人工全髋关节聚乙烯内衬的特点及搭配

张 明，袁 振

(山东省千佛山医院，济南 250014)

上世纪 60年代，Charnley提出低磨擦设计理论并设计出用金属股骨头和超高分子量聚乙烯髋臼组合的假体，开创了低摩擦人工关节假体的新时代。金属与超高分子量聚乙烯目前仍是最常用的摩擦界面组合，并成为衡量其他组合的金标准。目前临床采用的聚乙烯内衬可以与金属或陶瓷制成的股骨头搭配，金属股骨头均为钴铬钼合金制成，而聚乙烯内衬已经有了长足的发展，除超高分子聚乙烯(UHMWPE)外，超高交联聚乙烯(X-PE)已经用于临床并且取得了较好的临床效果。

1 聚乙烯内衬的特点

超高分子聚乙烯是一种线型结构的具有优异综合性能的热塑性工程塑料，其相对分子质量在 100万以上，具有耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能;另外，UHMWPE还有优异的生物相容性，除用于人工关节外，还用于制造心脏瓣膜。其具有良好的抗折断能力和耐磨性，制成的内衬可具备各种特定形状，如防脱位的高边、高偏心距内衬，高限制性内衬等，这是金属或陶瓷制作的内衬难以达到的。与陶瓷内衬相比，聚乙烯内衬不会出现碎裂。金属-UHMWPE摩擦界面的缺点主要在于聚乙烯磨损颗粒的危害。多项研究表明其线性磨损率为 0.1～0.2 mm/a，其磨损每年产生的颗粒多达 10亿，这些颗粒的直径 ＜10μm，能够沿假体与骨界面的微小间隙扩散并导致假体周围骨溶解的发生。有关磨损颗粒诱导骨溶解的机理尚不完全清楚，部分学者认为这种骨溶解主要是聚乙烯碎屑导致周围组织炎性反应所致。巨噬细胞吞噬或包绕磨损碎屑并分泌肿瘤坏死因子、白介素、前列腺素以及胶原酶等，这些局部介质激活破骨细胞，进一步引起骨质吸收和溶解;也有人认为是吞噬细胞不能“消化”这些耐腐蚀的聚乙烯碎屑，细胞坏死后释放蛋白酶导致骨溶解，并且没有被“消化”的聚乙烯碎屑再次释放，形成恶性循环。研究发现，当植入物稳定时，假体与骨的界面中没有骨长入的部分是一层细胞数目较少的胶原纤维组织;而当植入物松动时，该界面内充满大量的巨噬细胞。因此如何减少磨损碎屑的产生和碎屑产生后如何抑制局部异物反应，是材料学与临床医学要共同解决的难题。改善聚乙烯的磨损特性也就成为摩擦界面研究的主要方向。

制作工艺能影响 UHMW-PE的耐磨性能。制作聚乙烯部件的作用技术是压模加工和机械加工。压模加工是将聚乙烯材料轻度加温，然后用钢模压制成形;机械加工则是指用专业机械在常温下切割、抛光。压模制聚乙烯表现出较机械切削制聚乙烯更优良的抗磨性能，磨损率的差别可达 1倍以上。其原因被认为是切削制聚乙烯经历了从加温、加压、大块挤出到切削成形多个步骤，在非连续性生产过程中温度与压力具有不稳定性及间隙性特点，故聚乙烯材料中易形成空泡，分子量也不均匀，故抗磨性能也较差;与此相反，压模制聚乙烯将聚乙烯树脂直接转变为假体外型，整个过程一步完成，加温、加压较恒定，抗磨性能也较好。

提高聚乙烯内衬耐磨性的另一方法是交联。UHMW-PE在无氧条件下经 γ射线、电子束辐射可以引起分子间的交联，形成不规则的网状结构，成为高交联聚乙烯。与UHMWPE的线型结构不同，X-PE是在 UHMW-PE的线型基础上使其相互交联，分子间的交联能对抗分子间移动，有效抵抗垂直于分子主链轴平面的形变和磨损，明显提高聚乙烯的抗磨损性能，而且其机械强度和抗蠕变性能也更好。提高聚乙烯内衬的性能还需要消除其内的自由基。聚乙烯在消毒(不能高温消毒)和交联过程中经 γ射线照射或电子束辐射会产生自由基，在有氧条件下自由基可以迅速发生氧化反应，残留的自由基存在于聚乙烯分子内可达数年之久，与体内的氧分子相互作用后可使聚乙烯氧化变性，强度降低，脆性增加，更容易发生磨损。热熔处理能降低自由基残留，可明显提高聚乙烯的抗磨损和抗老化性能。经过超高交联和热熔处理的X-PE体外模拟测试显示其线性磨损率为 0.01～0.05 mm/a，因此可以非常明显地减少磨损颗粒的产生，而且其磨损颗粒的形态、数量和大小也与 UHMW-PE不同。UHMWPE内衬的磨损颗粒多为直径数微米的条形碎屑，是造成骨溶解和松动的主要原因，直接影响假体远期寿命。X-PE产生的磨损颗粒主要为纳米级的球形颗粒，组织学反应更小。X-PE的缺点是抗第三体磨损的能力下降，即当摩擦界面中夹有“异物”时其抗磨损能力下降。另外，其临床运用时间毕竟较短，大宗病例的远期随访结果尚待总结，而且不同厂家的高交联的工艺迥异，有待于进一步的提高和标准化。

2 聚乙烯内衬的搭配

从材质上讲，聚乙烯内衬可以与金属或陶瓷股骨头搭配。金属—聚乙烯搭配临床应用最多，较适合老年人;又由于其价格相对较低，也有不少中年人选择使用，但其不适合年轻人使用。陶瓷—聚乙烯的搭配是近年来有很多医生在使用，其磨损率有所降低，但是对年轻人仍需慎用。从金属股骨头的直径上看，目前仍在应用的金属股骨头的直径有22、24、26、28和 32 mm等，陶瓷股骨头直径有 28和 32 mm两种。为了防止聚乙烯内衬的过度蠕变和磨损，聚乙烯的厚度要大于 6 mm，所以患者关节大小决定了人工全髋关节的股骨头直径。越小的股骨头术后人工髋关节的脱位率越高，尽量选择直径较大的股骨头可以使人工关节更稳定，活动范围也越大，临床效果也就更好。