髋关节假体体外磨损试验的应用及研究进展

翟豹 张家振 阿茹罕 刘斌

20世纪90年代，人们认识到超高分子量聚乙烯（ultrahigh molecular weight polyethylene，UHMWPE）磨屑引起的骨溶解是髋关节假体的主要失效模式，人工关节制造商致力于改善材料性能和优化假体设计，推动了髋关节假体体外磨损试验标准方法的建立和发展[1-2]。目前，基于模拟步行的受力和运动的体外磨损试验标准（ISO 14242）已被业界广泛应用于评估髋关节假体的耐磨损性能，为髋关节假体设计开发、关节面材料性能的优化提供了大量的临床前测试数据支持。体外磨损试验结果显示，关节面磨损很大程度上取决于所使用的关节面材料和组合。常用的有硬对软关节（hardon-soft bearings），如金属对UHMWPE（metal-on-polyethylene，MoP）、陶瓷对UHMWPE（ceramic-on-polyethylene，CoP）；硬对硬关节（hard-on-hard bearings），如陶瓷对陶瓷（ceramic-on-ceramic，CoC）、金属对金属（metal-on-metal，MoM）和陶瓷对金属（ceramic-on-metal，CoM）。每种关节面材料和组合都有特定的磨损机理和特性。但是，有研究表明标准磨损测试的磨损模式与临床取出物的体内磨损模式相比存在一些差异。这可能是由于体内磨损与手术因素（如假体位置）、患者因素（如性别、年龄和活动水平等）[3]之间有很强的相关性，但是在标准磨损测试中这些因素都被归一化，不考虑其变化对关节假体磨损量的影响。本文基于体外磨损试验和临床磨损评价的研究文献，介绍体外磨损标准试验方法及其在髋关节设计开发中的应用，探讨体外磨损标准方法的局限、研究进展以及未来的发展方向。

1 髋关节假体体外磨损试验介绍

1.1 磨损试验机的类型及运动模式

髋关节假体磨损测试中最常使用2 种类型的关节模拟机: 轨道轴承型磨损试验机（orbital bearing motion，OBM），也称为双轴摇摆磨损试验机（biaxial rocking motion，BRM），以及三轴髋关节模拟机，也称为解剖学髋关节磨损试验机（anatomical hip wear simulator）。两种模拟机模拟人体步态周期的生物力学，ISO 14242-1 和ISO 14242-3 标准中规定了施加基于Pual 双峰[4]周期性载荷曲线，载荷峰值为3000 N（脚后跟着地到脚尖离地期间），最小值为300 N（摆动期间），髋关节假体模拟解剖位置安装。三轴髋关节模拟机采用独立控制系统来驱动屈曲-伸展（flexion-extension，F-E）、内旋-外旋（internal-external rotation，I-ER）和内收-外展（adduction-abduction，A-A）3 个旋转轴上的旋转运动并施加轴向载荷，从而可以更好地模拟不同的运动方式。ISO 14242-1 描述了三轴髋关节模拟机3 个旋转轴的运动波形，基于步行周期的多方向角度位移和轴向载荷的组合会在关节面上产生生理上相关的椭圆形磨损区域。ISO 14242-3 描述了轨道轴承型磨损试验机屈曲-伸展（F-E）和内收-外展（AA）2 种运动。楔形平台在髋臼部件下方旋转，防旋转臂提供了绕髋臼轴线的摆动旋转，摇摆运动具有正弦波形，等效于F-E 和A-A 正弦运动，2 种运动的相位差为/2，摆动幅度等于楔形平台与水平面的角度（F-E 和A-A 角度范围为±23°）。这2 种模拟机的结构示意图如图1 所示。

图1 轨道轴承型磨损试验机的结构示意图和三轴髋关节模拟机结构示意图[5]

Calonius 等[6]研究表明，2 种类型的磨损试验机都能使关节面在接触位置产生多方向角度位移和交叉剪切，然而关节表面上的滑动轨迹（即关节面上的点在相对面上运动路径）有很大不同，图2 显示了轨道轴承型磨损试验机和三轴髋关节模拟机的滑动轨迹。此外，轨道轴承型磨损试验机的A-A 运动范围几乎是行走时A-A 角度范围（大约12°）的4倍[7]，因此，每个周期的滑动距离和滑动速度都比实际行走运动更大。有研究表明，如果旋转控制杆的轴线不穿过关节中心，则会产生第3 种运动分量，即内旋-外旋（I-ER）[6]。文献报道了许多不同的髋关节模拟试验机会产生不同的磨损率[8]，两种模拟器测得的磨损率存在差别可能主要是由于关节面之间各个旋转轴角度位移不同导致关节面滑动距离不同（磨损区域的形状和面积不同）造成的。在实验室条件和输入曲线存在差异的情况下，需要谨慎对比和解释这些磨损率之间的差异。

图2 不同髋关节模拟机的球头和内衬表面滑动轨迹：A.轨道轴承型磨损试验机；B.三轴髋关节模拟机[5]

1.2 润滑介质

边界润滑在控制UHMWPE磨损中的作用引起广泛研究，髋关节磨损测试使用了多种润滑介质，包括水以及不同蛋白质浓度和类型的牛血清。研究表明，使用去离子水作为润滑介质会产生许多大尺寸片状磨屑，不能复制临床相关的摩擦学状况[9]，而牛血清中的蛋白质含量范围为3 ～70 g/L，会显著影响UHMWPE 的磨损性能[10-11]。ISO 标准规定了测试过程中的润滑介质和流体温度。润滑介质中的蛋白质浓度是磨损结果的重要影响因素，ISO 14242-1 标准规定润滑蛋白的质量浓度为（30±2）g/L，ISO 14242-3 标准规定润滑蛋白的质量浓度不低于17 g/L。研究表明，当增加蛋白质浓度会降低磨损，而降低蛋白质浓度会增加磨损，当达到非常低的蛋白质浓度时，磨损开始再次降低[12]。磨损试验过程中，高蛋白质浓度润滑介质中的蛋白质变性后会沉淀，并在UHMWPE 内衬和球头之间起良好的润滑作用，低蛋白质浓度润滑介质中磨损产生的UHMWPE 磨屑可能会积聚并阻碍关节面的磨损[13]。John 等[14]使用OBM 试验机对不同蛋白质浓度小牛血清中交联和常规UHWMPE 磨损进行研究，结果如表1 所示，浓度为25%牛血清中的磨损率明显高于浓度为50%和91%小牛血清的磨损率。ISO 标准规定润滑介质温度应控制在（37±2）℃，由于关节面摩擦产热，关节面接触位置的温度可能高于此温度[15]。通过将温度控制在37℃以下，可以减少蛋白质的变性和沉淀，并减少细菌污染，从而产生更加一致的摩擦学结果。另外，由于细菌的生长可能会增加牛血清中蛋白质的变性，添加诸如叠氮化钠之类的抗菌剂用来延缓细菌的生长，从而减少其对磨损的影响[16]。

表1 不同蛋白质浓度小牛血清中交联和常规UHWMPE 磨损率[14]

1.3 磨损测量方法

ISO 14242-2 标准规定了质量法和体积法2 种髋臼假体磨损量的测试方法。当采用质量法时，由于磨损试验过程中受载荷和温度的影响，髋臼假体（如UHMWPE 内衬）会吸收一定量的润滑介质，ISO 标准规定在测试过程中对照组样品保持与试验组相同的轴向加载和液体温度控制，用于校正试样样品增重对磨损量的影响，以获得较为准确的磨损测量值。另外，由于高交联超高分子量聚乙烯（highly cross-linked UHMWPE，HXLPE）的低磨损率，磨损率结果可能为负值，这意味着试验样品实际磨损量与对照样品液体吸收的质量变化在同一数量级，准确测量对照样品的变化量变得越来越重要[17]。但是，标准中未规定对照样品数量和与浸泡时间，各个实验室的操作规范的差异可能会造成髋臼内衬磨损量测量的差异。当采用体积法时，采用三坐标测量机（coordinate measuring machine，CMM）扫描初始样品表面，在不同测试周期间隔通过计算机算法比较磨损表面与初始表面扫描数据确定样品的体积损失。标准中规定了设备的测试精度和扫描点之间的间隔（不超过1 mm），扫描点的采集数量越高，测量的精度越高。

2 髋关节假体体外磨损试验的应用

ISO 14242 体外磨损试验对于评估髋关节假体的设计开发具有重要作用，基于良好的实验室控制条件和操作规范模拟人体行走步态时的关节承受载荷和运动角度范围，通常在试验机上进行并排比较测试保证试验结果的可比性，比较不同关节面材料和假体设计的耐磨损性能的差异，可以为材料选择和假体设计提供有益参考。

2.1 关节面材料的体外磨损研究

表2 列出了同一实验室在标准测试条件下的不同关节面材料髋关节假体平均磨损率的范围[18]。在各个关节面材料组合中，金属球头与UHMWPE 内衬（MoP）测得的磨损率最高，HXLPE 的磨损率显著低于常规UHMWPE。MoM 和CoC关节面组合的磨损率较低，MoM 的磨损率低于1 mm3/million cycles，CoC 的磨损率最低，在0.1 mm3/million cycles 以下。

表2 同一实验室在标准测试条件下的不同关节面材料髋关节假体平均磨损率[18]

辐照交联（如辐照类型、辐照剂量、辐照温度）、热处理（如重熔、退火、机械变形退火）、抗氧化剂添加（共混、扩散渗透）、灭菌方法等对于UHMWPE 内衬的耐磨损性能具有较大影响。Dumbleton 等[19]研究表明，第二代X3 HXLPE髋臼内衬的磨损率比常规UHMWPE 降低了97%，比第一代退火HXLPE 降低了62%。Galvin 等[20]在25%小牛血清润滑液中进行的体外磨损试验中，测得直径36 mm 的CoCrMo 和陶瓷球头对HXLPE 内衬的磨损率分别为（8.1±2.2） mm3/Mc和（5.8±1.8）mm3/Mc。Oral 等[21]使用AMTI 磨损试验机测得的28 mm 和36 mm CoCrMo 球头对维生素E 稳定UHMWPE 内衬的磨损率分别为（0.78±0.28）mg/Mc 和（0.97±0.49）mg/Mc，相当于常规UHMWPE 内衬的磨损率的十分之一。Affatato 等[22]报道，由于维生素E 的共混会影响交联过程的效率，维生素E 稳定的HXLPE 磨损比HXLPE 更大。McKellop 等[23]研究表明，在空气中 射线灭菌的UHMWPE 内衬磨损率低于环氧乙烷灭菌的内衬，这可能是由于辐射引起的交联提高了其耐磨损性能。在真空包装中进行 射线灭菌降低了内衬表面氧化程度，其磨损率开始时低于在空气中 射线灭菌的内衬，但是随着磨损深度的增加，两者的磨损率逐渐变得接近。

2.2 假体设计体外磨损研究

使用大直径球头会增加髋关节假体的活动范围和稳定性[24]，从而减少假体脱位的风险，但是会导致UHMWPE 磨损增加，在体内和体外都观察到磨损量随着球头尺寸增加而增加[25-26]。当关节面角度运动相同时，随着球头尺寸的增加，关节面的滑动距离增加从而导致磨损面积增加，因此，关节面的磨损量会随之增加。Liu 等[27]定义了常规UHMWPE 磨损率与球头尺寸之间的关系，当球头直径从28 mm 增加到36 mm 时，常规UHMWPE 的磨损率会增加1 倍。另外，使用大直径球头需要髋臼内衬更薄，可能导致髋臼内衬承受更高的接触应力从而增加磨损。Johnson 等[28]使用髋关节磨损试验机比较了不同厚度HXLPE 髋臼内衬的磨损性能，所有组件的内径均为36 mm，厚度分别为1.9 mm、3.9 mm、5.9 mm 和7.9 mm，测试进行了240 万次循环，平均磨损率分别为（5.0±0.5）mm3/Mc、（3.2±0.3）mm3/Mc、（2.5±1.1）mm3/Mc 和（2.2±1.3）mm3/Mc，结果表明髋臼内衬的磨损率随着厚度的增加而降低。

除了上述球头直径和内衬厚度因素外，关节面的表面粗糙度和间隙大小也会影响髋关节假体的磨损性能。临床取出分析结果显示，体内磨损会导致金属球头表面粗糙度逐渐增加[29]，这可能会逐渐增加UHMWPE 内衬磨损量，从而增加骨溶解的风险。Wang 等[30]研究了金属球头表面粗糙度对UHMWPE 内衬磨损量的影响，结果显示髋臼内衬的磨损率大约与球头表面粗糙度Ra 的平方根成正比，球头表面粗糙度增大一个数量级会导致髋臼内衬磨损率增加2 ～3 倍。对于MoM 假体的研究表明，具有较小间隙、较大直径球头可实现完全的液膜润滑，这有助于最大程度地减少磨损量[31]。

3 体外磨损试验的局限及研究进展

3.1 ISO 标准测试方法的局限

ISO 14242-1 和ISO 14242-3 标准规定的试验条件模拟了单一行走活动、平均体重的标准患者以及假体的位置和对线准确（如髋臼杯极轴与加载轴线之间角度为30°），通常进行500 万次循环试验（100 万～150 万次周期相当于体内1年的步行活动水平[5]），此类测试广泛用于比较髋关节假体不同材料、假体设计的耐磨损性能。由于髋关节假体在患者体内的磨损会受到患者因素（如体重、活动水平、关节液等[32]）和手术因素（可能存在髋臼撞击、边缘负载、微分离等）的影响[33]，ISO 标准试验获得的假体体外磨损结果可能无法完全代表假体在体内的磨损情况。Barbour 等[34]通过体外磨损试验研究UHMWPE 内衬的磨损机理和磨损表面，认为其与临床取出分析具有一定的相似性。但是，在体外磨损试验中无法再现临床取出分析中HXLPE 内衬过度磨损的失效模式[35]。Buell 等[36]研究了同一实验室对127 个相同HXLPE 制造的32 mm 内径内衬的平均线性磨损率为（0.008±0.004）mm/Mc；而Gaudiani 等[37]测得相同材料、相同规格内衬的体内平均线性磨损率为（0.0107±0.043）mm/year（陶瓷球头）和（0.0209±0.0249）mm/year（金属球头），结果显示体内磨损率的分布范围大于体外标准试验磨损率。MoM假体体外磨损试验在多个规格尺寸上均显示出相似的低磨损率，但这与临床实际中反映出来的结果并不一致，临床中MoM 假体的磨损率范围很广，个别患者观察到明显更高的磨损率[18]。Nevelos 等[38]在取出分析的CoC 关节面上观察到条带状磨损，在标准测试条件下，并未观察到这种条带状磨损。Jennings 等[18]认为，标准的步行周期模拟可以反映体内平均磨损率，但不能反映体内磨损率的变化范围和分布或者异常值（可能比平均水平高出100 倍），标准测试方法在开发和评估平均磨损率降低的设计（如HXLPE）方面非常有效，但是决定假体失效率处于何种水平的因素无法通过标准体外磨损试验来评估。

3.2 体外磨损试验的研究进展

3.2.1 边缘磨损

边缘磨损是指髋臼组件边缘由于边缘负载应力集中导致局部磨损增加，通常包括撞击、内衬边缘负载和微分离，通常与假体位置、假体设计和患者因素（运动范围和软组织约束）等有关。

临床研究表明，假体位置不良（过大的髋臼前倾）或设计不当（高边内衬、较小的头颈比）会导致内衬与股骨柄颈部撞击[39]，对于较薄的HXLPE 内衬，在撞击时应力集中区域可能发生过度磨损。Holley 等[40]研究了不同 射线辐照剂量UHMWPE 内衬的撞击磨损试验，2.8-Mrad、10-Mrad、20-Mrad 内衬的磨损率分别为（40.1±4.2）mg/Mc、（15.2±5.1）mg/Mc 和（67.9±24.2） mg/Mc。3 组均显示出点蚀和分层磨损形貌，但20-Mrad 内衬磨损最为严重。在撞击磨损试验中，HXLPE 内衬的磨损率和损坏程度明显高于标准磨损试验结果。

内衬边缘负载与髋臼杯倾斜角度有关，当髋臼杯安装的倾角较大时，关节面的摩擦接触区域将会移向内衬的边缘，导致内衬边缘负载，较小的接触面积和头部覆盖不足导致内衬边缘处的接触应力增加。Halma 等[41]研究了倾斜角度对维生素E 稳定HXLPE 内衬磨损量的影响，在80°倾角时，28 mm 内径内衬磨损率为（5.8±0.2）mm3/Mc，在45°倾角时的磨损率为（5.9±0.2）mm3/Mc。有限元分析显示髋臼杯倾角增大会导致接触应力增加，UHMWPE 内衬磨损率未出现明显增加可能与接触面积明显减小有关[42]。Angadji 等[43]研究发现，当倾角从35°增加到60°时，MoM 假体的磨损分别为（0.2±0.1）mm3/Mc 和（1.7±1.2）mm3/Mc，磨损率显著增加的原因是在高倾角时球头覆盖不全导致关节面润滑不足以及球头与内衬边缘接触导致表面粗糙度增加。在较大倾角的体外磨损试验研究中，CoC 假体的磨损率未出现显著增加[41]。

图3 髋关节假体微分离过程示意图：A.步态摆动阶段：微分离；B.脚后跟着地：边缘接触；C.步态站立阶段：关节面重新复位[44]

在位置良好的假体中，球头和髋臼内衬的旋转中心相匹配。但是，在临床使用中可能出现球头的偏距不足、内衬位置偏内、股骨柄下沉、撞击以及软组织松弛等情形，这些情形会导致球头和内衬的旋转中心微分离。如果分离程度超过关节面的径向间隙，则可能会发生边缘载荷[45-46]，如图3 所示。Williams 等[47]研究表明，在微分离和边缘载荷条件下，中等交联UHMWPE 的磨损率比标准测试结果降低了78%，微分离导致髋臼内衬的边缘产生了变形和磨损，但减少了磨损区域的表面积。尽管在微观分离条件下UHMWPE 的体积磨损可能较小，但临床上已观察到HXLPE 内衬的变形、蠕变、疲劳破坏和边缘开裂[48]，对于UHMWPE 内衬，涉及边缘载荷的测试旨在评估变形、蠕变、疲劳断裂和耐久性。在标准测试条件下，与第三代CoC 假体相比，Delta 陶瓷假体的磨损性能没有表现出明显区别，但是，微分离会导致CoC 磨损增加、出现条带状磨损以及产生裂纹，Delta 陶瓷假体表现出更好的耐磨损性能[18]。此外，增加CoC 直径（36 mm 与28 mm 比较），较大的接触面积导致在微分离下磨损率更高[49]。Al-Hajjar 等[50]研究表明与增大髋臼倾角相比，微分离对MoM 假体（28 mm 和36 mm）的磨损率影响更大。Leslie 等[51]研究发现，在微分离下MoM 表面置换假体的磨损率比标准磨损测试结果增加了17 倍。

3.2.2 第三体磨损

ISO标准基于理想的关节润滑条件规定了小牛血清的蛋白质浓度，并且要求经过2 m 滤膜过滤去除第三体颗粒，但是，THA 患者关节液中可能含有第三体颗粒（如骨水泥颗粒、骨颗粒、涂层颗粒等），导致假体加速磨损[52]。Grupp等[53]研究表明，在含有骨水泥第三体颗粒的体外磨损试验条件下，Delta 陶瓷球头和CoCrMo 球头对HXLPE 内衬的磨损率分别为（5.9±0.6） mg/Mc 和（35.8±11.6） mg /Mc，与不含第三体颗粒情况相比，磨损率分别增加了2.95 倍和10.5 倍。

3.2.3 加速老化后磨损

临床取出分析表明，含有剩余自由基的UHMWPE 内衬在体内与关节液中的溶解氧或活性氧接触，会导致材料的老化从而造成体内磨损增加[54]。目前，体外磨损试验研究中采用的UHMWPE 老化方法主要是货架老化、实时老化和加速老化。Grupp 等[53]研究了UHMWPE（N2气氛中30 kGy剂量 射线辐照）、HXLPE（75 kGy 剂量 射线辐照，重熔，EO 灭菌）、0.1%维生素E 共混HXLPE（80 kGy 剂量电子束辐照，EO 灭菌）3 种髋臼内衬经过2、4、5、6 周加速老化（70℃，5 bar 纯氧）的体外磨损性能。经过2 周加速老化，UHMWPE 由于氧化表现出明显的磨损增加，而HXLPE 具有更高的抗氧化性。但是，经过5 周加速老化后，HXLPE也会开始氧化，并且磨损量增加。维生素E 稳定的HXLPE经过6 周加速老化后保持稳定的磨损性能。氧化锆陶瓷球头取出分析研究表明，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷与体液接触时，表面晶粒从四方相转变为单斜晶相，随着植入时间的延长，球头表面粗糙度增加、断裂韧性下降[55]。Al-Hajjar 等[56]研究了氧化铝增韧氧化锆陶瓷（Alumina-Toughened Zirconia，Ceramys®）和氧化锆增韧氧化铝陶瓷（Zirconia-ToughenedAlumina，Symarec®）假体在老化和微分离条件下的磨损性能，两种材料表现出较低的磨损率和较低的微观结构损伤。

目前，研究人员基于临床取出假体失效模式分析，开发出了多种测试方法模拟髋关节在临床使用中的多种情形，如边缘负载、撞击、微分离/半脱位、三体磨损等，ISO 和ASTM 标准化组织已经根据这些研究制定了ISO 14242-4、ASTM F2582、ASTM F3047 等多个体外磨损试验标准。此外，随着髋关节模拟机可控自由度的增加、控制软件的升级以及人体不同日常活动运动学和生物力学参数的采集，将来髋关节模拟机可以用于模拟假体更接近临床使用的情形，为企业设计开发髋关节假体提供数据支持。

4 小结

体外磨损测试可以在评估髋关节假体的性能中发挥关键作用，用于比较不同植入物材料或设计在标准或非标准条件的耐磨损性能。本文介绍髋关节假体体外磨损标准试验方法及其在假体设计开发中的应用，探讨体外磨损标准方法的局限、研究进展以及未来发展方向。随着接受髋关节置换术的患者年轻化趋势及患者对术后活动的期望日益提高，体外磨损试验将继续发挥其重要作用，有助于为患者提供更安全有效的髋关节假体产品。