人工髖關節(jié)術后假體松動機制及其預防的探討

1、人工髖關節(jié)術后假體松動機制及其預防的探討        【摘要】     人工髖關節(jié)術后假體松動是人工髖關節(jié)手術的主要并發(fā)癥，本文就人工髖關節(jié)術后假體松動機制及其預防措施作一簡要綜述。     【關鍵詞】  人工髖關節(jié)假體松動假體材料及設計骨質疏松     全髖關節(jié)置換術(Total Hip Arthroplasty，THA)是目前治療嚴重骨性關節(jié)炎、股骨頸囊內(nèi)骨折、

2、類風濕性關節(jié)炎、晚期股骨頭無菌性壞死、晚期先天性髖臼發(fā)育不良和髖臼畸形等最常用的方法。它具有解除關節(jié)疼痛、恢復關節(jié)功能、保持關節(jié)穩(wěn)定性和不影響或修復肢體長度等眾多優(yōu)點。假體松動是人工髖關節(jié)置換術后最常見的并發(fā)癥，直接影響假體的使用壽命，并成為術后翻修的主要原因。從20世紀60年代初，Charley1首先采用低磨損人工髖關節(jié)置換術，及70年代后出現(xiàn)表面帶微孔的人工假體。它不用骨水泥固定，而直接將假體嵌入骨組織,以利于骨組織長入假體微孔內(nèi)，達到由機械性固定向生物固定的轉化2。直到現(xiàn)在，人們對人工關節(jié)無菌性松動的發(fā)病機理和防治進行了不懈的探索。大家較一致地認為：患者本人的身體條件（骨的質量、骨梁的形

3、態(tài)、生活習慣等），微動、應力遮擋等機械性因素，術者采用的手術方式，磨損顆粒引起的假體(或骨水泥)、骨界面產(chǎn)生的IL-1B、IL-6、TNF-d、PGE2、M-CSF、RANKL3和Caspase等溶骨性因子誘導的骨溶解等生物性因素與人工關節(jié)松動密切相關。    1人工髖關節(jié)術后假體松動機制的探討    1.1磨損顆粒人工髖關節(jié)的機械磨損可產(chǎn)生大量磨損顆粒(Wear Debris) ，如骨水泥碎屑、聚乙烯以及金屬顆粒等。這些磨損顆粒被吞噬細胞(Macrophages)吞噬后可誘導吞噬細胞死亡4。盡管這種死亡的確切機制尚不是十分清楚。目前

4、認為可能是磨損顆粒誘導了吞噬細胞的凋亡(Apoptosis) 5 ，大量研究均證實吞噬細胞吞噬磨損顆粒后可隨之釋放出大量炎性介質，其中主要的有腫瘤壞死因子-a(TNF-a)、白介素-18 (IL-18)、白介素-6 (IL-6)和前列腺素E (PGE)等。這些炎性介質可激活破骨細胞，造成假體周圍骨溶解，最終導致假體的生物性松動，假體失敗6。    1.1.1磨損顆粒的材料大量研究表明，不同材料的磨損顆粒誘導吞噬細胞產(chǎn)生溶骨性介質的能力是不同的。聚乙烯是目前制造髖臼或髖臼內(nèi)襯的主要材料，其磨損顆粒已被公認為引起假體無菌性松動的重要因素。然而不同分子量和交聯(lián)程度的聚乙

5、烯具有不同的生物活性。J. H. Ingram等7研究發(fā)現(xiàn)，分子量較小的高分子聚乙烯磨損率大于分子量較大的高分子聚乙烯。即分子量大的高分子聚乙烯體積磨損小且磨損顆粒的直徑也小，而分子量小的高分子聚乙烯則正相反。J. H. Ingram等同時發(fā)現(xiàn)，高交聯(lián)聚乙烯磨損顆粒的濃度在0.1m3/吞噬細胞就能誘導產(chǎn)生大量的TNF-a。而普通聚乙烯磨損顆粒的濃度需達到10m3/吞噬細胞(或以上)才能誘導吞噬細胞產(chǎn)生相同濃度的TNF-a，因此認為，高交聯(lián)聚乙烯的磨損顆粒較普通聚乙烯磨損顆粒具有更強的生物活性。同時D.Granchi等8研究也發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷的磨損顆粒誘導產(chǎn)生的IL-6、TNF-a和粒-巨噬細胞集

6、落刺激因子(GM-CSF)均低于聚乙烯磨損顆粒，提示氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷的磨損顆粒具有較低的生物活性。    1.1.2磨損顆粒大小根據(jù)Mcke11op等9對磨損機制的分型，I型磨損是髖關節(jié)假體磨損的主要形式。 翻修取出假體可見負重面光滑9，其產(chǎn)生的顆粒直徑小而數(shù)量大：型磨損可加快人工關節(jié)材料的磨損速度，翻修取出假體可見明顯擦痕，其產(chǎn)生的顆粒直徑大而數(shù)量相對較少。Matthews等10研究表明磨損顆粒越小，對巨噬細胞刺激越強，使其分泌的IL-6和TNF-a更多，周圍溶骨亦越厲害。一般認為，直徑在10m以下的磨損顆?？杀煌淌杉毎淌?，產(chǎn)生溶骨性介質；而直徑>

7、10m的顆粒則不能被吞噬細胞所吞噬，只能被多核異物巨噬細胞所包裹，因此，后者產(chǎn)生的炎性介質明顯少于前者。Green等11認為0.310m 的PE(聚乙烯)磨損顆粒具有最強的生物活性。    1.1.3磨損顆粒的濃度Hatton等12采用不同濃度的氧化鋁陶瓷磨損顆粒(磨損顆粒體積:吞噬細胞=1m:1,10m:1,100m:1和500m:1)與人類外周血單核細胞共培養(yǎng)，結果前兩組的細胞因子含量與對照組無差別，而500m:1組的細胞因子含量明顯高于對照組。同樣Matthews等10也采用不同濃度的超高分子聚乙烯磨損顆粒(UHMWPE) 刺激相同的人單核巨噬細胞，結果人單

8、核巨噬細胞對不同濃度的UHMWPE反應明顯不同。提示磨損顆粒的濃度是影響吞噬細胞產(chǎn)生假體生物性松動相關炎性介質的因素之一。    1.1.4磨損顆粒形態(tài)S-YYang等5的體外實驗結果表明，呈纖絲狀的PE磨損顆粒誘導產(chǎn)生的IL-18和TNF-的含量明顯高于呈球形的PE顆粒，提示假體生物性松動與不同形態(tài)的磨損顆粒有關。APDElfick等13研究發(fā)現(xiàn)，假體頭的表面粗糙度越高，磨損顆粒越不呈球形而呈片狀，提示人工股骨頭的表面摩擦系數(shù)越大或有擦痕，不僅可加重髖臼的磨損，其磨損產(chǎn)生的磨損顆粒(大小在生物活性范圍內(nèi))對假體使用壽命的威脅也顯然更大。  &

9、#160; 1.2股骨柄涂層近年來，隨著生物學材料的不斷發(fā)展，國內(nèi)外正在研究及發(fā)展利用噴涂技術或燒結技術，在金屬股骨柄表面結合一層羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)，或Al2O3陶瓷噴涂、或鈦噴涂、或聚醋酸、碳素等材料制成的復合材料藉此形成骨性結合，提高固定效果，防止松動。其中羥基磷灰石(HA)在機體內(nèi)具有良好的相容性而較少發(fā)生排斥反應，HA可以釋放鈣離子、磷離子于股骨假體表面，同時假體周圍宿主鈣離子、磷離子與HA交換，增加骨與假體的固定。研究證實HA可阻止金屬基質的離子釋放，改善翻修手術中同種異體骨與假體之間的結合，達到假體的早期生物學固定14,15。HA涂層的厚度通常在301

10、00m更加適合固定假體的作用。Rosenthall等16在對患者的股骨假體設計及涂層對假體周圍骨量(BMD)影響對照研究發(fā)現(xiàn)，使用HA涂層的假體在2年中Gruen 1和Gruen 7區(qū)骨量丟失分別為16.9% 和11.3%，而非HA涂層分別丟失23.8% 和20.5% 。同樣Boden等17在THA生物固定的股骨假體患者8年隨訪中，使用DEXA對兩種假體周圍BMD測定發(fā)現(xiàn)使用HA涂層的股骨柄未發(fā)現(xiàn)松動，僅有股骨近端的骨量丟失，而對照組股骨柄周圍骨量丟失明顯?？梢奌A較非HA涂層來說更能減少假體周圍骨量的丟失，從而較早的增加骨和假體之間穩(wěn)定的牢固性。    1.3生

11、物學機制骨對骨水泥或假體的組織反應將形成一層界膜組織。尸解發(fā)現(xiàn)未松動假體周圍也有一層纖維組織膜，并可見部分骨化。其間細胞成分較少。組織學上界膜組織分為三層：緊貼骨水泥或假體為滑膜層，為小圓形的滑膜細胞；其下是成纖維細胞及吞噬大量磨屑的巨噬細胞、異物巨細胞；深層緊貼骨組織周圍是許多破骨細胞18。應用單克隆抗體技術檢測巨噬細胞、異物巨細胞、破骨細胞胞膜上的細胞因子受體，發(fā)現(xiàn)它們均表達gp130、IL-1、IL-2、IL-4、IL-6、TNF、M-CSF、SCSF的受體成分，提示了這些細胞間的同源性，巨噬細胞及異物巨細胞也可能向破骨細胞轉化19。巨噬細胞是產(chǎn)生各種細胞因子的最早且最主要的細胞部分，巨

12、噬細胞吞噬顆粒后可釋放多種炎癥介質。如IL-1、IL-6、TNF、PGE等，誘導破骨細胞形成，并刺激巨噬細胞和破骨細胞引起鄰近骨質吸收、骨重建紊亂。即使與微粒無直接接觸，滑液中的磨屑就可導致巨噬細胞內(nèi)Ca2+的脈沖性升高，Ca2+作為第二信使進而引發(fā)各種細胞因子的釋放，該作用可被電壓門控Ca2+通道阻滯劑尼莫地平阻斷20。在這個過程中，成骨細胞的協(xié)同作用有重要意義；巨噬細胞激活首先釋放TNF-，然后刺激成骨細胞釋放GM-CSF、IL-6、PGE2、OPGL等其他因子，這些因子的趨化及促分化作用進一步引起巨噬細胞、破骨細胞、成纖維細胞的增殖和分化，合成并分泌更多的細胞因子及各種蛋白酶21。Dow

13、d等22發(fā)現(xiàn)在松動的非骨水泥假體周圍組織中，巨噬細胞數(shù)目、膠原酶、明膠酶、PGE 及IL-1含量均明顯高于非松動組。Goodman等23研究發(fā)現(xiàn)，在松動并伴有骨溶解的骨水泥假體周圍組織中巨噬細胞、T淋巴細胞、IL-1和IL-6陽性細胞數(shù)目較松動無骨溶解或牢固固定假體周圍組織中明顯增多。    1.4假體柄-骨接觸面積髖關節(jié)假體的松動下沉是一常見并發(fā)癥。而假體柄-骨接觸面積的多少直接影響到假體與骨之間負荷的傳導與分布，對預防假體的松動下沉及獲得較長期穩(wěn)定均有重要意義24。從壓強=壓力/受力面積公式顯示，在壓力不變的情況下，受力面積越小，物體所受的壓強越大。而隨著壓強

14、的增加，物體的變形可能性也增加。另一物理現(xiàn)象是，物體間的接觸面積越大，其相對穩(wěn)定性越好。對骨組織來說，壓強的增加不僅增加了機械性變形，而且可以引起生物性的骨溶解。假體柄-骨接觸的目的是穩(wěn)定地傳導負荷。其不穩(wěn)，即假體的松動、下沉，將引起一系列癥狀，如疼痛、無力、活動障礙等。所以假體放置后與股骨接觸的面積、緊密程度及假體放置是否符合人體生物力學等都與術后假體的松動有關。    1.5手術入路最近有報道認為不同的手術入路對假體周圍骨量也有影響。目前人工髖關節(jié)置換通常采取手術入路有：前外側入路、外側入路以及后外側入路、經(jīng)大轉子入路等，而臨床上最常用后外側入路，能夠最大限度

15、保留外展肌功能和最大限度顯露股骨近端。Perka等25在分別采取前外側入路(30例)、經(jīng)髖直接外側入路(37例)行THA，術后應用雙能X線骨密度儀(Dual energy X-ray absorptiometry，DEXA)檢測股骨假體周圍BMD，經(jīng)髖直接外側入路骨量丟失高于前外側入路，可能在手術過程中破壞不同肌肉有關系。    2髖關節(jié)假體松動的預防    2.1抗骨質疏松藥物髖關節(jié)置換術后服用雙膦酸鹽是預防假體松動簡便易行、效果較為明確的一種方法。雙膦酸鹽是一種焦磷酸鹽的類似物，能與骨礦化基質結合，抑制骨吸收。它能抑制破骨細胞功能

16、，誘導巨噬細胞凋亡以及抑制破骨細胞前體細胞分化26,27。 Shanbhag AS等28將狗分為3組，分別作人工股骨頭置換術，術中第2、3組加入了磨屑，第1組未加，而第3組給予阿侖膦酸鈉治療，每天1次，直到處死，結果X線片發(fā)現(xiàn)，第3組狗持續(xù)24周沒有發(fā)生溶骨反應，而第2組出現(xiàn)了明顯的骨吸收與骨溶解。Hennigs等29研究不同劑量阿倫膦酸鈉對非骨水泥固定股骨假體周圍BMD的影響。認為每天服用阿倫膦酸鈉20mg，持續(xù)10周可以有效阻止假體周圍骨量的丟失。同樣在骨水泥固定的股骨假體中，阿倫膦酸鈉也產(chǎn)生影響，Nehme等30研究阿倫膦酸鈉聯(lián)合鈣劑和安慰組單純使用鈣劑對假體周圍骨量影響，發(fā)現(xiàn)使用阿倫膦

17、酸鈉聯(lián)合鈣劑從術后第3個月骨量逐漸增加，而對照組在骨量丟失半年后骨量才開始增加。    2.2人工髖關節(jié)假體形態(tài)的設計關于股骨柄設計中究竟采用有領結構還是無領結構的爭議一直存在31，有領結構的股骨柄可有效防止假體下沉，避免截骨面產(chǎn)生失用性骨質疏松，保證假體旋轉中心的位置，但柄的遠端容易產(chǎn)生松動和擺動，加劇了柄的應力遮擋，并最終導致置換失敗而不得不進行翻修手術；無領結構的股骨柄在假體植入后可以自動下沉，保證假體與髓腔的緊密貼合，能有效保證股骨柄植入后的長期穩(wěn)定性，但在截骨面上容易產(chǎn)生失用性骨質疏松，而且過量下沉會導致雙下肢不等長。提高假體柄-骨的接觸面積可以從三方面

18、增加柄-骨的穩(wěn)定性。（1）減少接觸骨組織的壓強、防止力的集中，進而降低骨組織的機械性變形及骨溶解，及由此產(chǎn)生的假體松動下沉，同時，增加接觸面積本身即可增加其穩(wěn)定性，延長假體的壽命。（2）提高柄-骨接觸面積所帶來的假體初期穩(wěn)定，將減少假體-骨間的運動，利于周圍骨組織長入假體微孔而獲得長期的生物學固定32。（3）由于骨是活的組織具有再生能力，且有研究證明骨組織可以跨越假體-骨間<1mm的間隙33。說明接觸面積越大，能取得生物學固定的面積越大，遠期穩(wěn)定性越強。所以較好的假體設計應保證假體與髓腔的緊密貼合、提高假體與骨的接觸面積，同時符合人體生物力學。    2.3

19、人工髖關節(jié)假體的材料假體磨損產(chǎn)生顆粒，能引起局部骨溶解，造成假體松動。因此，減少磨損及磨損顆粒的生物學反應是提高人工關節(jié)置換遠期療效的有效途徑之一。近年來隨著假體材料的不斷改進，如近年應用日益增多的陶瓷-陶瓷、陶瓷-超高分子聚乙烯、第二代金屬-金屬假體等。Hasegawa等34采用氧化鋁陶瓷股骨頭聚乙烯髖臼關節(jié)假體進行全髖關節(jié)置換術39例，隨訪1016年發(fā)現(xiàn)，松動率很高，有6例翻修。Mochida等35對陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯全髖假體周圍組織進行觀察并分離后發(fā)現(xiàn)，各種顆粒都存在，但陶瓷-陶瓷假體所產(chǎn)生的顆粒比陶瓷-聚乙烯要少。Wagner等36用金屬-金屬非骨水泥型髖關節(jié)假體對78例病人進行

20、置換，平均隨訪60個月，結果發(fā)現(xiàn)金屬-金屬假體確實減少了假體的磨損。第二代金屬-金屬的人工髖關節(jié)磨損率低，其產(chǎn)生的磨損顆粒直徑平均為0.08m，很少引起巨噬細胞的反應，其遠期松動率低于金屬-聚乙烯。另外陶瓷-陶瓷假體和陶瓷-金屬假體能很大限度地減少磨損顆粒的產(chǎn)生。    2.4松動后的翻修人工關節(jié)置換后的無菌性松動導致了難以耐受的疼痛和松動引起的進行性骨丟失時，翻修則成為了必要的選擇。在人工關節(jié)翻修時，骨水泥應用廣泛。而生物活性骨水泥(CaO-SiO-P2O5-MgO-CaFr粉末和二酚甘油甲基丙烯酸樹脂組成)具有相當高的壓縮彎曲和可拉伸性，在體內(nèi)能與骨在48周內(nèi)

21、直接連接，且假體固定強度隨著時間的延長而增加37。Murrakami等38在對狗的股骨端松動假體翻修時,運用重組DNA產(chǎn)生的人類骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(BMP-2)與可降解的多聚雙旋乳酸膠二氧聚乙二醇結合。將這種聚合體植入股骨中份松動骨缺損處，l2周后，缺損處被修復。因而這種載荷BMP-2的聚合材料的應用在骨丟失的翻修中，提供了新的模式。    3小結髖關節(jié)手術的方法、假體安裝的技術及關節(jié)負重引起的假體與宿主骨之間的微動等機械性因素可能是人工髖關節(jié)假體松動的啟動因素，而生物學因素-磨損顆?？赡苷{節(jié)著人工髖關節(jié)假體松動的后期過程，因此對機械性和生物學因素的研究可能會揭示

22、人工髖關節(jié)假體松動的奧秘。同樣通過對宿主骨質量的提高及對假體設計和材料的研究進一步深入，可以更好地預防和治療髖關節(jié)假體的松動。    【參考文獻】  1 Charnly JArthoplasty of the HipA new operationLancet，1961,1:1130.    2韓艾，羅先正人工全髖關節(jié)的回顧和進展中華骨科雜志，1994,14(5):314-316.    3T.N.Crotti，MDSmith，DM，F(xiàn)indiay，et alFact

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