非骨水泥型膝关节假体的临床应用进展

孙孟帅 曹晓瑞 闫昭 朱锦宇 朱庆生

（第四军医大学西京医院全军骨科研究所关节外科，西安710032）

随着材料学、假体制作工艺的进步与革新、非骨水泥型髋关节假体在临床的广泛应用以及患者年轻化，非骨水泥型膝关节假体再次成为临床研究热点，大量文献[1-3]回顾表明其临床效果确切。全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）后假体无菌性松动、假体周围感染、骨溶解等并发症是影响假体长期生存率的常见原因。非骨水泥型髋关节假体凭借手术时间短、创伤小、出血少、松动率低、易于翻修、避免骨水泥植入综合征等优点，已逐渐取代传统骨水泥假体主体地位，成为髋关节置换的首选[4]。行TKA的患者平均年龄在逐渐下降，到2030年需要行TKA的患者中＜65岁所占比例将超过60%[5]。Carr等[6]统计发现，行TKA患者年龄越小其术后翻修率越高，＜55岁年龄组术后翻修率比＞75岁年龄组增加5倍。因此，迫切需要生存率更高、性能更好且易于翻修的膝关节假体，以满足对术后关节功能要求较高、预期寿命较长的年轻患者[7]。

1 不同类型膝关节假体应用情况

根据人工膝关节假体固定方式分为骨水泥固定型、非骨水泥固定型（生物型）及混合固定型膝关节假体。目前，骨水泥固定型膝关节假体被称为TKA的“金标准”，广泛应用于临床；骨水泥单体聚合膨胀渗透至骨小梁中，加固松质骨，扩大应力传导范围，提高对医师技术偏差和骨质的容忍度。然而骨水泥型膝关节假体面临诸多缺点，如骨水泥单体毒性、组织热损伤、骨水泥摩擦颗粒介导无菌松动、骨水泥衰老退变等[8]，使骨水泥型假体的长期生存率受限。早期研发的非骨水泥型假体存在螺钉钉道溶解、胫骨平台松动、髌骨假体失败、聚乙烯衬垫磨损等问题[2]；目前，非骨水泥关节假体在关节置换领域应用逐渐增多，在髋关节置换中已获得满意的长期临床应用效果，骨水泥型髋关节假体作为补充多用于存在严重骨质疏松、股骨髓腔为Dorr C型的患者，以获得可靠的初始稳定[9]；非骨水泥假体在髋关节置换中的成功应用为在膝关节置换中应用提供了理论及实践支持，非骨水泥型膝关节假体逐渐应用于年龄较轻、骨质较好的患者。混合型则是根据两种不同固定方式、假体特性，优化关节假体组配以获得较好的临床效果。目前研究[9,10]显示，混合型相对于完全骨水泥或非骨水泥型，效果相似或略有优势。非骨水泥型股骨假体与骨水泥型胫骨假体匹配的混合型膝关节置换在解决胫骨平台螺钉钉道骨溶解、股骨假体周围骨水泥碎屑导致的三体磨损、骨水泥对周围组织热损伤等缺点方面获得良好临床效果[11,12]。骨水泥型股骨假体与钽金属骨小梁胫骨假体组配同样获得较高的假体长期生存率[2,13]。骨水泥与非骨水泥型膝关节假体特性比较如表1所示。

2 非骨水泥型膝关节假体一般特性

早期非骨水泥型假体生存率低于骨水泥型[2,14]，新一代非骨水泥型假体通过等离子喷射、高温烧结将羟基磷灰石、钛金属被覆到假体基体或通过化学气相沉积技术使钽原子沉积到网状玻璃碳网中的碳结构中制成钽金属骨小梁组件，使假体表面具有高摩擦系数、生物相容性、骨长入诱导性。依靠较高的表面摩擦系数提高初始稳定，通过诱导成骨细胞和间充质细胞定植促进骨长入，从而实现假体长期生物固定。

2.1 非骨水泥型假体表面处理

羟基磷灰石是人体骨组织的主要无机组成成分，表面经羟基磷灰石处理的假体植入体内后，解离出钙和磷与骨组织结合形成化学键并诱导新的骨组织长入后获得长期稳定性[15]。研究[16]证实，在髋关节假体周围脱落的羟基磷灰石晶体颗粒直接介导骨溶解过程，并且颗粒越细其生物活性越高；随着涂层溶解、吸收出现机械强度降低、假体微动，继而引起下沉、松动，影响长期稳定性。钛金属涂层是将钛金属通过高温烧结和等离子喷涂技术在假体基体表面形成颗粒孔隙样、珍珠孔隙样或丝孔样结构，通过诱导骨长入增加关节假体表面与骨的接触面积，避免假体—骨界面的应力集中引起的应力遮挡。其次，将钛金属涂层经过纳米化处理后改变其表面光滑而惰性的性状，增加成骨细胞的附着、增殖诱导新骨形成[17]。钛金属涂层假体虽然在表面机械强度、耐腐蚀性及假体长期稳定性方面优于羟基磷灰石涂层假体，但在植入早期，钛金属涂层在骨诱导功能方面稍逊羟基磷灰石涂层假体。临床长期观察[18]发现，与羟基磷灰石涂层相似，钛涂层假体同样存在涂层脱落而导致假体松动现象。广泛应用于髋关节置换领域的β钛合金（Ti6Al4V）虽然有生物相容性及力学性能较高等优势，但其弹性模量高于骨骼，易发生应力遮挡，且其组成成分Al、V对人体不利[19]。

表1 骨水泥与非骨水泥型膝关节假体特性比较

钽金属骨小梁假体依靠网状表面、0.98的高摩擦系数获得初始稳定，避免了对效果不确切螺钉的使用；结构上与骨小梁相似—孔隙率为75%~80%、平均孔径为547 μm，促进骨长入达到生物自锁固定[20]。钽金属骨小梁假体生物相容性最佳、孔隙率最大、高摩擦系数、＜5 mm间隙术后都能被填充、弹性模量与骨松质相似更符合生物力学传导特性、减少假体应力遮挡，并且具有潜在抑菌作用等优点，能够有效促进骨组织长入假体孔隙、防止假体松动和下沉，从而提高假体的长期生存率[21,22]。

2.2 假体磨损

假体无菌性松动与聚乙烯衬垫、骨水泥、金属假体磨损颗粒激活破骨细胞相关[23,24]，当磨损颗粒在每克组织内的数量＞1010个这一阈值时，骨溶解极有可能被激活，假体周围骨溶解吸收出现无菌性松动[25]。羟基磷灰石涂层、钛金属涂层及钽金属骨小梁等非骨水泥型假体固定理念避免了因骨水泥老化、退变、碎裂、磨损及应力遮挡而引起的骨溶解[13]。其次，目前膝关节假体衬垫材质为超高分子量聚乙烯，可进一步降低磨损颗粒的产生。股骨假体选用非骨水泥的混合型膝关节假体在避免非骨水泥假体胫骨假体系列问题的同时，也避免了骨水泥碎屑清除不彻底引起的三体磨损[10-12]。钽金属一体化胫骨平台（tantalum monoblock tibial component,TMT）与传统胫骨平台托、聚乙烯衬垫组配安装不同，是将衬垫直接压缩连接到胫骨假体基板上，达到一体化设计，较组配式减少了衬垫背面与胫骨假体之间的微动磨损[25]。通过固定理念改变尽量减少或避免传统骨水泥固定型假体磨损因素，减少磨损颗粒诱导的骨溶解骨吸收，提高假体长期生存率。

2.3 假体表面抑菌化处理

假体周围关节感染是关节置换术后灾难性并发症，在TKA中发病率约为0.5%~2.0%，是术后翻修的重要原因。细菌定植于假体表面形成生物膜，造成难以控制的假体周围关节感染，引起骨溶解、吸收。在假体表面存在着骨组织长入和细菌定植的竞争性抑制，因此，对假体表面进行处理使其更利于自身骨组织长入并通过竞争性抑制作用抑制细菌在假体表面的定植、增殖[26]。促进骨长入是非骨水泥型假体的设计理念核心，假体界面粗糙化、纳米化等设计诱导骨长入同时降低了细菌定植风险[27]；但有相关报道[28]显示，虽然生物假体材料界面利于骨长入，但也增加了细菌定植的风险，感染仍不可避免，假体表面涂层抗菌化处理仍是最可靠方法；一项关于细菌在不同材料假体表面粘附性的研究发现，最常见的金黄色葡萄球菌在纯钽表面粘附性较纯钛、钛合金及不锈钢等材料低。通过等离子植入、抗生素涂层、功能性抗菌集团组装使假体表面通过化学键、非化学键与抗菌活性物质结合获得抗菌活性，抑制细菌定植[27]。

2.4 假体翻修情况

尽管假体制作工艺和手术操作技术提高使假体生存率逐渐提高，但预计在2030年膝关节翻修率将达到14.5%[29]。假体取出困难、骨质缺损是TKA术后翻修的常见难题，骨水泥在聚合过程中通过膨胀作用渗透到周围骨松质当中，骨水泥取出时连带大量骨组织增加骨缺损且常面临取出困难。非骨水泥型假体理论上可获得更好的长期稳定性和更高的长期生存率，但这并不意味着非骨水泥型假体翻修时会增加假体取出难度；如TMT假体取出时利用震荡锯及高速磨钻破坏骨假体界面，利用环钻、骨刀取出钽金属角钉，可尽量减少金属碎屑、保留骨量，几乎无骨质丢失并保存完整的骨床利于再次假体植入[30]。

3 临床随访结果

Ritter等[14]对73例非骨水泥型膝关节假体进行20年随访发现，没有螺钉固定的膝关节假体同样获得良好的关节功能，胫骨平台假体20年生存率达96.8%，无股骨假体失败病例。Lizaur等[31]对93例患者进行随机分组，股骨假体均为非骨水泥型，根据胫骨假体分为骨水泥组（48例）、非骨水泥组（45例），进行平均6.7年（5~12年）随访发现骨水泥组存在4例胫骨假体松动，而非骨水泥组仅有1例胫骨假体出现松动，两者并无统计学差异；但发现在膝关节临床评分上非骨水泥组优于骨水泥组。Nam等[32]观察钛金属涂层假体与骨水泥假体两组患者术后早期情况，均获得较好的膝关节功能情况及患者满意度，两组膝关节假体均未出现早期失败。Martino等[33]对2002年至2005年期间应用TMT假体行TKA的33例（33膝）患者进行＞10年随访，仅考虑胫骨平台有无无菌性松动、骨溶解，关节假体的生存率为100%；截止到最后随访，无患者出现影像学上假体松动、移位、应力遮挡现象。Kamath等[34]对100例钽金属骨小梁假体与312例骨水泥假体进行为期5年的前瞻性随访研究发现，在手术时间上骨水泥组较非骨水泥组长，术中失血、围术期并发症及手术花费无明显差异；非骨水泥型假体未出现影像学透亮线，而骨水泥组部分假体周围存在透亮线，推测生物型膝关节假体将表现出更高的生存率。对于体重对非骨水泥固定效果的影响，Lizaur等[35]开展了一项前瞻性研究，肥胖组（BMⅠ≥30 kg/m2）与非肥胖组（BMⅠ＜30 kg/m2）各171例，发现两组假体7年稳定性及临床恢复效果无明显差异，肥胖组间亦无明显差异，但肥胖组围术期相关并发症相对较多。

4 展望

目前，骨水泥型膝关节假体虽然仍是TKA的金标准，然而，非骨水泥型膝关节假体尤其是钽金属骨小梁膝关节假体已获得良好的早、中期临床结果。虽然，骨质疏松患者存在的早期假体移位、长期骨长入问题使非骨水泥型膝关节假体的适用范围仍然相对局限，以及目前许多关节外科医师仍习惯于传统骨水泥假体手术，尤其在我国非骨水泥型膝关节假体开展较少、假体费用较高，其临床应用相对局限，但非骨水泥假体为医师、患者提供了更多的选择。非骨水泥型关节假体能够避免应用骨水泥的缺点，同时具有诱导骨长入、减少应力遮挡，钽金属骨小梁假体还存在表面抑菌活性等优点，从而获得更高的假体长期生存率；且易于翻修并在最大程度上保存骨量，因此是预期寿命较长、活动量较大、骨质较好的患者的最好选择。

[1]Mont MA,Pivec R,Ⅰssa K,et al.Long-term implant survivorship of cementless total knee arthroplasty:a systematic review of the literature and meta-analysis.J Knee Surg,2014,27(5):369-376.

[2]Niemeläinen M,Skyttä ET,Remes V,et al.Total knee arthroplasty with an uncemented trabecular metal tibial component.JArthroplasty,2014,29(1):57-60.

[3]Fernandez-Fairen M,Hernandez-Vaquero D,Murcia A,et al.Trabecular metal in total knee arthroplasty associated with higher knee scores:a randomized controlled trial.Clin Orthop Relat Res,2013,471(11):3543-3553.

[4]Hossain M,Andrew JG.Ⅰs there a difference in perioperative mortality between cemented and uncemented implants in hip fracture surgery?.Ⅰnjury,2012,43(12):2161-2164.

[5]Kurtz SM,Lau E,Ong K,et al.Future young patient demand for primary and revision joint replacement:national projections from 2010 to 2030.Clin Orthop Relat Res,2009,467(10):2606-2612.

[6]Carr AJ,Robertsson O,Graves S,et al.Knee replacement.Lancet,2012,379(9823):1331-1340.

[7]Dalury DF.Cementless total knee arthroplasty:current concepts review.Bone Joint J,2016,98-B(7):867-873.

[8]Gao F,Henricson A,Nilsson KG.Cemented versus uncemented fixation of the femoral component of the NexGen CR total knee replacement in patients younger than 60 years:a prospective randomised controlled RSA study.Knee,2009,16(3):200-206.

[9]Makela KT,Matilainen M,Pulkkinen P,et al.Failure rate of cemented and uncemented total hip replacements:register study of combined Nordic database of four nations.BMJ,2014,348:f7592.

[10]Petursson G,Fenstad AM,Havelin LⅠ,et al.Better survival of hybrid total knee arthroplasty compared to cemented arthroplasty.Acta Orthop,2015,86(6):714-720.

[11]Perry CR,Perry KⅠ.Femoral component survival in hybrid total knee arthroplasty.Orthopedics,2016,39(3):181-186.

[12]Yang J,Yoon J,Oh C,et al.Hybrid component fixation in total knee arthroplasty.JArthroplasty,2012,27(6):1111-1118.

[13]De MartinoⅠ,D'Apolito R,Sculco PK,et al.Total knee arthroplasty using cementless porous tantalum monoblock tibial component:A minimum 10-Year follow-up.J Arthroplasty,2016,31(10):2193-2198.

[14]Ritter MA,Meneghini RM.Twenty-year survivorship of cementless anatomic graduated component total knee arthroplasty.JArthroplasty,2010,25(4):507-513.

[15]Nozaki K,Wang W,Horiuchi N,et al.Enhanced osteoconductivity of titanium implant by polarization-induced surface charges.J Biomed Mater ResA,2014,102(9):3077-3086.

[16]Laquerriere P,Grandjean-Laquerriere A,Jallot E,et al.Ⅰmportance of hydroxyapatite particles characteristics on cytokines production by human monocytes in vitro.Biomaterials,2003,24(16):2739-2747.

[17]Webster TJ,Ejiofor JU.Ⅰncreased osteoblast adhesion on nanophase metals:Ti,Ti6Al4V,and CoCrMo.Biomaterials,2004,25(19):4731-4739.

[18]黄成龙,赵常利,韩培,等.纳米化表面钛合金内植物的界面组织学和生物力学评价.中国组织工程研究与临床康复,2011(21):3867-3870.

[19]Hu B,Chen Y,Zhu H,et al.Cementless porous tantalum monoblock tibia vs cemented modular tibia in primary total knee arthroplasty:A Meta-Analysis.J Arthroplasty,2017,32(2):666-674.

[20]Levine B,Sporer S,Della VC,et al.Porous tantalum in reconstructive surgery of the knee:a review.J Knee Surg,2007,20(3):185-194.

[21]段永宏.钽涂层人工假体界面特性及生物学特性的研究.西安:第四军医大学,2011.

[22]Neuerburg C,Loer T,Mittlmeier L,et al.Ⅰmpact of vitamin E-blended UHMWPE wear particles on the osseous microenvironment in polyethylene particle-induced osteolysis.Ⅰnt J Mol Med,2016,38(6):1652-1660.

[23]Ormsby RT,Cantley M,Kogawa M,et al.Evidence that osteocyte perilacunar remodelling contributes to polyethylene wear particle induced osteolysis.Acta Biomater,2016,33:242-251.

[24]周磊,翁习生,李涛.人工关节超高分子量聚乙烯磨损机制与研发现状.中国矫形外科杂志,2014,22(16):1471-1475.

[25]Barrack RL,Nakamura SJ,Hopkins SG,et al.Winner of the 2003 James A.Rand young investigator’s award.J Arthroplasty,2004,19(7):101-106.

[26]Baker PN,Khaw FM,Kirk LM,et al.A randomised controlled trial of cemented versus cementless press-fit condylar total knee replacement:15-year survival analysis.J Bone Joint Surg Br,2007,89(12):1608-1614.

[27]冯明光,刘忠堂,吴海山.生物型人工关节假体表面抑菌的研究进展.中华关节外科杂志(电子版),2012(06):946-951.

[28]Park MR,Banks MK,Applegate B,et al.Ⅰnfluence of nanophase titania topography on bacterial attachment and metabolism.Ⅰnt J Nanomedicine,2008,3(4):497-504.

[29]Kurtz S,Ong K,Lau E,et al.Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030.J Bone Joint SurgAm,2007,89(4):780-785.

[30]Sanchez MJ,Del SN,Leali A,et al.Case reports:Tantalum debris dispersion during revision of a tibial component for TKA.Clin Orthop Relat Res,2009,467(4):1107-1110.

[31]Lizaur-Utrilla A,Miralles-Munoz FA,Lopez-Prats FA.Similar survival between screw cementless and cemented tibial components in young patients with osteoarthritis.Knee Surg Sports TraumatolArthrosc,2014,22(7):1585-1590.

[32]Nam D,Kopinski JE,Meyer Z,et al.Perioperative and early postoperative comparison of a modern cemented and cementless total knee arthroplasty of the same design.J Arthroplasty,2017,32(7):2151-2155.

[33]De MartinoⅠ,D'Apolito R,Sculco PK,et al.Total knee arthroplasty using cementless porous tantalum monoblock tibial component:A minimum 10-Year follow-up.J Arthroplasty,2016,31(10):2193-2198.

[34]Kamath AF,Lee GC,Sheth NP,et al.Prospective results of uncemented tantalum monoblock tibia in total knee arthroplasty:minimum 5-year follow-up in patients younger than 55 years.JArthroplasty,2011,26(8):1390-1395.

[35]Lizaur-Utrilla A,Miralles-Munoz FA,Sanz-Reig J,et al.Cementless total knee arthroplasty in obese patients:a prospective matched study with follow-up of 5-10 years.J Arthroplasty,2014,29(6):1192-1196.