人工關(guān)節(jié)磨損的測(cè)量方法與防治

1、人工關(guān)節(jié)磨損的測(cè)量方法與防治 【中圖分類(lèi)號(hào)】 R-1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 B 【文章編號(hào)】 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(guò)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(guò)對(duì)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) ( Arthr

2、oplasty )，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(lái)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(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)后，采 用象牙、樹(shù)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(lái)是不會(huì)獲得 成功，但在人工關(guān)節(jié)置換發(fā)展史中是一個(gè)極為重要的理念的 出現(xiàn)，是一個(gè)閃亮的新起點(diǎn)。 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 Wi

3、les 因?yàn)楦鞣N原因沒(méi)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(guó)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(gè)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(diǎn) 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(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，創(chuàng)傷性

4、關(guān) 節(jié)炎，強(qiáng)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(dòng)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)：關(guān)節(jié)面骨和軟骨破壞的影像學(xué)改變；有中度 到重度持續(xù)性疼痛；經(jīng)過(guò)至少半年的保守治療，功能和疼 痛無(wú)法改善。保守治療至少應(yīng)包括：非甾體類(lèi)抗炎藥物及其 它類(lèi)型的止疼藥物、理療、助行裝置（手杖、拐杖等）以及 有意識(shí)的減少關(guān)節(jié)負(fù)荷的生活、工作習(xí)慣的改變；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(jì)及材料磨損性能的限制，以及手術(shù)技術(shù)尚不成熟，一

5、 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(diǎn) 人工關(guān)節(jié)可以通過(guò)重建一個(gè)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(diǎn) 磨損是影響人工關(guān)節(jié)使用和成敗的一個(gè)重要因素，磨損 顆粒誘發(fā)假體周?chē)M織細(xì)胞產(chǎn)生一系列生物學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致 假體周?chē)侨芙饧凹袤w無(wú)菌性松動(dòng)的重要因素 1 。因此對(duì) 人工關(guān)節(jié)磨損的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及預(yù)防無(wú)論是在人工關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)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(cè)量 對(duì)人工關(guān)節(jié)磨損測(cè)量方法的研究對(duì)人工關(guān)節(jié)材料和工 藝選的選擇，外形尺寸設(shè)

6、計(jì)、制造和檢驗(yàn)、應(yīng)用等，都具有 重要的意義， 對(duì)于磨損的檢測(cè)是人們探索關(guān)于磨損產(chǎn)生機(jī) 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(cè)量方法分為實(shí)際人工關(guān)節(jié)假體磨 損的測(cè)量和體外人工關(guān)節(jié)假體實(shí)驗(yàn)?zāi)p的測(cè)量?jī)纱箢?lèi) 2 。 植入假體的磨損檢測(cè)主要有影像學(xué)檢測(cè)（ X 射線檢查、 CT 斷層掃描技術(shù)、核磁共振等技術(shù)實(shí)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(cè)。影像學(xué)檢測(cè)可為 骨科醫(yī)生提供詳實(shí)、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(shí)、無(wú)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(shí)驗(yàn)?zāi)p的測(cè)量主要包括：（ 1）稱(chēng)重 法；（2）幾何法

7、：坐標(biāo)測(cè)量法光學(xué)干涉法同位素跟 蹤法 經(jīng)驗(yàn)公式法。 稱(chēng)重法是是目前為止在人工關(guān)節(jié)磨損實(shí)驗(yàn)階段用得最 多的磨損測(cè)量方法，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織也對(duì)稱(chēng)重法的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量 程序做了相應(yīng)的規(guī)定。該方法的特點(diǎn)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(rùn)滑液的吸收等，從而導(dǎo)致磨 損體積計(jì)算誤差較大。 3） 由于材料在實(shí)驗(yàn)中的蠕變 （ Creep） 效應(yīng)，導(dǎo)致材料體積計(jì)算誤差， 目前已有措施減少這一誤差， 如假體穩(wěn)定處理（ Stabilizati

8、on ），通過(guò) 48 h 或者 72 h 以后， 給予材料足夠的時(shí)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(lái)越小， 使得稱(chēng)重難度越來(lái)越大， 目 前常用天平使用 0.01mg 或者 0.1mg 的分辨率。對(duì)于稱(chēng)重法 中稱(chēng)量收集起來(lái)的人工關(guān)節(jié)磨損碎屑，這種方法除了前述的 問(wèn)題以外，就是收集難度較大，所以用的相對(duì)較少，一般在 碎屑磨粒分析時(shí)同時(shí)獲得磨損體積大小。 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，幾何法的研究還比較少，尤其國(guó)內(nèi)鮮有相 關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。 4 種幾何法中，坐標(biāo)測(cè)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(jiǎn)單介紹如 下： 坐標(biāo)測(cè)量法 采用 CMM 掃描測(cè)得三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，

9、根據(jù)測(cè) 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(jì)算人工關(guān)節(jié)的磨損。因此，坐標(biāo)測(cè)量法屬于幾何法 4-5 。此法首先對(duì)磨損前的假體進(jìn)行掃描， 構(gòu)建數(shù)字化 CAD 模型，然后對(duì)假體進(jìn)行磨損，再次掃描測(cè)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(shì)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(guó)社會(huì)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(guó)老年人骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率日益增高，目前 我國(guó)已經(jīng)是世界上骨質(zhì)疏松(o

10、steoporosis, OP)患者最多的 國(guó)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(qiáng)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(dòng)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(xiàng)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(guó)家每年僅全髖關(guān)節(jié)置換患者已超過(guò)70 萬(wàn)例。目前我國(guó)人工關(guān)節(jié)置換術(shù)不到 40 萬(wàn)例，但需要進(jìn)行 關(guān)節(jié)置換的患者遠(yuǎn)超過(guò)此數(shù)。我國(guó)將是人工關(guān)節(jié)需求量最

11、大 的潛在市場(chǎng)。Sundfeldt等8統(tǒng)計(jì)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(guò) 66%的髖關(guān)節(jié)翻修是由人工關(guān)節(jié)無(wú)菌性松動(dòng)引起的。故人工 關(guān)節(jié)的無(wú)菌性松動(dòng)是骨科醫(yī)生所面臨的棘手問(wèn)題，而且至今 國(guó)內(nèi)外尚無(wú)理想的解決方法。人工假體周?chē)R近的骨組織溶 解的原因及其病理過(guò)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(shí)。人工關(guān) 節(jié)的無(wú)菌性松動(dòng)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(jī)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(dòng)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(zhǎng)期使用，防治磨

12、損顆粒與假體周?chē)侨?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(píng)價(jià)其質(zhì)量好壞的一個(gè)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(diǎn) 方向之一。國(guó)內(nèi)外材料和醫(yī)學(xué)科技工作者對(duì)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(duì)傳統(tǒng)關(guān)節(jié)材料

13、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(wú)菌性松動(dòng)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(jī)體狀況及術(shù)者 術(shù)中操作技術(shù)原因，目前對(duì)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(duì)其固定。其二為依靠骨 組織長(zhǎng)入假體表面微孔內(nèi)使假體與骨組織牢固的方法，被稱(chēng) 為生物學(xué)固定。各具有缺點(diǎn)，骨水泥固定方法的優(yōu)點(diǎn)是早期 錨固作用非常良好，短時(shí)間內(nèi)失敗率與翻修率都很低，缺點(diǎn) 是骨水泥具機(jī)械性能差，容易碎裂，隨著時(shí)間的推移假體周 圍骨溶解和無(wú)菌松動(dòng)發(fā)生率也比較高

14、，故給臨床的使用上帶 來(lái)了很大的局限性。生物學(xué)固定是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的較新技 術(shù)，是依靠術(shù)后骨組織長(zhǎng)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(guò)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(shí)現(xiàn)假體與周?chē)M織融為一體的可能，但在臨床實(shí) 踐中同樣存在人工假體松動(dòng)、假體周?chē)侨芙猬F(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(méi)有明顯太大的區(qū)別。 據(jù)以上文獻(xiàn)回顧和分析來(lái)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?chē)侨芙馐且粋€(gè)很大 的難

15、題人工關(guān)節(jié)假體周?chē)侨芙獾男纬墒且粋€(gè)非常復(fù)雜的 過(guò)程，影響因素主要涉及到假體材料、假體固定方法、界面 微動(dòng)、界面密封程度、假體周?chē)咭簤旱龋桓饕氖巧?學(xué)因素，包括磨損顆粒種類(lèi)和大小、細(xì)胞因子釋放、對(duì)磨損 顆粒的致敏反應(yīng)等。在防治假體周?chē)侨芙獾拇胧┲饕懈?進(jìn)人工關(guān)節(jié)材料及設(shè)計(jì)、改善人工關(guān)節(jié)固定技術(shù)、注重手術(shù) 操作技術(shù)。對(duì)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(shí)驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，最終促進(jìn)我國(guó)人工關(guān)節(jié)置換 術(shù)的廣泛開(kāi)展。在藥物防治研究領(lǐng)域，二膦酸鹽類(lèi)化合物證 實(shí)具有正面效應(yīng)，有望成為防治假體周?chē)侨芙獾挠行?物。解決好這些

16、問(wèn)題，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)一定會(huì)顯示出更加廣 闊的前景，為更多的患者帶來(lái)福音 參考文獻(xiàn)： 1 Sabokbar A ， Kudo O ， Athanasou NA. Two distinct cellular mechanism of osteoclast formation and bone resorpt ion in periprosthetic osteolysis. J Orthop ， 2003， 21： 73-80. 2 D. Dowson. A comparative study of the performance of metallic and ceramic femoral h

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