組合式髖關(guān)節(jié)假體頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕研究方法現(xiàn)狀

周夢林 張莉 鄭照縣 任旭輝 浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院 （浙江 杭州 310018）

內(nèi)容提要：主要介紹髖關(guān)節(jié)假體頭-頸連接部位界面微動(dòng)腐蝕常用研究方法及當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)研究成果，分析不同研究方法存在的優(yōu)點(diǎn)以及不足之處，并對(duì)人工關(guān)髖關(guān)節(jié)假體頭-頸連接部位界面微動(dòng)腐蝕研究方法發(fā)展方向做出展望。

人工髖關(guān)節(jié)假體依人體解剖結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)，通常用于替代病變壞死或外傷缺失的關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)髖部結(jié)構(gòu)及功能的重建，以達(dá)到癥狀緩解及運(yùn)動(dòng)功能修復(fù)的目的。組合式髖關(guān)節(jié)假體可有效管理股骨段參數(shù)，如調(diào)整下肢高度、偏移量、前傾角等以獲得更好的解剖重建，提高臀肌張力，從而有效減小其脫位風(fēng)險(xiǎn)[1]；此外，由于關(guān)節(jié)球頭與股骨柄的分離設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)選擇性適配，能大量縮減髖關(guān)節(jié)假體生產(chǎn)制造的規(guī)格型號(hào)；在髖臼獨(dú)立翻修中有效減小手術(shù)創(chuàng)面，有效降低暴露風(fēng)險(xiǎn)[2]；在球頭為高硬度、高耐磨性材料條件下，可優(yōu)化股骨柄的材質(zhì)，如選擇鈦合金等低彈性模量材料以降低人工關(guān)節(jié)在服役過程中造成的應(yīng)力遮擋作用等優(yōu)勢，使其在臨床上得到廣泛應(yīng)用[3]。但在實(shí)現(xiàn)可互換裝配的同時(shí)，關(guān)節(jié)柄在頭-頸連接部位的高應(yīng)力承載區(qū)也增加了接觸配合表面，在人體服役過程中的交變載荷作用下而引入了微動(dòng)腐蝕作用，其作用機(jī)制如圖1所示[4]。此過程中形成的腐蝕產(chǎn)物及磨屑是誘發(fā)植入物周圍組織炎癥反應(yīng)、骨溶解，甚至是導(dǎo)致其無菌松動(dòng)的重要因素而被廣泛研究[5]。

圖1.組合式髖關(guān)節(jié)頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕的形成及磨屑微粒的釋放[4]

本文主要介紹目前組合式髖關(guān)節(jié)頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕研究方法及相關(guān)研究成果，分析了當(dāng)前研究方法存在的優(yōu)點(diǎn)、不足及局限性。通過對(duì)人工髖關(guān)節(jié)在人體服役過程中的多重因素考慮，采用體外模擬實(shí)驗(yàn)研究和有限元仿真分析相結(jié)合的研究分析手段，將為人工關(guān)節(jié)微動(dòng)腐蝕研究方法及產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更多研究思路。

1.頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕研究方法

1.1 臨床取出物分析

對(duì)人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行二次手術(shù)獲取的臨床取出物，充分記錄了其于人體服役過程中失效的關(guān)鍵信息。對(duì)臨床回收的人工髖關(guān)節(jié)假體采用必要的表征方法進(jìn)行分析，是探究植入物服役過程失效因素的有效手段。當(dāng)前分析研究方法主要表現(xiàn)為通過對(duì)大量具有近似特征的臨床失效事件進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析，以及對(duì)部分少量案例進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立調(diào)查分析這兩種手段[6-10]。統(tǒng)計(jì)分析通常包括對(duì)病例信息，包括患者年齡、體征、植入物服役時(shí)間等，以及二次手術(shù)原因，如無菌性松動(dòng)、無菌炎癥反應(yīng)、骨溶解、脫位、疼痛、感染、植入物結(jié)構(gòu)破壞等臨床表現(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。相關(guān)研究表明，植入物周圍組織的無菌炎癥反應(yīng)，進(jìn)而造成的疼痛、骨溶解及無菌松動(dòng)是組合式髖關(guān)節(jié)主要的翻修因素，圖2示出了頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕形成的腐蝕產(chǎn)物及周圍組織的不良反應(yīng)的臨床表現(xiàn)[6,8]。

圖2.松動(dòng)的頭-頸連接部位分離后表面腐蝕情況及周圍組織反應(yīng)[8]

此外，通過對(duì)取出物規(guī)格信息，包括關(guān)節(jié)面材料配伍、球頭直徑、偏心距、頸干角等設(shè)計(jì)制造元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)追溯，并結(jié)合病例信息、臨床癥狀以及通過對(duì)取出物的微動(dòng)腐蝕行為進(jìn)行表征分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)計(jì)信息對(duì)比研究，為人工髖關(guān)節(jié)失效翻修原因及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效支撐。Lanting等[6]分別將關(guān)節(jié)面材料配伍為金屬對(duì)金屬（MoM）、金屬對(duì)聚乙烯（MoP）的臨床取出物進(jìn)行磨損量表征，結(jié)果表明，MoP型假體在頭頸部位的磨損量明顯少于MoM型假體，約為MoM型假體磨損量的1/6。與此同時(shí)，在對(duì)臨床取出物進(jìn)行分析過程中形成了對(duì)頭-頸連接部位界面微動(dòng)腐蝕程度進(jìn)行表征的方法[6,11,12]。其中，Goldberg等[12]提出的微動(dòng)腐蝕破壞程度評(píng)分準(zhǔn)則，因其簡單高效而被廣泛應(yīng)用。另外，對(duì)于個(gè)案分析則容易因個(gè)體偶然因素的引入，難以提出共性問題，但通過對(duì)病例二次手術(shù)前后信息的充分追溯，并對(duì)超敏反應(yīng)組織提取物進(jìn)行分析，也進(jìn)一步證明微動(dòng)腐蝕導(dǎo)致的金屬離子溶出是導(dǎo)致植入物失效的重要因素[10]。

通過對(duì)臨床取出物分析，可以直接關(guān)聯(lián)患者臨床癥狀及失效因素，總結(jié)臨床問題，提出失效誘因，指導(dǎo)術(shù)者對(duì)適應(yīng)癥及人工關(guān)節(jié)產(chǎn)品類型的選擇，如不同關(guān)節(jié)面材料配伍以及不同頭-頸結(jié)合面材料配伍會(huì)導(dǎo)致不同程度的微動(dòng)腐蝕[6,9]。但此分析方法只能基于臨床現(xiàn)象的歸類總結(jié)，由于臨床個(gè)體差異以及植入體經(jīng)受體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境及生理載荷多重因素影響，可控的獨(dú)立分析條件無法實(shí)現(xiàn)。因此，上述分析方法無法對(duì)頭-頸結(jié)合界面微動(dòng)腐蝕行為開展更深層次作用機(jī)制的討論。并且，往往由于臨床取出物的制造商來源、工藝以及病例個(gè)體的差異性，相同的作用因素甚至分析得出完全相反的結(jié)論[7,13]。

1.2 體外模擬實(shí)驗(yàn)分析

體外模擬實(shí)驗(yàn)是通過體外平臺(tái)模擬器械在人體內(nèi)服役條件的試驗(yàn)研究，可有效實(shí)現(xiàn)各因素獨(dú)立控制，避免體內(nèi)研究無法全過程監(jiān)控，難以量化條件，效率較低等弊端，使得開展人工關(guān)節(jié)臨床失效因素形成機(jī)制的研究成為可能。

研究則表明由于機(jī)械作用協(xié)同的縫隙腐蝕以及周圍組織細(xì)胞生理反應(yīng)造成的腐蝕環(huán)境變化等因素不可忽視[14]。采用簡化的研究模型，如球-面或面-面接觸模型，并利用電化學(xué)分析及微動(dòng)特性分析等方法對(duì)人工髖關(guān)節(jié)頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕特性進(jìn)行探索成為廣泛應(yīng)用的研究手段[15]。另外，微動(dòng)腐蝕過程為機(jī)械作用及腐蝕作用多模式復(fù)合作用結(jié)果，表面間接觸應(yīng)力、微動(dòng)振幅、作用頻率以及表面狀態(tài)等，將對(duì)微動(dòng)特性產(chǎn)生重要影響。在頭-頸接觸面模擬測試中，通常選擇接觸應(yīng)力容易確定的球-平面接觸模型，而研究表明更合理的面-面接觸模型可能更能代表頭-頸接觸面的應(yīng)力分布特征[15]。因此，為了得到與臨床條件相適應(yīng)的研究結(jié)果，簡化模型參數(shù)仍需驗(yàn)證。

當(dāng)簡化模型研究存在局限性時(shí)，則需要復(fù)雜模型的體外模擬研究以考慮更多的臨床條件。復(fù)雜模型的體外模擬研究通常以人工髖關(guān)節(jié)產(chǎn)品為研究對(duì)象，考慮臨床載荷及電解質(zhì)條件，并結(jié)合電化學(xué)研究，能更準(zhǔn)確反映體內(nèi)作用機(jī)制。常用的復(fù)雜模型如圖3所示，除對(duì)模擬測試過程中相關(guān)電化學(xué)參數(shù)監(jiān)測外，對(duì)試樣磨損量的表征分析是對(duì)微動(dòng)腐蝕特性的重要量化分析手段，目前主要為半定量和定量分析兩種方法[16]。前文中已提到Goldberg等[12]提出的簡單高效的微動(dòng)腐蝕程度評(píng)分準(zhǔn)則，Hothi等[11]發(fā)現(xiàn)該評(píng)分準(zhǔn)則在相同與不同觀察者之間均具有良好的重復(fù)性，但對(duì)于發(fā)生了腐蝕變色的表面則難以進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)分。而定量分析方法則主要包括對(duì)試樣質(zhì)量變化量、電解質(zhì)中金屬離子變化量及接觸面輪廓變化量的測定。質(zhì)量變化量測量方法最為便捷，但由于磨損形式無法明確而不能提供更多有用信息[17,18]。采用金屬離子濃度變化量分析方法時(shí)，溶液及試樣表面因磨損產(chǎn)生的磨屑則應(yīng)被充分考慮[17]。本質(zhì)上，該過程形成的金屬離子與磨屑分別源自腐蝕作用及機(jī)械作用兩種不同的作用機(jī)制[17]。此外，目前磨損體積的測量則通常采用三坐標(biāo)測量儀等類似手段對(duì)體外模擬測試前后試樣表面輪廓進(jìn)行測量并計(jì)算獲得，該方法可直接表征機(jī)械及腐蝕作用機(jī)制導(dǎo)致的總磨損量[18]。

圖3.頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕體外模擬平臺(tái)[16]

此外，由于該體外模擬過程條件的復(fù)雜性，在載荷條件、模擬環(huán)境等方面存在諸多挑戰(zhàn)。目前體外模擬研究大多僅考慮軸向載荷，而相關(guān)研究表明該接觸面存在的扭轉(zhuǎn)載荷同樣是誘發(fā)微動(dòng)腐蝕的重要因素[16]。更高的載荷幅值無疑會(huì)增加微動(dòng)腐蝕表面破壞程度，當(dāng)前研究所施載荷峰值多落于3.3kN之內(nèi)，且大多僅關(guān)注于載荷峰谷值，較高的加載頻率往往會(huì)阻礙接觸面間介質(zhì)流動(dòng)及交換，繼而影響縫隙腐蝕環(huán)境條件[17]。因此，ISO 14242-1中所定義的步態(tài)載荷以及1Hz的加載頻率或許更接近于臨床實(shí)際的載荷模式[19]。另外，由于體內(nèi)生理反應(yīng)造成的腐蝕環(huán)境變化對(duì)微動(dòng)腐蝕程度存在明顯加劇作用，而當(dāng)前模擬研究則普遍缺乏對(duì)該生理因素的考慮[14,17]。

1.3 有限元模擬分析

對(duì)于人工髖關(guān)節(jié)頭-頸連接部位分析的典型有限元方法，主要包括幾何模型、外部載荷等邊界條件以及接觸部件材料機(jī)械性能參數(shù)的定義及相關(guān)參數(shù)的輸出。由于該微動(dòng)腐蝕過程存在多因素共同作用，有限元分析方法則以其高效的多因素控制及參數(shù)化條件設(shè)定等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于該研究[20,21]。相較于體外模擬，有限元方法無需搭建復(fù)雜實(shí)物測試平臺(tái)，可大幅降低測試用樣品量及模擬時(shí)間造成的資源占用。Donaldson等[20]通過對(duì)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)、材料性能及加載條件等多個(gè)不同條件進(jìn)行有限元模擬分析，如采用體外模擬測試開展類似的模擬研究，則所需試驗(yàn)用人工關(guān)節(jié)試樣的用量可能多達(dá)數(shù)百件，將會(huì)產(chǎn)生巨大的研究成本。

另一方面，對(duì)模型及邊界條件假設(shè)的有效性進(jìn)行充分驗(yàn)證，是有限元分析方法應(yīng)用的重要前提。在當(dāng)前頭-頸連接部位有限元分析中，由于結(jié)合界面微位移方便測量和計(jì)算，模型驗(yàn)證方式主要是對(duì)部件在加載過程產(chǎn)生的微位移進(jìn)行驗(yàn)證[20]。然而，僅基于應(yīng)變進(jìn)行的驗(yàn)證對(duì)于微動(dòng)腐蝕分析還存在諸多不足。首先，對(duì)于在電解質(zhì)條件下微動(dòng)過程所伴隨的腐蝕作用機(jī)制，有限元分析方法還未搭建有效研究模型。當(dāng)前研究主要關(guān)注于機(jī)械磨損作用，而在非加載條件下發(fā)生于界面間的腐蝕耦合作用則考慮不足。最新研究表明，當(dāng)考慮化學(xué)腐蝕作用時(shí)，其導(dǎo)致的材料損失不可忽視[21]。因此，有限元分析方法還需對(duì)非機(jī)械作用因素進(jìn)行充分考慮。

此外，由于頭-頸連接部位復(fù)雜的表面接觸機(jī)制，將在接觸邊界條件、材料定義以及載荷模式等方面存在多重挑戰(zhàn)。首先是接觸面邊界條件的設(shè)定，模擬計(jì)算結(jié)果的輸出均源自于接觸表面節(jié)點(diǎn)，因此此處的條件假設(shè)對(duì)分析結(jié)果將造成直接影響。研究表明，頭-頸界面的腐蝕行為與材料表面形成的具有腐蝕保護(hù)作用的氧化層在微動(dòng)作用下的破壞密切相關(guān)，微動(dòng)過程中表面產(chǎn)生的應(yīng)變可能導(dǎo)致基體表面氧化層在低應(yīng)力條件下破壞形成磨屑[21]。其次，接觸面形成的氧化層、氧化層和基體的結(jié)合力等機(jī)械特性與基體存在本質(zhì)差異，當(dāng)進(jìn)行有限元分析時(shí)只考慮基體材料而對(duì)表面材料特性進(jìn)行忽視，將對(duì)微動(dòng)腐蝕分析結(jié)果造成重要影響[21]。此外，外界載荷的定義對(duì)于有限元方法同樣具有重要意義。由于日?；顒?dòng)及生活習(xí)慣的差異性，步態(tài)載荷存在較大的差異性和復(fù)雜性，目前步態(tài)載荷已得到標(biāo)準(zhǔn)化定義[19]。當(dāng)前研究，有限元分析方法大多僅模擬步態(tài)過程中的峰谷值載荷，且并未考慮實(shí)際服役過程中存在的扭轉(zhuǎn)載荷[22]。相關(guān)研究表明，在臨床服役過程中頭-頸連接部位承受的周期性扭轉(zhuǎn)載荷同樣是導(dǎo)致其微動(dòng)腐蝕的重要因素[7]。

2.小結(jié)與展望

隨著分析測試技術(shù)的不斷發(fā)展與豐富，多樣化的分析及模擬研究方法被應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕行為研究。其中，對(duì)臨床取出物進(jìn)行分析可有效關(guān)聯(lián)患者癥狀及臨床實(shí)際因素，可指導(dǎo)臨床實(shí)踐以及產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。但由于樣本獲取充滿偶然因素，該方法難以對(duì)導(dǎo)致植入失效的作用機(jī)制展開探索。另外，大量體外模擬實(shí)驗(yàn)研究被采用以復(fù)現(xiàn)各因素的臨床作用機(jī)制，對(duì)體內(nèi)生理環(huán)境及載荷等因素綜合考慮，以對(duì)各因素作用機(jī)制的深層次探討。但為了獲得與臨床實(shí)際相適應(yīng)的結(jié)果，對(duì)模擬條件的假設(shè)等仍需謹(jǐn)慎求證。此外，由于機(jī)械作用、化學(xué)腐蝕等多因素復(fù)合作用，較長的試驗(yàn)周期對(duì)體外模擬研究也具有一定限制。而有限元分析方法則可高效地實(shí)施多因素獨(dú)立控制分析，可有效提高體外模擬實(shí)驗(yàn)研究效率，但有限元模型仍存在對(duì)化學(xué)腐蝕、生理介質(zhì)等作用缺乏考慮等不足之處。

未來的研究則仍需對(duì)體外模擬實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證，著力考察器械在體內(nèi)服役的條件，對(duì)模擬條件假設(shè)及模型構(gòu)造進(jìn)行充分的合理性論證，提高模擬實(shí)驗(yàn)研究對(duì)臨床結(jié)果的復(fù)現(xiàn)能力，以期獲得更可靠的研究結(jié)果。此外，在有限元分析方法上確立多模式耦合作用的微動(dòng)腐蝕分析模型，包括機(jī)械作用、化學(xué)腐蝕作用以及生理介質(zhì)等，并進(jìn)行有效性驗(yàn)證，這是充分發(fā)揮有限元方法分析能力的重要支撐。在此基礎(chǔ)上，將有限元分析及體外模擬實(shí)驗(yàn)研究有機(jī)結(jié)合，既可有效實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的相互驗(yàn)證，提升研究結(jié)果可靠性；亦可在滿足多參數(shù)分析的情況下顯著提升研究效率，實(shí)質(zhì)上做到對(duì)人工髖關(guān)節(jié)頭-頸連接部位微動(dòng)腐蝕研究分析的提質(zhì)增效，這將是未來的發(fā)展趨勢。