膝关节植入物发展历程、现状与趋势综述

塔娜 张帅 郝瑞星

1 国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心 （北京 100081）

2 北京爱康宜诚医疗器材有限公司 （北京 102200）

3 施乐辉医用产品国际贸易（上海）有限公司 （上海 200120）

内容提要： 膝关节植入物用于膝关节假体置换，对一些保守治疗效果不佳的膝关节严重病变和畸形具有消除疼痛、矫正畸形、恢复功能的作用。文章对膝关节植入物组成与分类，国内外发展历程、现状与趋势进行了综述。

膝关节是下肢的主要关节，其结构和功能都是人体关节中最复杂的[1-3]。同时，膝关节也是最容易受到病损的关节之一。膝关节置换手术是治疗膝关节严重病变和畸形有效手段[4]。成功的膝关节置换术可在长时间内显著缓解患者膝关节疼痛、改善膝关节功能，保障下肢站立的稳定性和日常生活所需的关节活动功能[5]。

本文以综述形式对膝关节植入物的组成与分类，国内外发展历程、现状与趋势进行介绍。

1.膝关节植入物组成与分类

1.1 膝关节植入物组成

膝关节植入物由股骨髁假体、胫骨假体及髌骨假体等主体假体和髓内延长杆和增补垫块（包括股骨侧垫块、胫骨侧垫块和其他骨缺损填充块）等附属假体组成。

1.1.1 股骨髁假体

股骨髁假体主要由髌股滑车槽、髁关节面和髁间窝等部分组成。髌股滑车槽与生理髌骨/髌骨假体配合形成髌股关节面，髁关节面与胫骨垫片假体配合形成胫股关节面。髁间窝部分则根据交叉韧带及侧副韧带功能情况不同，按限制形式分为限制型（后稳定型）、半限制型（保留后交叉韧带型）及非限制型（双交叉韧带保留型）。

股骨髁假体的材料在前期主要为不锈钢，后期逐渐发展为钴铬钼合金，并成为市场主流材料。除此之外，也有部分厂家对股骨髁表层进行涂层或者改性处理。

1.1.2 胫骨假体

胫骨假体一般分为两种：一体式胫骨假体和分体式胫骨假体。一体式胫骨假体通常由超高分子量聚乙烯制造而成。分体式胫骨假体通常由胫骨垫片假体和胫骨平台假体两部分组成，胫骨垫片假体由超高分子量聚乙烯或高交联超高分子量聚乙烯制造而成，胫骨平台假体由钛合金或钴铬钼合金加工而成。胫骨垫片假体下表面与胫骨平台假体配合，起到固定和限位作用；胫骨垫片假体上表面与股骨髁假体配合形成人造胫股关节面。胫骨平台假体由平台、龙骨等部分组成，分为固定平台和活动平台。固定平台假体植入人体后，平台部分与胫骨垫片假体锁合形成固定配合，无相对转动和滑动。活动平台假体又分为移动平台和转动平台。龙骨部分插入胫骨髓腔，起到固定胫骨平台假体的作用。

1.1.3 髌骨假体

髌骨假体是由超高分子量聚乙烯或高交联超高分子量聚乙烯制造而成，通常带有金属材质的显影丝。

1.1.4 髓内延长杆

针对股骨髁假体和胫骨平台假体需要加强固定的情况，应使用髓内延长杆，优化假体植入后的力学分布，防止假体无菌性松动发生。通常，髓内延长杆由钴铬钼合金或钛合金材料制造而成。

1.1.5 垫块

针对股骨或胫骨缺损量较大的情况，应使用垫块。垫块分为股骨垫块和胫骨垫块，由钴铬钼合金或钛合金制造而成。

1.2 膝关节植入物分类

根据膝关节植入物替代位置的不同，可将其划分为单间室、双间室和三间室膝关节植入物[6]。其中，单间室植膝关节植入物是指用于替代膝关节内侧或外侧间室的胫股关节面、髌股关节面的假体。双间室膝关节植入物是指同时替代膝关节的内侧和外侧间室的胫股关节面的假体。三间室膝关节植入物是指用于替代膝关节内侧和外侧间室的胫股关节面，以及髌股关节面的假体。由于双间室和三间室膝关节植入物只有是否包括髌骨假体的差异，因此，下文在分类介绍时将两者合并介绍。

1.2.1 单间室植入物

单间室膝关节植入物根据其置换部位的不同主要分为单髁植入物（分为内侧和外侧单髁植入物）、髌股关节面植入物。①单髁植入物主要包括髁部件、垫片和胫骨部件，用于置换单个病变的股骨和胫骨间室的假体，使整个关节的软组织和其他间室的关节软骨得以保留，极大限度地保留了膝关节的生理功能。②髌股关节面植入物是伴随着双间室膝关节植入物发展起来的，但后来在针对髌股关节面的单一病变中具有良好的治疗效果，后期逐渐发展为专门针对髌股关节面病变的置换假体。

1.2.2 双间室和三间室植入物

根据交叉韧带保留情况和侧副韧带功能情况，双间室与三间室膝关节植入物主要分为非约束后稳定型假体、半约束后稳定型假体、半约束后侧和双侧稳定非铰链式假体、铰链式旋转假体和铰链式无旋转假体。

非约束后稳定型假体：手术过程中，前交叉韧带和后交叉韧带同时保留或只保留后交叉韧带的情况下采用非约束后稳定型假体进行置换。常见的非约束后稳定型假体有XR（前后交叉韧带保留型）假体和CR（后交叉韧带保留型）假体。①XR型假体是为适应手术过程中前交叉韧带和后交叉韧带同时保留情况的非约束后稳定型假体。XR型假体胫骨左右平台通过假体前部连接，后部分离设计为平台中间脊和前后前后交叉韧带预留空间；股骨髁后髁部位无凸轮设计，呈分离状，为前后前后交叉韧带预留空间；垫片分左右两部分，分别与胫骨平台左右锁合。②CR假体是为适应手术过程中仅保留后交叉韧带情况的非约束后稳定型假体。CR型假体股骨髁后髁部位无凸轮设计，呈分离状，为后交叉韧带预留空间。胫骨垫片和胫骨平台通过锁合机制进行配合固定，无相对运动。

半约束后稳定型假体：常见的半约束后稳定型假体是PS（后交叉韧带切除型）假体。针对前后交叉韧带均因病变切除的患者，可使用PS假体。PS型假体主要的设计特征为股骨髁假体后部的凸轮及胫骨假体中部的立柱，立柱与凸轮配合起到后交叉韧带的作用，防止胫骨过度后移导致的胫骨脱位。

半约束后侧和双侧稳定非铰链式假体：是针对前后交叉韧带均已病变或切除的膝关节复杂初次置换和翻修患者开发的。常见的半约束后侧和双侧稳定型非铰链式假体是CCK（髁限制型膝关节）假体。通常，CCK假体的胫骨垫片和胫骨平台通过锁合机制进行配合固定，并通过专用螺钉将垫片和平台进行加强锁定，使胫骨垫片和胫骨平台之间无相对运动。

铰链式旋转假体和铰链式无旋转假体：是针对翻修患者或者膝关节骨肿瘤患者出现大段骨缺损的情况开发的。其中，铰链式旋转假体除了恢复膝关节屈曲运动外，还具备一定的旋转功能；铰链式无旋转假体仅能实现膝关节的屈曲运动。

2.膝关节植入物国内外发展历程

2.1 国外发展历程

2.1.1 早期探索阶段

通过修正病变膝关节关节面达到改善膝关节功能的设想是在19世纪中叶提出来的。

20世纪40年代，Campbell受髋关节金属单杯置换的启发开始在膝关节上尝试类似的金属假体对磨损的股骨髁进行修复。后来Smith Perterson对这一技术进行了改进，在金属假体上增加了固定柄以提高假体的固定效果。1958年，Mc Keever研制出了胫骨半关节置换假体，金属托假体安放至胫骨平台与股骨髁形成摩擦关节，虽然此假体由于股骨髁磨损疼痛失败，但其胫骨假体下方的龙骨结构对后续关节的设计具有启发意义。

2.1.2 铰链式膝关节植入物发展阶段

上世纪50年代，Walldius设计了带有内部铰链和髓内固定柄膝关节假体。这种假体最初使用丙烯酸材料，后来开始使用金属材料。由于该假体属于完全限制性假体，只允许膝关节单一平面上活动，因而不符合正常膝关节的生物力学特点，导致假体-骨水泥-骨组织界面应力异常集中，术后失败率高。

进入20世纪70年代以后，研究者们对铰链式膝关节假体进行了改进设计，在维持铰链式假体良好内在稳定性的基础上，抛弃了单轴铰链结构，改用连结式结构，使得假体具有一定范围内的多轴向活动能力，这样更符合人体解剖要求。这类假体的主要代表有：Guepar型、球心型和Sheehan型。

2.1.3 现代膝关节植入物发展阶段

20世纪70年代是膝关节置换发展史上的重要转折时期。膝关节假体之间从单纯的铰链式发展到非限制性假体。通过对膝关节解剖以及生物理学的深入研究，人们对膝关节的复杂运动模式有了更为深入的了解。在此基础上出现了一系列的假体设计、概念和技术，并一直沿用至今。

1970年Freeman和Swanson（生物力学教授）合作设计了Freeman Swanson Knee。这款膝关节是真正意义上现代膝关节的起源。1971年，在Freeman研发膝关节的同时，他的一位同学John Insall在纽约特种外科医院世界上首款双髁膝。通过保留交叉韧带来重建膝关节解剖结构，恢复自然自然膝关节运动。1978年，Insall和Burstein研发了首款后稳定型膝关节Insall-Burstein膝。大多数现有的PS假体都来源于Insall-Burstein膝。

2.2 国内发展历程

大约在20世纪60年代，我国开始开展关节置换手术，相关的关节植入物才开始发展。前期各类关节产品均进口自国外，或者由国内企业代工国外产品。1986年，吕厚山教授从美国学习回国后，与当时国内的人工关节制造商合作引进了先进的生产制造技术，开发了我国第一代人工膝关节产品和配套工具。

之后，伴随着计算机辅助设计技术、数据库技术、材料技术、临床手术技术、先进制造技术的发展，我国膝关节植入物设计、制造能力不断提升，膝关节植入物质量品质逐步达到国际先进水平。

3.膝关节植入物发展现状与趋势

3.1 基于增材制造的膝关节植入物开发与制造

目前，3D打印技术在膝关节植入物领域主要有以下方面的应用：①3D打印膝关节实体模型；②3D打印膝关节手术导航模板；③3D打印定制个性化及特殊需求的膝关节植入物[7]。截至2017年底，FDA已经审批了超过100个3D打印医疗产品。这些产品既有来自Stryker、Zimmer和Smith &Nephuew等大型跨国企业，也有来自国内医疗器械企业，如爱康医疗等。

3.2 膝关节植入物发展趋势

关节置换的目的是为了重现关节以实现其原有的功能。目前，临床手术中使用的膝关节植入物是依据大样本解剖数据进行的均一化设计，但每个患者的病情程度及病变范围都有不同，导致植入物的大小、型号通常不能完全匹配，给术中植入物的选择造成一定困难。依据患者个体膝关节病变情况定制膝关节植入物，可提高治疗效果。因此，面向患者的关节植入物的个性化设计、快速高质量制造、精准化临床应用是现代骨关节发展的重要方向，目的是重建骨结构、维持生物稳定性、恢复运动功能。

随着相关学科的飞速发展，膝关节植入物行业将会获得长足进步，主要表现在膝关节新产品开发和临床手术技术方面。膝关节新产品开发主要体现在多维度生物型新材料及动力学膝关节假体，多维度生物型新材料主要体现在运用3D打印技术制造出与人类骨组织结构和弹性模量一致的、生物相容性良好的、具有诱导骨长入能力的、耐磨损、耐腐蚀的复合材料；动力学膝关节假体主要体现在新一代膝关节植入物将在新型生物材料基础上开发出与自然膝关节结构一致的植入物。该植入物临床应用过程中，要求实施手术者进行髋臼-膝-髁生物力线、屈曲轴线、胫骨平台倾斜角度等多因素立体对位，实现术后患者运动与自然膝运动效果一致。

4.小结

膝关节植入物由股骨髁假体、胫骨假体及髌骨假体等主体假体和髓内延长杆和增补垫块等附属假体组成。膝关节假体在国外经历了早期探索、铰链式膝关节植入物和现代膝关节植入物三个发展阶段。我国膝关节植入物制造和应用起步较晚，但是国产A3系列膝关节植入物设计水平、制造能力和产品质量均达到国际先进水平。随着科学技术的进步和人类对生活质量要求的提高，多维度生物型新材料及动力学膝关节假体和新型手术技术将会出现，并使置换后的膝关节逐步达到自然膝的效果。