关节

    人工关节置换为晚期骨关节疾病患者提供了一个有效的手术治疗方法，然而人工关节置换后部分病人出现假体松动，断裂和感染等并发症需要进行二期手术。随着手术技术、假体设计和生物材料的不断提高，那些以往较为常见的人工关节置换术后并发症，如感染、假体断裂及骨折等的发生率已经明显减少。随着人工关节置换病人寿命的延长和对人工关节活动水平要求的提高，人工关节面关节面之间磨损颗粒所造成的界面骨溶解导致假体松动已经成为人工关节手术晚期失败的最主要原因。近年来，针对人工关节材料学方面的研究主要集中在减少人工关节关节面之间磨损颗粒的产生和增强人工关节与骨界面的结合等方面。

    一、减少人工关节关节面之间磨损颗粒的产生

    人工关节的关节表面通常由金属，超高分之聚乙烯或高强度陶瓷制成。人工关节置入人体后，每年约生产500万颗磨损颗粒，这些颗粒被人体巨噬细胞吞噬后并产生一系列免疫和炎性反应最终将导致骨溶解，使人工关节与骨界面的结合发生松动，最终导致人工关节假体松动、磨损进一步加剧，从而人工关节失败。

    超高分之聚乙烯材料具有耐腐蚀，粘弹性，自润性和与金属表面摩擦系数很低等特点而被广泛应用与人工关节表面。传统的高分之聚乙烯内衬通过热压成型或机械加工完成，γ射线空气环境下消毒后包装贮存。其磨损率约为0.1-0.2mm/每年。超高分之聚乙烯的内衬磨损率不但与其分子结构有关同时其加工过程的温度控制，消毒和贮存环境中氧化退变都与磨损碎屑有关。

    近年来，许多研究报告通过对高分子聚乙烯材料的改造来优化材料的耐磨性能，将高分子聚乙烯材料中加入碳纤维，改良热成形技术和机械加工技术，通过离子注入改良高分子聚乙烯和金属关节表面的耐磨性能。在高分子聚乙烯的原材料方面，提高它的分子量，合成高“交链”的高分子聚乙烯材料，改善分子链的分布，结构和排裂方向以适应人工关节假体受力和运动的方向。通过改善消毒和保存方法，保护高分子聚乙烯材料的高交链结构和防止材料的退化。

    另外，有研究表明高分子聚乙烯假体的厚度和材料本身的弹性模量对于假体内近关节面部分的抗疲劳断裂和分层的强度起到重要的作用[1,2]。一些学者发现在高分子聚乙烯材料中加入碳纤维可以改变材料的弹性模量，减少材料表面的应力接触增加材料内部所能承受的应力。另有研究发现应用碳纤维加强型高分子聚乙烯材料有可能加重“third-body”磨损现象而影响假体的临床实际应用效果。

    高分子聚乙烯原料的制备过程，假体成形方法，例如热压或机械加工程序都可以明显地影响假体的耐磨性能。

    总之，改善高分子聚乙烯材料构成，加工过程及储运方式可以有效地改善高分子聚乙烯假体的耐磨性。而假体在实际临床应用中的效果尚取决于其它的生物理化因素的影响，最终结论尚有待大量多中心，随机和长期临床研究的证实。

    目前多数厂家使用通过射线放射提高高分子聚乙烯材料的“交链”度，并且通过热稳定技术所生产的材料。此材料近年来被证实成功的降低了高分子聚乙烯假体的磨损情况。提高材料的“交链”程度的放射处理一般在5-10 Mrads（不高于15-20 Mrads），再通过热融技术稳定高交链结构并减少具有破坏性的高能量电子的产生。

   
    目前可供选用的几种不同类型的高分子聚乙烯材料：

    1.Marathon^TM和XLPE^TMγ放射放射高交链再融高分子聚乙烯：

    这种高分子聚乙烯材料通过5 Mrads的γ射线照射提高交链度，再加热155℃保持24小时，然后缓慢冷确至室温，将高分子聚乙烯材料加热超过融点可以使材料中部分结晶态固体结构转化为均质结构，稳定分子链连接，释放γ射线照射产生的高能电子，减少其远期对高分子聚乙烯材料的氧化破坏。该类产品采用机械加工完成等离子气体射流消毒，在标准实验检测状态下，其磨损率可减少85%。

    2.Longevity^TM电子束高交链再融高分子聚乙烯材料：

    此种材料通过10Mrads的高能电子束照射完成提高交链过程，其功效比普通γ射线照射高的多，加热超过融点2小时。稳定分子键并释放高能电子，假体采用机械加工完成和等离子气体射流消毒。

    3.Crossfire^TMγ射线高交链锻制高分子聚乙烯材料：

    通过7.5Mradsγ射线照射高交链后，加热至接近材料融点保持一定时间。假体采用机械加工，3Mradsγ射线消毒，氮气密封包装，由于材料处理中没有热融过程，该类假体理论上含有较多易氧化因素，建议采用惰性气密封包装，假体制成后应尽快使用不易长时间保存。

    4.金属对金属关节面

    由于人们对高分子聚乙烯材料磨损颗粒产生的颗粒病的担忧和对改进了材料和工艺后的金属对金属假体的短期良好表现的长期预期，80年代末，第二代金属对金属人工关节（主要是髋关节）重新引起了人们的兴趣。第二代金属对金属关节面由钴铬钼合金制成，其短期磨损率少于几个微米/每百万步。研究发现，金属对金属关节面有自动修复现象，单一的划痕或third-body磨损常可以被随后的运动修复和抛光[3]。金属对金属关节面近期临床随访效果已接近常用的金属对高分子聚乙烯人工关节[4,5]。其磨损过程主要集中在置入关节的磨合期，即置入人工关节后的初期。实验研究显示在金属假体表面进行离子注入成表面喷涂可以有效地接高关节接触面的硬度并减少磨损。

    5.陶瓷面人工关节

    早期的氧化铝陶磁和氧化锆陶磁因为高硬度和光洁度被用作人工关节表面材料与高分子聚乙烯关节面配使用。近期研究发现该类搭配仍有较高的高分子聚乙烯磨屑产生，特别是在有third-body磨损的情况下，高硬度的陶瓷关节面可以造成高分子聚乙烯材料的严重磨损。这一类人工关节置入手术时手术野内碎屑的清理要万分的小心。

    陶磁对陶磁人工关节

    陶瓷材料表面的“自润”特性和陶瓷类关节表面低磨损率使人们普遍认为高强度的人工陶瓷材料是制作人工关节表面的理想材料。然而，早期氧化铝陶磁对陶磁人工关节由于其材料质量较差和伴有的设计缺陷临床效果难以令人满意。假体破碎，磨损和翻修困难成为临床上十分棘手的问题，经过近20年的努力，氧化铝陶磁在原料的纯度，精细和烧法工艺方面都有了较大的提高，特别是氧化锆人工陶磁的应用使其强度较氧化铝陶磁增加了73%。由于氧化锆陶磁具有较高的强度并且可以加工成高光洁度的人工关节表面，特别是其超强的耐磨性能，在髋关节可以制成超薄的髋臼杯陶磁内衬。减低髋臼杯陶磁内衬的厚度可以使股骨头直径增大，从而使髋关节的稳定性和活动范围进一步提高。目前市场上提供的人工关节陶磁材料常由氧化锆和氧化铝按不同的比率烧法而成，实验证明这类人工关节具有较好的耐磨性。由于氧化锆在高温潮湿环境下易出现降解，因此该类材料不适于高温蒸煮消毒。

    二、增强人工关节与骨界面的结合

    关系人工关节置换技术成败的另一个关键问题是人工关节置入后假体材料与机体骨组织之间的结合强度。金属材料表现的骨生长（grow-in和grow-on）决定了人工关节远期的稳定性。改善假体表面的物理和生化特性，提高人工关节-骨组织介面的亲和力刺激局部骨组织的生长已经成为近年人工关节材料学研究的热点。

    传统的金属表现处理技术包括了抛光面，喷砂处理面和微孔面。抛光面假体适用于骨水泥型人工关节，而喷砂处理和微孔表面的人工关节主要适和用于非骨水泥型人工关节，并可以通过进一步的生物学和一系列理化处理提高其组织亲合力和刺激诱导骨生长。

    利用金属微丝成金属微球烧结制成的人工关节表面已经被证实是一种成功的界面改良技术，它不但大大地增生了人工关节与受体骨组织之间的接触面积，而且有利于骨组织生长进入微孔材料表面提供长期的生物学固定。研究显示等离子钛金属喷涂表面同样可以改善假体的生物学固定性能。继不锈钢，钴铬钼，钛合金之后，钽成为了更适合于植入人体的金属内置材料，氧化钽在机体内表现稳定，其弹性模量更接近于骨组织。利用热融技术将金属钽涂布于碳纤维支架上形成的微孔材料有着“骨小梁金属”的美称，该微孔材料具有和骨小梁十分相似的三维交通的微孔结构，其的孔隙率为80-85%，微孔直径550μm，弹性模量为皮质量的1/5，约为松质骨的4倍。这类骨小梁金属已被应于人工关节表面的微孔结构并作为脊柱融合器和充填材料，通过热模压技术还可以将高分子聚乙烯材料注入该金属从而使内衬和金属背面结成一体，但其临床使用效果尚无远期随访结果发表。

    不论是表面微孔结构还是新形的“骨小梁金属”，实验和临床研究表明骨长入只占了微孔结构的很小一部分。如何提高骨长入的面积和强度尚待更多的研究工作。磷酸钙材料金属表面喷涂是改善金属假体表骨生长的有效方法，几种合成的磷酸钙材料包括，羟磷灰面（HA,Hydroxyapatite）氟化磷酸钙（FA，Fluorapatite）和三磷酸钙（TCP，Tricaleium phosphate）。其中HA被广泛应用于人工关节表面喷涂，其特点是吸收缓慢，主要通过巨噬细胞和破骨细胞吞噬降解促进骨组织在假体表面形成，TCP由HA加热转换而成其特点是吸收降解较HA快，可以在假体骨介面形成较高的钙离子浓度刺激骨组织形成，但是有研究指出，由于TCP吸收降解过快，其降解速率不适合骨组织的形成，另外，局部的高钙环境，有可能损害骨形成细胞的功能。将HA和TCP按照不同的比例混合（一般为40/60，35/65）可以制成吸收降解速度适中的磷酸钙材料Biphasic Calcium Phosphate；BCP。研究表明这种材料具有较好的骨替代特性，但是仅有少数厂家将BCP用于人工关节表面喷涂，该技术的成熟度，材料在喷涂过程中的稳定性和远期临床使用效果尚待研究。

    假体表面的生物学喷涂是近年来人工材料研究工作的热点之一，人们希望能够将细胞或生物因子如BMP等涂布于人工关节面或制成缓释系统以提高假体与骨界面的骨生长能力，实现长期的生物学固定。该系统需要有完善的控制细胞生长和分化的能力，使骨组织迅速生长，正常愈合。为了达到这一目的，近年来，许多研究者从不同的方面进行研究，大至包括：假体表面理化和生物学特性改良和超微形态学改良 [6]。

    材料表面理化和生物学特性改良：通常假体材料表面都带有不同的电荷或能量，改变或调整这一特性可以改变假体与机体组织的亲合力或者吸引细胞，蛋白质或有机分子聚集到假体的表面。改变材料表面的静电势能可以促进假体与周围组织结构的整合。研究发现不论是带有正电荷或带有负电荷的材料表面都可以促进表面的骨形成或者改善羟磷灰面等物质的表面喷涂。但是这种方法无法提供有选择性地吸附特定的细胞和蛋白质到材料的表面［7-11］。

    材料表面超微形态学改良：现在流行的材料表面微孔结构成等离子喷钛表面处理都是材料表面形态学改良的良好开端，但这一阶段的改良仍不能达到“可控”，“介导”和加速材料与骨组织介面的愈合。近期有研究表明，通过超微形态学改良技术设计材料表面微细的凸凹，沟槽可以改变细胞在材料表面的贴附能力，形态和极向，并可以改变体外培养的骨细胞的钙盐沉积状况。纳米科学的开展使材料表面生物活性研究达到了功能调控的水平，通过纳米技术设计的材料表面可以改变细胞和蛋白物质的吸附能力甚至功能状态，利用纳米技术改良的细胞外基质结构，细胞膜通道蛋白等使得人工假体表面材料研究向着可以吸引细胞，控制分化和加速组织细胞生长和愈合的方向进一步发展。

参考文献：

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[4] Dorr L D, Wan Z, Longjohn D B, Dubois B, Murken R. Total hip arthroplasty with use of the Metasul metal-on-metal articulation. Four to seven-year results. J Bone Joint Surg Am 2000; (82): 789-798.

 

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