全髖關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)演變.ppt

1、人工全髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)演變趨勢(shì),沈萬(wàn)祥,假體界面設(shè)計(jì),髖關(guān)節(jié)假體力學(xué)環(huán)境,受力復(fù)雜：承受拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)和界面剪切力以及反復(fù)疲勞、磨損 每年要承受100300萬(wàn)次循環(huán)的體重負(fù)荷,髖關(guān)節(jié)假體性能,生物組織相容性：髖關(guān)節(jié)假體材料不能對(duì)周圍組織產(chǎn)生毒副作用，組織對(duì)植入材料無(wú)排斥反應(yīng),髖關(guān)節(jié)假體力學(xué)環(huán)境,生物力學(xué)相容性：髖關(guān)節(jié)假體材料的彈性模量、強(qiáng)度和韌性與人的皮質(zhì)骨相匹配，在負(fù)載情況下，髖關(guān)節(jié)假體與所接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調(diào)，并且植入期假體材料與周圍的骨組織結(jié)合良好，不發(fā)生松動(dòng)和下沉,髖關(guān)節(jié)假體性能,生物摩擦學(xué)性能 抗腐蝕、耐疲勞性能要求假體材料在人體環(huán)境中經(jīng)受化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕而不失效，在人體

2、循環(huán)應(yīng)力作用下不損傷。,金屬-超高分子量聚乙烯界面,1962年charnley首先使用超高分子聚乙烯和金屬頭配伍（MOP），以后這一配伍成為THR中的金標(biāo)準(zhǔn),MOP磨損率,目前使用最多的假體設(shè)計(jì)：51% 美國(guó) 2006 （112095） 線性磨損率 0.25mm/年 容積性磨損率,MOP磨損率,球頭直徑增大導(dǎo)致大線性磨損率增加的原因在于：關(guān)節(jié)活動(dòng)出現(xiàn)更長(zhǎng)的滑行距離；較大直徑球頭時(shí)關(guān)節(jié)表面積的增加加大了容積性磨損率,MOP磨損率,采用22mm直徑球頭的THA，術(shù)后20年內(nèi)的PE線性磨損率為每年01mm，容積性磨損率為每年40mm3.28mm球頭的THA術(shù)后10年內(nèi)的PE線性磨損率就達(dá)每年012m

3、m，容積性磨損率為每年70mm3.兩者相差有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 28mm與32mm球頭對(duì)PE磨損的差異，結(jié)果也是一樣。,粘性磨損機(jī)制,兩種硬度不同的材料之間發(fā)生，周期性單一軸向運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)拉伸、擠壓，產(chǎn)生纖細(xì)的拉升纖維，形成碎屑。因運(yùn)動(dòng)過(guò)程中聚乙烯表面分子排列的方向性，越是單向，材料的延展性越強(qiáng)，粘性磨損越嚴(yán)重。,聚乙烯磨損顆粒（產(chǎn)生原因）,多向摩擦 微接觸下疲勞磨損 聚乙烯退變 表面裂紋,聚乙烯顆粒導(dǎo)致骨溶解,各種磨損微粒誘發(fā)炎癥反應(yīng)，致假體周圍骨溶解，最后出現(xiàn)假體松動(dòng)。雖然所有的磨損微粒都可以促發(fā)炎癥反應(yīng)，但聚乙烯的磨損是微粒的主要來(lái)源。 超過(guò)5年的中心臨床研究顯示：骨溶解發(fā)生率為18%,金屬-高交

4、聯(lián)聚乙烯,1999： highly cross-lingked polyethlene 線性磨損率： 001mm/年 容積磨損率 （403156mm3/年）平均985 最高磨損率出現(xiàn)在大直徑股骨頭（40mm）配伍組合中,金屬-高交聯(lián)聚乙烯,輻射交聯(lián)和離子注入等表面處理技術(shù)，改變聚乙烯的表面分子結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)特性，達(dá)到提高抗磨損性能和生物力學(xué)相容性的目的 高交聯(lián)聚乙烯應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)假體后，磨損率顯著降低，磨損率與26,28,32,36,40mm股骨頭直徑之間無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)正相關(guān)關(guān)系,金屬-高交聯(lián)聚乙烯,高交聯(lián)就是改善表面分子排列的方向性，分子排列更加多向，降低延展性，研究表明粘性磨損通過(guò)高交聯(lián)聚乙

5、烯可以降低60-90% 臨床隨訪20年的結(jié)果，能夠保持80%的生存率,陶瓷頭對(duì)聚乙烯,陶瓷-聚乙烯 平均容積磨損率28 mm3/年 平均線性磨損率 0034mm/年 相對(duì)于金屬對(duì)聚乙烯承重面磨損下降50% 10年生存率 95% 20年生存率 79%,陶瓷對(duì)陶瓷,1970年Boutin將氧化鋁陶瓷應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，至今臨床使用時(shí)間40年。 Piconi及Maccuro于1985年首次報(bào)道了zirconia陶瓷頭的使用至今， zirconia陶瓷頭已經(jīng)在臨床使用超過(guò)350000例。 Zirconia是一種生物惰性材料，體內(nèi)外是嚴(yán)均證明了它優(yōu)越的生物相容性。,Modular Ceramic Lin

6、er Design,Sandwich design,Taperlock design,with polyethylene or with metal backed ceramic,taper angle approx. 5(1st generation)taper angle approx. 18 (2nd generation),優(yōu)點(diǎn),硬度高，耐磨性能好 線性磨損率0025-10m/年 生物惰性 顆粒致炎作用顯著降低，降低骨溶解（骨溶解率小于1%） 避免金屬離子釋放問(wèn)題,陶瓷假體碎裂,14% 2006 美國(guó) （112095） 陶瓷仍具有易碎、斷裂強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度低的問(wèn)題 假體破裂發(fā)生率為004

7、,金屬對(duì)金屬承重面,上世紀(jì)70年代，由于當(dāng)時(shí)材料抗磨損性能差、磨屑顆粒導(dǎo)致的骨溶解以極高松動(dòng)率，脫位、金屬離子污染等原因使得第一代髖關(guān)節(jié)表面置換假體被放棄 當(dāng)代金屬對(duì)金屬假體的摩擦面可以產(chǎn)生液膜潤(rùn)滑和低磨損，這是MOM復(fù)興的一個(gè)重要因素,金屬對(duì)金屬界面的研究,MOM 早期失敗原因：是假體材料、假體設(shè)計(jì)、假體工藝有明顯缺陷 90年代中期發(fā)生質(zhì)變 材料 鈷鉻鉬合金 最優(yōu)配比 matasul系列 高碳鍛造鈷鉻合金,First Generation Metal-on-Metal Bearings,G.K. McKee,1965,1966,M.E. Mller,金屬對(duì)金屬大直徑股骨頭,金屬對(duì)金屬大直徑骨

8、頭,線性磨損率為5um/年，容積性磨損率為0.114mm3/年，遠(yuǎn)低于金屬-聚乙烯（55110mm3/年）和陶瓷-聚乙烯（4050mm3/年）關(guān)節(jié)，具有良好的抗磨性能 無(wú)聚乙烯磨損顆粒，顯著降低骨溶解率,界面金屬組成改良,在鈷鉻合金中增加碳元素含量 低碳 005-008% 高碳 020-025% 高碳的鈷鉻合金擁有更高的抗磨損能力,金屬表面處理,金屬表面加工越光滑越能提高潤(rùn)滑度，降低磨損,顯著降低磨損的金屬表面,MOM界面與“陶瓷對(duì)陶瓷”界面被公認(rèn)為同時(shí)代最優(yōu)秀的抗磨損材料 加速磨損期 穩(wěn)態(tài)磨損期 金屬對(duì)聚乙烯 500um/年 “金屬對(duì)金屬” 5um/年 “陶瓷對(duì)陶瓷” 39um/年,大直徑頭

9、設(shè)計(jì)改變磨損方式,在“邊界潤(rùn)滑”、“液體潤(rùn)滑”、“混合潤(rùn)滑”三種關(guān)節(jié)面接觸方式的容積性磨損比較中，“邊界潤(rùn)滑”的磨損指標(biāo)比“液體薄膜潤(rùn)滑”高12倍。,大直徑頭設(shè)計(jì)改變磨損方式,“金屬大頭髖”由于股骨頭直徑、臼杯的內(nèi)直徑均比傳統(tǒng)全髖增大，“頭臼”關(guān)節(jié)面之間可形成“液體薄膜潤(rùn)滑”，因此人工關(guān)節(jié)的磨損率顯著降低。,大直徑頭設(shè)計(jì)提高活動(dòng)范圍,“金屬大頭髖”由于沒(méi)有了內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，金屬臼杯比傳統(tǒng)臼杯總厚度降低，臼杯內(nèi)徑增大 相匹配的金屬股骨頭直徑增大（可與解剖股骨頭直徑相同）,大直徑頭設(shè)計(jì)降低髖臼變形,傳統(tǒng)的全髖置換手術(shù)中，金屬杯放置的方式是用打擊器固定在金屬杯的球面中心點(diǎn)進(jìn)行打擊；當(dāng)金屬杯被打擊嵌入骨組織

10、時(shí)，金屬杯邊緣會(huì)產(chǎn)生一定程度變形，變形會(huì)使金屬杯與臼襯、金屬杯與骨界面間隙產(chǎn)生影響，從而會(huì)增加假體間磨損程度。,大直徑頭設(shè)計(jì)降低髖臼變形,“金屬大頭髖”的金屬臼杯是單層，沒(méi)有中心點(diǎn)，打擊器為特殊的“吸附盤”，“吸附盤”邊緣與臼杯邊緣是整體吻合，金屬臼杯中心沒(méi)有單獨(dú)受力點(diǎn)，打擊吸附支架時(shí)作用力平均傳導(dǎo)到臼杯整個(gè)邊緣,大直徑頭設(shè)計(jì)降低髖臼變形,髖臼邊緣變形，局部磨損方式變?yōu)檫吔鐫?rùn)滑，摩擦率顯著升高,臼杯緣不產(chǎn)生變形，從而使得臼杯球形關(guān)節(jié)面均勻、“頭臼”間隙均勻、“液體薄膜潤(rùn)滑”作用不受影響，假體間低磨損率保持不變,大直徑頭設(shè)計(jì)提高活動(dòng)范圍,頭直徑與頸直徑比值增大，髖關(guān)節(jié)假體最大活動(dòng)范圍增大，“金屬

11、大頭髖”的設(shè)計(jì)活動(dòng)范圍可達(dá)141156度，明顯大于傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)假體活動(dòng)范圍。,大直徑頭設(shè)計(jì)降低假體脫位,脫位距離 與臼杯關(guān)節(jié)面匹配的股骨頭球面最高點(diǎn)至移出髖臼邊緣連線的距離增大,大直徑頭設(shè)計(jì)降低假體脫位,股骨頭中心點(diǎn)與關(guān)節(jié)緣撬撥脫位的距離（跳躍距離）；“金屬大頭髖”中臼杯內(nèi)徑增大、股骨頭直徑增大，發(fā)生脫位的“跳躍距離”顯著增大。這種假體結(jié)構(gòu)上的差異使“金屬大頭髖”術(shù)后關(guān)節(jié)活動(dòng)的穩(wěn)定性明顯增加、脫位發(fā)生率明顯下降、股骨頭與臼緣撞擊明顯減少,髖臼組件,臼杯應(yīng)有足夠的厚度，不至于在體內(nèi)過(guò)度變形 記住 這并不是具有彈性的臼杯！ 臼杯是一體化而非組合式！ !,需警惕的問(wèn)題,金屬離子濃聚 金屬過(guò)敏 介導(dǎo)免疫

12、反應(yīng) 金屬腎毒性 金屬致畸 尚需更多監(jiān)測(cè)和深入研究,血液和尿液中金屬離子含量,多中心研究報(bào)告顯示 紅細(xì)胞鈷水平相比MOP升高11倍 尿液中鈷水平相比MOP升高34倍 尿液中鉻水平相比MOP升高28倍,育齡期女性患者,金屬對(duì)金屬假體運(yùn)用于育齡婦女，理論上可能和基因誘變或畸變有關(guān)，但是目前還沒(méi)有確切的由于這種影響而出現(xiàn)缺陷的嬰幼兒病例出現(xiàn)，目前已專門有研究進(jìn)行這方面的探索。,育齡期女性患者,Ziaee et al證實(shí)了以前的報(bào)道鈷和鉻離子可通過(guò)胎盤對(duì)這些接觸胎兒的金屬離子的水平有一個(gè)調(diào)解（減少）機(jī)制。但在該實(shí)驗(yàn)的所有10個(gè)樣本中，母體血清金屬離子濃度都是處在正常水平。,育齡期女性患者,對(duì)于育齡婦女

13、應(yīng)該考慮理論上與暴露于金屬離子相關(guān)的胎兒的風(fēng)險(xiǎn)。由于這些理論上的風(fēng)險(xiǎn)，這些患者應(yīng)該首先考慮選用傳統(tǒng)的非金屬對(duì)金屬界面THA。推薦對(duì)于強(qiáng)烈要求行MOM2HRA的育齡婦女在手術(shù)兩年后再考慮懷孕，這時(shí)過(guò)了磨合期（run2in wear phase）,MOM,目前推廣速度最快的界面材料。 低于65歲的男性病人為主 35% 美國(guó) 2006（112095）,Milestones in Tribology (I),60s: First metal-metal bearings (McKee, Mller,etc.) 1962: Introduction of traditional polyethylene

14、 (Charnley) 1970: First ceramic-ceramic bearings (Zirconium) (Boutin) 1974: Modular stem/ femoral head taper connection,Milestones in Tribology (II),1988: First implantation of 2. Generation Metal-on-Metal 90s:New generation Ceramic-on-Ceramic (Aluminum) 1999: Introduction of highly cross-linked Pol

15、yethylene 2005: Introduction of composite ceramic,股骨假體設(shè)計(jì),假體領(lǐng),頸領(lǐng)底部與股骨距截?cái)嗝嫦嘟佑|，可防止股骨假體下沉；而無(wú)頸領(lǐng)結(jié)構(gòu)的股骨假體，則通過(guò)改變假體柄部設(shè)計(jì)防止假體下沉。 應(yīng)力傳遞到股骨上十分重要，假體的頸領(lǐng)設(shè)計(jì)有利于保持骨組織的軸向載荷，維持正常的應(yīng)力環(huán)境，防止失用性骨質(zhì)酥松；,假體領(lǐng),但頸領(lǐng)會(huì)阻止松動(dòng)假體的下沉而不能獲得假體二期穩(wěn)定，反而以頸領(lǐng)為支點(diǎn)，使松動(dòng)假體柄端在股骨髓腔內(nèi)出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步加快假體失效；亦有學(xué)者認(rèn)為股骨距承擔(dān)太大的壓力會(huì)對(duì)下端骨質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)；因此，引出了無(wú)領(lǐng)的非骨水泥固定假體的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。,假體體：

16、,是承傳剪切力，向下轉(zhuǎn)化為軸向壓力的關(guān)鍵部位。 體部大小因假體的整體設(shè)計(jì)而異，一般做得碩大，背（外）側(cè)尤厚實(shí)，而內(nèi)側(cè)則稍狹小，體部的橫截面可呈橢圓形、梯形等多種形狀,假體柄,假體柄是假體體部向遠(yuǎn)端延伸的部分。柄的橫切面呈近似長(zhǎng)方形或梯形，內(nèi)窄外寬，上端粗，下端狹，柄尖鈍圓。,柄形：,短弧柄優(yōu)還是直柄優(yōu)，支持者各執(zhí)一詞，均有理由證明各自優(yōu)勢(shì)。一般說(shuō)來(lái)，直柄假體適用于各種類型的病人，即使股骨解剖輕度異常也可使用；彎柄形和解剖型假體可提供較好的假體扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，但對(duì)于伴有股骨有解剖異常的病人，假體常難以植入。,骨水泥固定的全髖關(guān)節(jié)假體（略）,非骨水泥固定全髖關(guān)節(jié)假體,（骨-假體界面）,多孔表面非骨水泥固定股骨假體,為使假體長(zhǎng)期穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)骨假體的有效整體，人們?cè)O(shè)計(jì)不同的假體表面，是周圍骨質(zhì)能長(zhǎng)入假體表面孔隙中以達(dá)到固定的目的，這就是“多孔表面設(shè)計(jì)”。,All TM like,Tritanium,Regenere