影响骨水泥型股骨假体固定相关因素分析

赵利民，区得炎，邓高用，肖荣驰

(桂林医学院附属医院，广西 桂林)

0 引言

虽然生物固定技术在远期随访中获得良好的效果，但是就目前相对于生物型固定来说，骨水泥型髋关节置换可以获得即刻稳定性，对于髋关节置换的翻修、老年不稳定骨折的髋关节置换、伴骨缺损的髋关节置换，骨水泥型假体相对更具有优势，有研究表明[1]在老年性股骨颈骨折性全髋关节置换术中，使用骨水泥固定的股骨假体6个月的随访中疗效明显优于非骨水泥固定。使用骨水泥股骨柄的髋关节置换术中，骨水泥是固定假体与股骨的介质，因此股骨与假体存在两个固定界面：假体-骨水泥界面和骨水泥-骨界面，这两个界面中的任一界面存在不稳定性，都有导致假体松动的风险。

1 骨水泥作为假体-骨水泥界面和骨水泥-骨界面共同的载体，起着充填及传递负荷的作用，因此骨水泥自身结构的稳定性影响着两个界面。

1.1 骨水泥复合物

目前骨水泥在材料学上的没有明显的发展，以固态粉末PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和(或)丙烯酸共聚物，混合液态单体MMA(甲基丙烯酸甲酯单体)为主流，但是一些研究人员在骨水泥中加入其它成分材料，以增强或者弥补PMMA的特性，增强PMMA机械强度、增强界面连接强度、降低PMMA放热反应和抗感染等特性。如Zang X等人[2]将双相磷酸钙(BCP)引入PMMA水泥中以制备可注射的复合骨水泥(BCPx / PMMA)，可促进大鼠骨髓间充质干细胞的生物矿化以及粘附，增殖和成骨分化。在Khandaker M等人[3]的研究中，将PMMA骨水泥和氧化镁、羟基磷灰石、壳聚糖、硫酸钡和二氧化硅的生物活性颗粒(尺寸从微米到纳米)的组合对PMMA的机械，热和电池功能性能的影响，研究结果表明掺有二氧化硅的PMMA试样的弯曲强度和断裂韧性明显高于其他试样。所有添加剂均延长了达到最高固化温度所需的时间，并显着提高了PMMA样品的细胞粘附力。Lin X等人[4]将镁颗粒加入PMMA中以制备表面可降解骨水泥(SdBC)，PMMA/Mg具有增强的骨整合、血管生成和抗感染性能。

1.2 骨水泥孔隙率

骨水泥内部的空泡会导致应力集中，导致骨水泥裂隙，孔隙较多使得裂隙叠加致使骨水泥套发生断裂。因此减小孔隙率可以防止或者减少疲劳发生的起始，增加机械强度。影响孔隙率的有不同的搅拌方式、骨水泥种类和骨水泥温度等因素。真空搅拌影响最大，孔隙率最小；中粘度水泥的孔隙率比高粘度水泥高；预冷水泥的孔隙率比室温水泥的孔隙率高。有研究人员[5,6]将骨水泥柄在植入前进行预热或者股骨管预冷将有效降低骨水泥在假体-骨水泥界面的孔隙率，界面的抗剪强度显著提高。但是对于同一类型的骨水泥来说，真空搅拌可以降低骨水泥内部孔隙率，但是对骨-骨水泥界面的孔隙率却无明显作用。

1.3 骨水泥鞘

骨水泥鞘的厚度会影响假体稳定性，骨水泥过薄会导致骨水泥断裂[7]，在Cristofolini等人[8]的研究中得出较薄骨水泥层厚度(1-2mm)显示出比标准厚度(2-3mm)有明显更多和更长的裂纹，骨水泥开裂和微动破坏显着增加。但是也有研究并不支持过厚的骨水泥层，如法国效应(French Paradox)，Numata等人[9]研究了法国股骨柄Charnley-Marcel-Kerboull(CMK)，CMK中的薄骨水泥层(2.5mm)产生有效的环向应力，而股骨假体和骨水泥稳定工作。髋关节置换的骨水泥技术由第一代发展为目前的第四代，假体中置器的使用已成为当前骨水泥型髋关节置换主流，使股骨假体处于髓腔中部，产生均匀的骨水泥厚度稳定假体，但是关于骨水泥鞘厚度的标准一直存在争议。

2 骨水泥-骨界面骨水泥与骨界面之间的固定

主要是通过骨水泥在骨与假体之间充填传导负荷，并在骨的蜂窝结构中的渗透来增强骨松质框架的强度，将骨松质转化成一种骨-骨水泥复合物，这是一种更加坚固的复合材料。其作用机制可简单归纳为：微观交锁及容积填塞。

2.1 微观交锁

骨-骨水泥界面的微观交锁是指面团期的骨水泥向骨小梁中渗透，在界面上形成交织。因此有限元分析得出，影响骨水泥与骨交锁的面积及深度的因素，都会影响骨水泥-骨界面的稳定性[10,11]。加压技术会将骨水泥进一步压入松质骨的骨小梁中，从而提高界面的结合强度。有研究[12]探讨了骨孔隙率与骨水泥界面抗剪强度的关系，认为越高的孔隙率产生的骨水泥界面剪切强度更强。Wang等人[13]就认为骨水泥界面的强度与骨水泥渗透到骨中密切相关，并将一种改良与常规股骨加压器设计相对比，研究结果得出改良的加压器在股骨模型中产生更长的较高压力持续时间，这种设计修改可以增强水泥渗入松质骨并可以改善股骨水泥固结。在髋关节置换术中，关于骨水泥粘度的选择有很多不同的观点。Falez等人[14]的研究认为低粘度水泥显示出大量的极性浓度，这种极性浓度可能被认为是早期植入失败的危险因素。它可能对股骨头有两种影响：生物性的(过度的局部放热反应可能导致骨细胞坏死)和生物力学的(可能导致股骨头的负荷分布不均)。Trela-Larsen等人[15]研究了骨水泥类型与初次全髋置换术后翻修风险之间的关系，认为不同粘度的翻修率之间没有明显的差异。

2.2 容积充填

界面孔隙率、髓腔清洁度、髓腔干燥度等因素会影响骨水泥与骨之间的充分接触及充填，达不到良好的充填作用而减少假体的使用寿命。尹一然等人[16]对比了髓腔干燥与非干燥情况下骨与骨水泥结合的强度，结论为相对干燥的骨髓腔环境可显著增加骨水泥-骨界面抗拉力和压力的力量，并可以明显提高骨水泥-骨小梁之间的微嵌合程度，提高骨水泥-骨界面间的稳定性。

2.3 骨水泥的热损伤

Berman等人[17]在兔模型中观察到在大于或等于70度的温度下，组织学切片始终可见骨坏死。在假体植入过程中，骨水泥发生聚合反应，并放热，其界面范围在40度至110度之间，热量释放到周围的骨组织中，使得骨受热损伤而坏死。骨组织中的坏死会导致植入物的早期松动，引起疼痛并缩短植入物的寿命。

3 假体-骨水泥界面假体-骨水泥界面的稳定性

主要考虑负荷转移的条件和假体与骨水泥界面的粘附性。此界面涉及股骨柄假体及骨水泥，骨水泥此前已叙述。根据负荷转移的条件可将骨水泥柄分为摩擦力闭合和形状闭合设计理念两种柄，前者通过假体柄与骨水泥发生相对微移位以增加摩擦力来平衡外力，不需要柄和骨水泥间存在连接，即抛光柄(Ra＜1.0um)，此类柄多为锥形、无颈领；后者通过宿主骨和骨水泥表面的形状达到骨水泥对柄的抓持，需要柄与骨水泥间坚固的连接，其受到的力主要为剪力，这样的柄需要磨砂或为纹理状的表面设计，即粗糙柄(Ra＞2.0um)，此类柄多为椭圆形形、有颈领。

骨水泥股骨柄的表面处理技术是影响假体-骨水泥界面的重要因素，粗糙柄与骨水泥存在物理连接，理论上，粗糙柄-骨水泥界面更稳定。如Wang等人[18]的研究中发现表面光洁度对界面强度影响最大，将表面粗糙度增加100倍可使界面剪切强度增加20倍。在Akiyama等人[19]的试验中表明随着金属表面粗糙度的增加，水泥的粘结强度也随之提高。Ebramzadeh等人[20]的研究表明在内侧-外侧方向，抛光柄的每周期运动比粗糙柄的每周期运动大43微米(P＜0.01)，且抛光柄比粗糙柄的下沉率更高。但是大量研究及临床证据表明，粗糙柄与骨水泥一旦发生解离后会加速出现骨溶解，造成假体-骨水泥界面的无菌性松动。Collis等人[21]在粗糙柄及抛光柄的研究对比中观察到，两者发生松动和即将松动的差异非常明显，因而推荐使用抛光柄。这一现象的主要原因是粗糙假体与骨水泥摩擦产生磨损颗粒，导致巨噬细胞的聚集，从而发生骨溶解。另外，在Crawford等人[22]的研究中认为沿粗糙和抛光柄沿柄-骨水泥界面的流体迁移存在差异，抛光的锥形杆密封了柄-骨水泥界面，比粗糙柄更不容易发生骨溶解。

也有证据表明不同的抛光程度存在不同程度的磨损，如Datir等人[23]，通过长达10年的随访后得出结论，具有亚光表面光洁度的股骨柄组件比具有光滑表面光洁度的类似设计的股骨柄具有不令人满意的10年生存期。由此可见骨水泥型的股骨柄假体表面抛光度越高稳定性越好。Hoskins等人[24]的研究证实抛光柄和亚抛光柄在早期到中期都具有出色的效果，但抛光杆的长期存活率要好得多，无菌松动是亚抛光柄的一个问题。

有学者将抛光柄与粗糙柄结合起来，将假体的近端设计成粗糙的表面，但是大量证据表明，这种设计并不能提高假体的生存时间，反而导致假体周围骨溶解。如Grose等人[25]的研究中使用近端粗糙的股骨柄进行全髋关节置换，19例随访两年以上，有9例出现严重骨溶解及松动而失败(47%)，失败率高的惊人。说明闭合形态固定柄及摩擦力闭合柄属于两个不同系统的固定方式要分清界限。

综上所述，骨水泥型股骨假体固定的因素影响从骨水泥、骨水泥-骨界面及骨水泥-假体界面分析过程中我们可以发现，大部分影响因素已经研究深入，但仍有不少问题亟待解决，知道弱点在哪，才能作出相应的改良，减少或消除不良影响的程度，提高患者满意度。