全陶瓷人工髋关节的研究进展

马军峰，刘志斌，贾 托，葛郁龙

(延安大学附属医院骨科，陕西 延安 716000)

1 人工髋关节的研究背景

1.1 人工关节置换的发展历史

人工关节置换外科的发展历史，应首先追溯到20世纪40年代人们为改善髋关节功能所作出的辛勤探索，正是由于这些先人的卓越才知和贡献，才开创了今天人工髋关节外科的辉煌[1]。因此，人工关节置换是由髋关节起步，然后拓展到全身其他关节如膝关节、肘关节、肩关节及踝关节，继而发展到指间关节和掌指间关节。人工椎体、人工椎间盘、人工髓核和人工骨则是近20年到30年的事，人工腕关节直到今天仍然不能令人满意[1]。故人工髋关节的发展，很大程度上是演绎了人工关节的发展历史。没有人工髋关节的研究和发展，就不可能有今天人工关节的发展和完善[1]。

1.2 国外人工关节的发展历史

Gluck(1890)对髋关节强直患者采用切断强直部，以用象牙雕琢后作为头臼间隔为的关节成形为起始，到1918年Delbet采用增强橡胶股骨头治疗股骨颈骨折等早期髋关节成形的努力，是人工髋关节的起源。嗣后，髋关节屡试屡败，但始终蕴含着将来的巨大的发展前景[2]。近年来，人工髋关节外科仍然是骨科领域内进展最为迅速的亚学科之一。其进展主要表现在:生物固定新材料、保留骨量假体、新关节面材料的制备与配伍、高屈曲膝关节假体、微创人工髋关节置换手术，以及计算机辅助人工髋关节置换手术[6]。在过去的10年时间里，临床医生尝试了多种人工关节材料，诸如高交联聚乙烯(highly cross－linked polyethylene)，金属对金属，陶瓷对陶瓷甚至金属对陶瓷和陶瓷化地金属对金属(ceramic－like coating)等多种髋关节界面[5]。大量针对磨损性能的髋关节模拟器研究屡见不鲜。但多如牛毛的文献资料却又常常令人迷惑，存在的问题是缺乏统一规范的实验方法，同时相当数量的实验中心获得了商业资助。想客观的评价某种界面选择，现在下结论还为时过早，至少还需要另外10年的临床观察。

1.3 国内人工关节的发展历史

我国人工髋关节起步于20世纪60年代，以范国声(1963)首先报告应用Judet型塑料人工股骨头治疗内收型股骨颈骨折为起点[3]。70年代后期，在王桂生等领导下，成立了我国最早的人工关节专业委员会，人工关节置换的知识与经验才在国内逐渐推行，病例数和疗效逐年扩大和提高[4]。人工髋关节的发展，反映了我国人工关节的发展历史。我国人工髋关节外科发展所经历的历程，是以我国在较长时间里一直开展着多种多种髋关节成形术为基础的[6]。人工全髋关节置换成形在我国主要大中城市开展近十年左右而不衰，并逐渐在中小城市推广，假体的材质和加工工艺经过几番改进，至90年代后期，其应用已基本在全国城乡普及[5]。

2 陶瓷的特性

2.1 陶瓷的耐磨性及可湿性

陶瓷对陶瓷髋关节界面仅从磨损率来分析，陶瓷对陶瓷的界面无疑是具有明显的优势的。比如，标准髋关节模拟器上测得28 mm陶瓷对陶瓷界面的磨损率低于0.1 mm/106次[7]。但由于陶瓷部件对制造的大小和形状有限制，因此尚未出现大直径的陶瓷髋关节。因此，也没有通过增加直径获得接近流体润滑机制的优势[8]。但陶瓷材料具有很好的可湿性(wettability)，这对它对液膜的紧密吸附又有积极作用。从陶瓷髋翻修取出的假体上观察到表面的条纹(stripe)，这种特殊类型的磨损是无法在普通的模拟器上复制实现的，一些学者把这种想象归因于髋关节假体瞬间的微小分离(micro－separation)和由此产生的边缘负重(head－rim contact)[9]。采用这种方法模拟得到的陶瓷界面在有条纹时的磨损率就上升到了1.4mm/106次[10]。同等条件下测得的高交联聚乙烯配伍金属球头磨损率仅较陶瓷髋高4倍[11]。如果这种特殊的磨损试验更接近现实情况，那么两种界面的磨损率就变得不那么明显了[12]。

2.2 陶瓷的生物活性

第三代生物陶瓷在摩擦学性质和机械学性质方面都有长足的进步。同金属对金属假体一样，陶瓷假体的磨损微粒体积和形状特点亦属于低生物活性类型。由此引起的并发症少见报道[13]。陶瓷的耐磨损和易碎裂是一对相伴而生的矛盾，近年出现的复合成分陶瓷在一定程度上解决了这一问题[14]。在氧化铝中加入氧化锆、氧化钇等成分作为添加剂，制成氧化锆强化的氧化铝陶瓷(Zirconia Toughned Alumina ZTA)，氧化锆陶瓷晶体散布于氧化铝晶格之间，利用其在外力作用下可以改变相态的特性，起到缓冲作用来吸收应力，加入锆、锶等氧化物还可以在氧化铝晶体间形成“小板”样的晶体结构，这样的氧化铝陶瓷(ZTPA)硬度和韧度进一步提高，可以被加工成更多的形状和厚度，以适应临床上的多种需要[15]。使用这种特殊陶瓷材料，甚至可以在直径只有28 mm的陶瓷球头内嵌入直径18 mm的金属适配套管，也不影响假体的强度[15]。陶瓷的高硬度使得其脆性极高，由于这个原因，早期设计的假体失败率、颗粒磨损和假体骨折的发生率均较高。回顾失败的机制，归结为以下三个方面:①“边缘－应力”假体，即外翻角较大的假体应力作用于髋臼假体的边缘;②发生了半脱位或脱位;③股骨颈直接撞击髋臼缘导致陶瓷碎裂。经过相当多的临床实践，人们才认识到坚固的陶瓷假体的惰性特征不能诱导骨长入到骨－假体界面[15]。因此，移动和松动存在于早期设计的髋臼假体。由于过去使用的单一结构的非骨水泥固定髋臼假体，如有螺纹的聚乙烯臼杯、陶瓷臼杯等效果不佳，因此开发了新的组合式髋臼假体。这种髋臼分两部分，外层为金属的螺旋臼或半球形的压配合臼杯，内层为聚乙烯或陶瓷衬垫。金属外杯表面的涂层使骨－假体界面间具备较好的继发稳定性。压配合假体的边缘较髋臼锉稍大可提供早期的稳定性。稍大的假体在广泛区域内产生压力并在髋臼负重区域和软骨下骨产生紧密的摩擦。半球形压配合假体要求只去除少量骨质，而且要保护髋臼底的生理结构[15]。衬垫采用锥形边缘匹配概念，这种设计可保证陶瓷和聚乙烯衬垫与外杯间有较大的旋转稳定性，衬垫和外杯间的相对活动被消灭。影响磨损的因素很多，例如，假体的材质、假体设计、假体植入的位置及初期的稳定性、聚乙烯厚度与股骨头直径、假体撞击，以及患者自身的因素等[16]。

3 结语

综上所述:硬度高且生物相容性好的氧化铝陶瓷关节的引入，是否能够防止或至少延迟因颗粒磨损而引起的假体远期松动目前仍有争论。从影响磨损的因素来看:主要是磨损颗粒。如聚乙烯颗粒、骨水泥颗粒、金属颗粒、陶瓷颗粒。聚乙烯颗粒数量是影响骨溶解的重要因素[17]。陶瓷的耐磨损和易碎裂是一对相伴而生的矛盾，近年出现的复合成分陶瓷在一定程度上解决了这一问题，且陶瓷碎屑可被看做是惰性物质，不散发出离子也不发生生化反应。第三代生物陶瓷在摩擦学性质和机械学性质方面都有长足的进步。仅从磨损率来分析，陶瓷对陶瓷的界面无疑是具有明显的优势的。陶瓷材料具有很好的可湿性(wettability)，同金属对金属假体一样，陶瓷假体的磨损微粒体积和形状特点亦属于低生物活性类型。由此引起的并发症少见报道。全髋关节置换中采用大直径股骨头假体有着许多理论上的优势，如髋关节活动度更大、关节脱位可能性更低、可能提高患者的本体感觉等[18]。因此，全陶人工髋关节具有很好的发展前景，是未来生物型人工关节研究的主要热点之一。

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