人工關(guān)節(jié)磨損的測量方法與防治

秦彪

【中圖分類號】R-1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】1671-8801（2015）01-0359-03

1 人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的概念

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是指采用金屬、高分子聚乙烯、陶瓷等材料，根據(jù)人體關(guān)節(jié)的形態(tài)、構(gòu)造及功能制成人工關(guān)節(jié)假體，通過外科技術(shù)植入人體內(nèi)，代替患病關(guān)節(jié)功能，達(dá)到緩解關(guān)節(jié)疼痛，恢復(fù)關(guān)節(jié)功能的目的。

2 人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的發(fā)展史

在出現(xiàn)人工關(guān)節(jié)置換術(shù)之前，醫(yī)學(xué)家們從未停止過對關(guān)節(jié)疾病治療的探索。毀損關(guān)節(jié)面切除術(shù)（Resection），關(guān)節(jié)融合術(shù)（Arthrodesis），截骨術(shù)（Osteotomy），關(guān)節(jié)成形術(shù)（Arthroplasty），以及截肢術(shù)（Amputation）等，這些治療方式曾被廣泛用于關(guān)節(jié)疾病的治療中，有些至今仍在特定的患者中使用，但是這些術(shù)式多以犧牲關(guān)節(jié)功能，降低患者生活質(zhì)量來達(dá)到解決關(guān)節(jié)疼痛，治療關(guān)節(jié)疾病的目的。

十九世紀(jì)末，Themistocles Gluck 經(jīng)過動物實驗后，采用象牙、樹脂及石膏混合后將假體固定在一些關(guān)節(jié)結(jié)核患者的膝關(guān)節(jié)部位，雖然這種方式以現(xiàn)代的觀念看來是不會獲得成功，但在人工關(guān)節(jié)置換發(fā)展史中是一個極為重要的理念的出現(xiàn)，是一個閃亮的新起點。

1938年，Philp Wiles 等利用不銹鋼制成的髖臼和股骨假體植入患者體內(nèi)，雖然Philp Wiles因為各種原因沒有繼續(xù)他的工作，但人工髖關(guān)節(jié)置換的雛形已經(jīng)出現(xiàn)在后面的面前。

1962年，英國的John Charnley醫(yī)生提出了低摩擦人工髖關(guān)節(jié)置換理論，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)，特別是人工髖關(guān)節(jié)置換進(jìn)入到了嶄新的紀(jì)元。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著醫(yī)用生物材料改進(jìn)、外科手術(shù)技術(shù)進(jìn)步、醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的介入，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)正在走向精確化、微創(chuàng)化，手術(shù)成功率得到極大的提升，假體的遠(yuǎn)期生存率也在不斷改善，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)正在走下神壇，成為骨科關(guān)節(jié)疾病治療領(lǐng)域的一個常規(guī)治療手段。

3 人工關(guān)節(jié)置換的適應(yīng)癥及優(yōu)缺點

3.1人工關(guān)節(jié)置換的適應(yīng)癥

（1） 嚴(yán)重的骨性關(guān)節(jié)炎，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，強直性脊柱炎，先天性發(fā)育畸形導(dǎo)致的關(guān)節(jié)炎或關(guān)節(jié)疼痛、活動功能障礙，Paget病，以及骨關(guān)節(jié)的腫瘤等。（2）出現(xiàn)以上疾病的患者尚需符合以下標(biāo)準(zhǔn)才適宜進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換術(shù)：①關(guān)節(jié)面骨和軟骨破壞的影像學(xué)改變；②有中度到重度持續(xù)性疼痛；③經(jīng)過至少半年的保守治療，功能和疼痛無法改善。保守治療至少應(yīng)包括：非甾體類抗炎藥物及其它類型的止疼藥物、理療、助行裝置（手杖、拐杖等）以及有意識的減少關(guān)節(jié)負(fù)荷的生活、工作習(xí)慣的改變；④患者能夠積極配合醫(yī)生治療，有良好的依從性。（3） 年齡已非人工關(guān)節(jié)置換的決定性因素。最初，受限于早期的人工關(guān)節(jié)假體設(shè)計及材料磨損性能的限制，以及手術(shù)技術(shù)尚不成熟，一度認(rèn)為人工關(guān)節(jié)置換只適用于65歲以上人群。

3.2人工關(guān)節(jié)的優(yōu)點

人工關(guān)節(jié)可以通過重建一個功能接近正常的關(guān)節(jié)，解除關(guān)節(jié)疼痛、畸形和功能障礙，提高病人的生活質(zhì)量，另外也適用于嚴(yán)重關(guān)節(jié)損傷和關(guān)節(jié)磨損。

3.3人工關(guān)節(jié)的缺點

磨損是影響人工關(guān)節(jié)使用和成敗的一個重要因素，磨損顆粒誘發(fā)假體周圍組織細(xì)胞產(chǎn)生一系列生物學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致假體周圍骨溶解及假體無菌性松動的重要因素[1] 。因此對人工關(guān)節(jié)磨損的檢測、監(jiān)測及預(yù)防無論是在人工關(guān)節(jié)設(shè)計階段還是植入人體以后，是人工關(guān)節(jié)置換術(shù)成功與否的重要指標(biāo)。

4 人工關(guān)節(jié)磨損的測量

對人工關(guān)節(jié)磨損測量方法的研究對人工關(guān)節(jié)材料和工藝選的選擇，外形尺寸設(shè)計、制造和檢驗、應(yīng)用等，都具有重要的意義， 對于磨損的檢測是人們探索關(guān)于磨損產(chǎn)生機理、碎屑效應(yīng)和假體使用壽命的重要指標(biāo)。

目前，人工關(guān)節(jié)磨損測量方法分為實際人工關(guān)節(jié)假體磨損的測量和體外人工關(guān)節(jié)假體實驗?zāi)p的測量兩大類[2]。

植入假體的磨損檢測主要有影像學(xué)檢測（X 射線檢查、CT 斷層掃描技術(shù)、核磁共振等技術(shù)實現(xiàn)人工關(guān)節(jié)磨損的體內(nèi)醫(yī)學(xué)檢查）和取出植入假體磨損的檢測。影像學(xué)檢測可為骨科醫(yī)生提供詳實、可靠的數(shù)據(jù)，包括人工關(guān)節(jié)的尺寸、安放位置及術(shù)后隨時、無創(chuàng)的觀察假體的使用情況，特別是人工關(guān)節(jié)的磨損情況[3]。

體外人工關(guān)節(jié)假體實驗?zāi)p的測量主要包括：（1）稱重法；（2）幾何法：①坐標(biāo)測量法② 光學(xué)干涉法③同位素跟蹤法④ 經(jīng)驗公式法。

稱重法是是目前為止在人工關(guān)節(jié)磨損實驗階段用得最多的磨損測量方法，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也對稱重法的標(biāo)準(zhǔn)測量程序做了相應(yīng)的規(guī)定。該方法的特點有：1） 這種方法獲得的是磨損量的整體，不能獲得假體上各處磨去材料的分布細(xì)節(jié)；2） 該方法直接獲得材料磨損的整體重量/質(zhì)量，在體積換算中根據(jù)的是假體的材料密度，而由于假體特殊的工作環(huán)境使得這一常量有所變化，如潤滑液的吸收等，從而導(dǎo)致磨損體積計算誤差較大。3） 由于材料在實驗中的蠕變（Creep）效應(yīng)，導(dǎo)致材料體積計算誤差，目前已有措施減少這一誤差，如假體穩(wěn)定處理（Stabilization），通過48 h 或者72 h 以后，給予材料足夠的時間恢復(fù)。4） 隨著材料及其成型技術(shù)的不斷改進(jìn)，假體磨損量越來越小，使得稱重難度越來越大， 目前常用天平使用0.01mg 或者0.1mg 的分辨率。對于稱重法中稱量收集起來的人工關(guān)節(jié)磨損碎屑，這種方法除了前述的問題以外，就是收集難度較大，所以用的相對較少，一般在碎屑磨粒分析時同時獲得磨損體積大小。

據(jù)文獻(xiàn)報道，幾何法的研究還比較少，尤其國內(nèi)鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報道。4種幾何法中，坐標(biāo)測量法作為一種更加通用而且適應(yīng)現(xiàn)代加工與分析手段的方法，現(xiàn)將其簡單介紹如下：

坐標(biāo)測量法 采用CMM掃描測得三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)測得的曲面數(shù)據(jù)可以建立數(shù)字化CAD關(guān)節(jié)面原型，在此基礎(chǔ)上可計算人工關(guān)節(jié)的磨損。因此，坐標(biāo)測量法屬于幾何法[4-5]。此法首先對磨損前的假體進(jìn)行掃描，構(gòu)建數(shù)字化CAD模型，然后對假體進(jìn)行磨損，再次掃描測得磨損后的假體CAD模型數(shù)據(jù)，二者進(jìn)行比較。由于三維幾何法不僅可以給出材料整體磨損量而且可以給出材料磨損的分布細(xì)節(jié)，受材料吸水性影響較小，適用于假體配伍的低磨損發(fā)展趨勢和現(xiàn)代分析技術(shù)，具有比較廣闊的應(yīng)用前景。

5 人工關(guān)節(jié)磨損的防治

我國社會老齡化程度不斷加重，由于生活習(xí)慣及飲食序貫的改變，我國老年人骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率日益增高，目前我國已經(jīng)是世界上骨質(zhì)疏松（osteoporosis，OP）患者最多的國家。世界衛(wèi)生組織（WHO）在1994年將骨質(zhì)疏松定義為一種以骨量低下，骨組織微結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致骨強度降低及骨脆性增加，易發(fā)生骨折的全身性疾病[6]。人工髖關(guān)節(jié)置換是治療晚期骨性關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死、老年股骨頸骨折非常理想的方法，植入人工關(guān)節(jié)后不僅可以重建活動功能，還能夠提高生活質(zhì)量。目前人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)成為骨科手術(shù)中一項非常成熟的技術(shù)[7]。人工關(guān)節(jié)是臨床需求量最多的植入體之一，歐美等發(fā)達(dá)國家每年僅全髖關(guān)節(jié)置換患者已超過70 萬例。目前我國人工關(guān)節(jié)置換術(shù)不到40萬例，但需要進(jìn)行關(guān)節(jié)置換的患者遠(yuǎn)超過此數(shù)。我國將是人工關(guān)節(jié)需求量最大的潛在市場。Sundfeldt等[8]統(tǒng)計表明在人工髖關(guān)節(jié)置換15～20年后，大約有10%～15%患者的人工假體關(guān)節(jié)失效，超過66%的髖關(guān)節(jié)翻修是由人工關(guān)節(jié)無菌性松動引起的。故人工關(guān)節(jié)的無菌性松動是骨科醫(yī)生所面臨的棘手問題，而且至今國內(nèi)外尚無理想的解決方法。人工假體周圍臨近的骨組織溶解的原因及其病理過程目前尚未完全明確，但由磨損顆粒引起的骨溶解的生物學(xué)因素，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)界的共識。人工關(guān)節(jié)的無菌性松動后，將導(dǎo)致局部疼痛，嚴(yán)重者需要做翻修術(shù)，給患者的心理、機體及經(jīng)濟(jì)上造成很大的負(fù)擔(dān)，如何防治人工關(guān)節(jié)術(shù)后松動目前已經(jīng)成為骨外科最重要的課題。因此為了保障人工關(guān)節(jié)的長期使用，防治磨損顆粒與假體周圍骨溶解主要應(yīng)從以下幾方面著手：

1）人工關(guān)節(jié)的選擇

人工關(guān)節(jié)技術(shù)涉及材料學(xué)、生物摩擦學(xué)和醫(yī)學(xué)工程等多種學(xué)科的交叉，關(guān)系到人們的生命質(zhì)量。人工關(guān)節(jié)的摩擦磨損性能是評價其質(zhì)量好壞的一個重要因素。因此，提高傳統(tǒng)關(guān)節(jié)置換材料的摩擦磨損性能是人工關(guān)節(jié)假體研究的熱點方向之一。國內(nèi)外材料和醫(yī)學(xué)科技工作者對提高人工關(guān)節(jié)材料抗磨減摩性能進(jìn)行了大量研究[9-10]，根據(jù)人工關(guān)節(jié)材料， 磨損顆粒主要有超高分子量聚乙烯（UHMWPE） 顆粒、金屬（鈦合金、鈷鉻合金）顆粒、氧化鋁陶瓷顆粒、骨水泥（PMMA ）顆粒等[11]。不同磨損顆粒的生物學(xué)特性各異。目前主要集中于對傳統(tǒng)關(guān)節(jié)材料進(jìn)行表面改性處理，以期改善材料表面狀態(tài)及物理、化學(xué)性能，從而提高人工關(guān)節(jié)材料的耐磨性能，降低摩擦系數(shù)。

2）人工關(guān)節(jié)植入固定技術(shù)的選擇

導(dǎo)致術(shù)后人工關(guān)節(jié)無菌性松動的因素也較多，其主要因素是人工關(guān)節(jié)的磨損顆粒，還有患者的自身機體狀況及術(shù)者術(shù)中操作技術(shù)原因，目前對于假體植入后固定方法主要有兩種，其一為假體置入后采用骨水泥對其固定。其二為依靠骨組織長入假體表面微孔內(nèi)使假體與骨組織牢固的方法，被稱為生物學(xué)固定。各具有缺點，骨水泥固定方法的優(yōu)點是早期錨固作用非常良好，短時間內(nèi)失敗率與翻修率都很低，缺點是骨水泥具機械性能差，容易碎裂，隨著時間的推移假體周圍骨溶解和無菌松動發(fā)生率也比較高，故給臨床的使用上帶來了很大的局限性。生物學(xué)固定是近年來發(fā)展起來的較新技術(shù)，是依靠術(shù)后骨組織長入人工假體表面微孔內(nèi)，使其假體與鄰近組織牢固嵌連，或者通過改變?nèi)斯ぜ袤w的外型，使之更加適應(yīng)髓腔的結(jié)構(gòu)，二者緊密結(jié)合達(dá)到固定目的。理論上雖然可以實現(xiàn)假體與周圍組織融為一體的可能，但在臨床實踐中同樣存在人工假體松動、假體周圍骨溶解現(xiàn)象。而且發(fā)現(xiàn)生物學(xué)固定的方法，早期固定牢固性不理想，遠(yuǎn)期的固定效果與骨水泥固定沒有明顯太大的區(qū)別。

據(jù)以上文獻(xiàn)回顧和分析來看，人工關(guān)節(jié)置換在治療晚期嚴(yán)重關(guān)節(jié)疾病療效確切，能緩解、消除疼痛，明顯改善關(guān)節(jié)功能，但人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后遠(yuǎn)期假體周圍骨溶解是一個很大的難題人工關(guān)節(jié)假體周圍骨溶解的形成是一個非常復(fù)雜的過程，影響因素主要涉及到假體材料、假體固定方法、界面微動、界面密封程度、假體周圍高液壓等；更主要的是生物學(xué)因素，包括磨損顆粒種類和大小、細(xì)胞因子釋放、對磨損顆粒的致敏反應(yīng)等。在防治假體周圍骨溶解的措施主要有改進(jìn)人工關(guān)節(jié)材料及設(shè)計、改善人工關(guān)節(jié)固定技術(shù)、注重手術(shù)操作技術(shù)。對這些因素的深入研究不僅可以促進(jìn)人工關(guān)節(jié)制造精度的提高，降低加工成本，而且可以豐富和完善外科植入體磨損實驗國家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，最終促進(jìn)我國人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的廣泛開展。在藥物防治研究領(lǐng)域，二膦酸鹽類化合物證實具有正面效應(yīng)，有望成為防治假體周圍骨溶解的有效藥物。解決好這些問題，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)一定會顯示出更加廣闊的前景，為更多的患者帶來福音。

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