE/HXLPE產(chǎn)生的磨屑數(shù)量比UHMWPE的減少90%以上。超過95%的VE/HXLPE磨屑的ECD為亞微米級，且縱橫比(aspect ratio,AR)小于2，這表明VE/HXLPE磨屑主要為小尺寸類球狀顆粒。研究者將試驗產(chǎn)生的VE/HXLPE磨屑和HXLPE磨屑注入白兔膝關(guān)節(jié)處，兩組動物的各項生命體征正常，由磨屑引起的生物反應(yīng)無明顯差異，僅在膝關(guān)節(jié)處伴隨輕微炎癥，這表明VE/HXLPE磨屑與HXLPE磨屑相比無進一步的刺激作用。

臨床上，Orita等[33]首次提取并分析了關(guān)節(jié)在植入后產(chǎn)生的VE/HXLPE磨屑，發(fā)現(xiàn)植入平均3.4年的VE/HXLPE膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的磨屑數(shù)量沒有減少，且ECD和AR均比UHMWPE磨屑小，這表明VE/HXLPE磨屑更小更圓。已有研究[34]表明當(dāng)每克界膜組織中磨屑數(shù)量超過1×1010個時會發(fā)生骨溶解，而VE/HXLPE磨屑實際產(chǎn)生數(shù)量遠遠低于該值，說明在關(guān)節(jié)植入早期產(chǎn)生的磨屑數(shù)量不易導(dǎo)致骨溶解。VE/HXLPE在活性尺寸范圍內(nèi)的磨屑多于UHMWPE磨屑，如圖3所示，這些特征對于骨溶解是不利的。但VE/HXLPE磨屑更圓，生物活性比長條形磨屑降低，在此方面VE/HXLPE磨屑與UHMWPE磨屑相比具有優(yōu)勢。

圖3 膝關(guān)節(jié)滑膜液中分離出的UHMWPE和VE/HXLPE磨屑的尺寸分布Figure 3 Size distribution of UHMWPE and VE/HXLPE wear debris separated from synovial fluid of knee joint

綜合以上研究，VE/HXLPE磨屑與UHMWPE磨屑在體內(nèi)外條件下具有相似的尺寸分布，且VE/HXLPE磨屑的整體尺寸多為亞微米級，形狀更偏向于類球狀[10,28-33]。在數(shù)量方面，體外試驗中VE/HXLPE磨屑數(shù)量比UHMWPE磨屑數(shù)量少[10]，而臨床研究結(jié)果與此相反[33]。同時，磨屑活性實驗表明VE/HXLPE磨屑具有生物活性，存在骨溶解風(fēng)險[10,32]。由于臨床情況的復(fù)雜性，臨床數(shù)據(jù)往往與體外理想條件下的結(jié)果有一定程度的偏差，因此還需要對大量臨床VE/HXLPE磨屑進行研究以評估其風(fēng)險。

4 總結(jié)與展望

本文針對VE/HXLPE型人工關(guān)節(jié)的磨損及磨屑進行綜述。VE/HXLPE型人工關(guān)節(jié)與UHMWPE型人工關(guān)節(jié)相比，具有更好的耐磨性和更高的抗氧化性；與HXLPE型人工關(guān)節(jié)相比，不僅具有相同優(yōu)良的耐磨性和機械強度，還具有抗氧化性。通過對植入VE/HXLPE關(guān)節(jié)患者的隨訪，發(fā)現(xiàn)VE/HXLPE關(guān)節(jié)在體內(nèi)具有較低的穿透率和磨損率，這與體外研究結(jié)果相符，且在植入的短中期內(nèi)無不良反應(yīng)。此外，VE/HXLPE磨屑的研究表明，該材料磨屑同樣存在引起無菌性松動和骨溶解的風(fēng)險，但與UHMWPE磨屑相比生物活性顯著下降，因此初步推測VE/HXLPE磨屑的溶骨性較低。目前，還需長期臨床數(shù)據(jù)以評估VE/HXLPE關(guān)節(jié)的實際臨床效果，其磨屑在體內(nèi)濃度是否會達到甚至超過體外實驗濃度，也需要更多臨床觀察。