骨水泥聚乙烯内衬固定技术的生物力学研究*

卢伟杰李之琛陈艺陈东峰廖威明余楠生**

（1.广州医科大学附属第一医院骨外科，广州510120；2.中山大学附属第一医院关节外科，广州510080）

·基础研究·

骨水泥聚乙烯内衬固定技术的生物力学研究*

卢伟杰1李之琛1陈艺1陈东峰1廖威明2余楠生1**

（1.广州医科大学附属第一医院骨外科，广州510120；2.中山大学附属第一医院关节外科，广州510080）

背景：在因骨溶解和内衬失败进行翻修手术时，用骨水泥将新聚乙烯内衬固定于稳定金属髋臼内是可选择的手术方式。如果金属髋臼外翻或前倾角度不良，单纯更换内衬可有脱位的风险。

目的：了解聚乙烯内衬在一定范围内改变接触面积以骨水泥固定于金属髋臼内的早期力学强度。

方法：选用40个60mm外径的金属髋臼、40个28mm内径的聚乙烯内衬，其中8个聚乙烯内衬外径51mm为标准锁定组即对照组，32个聚乙烯内衬外径47mm按内衬与髋臼赤道面交角不同平均分为0°、10°、20°、30°四个实验组。内衬外表面纹理化后以骨水泥固定于金属髋臼内，各组分别进行杠杆及扭转力学实验，观察内衬或内衬-骨水泥界面失败的情况，测量标准锁定装置及骨水泥固定内衬的最大抗杠杆力及抗扭力扭矩。

结果：对照组所有内衬均出现分离或移位，实验组各组均未出现内衬-骨水泥界面的失败。4个实验组的最大抗杠杆力及抗扭力扭矩均优于对照组（P＜0.05）。实验组各组间最大抗杠杆力及最大抗扭力扭矩的差异无统计学意义（P＞0.05）。

结论：聚乙烯内衬以骨水泥固定于金属髋臼内可以获得足够的初始固定力学强度。聚乙烯内衬外表面纹理化后，内衬与骨水泥、金属髋臼接触面积减少在一定范围内不会影响内衬-骨水泥界面的初始固定力学强度。

髋关节；翻修；骨水泥；聚乙烯；生物力学

Background:ound:Cementing polyethylene liner into a well-fixed and w ell-positioned acetabularmetal shell hasbeen considered as an alternative procedure in cases of osteolysis or liner failure.If a stable cup was inappropriately inclined or anteverted, linerexchangewould be in risk of dislocation.

Objective:tive:To evaluate the strength of cementing polyethy lene liner into ametal acetabular shellw ith different contact areas in early term of the procedure.

Methods:hods:According to liner fixedmethodsand differentdegree versionsw ith respect to the shell,40 pairsofmetal acetabular cups and polyethylene linerswere divided into groups.51mm outer diameter(OD)linerswere fixed in 60mm ODmetal shellsw ith standard lockingmechanism and 47mm OD linerswere cemented into identical shells.Lever-outand torsion testswere performed to observe constructs'failandmeasure the early strength of standard lockingmechanism and liner-cement interface.

Results:ults:A ll liners w ith standard locking mechanism failed in control group,w hile none of liners in experimental groups were disengaged from the cementmantle.Lever-out and torque strength in experimental groupswere significantly greater than that in the control group(P＜0.05),but no significant difference was found between four cemented liner groups(P＞0.05).

Conclusions:ions:Cementing a polyethylene liner into awell-fixed shell is strong and safe in early fixation.With textured liner, declined contactareabetween polyethyleneand cementw illnotweaken the liner-cement interface.

全髋关节置换术后髋臼侧常出现聚乙烯内衬磨损、失败的情况，可手术单纯更换内衬，在无法获得原型号新内衬或金属髋臼锁定装置损坏时，也可以选较小外径的内衬以骨水泥固定于原金属髋臼内[1]。

生物力学研究[2,3]表明，此技术形成的聚乙烯-骨水泥-金属界面的早期固定强度优于或相当于髋臼假体标准锁定机制。有报道称，全髋翻修术中由于髋臼假体前倾角度不良而将内衬以骨水泥增加10°前倾固定[4]，结果良好。然而目前并没有对外倾或前倾角度不良的稳定髋臼进行骨水泥固定内衬的生物力学研究。内衬与髋臼假体的相对位置发生变化，内衬与骨水泥层的接触面积减小，理论上可能降低聚乙烯-骨水泥界面的固定强度，能否如此固定尚缺乏理论依据。

本研究通过体外力学实验，对标准锁定装置与骨水泥固定内衬的初始固定强度进行比较，评价内衬与骨水泥接触面积减小时固定是否可靠，探讨骨水泥固定内衬对于内衬翻修的临床意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料与准备

选用北京威高亚华人工关节开发有限公司生产的40个60mm外径、51.1mm内径的GMC金属髋臼以及40个GMC聚乙烯内衬，内径均为28mm，其中8个内衬外径为51mm，其余32个内衬外径47mm。金属髋臼与内衬采用双锥形自锁设计，内衬材料为高分子聚乙烯，内衬带15°防后脱高边。内衬由北京蒙太因医疗器械有限公司工厂使用机械车床精确加工，在距聚乙烯内衬赤道面5mm的位置，沿两条相互垂直径线于内表面开孔，共4孔，孔径5mm，穿透至外表面，以骨蜡封闭内衬内面开孔，固定内衬时骨水泥由外表面渗入孔内，模拟内衬纹理化（图1）。56mm外径的内衬在防后脱高边侧的外表面按弧度作0°、10°、20°、30°标记线（图2），固定内衬时，按照分组调整内衬角度，将标记线对准髋臼假体边缘，使内衬与髋臼的两个赤道面形成不同的夹角（图3），内衬与骨水泥之间的固定面积按弧度计算相应减少0、1/18、1/9、1/6。

图1 内衬开孔

图2 内衬外表面不同角度标记线

实验采用广州医科大学附属第一医院骨科矫形技术及植入材料重点实验室的新三思SANS CMT6104电子材料试验机（深圳新三思公司，中国）以及电子扭转试验机MTSCTT1202（MTS公司，中国）。骨水泥为天津市合成材料研究所生产的丙烯酸树脂骨水泥Ⅲ。订制力学实验所需的夹具及不锈钢撬棒、扭转杆。

1.2 实验分组

8个外直径51mm的聚乙烯内衬与金属髋臼配对作为标准锁定组即对照组，32个外直径47mm的内衬按内衬与金属髋臼赤道面交角不同分为0°、10°、20°、30°四个实验组，每组8对假体，再平均分为杠杆及扭转力学实验两个亚组。各组金属髋臼进行包埋时，按照分组将其赤道面与水平面的交角分别固定于0°、10°、20°、30°，骨水泥固定内衬时，除了参照内衬外表面弧度标记线外，所有内衬的赤道面均与水平面平行，保证各组内衬与髋臼赤道面形成相应的夹角，减少杠杆实验中的系统误差及避免扭转实验中由于扭转杆与内衬赤道面不垂直产生的剪切力。

1.3 力学实验

杠杆力学实验：如图4所示，髋臼假体包埋后加载于SANS电子材料试验机平台，将不锈钢撬棒一端插入内衬防后脱高边下方开孔内，在金属髋臼边缘外设支点，尾端由SANS系统加压平台施加负荷，载荷速度设为10mm/m in。以内衬分离、破坏或内衬-骨水泥界面分离作为观察结果，取位移-负荷曲线上相应的负荷最大值，通过力矩公式计算最大抗杠杆力。

扭转力学实验：如图5所示，将金属扭转杆一端的扭转叶片插入内衬内表面对称开孔内，加载于MTS电子扭转试验机对中装置上，施加扭转负荷，扭速设为每分钟2°。以内衬破坏或内衬在骨水泥层或髋臼中旋转为终点，在扭角-扭矩曲线中显示为抗扭力扭矩最大值，单位：N·m。

1.4 统计学方法

图3 内衬固定与髋臼假体包埋（A.10°组；B.20°组；C.30°组）

统计学处理使用SPSS 13.0软件，结果以均数±标准差表示，多组间均数比较应用单因素方差分析，经方差同质性检验后采用SNK法做两两组间比较。检验水准α=0.05，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

对照组中所有内衬均被撬出，与金属髋臼分离或在金属髋臼中扭转，均未出现内衬破坏。4个实验组中均未出现内衬-骨水泥界面的失败，内衬均被金属撬棒或扭转叶片划破。

杠杆力学实验及扭转力学实验结果见表1，各组结果比较如图6，7所示。两个实验各组样本的实验结果经正态性检验均符合正态分布。单因素方差分析显示杠杆力学及扭转力学实验各组间结果差异均有统计学意义（P＜0.05）。方差同质性检验显示各组实验结果方差齐性一致。SNK法比较各组间结果显示0°组、10°组、20°组、30°组抗杠杆力及抗扭力扭矩均强于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），0°组、10°组、20°组、30°组组间两两比较差异无统计学意义（P＞0.05）。

图4 杠杆力学实验图

图5 扭转力学实验图

表1 杠杆力学及扭转力学实验结果数据

图6 杠杆力学实验组间比较结果（*P＜0.05）

图7 扭转力学实验组间比较结果（*P＜0.05）

3 讨论

聚乙烯内衬失败是人工全髋关节翻修术的重要原因之一。髋臼外倾角、前倾角过大、肥胖、活动量大等因素易致传统聚乙烯内衬磨损、穿透；内衬与髋臼假体之间的微动、反复撞击使扣锁装置破坏、内衬松动脱出；聚乙烯磨损颗粒还可引起髋臼周围骨溶解。若术前没有发现金属髋臼松动的证据，术中检查金属髋臼固定牢固，可以选择保留金属髋臼，单纯

更换内衬[5]。若扣锁装置损坏或无法找到匹配内衬，可将较小外径的新内衬用骨水泥固定于原金属髋臼内，通过内衬外表面已有的环形凹槽或术中用摆锯在内衬外表面制作凹槽进行纹理化[4,5]，使骨水泥与内衬外表面之间交锁，加强固定。国内外临床报道[4,6,7]短期结果优良，具有创伤小、恢复快的优点，避免全髋臼翻修可能导致的骨量减少、骨盆不连续等问题。Koh等[8]回顾80例髋臼翻修术，均选择合并骨溶解的稳定髋臼病例，发现全髋臼翻修与单纯更换内衬在并发症、骨溶解进展、再翻修率、临床评分方面没有不同，认为在骨溶解病例如果金属髋臼固定良好，位置正常，可选择单纯更换内衬。对于位置不良的髋臼能否采用更换内衬翻修术则没有定论。Blom等[9]报道更换内衬术后脱位发生率高，认为更换内衬不适用于有髋关节不稳定史及髋臼假体位置不良的病例。而Beaule等[4]报道32例骨水泥固定内衬翻修术，其中6例因术中髋关节不稳定而将内衬增加10°前倾角后固定，术后平均随访5.1年，UCLA髋关节评分显著提高，有1例因关节不稳定于术后半年再次翻修，通过调整内衬角度获得髋关节稳定。以往的生物力学研究报道仅对内衬以骨水泥固定于原位的固定强度进行研究，未见调整内衬角度后对聚乙烯-骨水泥界面固定强度测试的报道。

我们的实验结果显示，各实验组抗杠杆力及抗扭力扭矩强度均显著大于对照组（P＜0.05），在一定范围内改变内衬角度，聚乙烯-骨水泥-金属界面有足够的初始固定强度。从内衬失败的情况看，对照组都发生分离或移位，其固定强度均未达到聚乙烯材料的屈服力值，实验组未见内衬-骨水泥界面分离，所有内衬均被金属撬棒或扭转叶片划破，其抗杠杆力及抗扭力扭矩最大值均超过聚乙烯屈服力。实验组各组间抗杠杆力及抗扭力扭矩强度比较没有差异(P＞0.05)，说明在一定范围内，内衬与骨水泥层的固定面积改变不影响其初始固定力学强度。Hofmann[2]等的生物力学研究证明骨水泥固定内衬于金属髋臼内的抗杠杆力与标准锁扣装置无明显差异，其扭转实验中纹理化内衬后行水泥固定的抗扭力则显著强于标准锁扣装置，而光滑表面的内衬固定后的抗扭力则与标准锁扣装置的差异无统计学意义。本实验中将内衬外表面开孔，水泥进入后凝固形成强大的锁扣机制，这种精确、易行的纹理化方式可避免摆锯使内衬粗糙程度不同导致的实验误差，在手术中也容易实施。

在内衬外表面纹理化条件下，内衬与骨水泥的固定面积减少1/6（金属髋臼与聚乙烯髋臼成30°夹角）也不会降低初始固定强度，其结果能为金属髋臼位置不良时行内衬更换改向固定提供实验依据。实验中，我们设置30°组，可以模拟髋臼外倾75°时将内衬固定于外倾45°的情况，虽然其界面固定强度与0°、10°、20°组没有差异，但并不能说明实际手术中可以对外倾75°的髋臼假体采用此种手术方式，关节医生可能更倾向于施行全髋臼翻修术。

与多数体外实验相同，本实验采用的杠杆与扭转力学实验不能完全模拟体内内衬失败的机制，仅能反映内衬-骨水泥界面的早期固定力学强度，对内衬-骨水泥界面进行髋关节模拟循环运动后再测试远期固定强度则更能反映内衬以骨水泥固定于髋臼假体内的安全性。

金属髋臼稳定的翻修手术选择何种术式目前并无指南，更换内衬翻修术对于内衬磨损而髋臼假体稳定、全身情况不适合全髋臼翻修的病例尤为适合，可更换高交联聚乙烯减少磨损及允许髋臼周围植骨重建骨量[10]。全髋关节置换术后髋臼假体外倾、前倾角度不良较为常见[11]，本研究结果表明，在纹理化条件下，适当减少内衬-骨水泥界面面积不会影响内衬-骨水泥界面的初始固定力学强度，可能为此类患者的髋关节翻修术提供另一种可选择的手术方式，但仍需要进一步的实验和临床研究。

[1]Haft GF,Heiner AD,Callaghan JJ,et al.Polyethy lene liner cementation into fixed acetabular shells.J Arthroplasty, 2002,17(4 Suppl1):167-170.

[2]Hofmann AA,Prince EJ,D rake FT,et al.Cementation of a polyethylene liner into a metal acetabular shell.JArthroplasty,2009,24(5):775-782.

[3]M auerhan DR,Peind l RD,Coley ER,et al.Cementation of polyethylene liners into well-fixed metal shells at the time of revision total hip arthroplasty.JA rthroplasty,2008,23 (6):874-878.

[4]Beaule PE,Ebramzadeh E,LeDuff M,et al.Cementing a liner into a stable cementless acetabular shell:the doublesocket technique.JBone Joint Surg Am,2004,86(5):929-934.

[5]Jiranek WA.Acetabular liner fixation by cement.Clin Orthop RelatRes,2003,417:217-223. [6]Springer BD,Hanssen AD,Lewallen DG,et al.Cementation of an acetabular liner into a well-fixed acetabular shell during revision total hip arthroplasty.JArthroplasty,2003, 18(7Suppl1):126-130.

[7]刘志宏,冯建民,杨庆铭,等.单纯聚乙烯内衬更换在髋关节翻修手术中的应用.中华关节外科杂志(电子版),2009, 3(5):547-551.

[8]Koh KH,Moon YW,Lim SJ,et al.Complete acetabular cup revision versus isolated liner exchange for polyethylenewear and osteolysiswithout loosening in cementless total hip arthroplasty.Arch Orthop Trauma Surg,2011,131 (11):1591-1600.

[9]Blom AW,Astle L,Loveridge J,etal.Revision of an acetabular liner has a high risk of dislocation.JBone Joint Surg Br,2005,87(12):1636-1638.

[10]Lombardi AV Jr,Berend KR.Isolated acetabular liner exchange.JAm Acad Orthop Surg,2008,16(5):243-248.

[11]卢伟杰,金大地,李之琛,等.全髋关节置换术后髋臼假体外倾角的临床研究.中国临床解剖学杂志,2012,30(2): 233-236.

Biomechanicsstudy of polyethylene liner cementing intometalacetabular shell*

LUWeijie1,LIZhichen1,CHENYi1,CHEN Dongfeng1,LIAOWeim ing2,YU Nansheng1**
(1.Departmentof Orthopaedics,The FirstA ffiliated Hospital,Guangzhou MedicalUniversity,Guangzhou 510120; 2.Departmentof JointSurgery,The FirstA ffiliated Hospital,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510080,China)

ords:Hip;Revision;Cement;Polyethylene;Biomechanics

2095-9958（2015）08-0 348-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2015.04-017

广东省科技厅项目（项目编号：2013B021800306）；广州市属高校科技计划项目（项目编号：1201420096）

**通信作者：余楠生，E-mail：yunans1940@163.com