髋关节植入物发展历程、现状与趋势综述

塔娜 周梦 王玉海

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 捷迈（上海）医疗国际贸易有限公司 （上海 200131）

内容提要： 从髋关节植入物的组成和分类、国内外发展历程、植入物材料和关节界面发展等方面回顾了人工髋关节的发展历程和现状，并对人工髋关节未来的发展方向和研究热点进行了展望。

人工髋关节置换术是治疗股骨头坏死、髋关节发育不良、退变性髋骨关节炎、类风湿性关节炎等疾病终末期病变的最重要和最有效的手术之一。人工髋关节置换是指用生物相容性良好的材料制成的一种类似人体骨关节的假体置换被疾病或损伤所破坏的关节或关节面，以缓解关节疼痛、矫正畸形假体、改善关节的活动功能。

1.髋关节植入物组成与分类

1.1 髋关节植入物组成

常见的人工髋关节植入物通常包括髋臼部件、内衬、球头以及股骨柄四个部件。①髋臼杯：按照固定方式可分为骨水泥和非骨水泥固定型髋臼假体，用来修复或重建病损的髋臼。②髋臼内衬：通常采用生物相容性较好且耐磨损的高分子材料或生物陶瓷制备而成。③股骨头（球头）：可由耐磨的金属、陶瓷等材料制备而成，与髋臼内衬形成光滑耐磨的关节界面。④股骨柄：其柄部与球头连接以支撑新的髋关节，通常由金属材料制备而成。按照固定方式可分为骨水泥柄和非骨水泥柄。

1.2 髋关节植入物分类

根据置换范围的不同，人工髋关节置换一般分为表面关节置换、半髋关节置换和全髋关节置换。①表面关节置换：只更换患者病变髋关节表面软骨和部分软骨下骨，其设计初衷是为了尽可能多地保留骨组织以在假体失效后再次行人工全髋关节置换术时达到初次人工全髋关节置换术的效果。②半髋关节置换：又称人工股骨头置换，采用金属的人工股骨头置换病变的股骨头部分，髋臼侧保留自然的关节面，形成金属股骨头与自然髋臼软骨组成的关节副。③全髋关节置换：全髋关节置换术（Total Hip Arthroplasty，THA）被认为是最成功的骨科介入治疗措施之一[1]。

2.髋关节植入物国内外发展历程

人工髋关节置换从早期的探索阶段到今天较为成熟的发展阶段已有100余年的历史。目前，人工髋关节置换术已经普及并广泛应用。

2.1 国外发展历程

2.1.1 人工髋关节的早期探索阶段（1922年～1937年臼杯成形术）

1923年，美国外科医生Marius Smith-Petersen首次实践了股骨头表面玻璃杯关节成形术，被认为是髋关节置换的鼻祖。

1938年，Smith Petersen发现将钴铬钼合金材料用来做成钟状开头的金属杯，用于人工髋关节置换。

2.1.2 人工髋关节的初步形成阶段（1938年～1957年人工股骨头成形术）

1938年，英国Phillip Wiles在伦敦用不锈钢假体为6位患者进行了全髋关节置换术，用螺钉固定髋臼假体，用螺栓将股骨头假体固定在股骨颈上，被认为是第一位施行真正意义上的全髋关节置换的骨科医生。

1941年，美国Moore和F.R Thompson分别设计了长直柄人工股骨头和长弯柄股骨头假体，后来成了Muller、Harris全髋股骨头假体的原形。

1946年，Judet兄弟在法国采用了短柄的股骨头假体进行了半关节置换术，假体由丙烯酸酯热压成型直柄，由大转子下穿出。

1950年，Moore和Thompson分别设计了自锁式钴铬钼合金的人工股骨头假体，并投入临床使用。

1953年，George McKee使用改良的Thompson干和新的一体式钴铬合金套管作为新的髋臼。该假体模式被许多人借鉴，如Charnley在1965年用作了骨水泥型假体的模型。McKee被认为是对现代全髋关节置换术作出巨大贡献的学者之一。

2.1.3 现代人工髋关节的发展阶段（1958年～20世纪90年代）

1962年，英国的Charnley[2]医生设计出了22.225mm的金属股骨头和超高分子聚乙烯髋臼组合假体，并用骨水泥进行固定，从而创建了低摩擦的人工关节置换术。至今，Charnley的人工髋关节已成为衡量其他人工髋关节的“金标准”，他也被誉为“现代全髋关节置换术之父”。Muller是和Charnley同一时期的瑞士骨科医生，他在Charnley的基础上改进全髋假体，采用32mm的股骨头代替22.225mm的股骨头。这种大球头增加了髋关节的活动度，防脱位效果会更好。

2.1.4 人工髋关节的高速发展阶段（20世纪90年代至今）

在此之后，人工髋关节就进入了一个高速发展阶段，这个阶段也是骨水泥固定和非骨水泥固定（即生物固定）假体共同发展的阶段，在21世纪初，也开始出现基于增材制造的类骨小梁固定技术。

骨水泥固定型人工髋关节：在人工骨髋关节的发展史上，骨水泥占据着重要地位。在20世纪50年代后期，Charnley用牙科医生的水泥推广了这种技术。随后，骨水泥固定理论技术逐步为广大骨科医生所接受。骨水泥固定可以达到良好的早期固定效果，但仍存在碎屑颗粒引起的周围骨溶解现象以及疲劳效应导致的碎裂问题。理论上，加强假体表面的粗糙程度可以增强其与骨水泥的结合强度，但是目前仍存在争议。相信随着骨水泥技术的不断改进以及新型骨水泥材料的出现，骨水泥固定关节置换术依然会继续长期存在[3]。

非骨水泥固定型人工髋关节：科研工作者在20世纪70年代初开始探索发展非骨水泥固定假体，即“生物固定”假体来进一步改善关节置换术后的长期效果。其固定原理是利用骨长入（Bone Ingrowth）或骨长上（Bone Ongrowth）来固定假体。非骨水泥固定初期多采用螺钉或紧压配合等方法，并通过骨长入使骨与假体表面形成紧密地生物固定。为了达到骨与假体界面的牢固结合。

混合式固定技术：髋关节混合式固定提出于1989年，该方法结合了上述两种固定方式，即股骨柄假体采用骨水泥固定，髋臼假体采用非骨水泥固定。

目前，初次髋关节置换术髋臼侧固定倾向于非骨水泥固定方式，仅在翻修术中髋臼有明显骨质缺失时使用骨水泥固定。对于全髋关节置换，混合型固定也较为常见，即股骨柄侧使用骨水泥固定，而髋臼侧使用生物固定方式。

2.2 国内发展历程

中国关节置换植入物的开始比世界晚了几十年，同样可以分为几个阶段。

2.2.1 第一阶段早期艰难探索阶段（1950年～1970年）

自1957年开始，范国生教授采用Judet人工股骨头为7例高龄股骨颈骨折患者做了人工股骨头置换术，最长的1例随访了5年。这是目前我国现有文献中所能查到的最早的有真正意义的人工关节的报道。

2.2.2 第二阶段自主研发生产和国外产品涌入阶段（1970年～1990年）

随着我国改革开放，国外人工髋关节技术为我国医学界和工程界所了解，并引进到国内。具体反映在3个方面：①医工结合，开展研发工作。北京301医院卢世璧和北京621所、钢铁研究院等单位合作，系统开展了假体设计、关节柄制造、珍珠面制作工艺等研究，开发出我国第一款全髋人工关节。②诞生了一批民营企业。孙元以621所为依托组建了我国第一个人工关节产业——北京京航医疗器械公司。之后，我国人工关节民族企业和中外合资企业相继成立，产品虽然以仿制国外为主，但满足了我国低端医疗市场的需求。③与此同时，国外各大著名关节公司的产品通过销售代理纷纷进入中国市场，如Zimmer、Stryker、Depuy、Link、Biomet、Howmedica、LINK等，产品基本垄断了我国高端医疗市场。

2.2.3 第三阶段紧跟世界发展步伐——从追随到齐头并进（20世纪90年代至今）

从上世纪90年代至今，中国的人工关节可以说是迅猛发展，具体反映在4个方面：①通过优胜劣汰，一批民族产业脱颖而出，如北京百幕京航、爱康宜诚、春立正达，纳通、威高等。生产形成规模、设备先进，产品质量提升，开始进入自主研发阶段。②一批国外著名企业在中国落地建厂生产，如Zimmer、Biomet、强生、Stryker在浙江和江苏建厂进行本地化生产。③有实力的民族产业跨出国门，并购国外著名企业，生产面向国内外的产品。如上海微创骨科并购美国Wright公司的大关节部分，北京爱康宜诚医疗器材有限公司并购英国JRI Orthopaedics Ltd，开启了我国骨科植入物企业并购国外企业的先河。④在老一辈骨科工作者的带动下，我国陆续建立了各种高效的学会和组织团体，搭建交流凭条，鼓励原始创新，推动国际合作，促进人才培养[4]。

3.髋关节植入物材料及界面

3.1 髋关节植入物材料

目前常用于人工关节的材料主要包括金属材料、聚乙烯材料、陶瓷材料，还有一些临床应用较少或者正在试验阶段的材料，包括碳纤维、玻璃纤维以及PEEK等。

金属材料：包括金属和合金，其优势体现在具有良好的生物相容性、良好的综合力学性能、优良的抗生理腐蚀性能以及物理性能等。临床上常用的医用金属材料主要包括不锈钢、钴基合金、钛及钛合金等。

聚乙烯材料：主要有超高分子量聚乙烯和高交联超高分子量聚乙烯材料，因其优良的耐磨损、耐冲击、自润滑等性能，在临床中得到了广泛的推广和应用。针对传统超高分子量聚乙烯材料的不耐磨损和易氧化等问题，超高分子量聚乙烯的制造方法和加工工艺也进行了改进。目前较为理想和普遍接受的是高交联超高分子量聚乙烯和复合维生素E的超高分子量聚乙烯[5]。

陶瓷材料：主要有氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）和羟基磷灰石（Hydroxyapatite）生物活性陶瓷等。陶瓷材料不仅具有良好的生物相容性，而且具有超高硬度、耐磨损和耐腐蚀，能够有效解决金属假体材料的离子释放和高分子假体材料磨损颗粒引起的骨溶解问题。同时，陶瓷具有良好的亲水能力，作为人工关节可保证关节的润滑性。

表1. 目前常用的髋关节界面的优缺点对比表

3.2 髋关节植入物界面

根据人工股骨头和髋臼内衬材料选择的不同，其摩擦界面主要分为金属对金属界面（Metal on Metal，MOM）、金属对聚乙烯界面（Metal on Poly，MOP）、陶瓷对聚乙烯界面（Ceramic on Poly，COP）、陶瓷对陶瓷界面（Ceramic on Ceramic，COC）[6]。

对人工髋关节置换来说，假体材料选择和摩擦界面问题，是限制假体使用寿命的重要原因，也是影响手术长期疗效的关键因素。表1总结了几种关节面的优点和缺点，医生和患者在选择关节界面时可作为参考。

4.髋关节植入物发展现状与趋势

4.1 3D打印人工髋关节时代

作为20 世纪80 年代后期逐渐兴起的新型数字化成形技术，3D打印技术在医疗领域的发展已经得到越来越多的关注。

2007年，意大利外科医生Guido Grappiolo医生通过与Lima以及金属3D打印设备厂商Arcam合作合作，植入了世界上第一个3D打印的髋臼杯Delta-TT杯。

2010年，FDA批准了Intepprip®，这是一种由Exactech制造的髋臼杯，采用钛合金制成，表面采用3D打印制造。

2016年，在美国矫形外科医师学会年会上，全球医疗技术产品供应商施乐辉（Smith & Nephew）公司推出了基于CONCELOC技术的REDAPT修正髋臼全孔杯。

就国内来看，我国首个3D打印的人体植入物——人工髋关节产品于2015年获得国家食品药品监督管理总局注册批准，该产品也是国际上首个通过临床验证后获得注册的3D打印人工髋关节假体，标志着我国3D打印植入物已经迈进产品化阶段，并在技术、时间上与国际接轨，处于国内领先及国际相同的水平。

4.2 髋关节植入物发展趋势

微创治疗是近年来医学领域发展起来的一种新治疗手段，代表着医学发展的新方向。微创治疗技术试制以最小的侵袭和最小的生理干扰达到最佳手术疗效的一种新技术。而个体化治疗也是髋关节植入物的一个方向，近年来，作为世界第三次工业革命的标志性技术之一的增材制造技术，已应用于医学领域并得到了飞速发展。同时，智能化可谓大势所趋。计算机技术的快速发展促进了可视化技术的进步，它与日益完善的影像学技术结合，在关节领域形成了一种新的技术手段——计算机辅助手术，从而开启了关节手术向智能化方向的发展。

总之，无论国际关节生产商还是本土企业，只要计划继续在髋关节市场上分一杯羹，必须不断创新，推出更有竞争力和安全有效的产品。而如何保持假体的稳定性，提高材料的生物相容性；如何减低磨损，提高摩擦界面的耐久性；如何进一步减小创伤，提高患者术后的满意度等一直是各个髋关节研发企业关注的重点。目前来看，微创化、个体化和智能化是未来髋关节发展的主流趋势。