维生素 E型人工膝关节在ISO标准步态与上楼梯运动下的磨损情况对比

2022-02-28宋一舟张采夫肖伟立华子恺

摩擦学学报 2022年1期

宋一舟,张采夫,肖伟立,华子恺

(上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072)

人工膝关节置换手术是在20世纪70～80年代首次广泛进行的，现在通常被认为是治疗终末期骨关节炎的有效方法.超过95%的膝关节置换都是为了治疗骨关节炎[1]，膝关节置换手术也被认为是最有效和经济的治疗手段.膝关节炎是一种以退行性病理改变为基础的疾患，主要的致病因素是软骨磨损，多患于中老年人群，其症状多表现为疼痛、肿胀，严重者活动会受限.全膝关节手术主要是为了缓减病患生理上的痛苦，在一定程度上减轻缓解病患心理负担，并恢复病人的正常活动，为病患创造更高的生活质量.随着人工膝关节置换手术的发展，根据Kurtz的统计，膝关节置换的数量在逐年增加，与此同时，如果以65岁作为年龄界限，小于65岁的全膝关节置换的患者数量也在逐年增加.1993年小于65岁的全膝关节的置换手术患者只占总数的25%到27%，到了2006年这个占比已增至41%到44%，据估计到2030年，这个占比将到达55%到62%，同时增速最快的年龄段为45岁到54岁[2].在另一个研究统计中显示年龄小于60岁的患者膝关节存活率低于较年长的患者[3].这些数据统计都说明全膝关节置换的需求总量在变大的同时，患者也逐步趋向年轻化，对于膝关节植物的性能和寿命的需求也日益增长.目前，主流的膝关节磨损试验为ISO14243系列标准，其中主要规范了人体膝关节步行的测试参数，该测试方法无法覆盖膝关节全部运动情况，面对日益年轻化的人工膝关节置换发展趋势，需要在磨损测试中考虑其他类型膝关节运动.随着研究的深入，人工膝关节磨损试验机单纯对行走步态的模拟研究也难以全面体现关节运动学特点和关节磨损量的变化，提供更多运动模式的设备也被更广泛地应用于学术研究中[4].

人工膝关节在体情况可以分为静态和动态两种，静态主要包括站立、坐姿和卧姿；动态主要包括步行[5]、上下楼梯、站坐站[6]、深蹲、跑步、跪下、盘腿坐[7]、转向[8]、跑步、进出车辆和浴缸的动作[9]等.由于静态下人工膝关节不会发生相对移动，故产生的磨损较小；相对而言，对于动态动作的分析有助于更真实地在体外膝关节磨损试验机中再现体内负载环境，主要研究对象包括各动作的频次分布和对应运动及动力学曲线参数.Villasenor等[10]使用了IDEEA和AMP-331两种活动检测装置组合的方式对29名TKA患者(50～82岁)进行了日常行为活动的跟踪研究.结果表明步行是主要的动态活动(80.1%)，其他活动为走走停停(7.7%)、上/下楼梯(2.0%/4.3%)、坐至站立(2.8%)、站立至坐(2.8%)和跑步(0.3%).从文献[10-12]的研究中可以发现，水平行走占据日常活动的比重大概为80%～90%，除此之外最值得关注的就是上下楼梯和坐-站-坐动作，上下楼梯运动中膝关节承受了更大的旋转活动度和弯曲力矩[13]，在以往的上下楼梯体外磨损试验中普通超高分子聚乙烯半月板衬垫通常产生抛光、刮擦和凹陷现象[14-15].

本文作者针对人工膝关节磨损的非标准测试方法问题，通过分析文献中对日常活动的频次及动力学和运动学研究，基于所开发的人工膝关节体外磨损试验机，研究新型维生素 E混合半月板衬垫在标准步态与上楼梯动作下所呈现的磨损性能.

1 材料与方法

1.1 试验方案

由于ISO14243磨损测试方法已经推出了接近20年，文献中涌现了大量基于该方法的体外磨损测试结果，为了使得新的磨损测试方法产生的结果既能够与原有ISO测试结果进行对比又能够体现人工膝关节在体内更严苛的使用环境，本文作者选择在ISO标准测试方法的基础上增加另一种高负载动作以形成一种新的非标准磨损测试方法.

在膝关节磨损试验设备上进行磨损试验需要相应活动的运动参数，根据Villasenor等[10]和Morlock等[11]研究得到的上楼梯活动在病人日常生活中的出现频次结果，假定人工膝关节假体的使用年限在30年，在500万次的正常步态的基础上增加上楼梯动作200万次.具体方案为首先进行3个测试组样品加1个对照组样品的正常步态磨损试验，接着进行2个测试组样品加1个对照组样品的上楼梯运动的磨损试验.这里选择Battaglia等[16]和Abdel-Jaber等[17]提出的两种基于位移控制的上楼梯加载曲线作为本次试验用参考负载曲线.运动参数主要限定了膝关节磨损试验机的4个运动分别为屈曲运动(FE)、胫骨平台旋转运动(IER)、胫骨平台前后运动(AP)和轴向加载运动(AX).由于本次试验使用的样品为较小型号且为固定胫骨平台，使用文献中的原始数据AP方向幅值为12 mm的加载曲线可能会使得人工膝关节在加载过程中出现脱出现象，这里对于AP方向加载曲线进行成比例缩小，最终试验中呈现的上楼梯加载曲线如图1所示,正常步态下的对应曲线参照ISO14243-3标准中各轴的运动参数[18].

试验使用的是中国Orthotek实验室的膝关节磨损试验机，其具有两种控制模式包括载荷控制模式和位移控制模式，分别对应ISO的两种标准试验方法.本文试验是在位移控制模式下进行的，总共两个阶段的试验，第一个阶段先根据ISO14243进行完整的500万次步态模拟试验；第二阶段按图1进行200万次上楼梯磨损试验.

Fig.1 Stair climbing motion curve图1 上楼梯运动曲线

1.2 试验样品

试验对象选择CR型固定胫骨平台人工膝关节(右膝)作为研究对象(图2)，股骨髁为CoCr合金材料，胫骨托为Ti6Al4V材料，胫骨衬垫使用维生素E混合型UHMWPE材料；使用3+1的试验形式，包括3个试验组(001号，002号，003号)参与磨损试验，试验组参与屈曲运动、前后运动和内旋外旋运动并施加轴向载荷，进行总共700万次的磨损试验，其中0～500万次是标准步态运动，500～700万次是上楼梯运动；另有1个只承受轴向力载荷的加载对照组(004号)，没有屈曲运动、前后运动和内旋外旋运动，进行磨损量计算时需要扣除对照组吸水量的影响.

本试验中所采用的润滑试剂是经由去离子水稀释的蛋白质浓度为20 g/L的小牛血清(Gibco)，为防止血清中的蛋白质等成分在试验中37 ℃模拟环境下变质，加入乙二胺四乙酸(EDTA)，比例参照 ASTM F732中规定的7.45 g/L.

1.3 试验评价方式

整个试验磨损结果的评价主要针对半月板衬垫进行，使用精密电子天平(Sartorius SECURA2250-1CN-SQP,德国)对半月板衬垫进行称重，根据ISO14243中评价半月板衬垫磨损的方法，即重量分析法，测试组测量因磨损产生的重量损失，而对照组测量其因吸水而产生的重量增量，使用如下公式进行磨损量及磨损率计算.

Fig.2 Fixed CR type artificial knee joint：(a) tibial insert; (b) femoral component图2 固定平台CR型人工膝关节：(a)半月板衬垫组件；(b)股骨髁组件

式中：Wn为n个周期磨损测试后试验样品的净质量损失，Wan为未修正的试验样品平均质量损失，Sn为对照样品同一时期质量的平均增量.

式中：aG为平均磨损率，b为常数，n为试验次数.

根据最小二乘法线性拟合Wn和加载循环次数n之间的关系方程，以确定平均磨损率aG和参数b.

使用共聚焦显微镜(Leica DCM8,德国)和体视显微镜(Leica Stereozoom S9i,德国)进行微观表面形貌的采集，通过对于半月板衬垫在不同运动下的磨损结果的比较，找出不同运动对于磨损测试的影响.

2 结果

2.1 第一阶段试验结果

在对人工膝关节经过500万次的ISO14243-3标准磨损测试流程后，根据重量分析法，整理并计算磨损量和吸水量，3个样品的磨损量整体呈线性增长，通过线性拟合最终得到该阶段半月板衬垫的平均磨损率为4.34 mg/mc (毫克每百万次) (图3和图4).

Fig.3 Wear trend of five million cycles of standard gait wear test图3 500万次标准步态磨损测试中磨损量趋势

Fig.4 Linear fit results of the average wear amount of 001,002 and 003 sample during five million cycle standard gait wear test图4 001号、002号和003号500万次标准步态磨损测试中平均磨损量线性拟合结果

对试验后的001、002和003号样品进行宏观和微观的表面形貌采集.对于半月板衬垫宏观表面形貌而言，各样品的关节接触面磨损区域较为一致并用黑色记号笔标出如图5(a)、(b)和(c)，磨损区域正中部分存在AP方向的划痕和几处明显的压痕，磨损区域边缘部分主要呈现的抛光现象如图5(d)和(e)所示.

磨损前衬垫表面呈现扇型加工痕迹，磨损后衬垫表面呈现均匀AP方向划痕，如图6所示.股骨髁磨损前后微观表面形貌如图7所示，磨损前股骨髁表面呈现加工后细纹，磨损后股骨髁表面出现沿AP方向的长条型划痕和擦伤，这主要是由股骨髁和半月板衬垫的滑动摩擦而产生的[15].

2.2 第二阶段试验结果

由于样品缺失，因此只选取2件试验组样品进行第二阶段的试验，在对“2+1”套人工膝关节进行200万次的上楼梯磨损测试后，两件测试样品002号和003号的磨损趋势图如图8所示，按照前一阶段对于正常步态磨损量相同的分析测量方法，将两件测试样品的磨损量平均值进行线性拟合最终得到该阶段半月板衬垫的平均磨损率为5.95 mg/mc，如图9所示.

对试验后的002和003号样品进行宏观和微观的表面形貌采集.股骨髁和胫骨托组件的磨损结果与第一阶段磨损后的结果无明显区别，这里不再赘述；对于半月板衬垫的表面形貌如图10所示，根据Harman等[19]对于膝关节聚乙烯衬垫磨损形式的图解分类，接触面磨损区域相较第一阶段磨损后出现了条纹状图案和材料堆积，部分区域出现了凹陷，其主要是由于材料产生疲劳破坏和断裂或者部件松动产生的第三体碎屑留下的痕迹.

3 讨论

第一阶段的磨损测试结果表明，在ISO14243-3测试方法下，维他命E混合型UHMWPE材料衬垫产生的磨损率(4.34 mg/mc)远低于传统UHMWPE材料衬垫产生的磨损率(41.74 mg/mc)，这与Micheli等[20]进行的磨损试验即含维他命E的混合型UMHMWPE衬垫材料的磨损量2.5 mg/mc对比普通UMHMWPE的磨损量40.8 mg/mc结果一致，类似的试验结果与文献中报道的一致[21-22].

Fig.5 Macroscopic surface morphology of of tibial insert after five million cycle standard gait wear test:(a)(b)(c) 001,002 and 003 sample; (d) surface morphology of the red frame in fig.5(b); (e) surface morphology of the blue frame in fig.5(d)图5 500万次标准步态磨损测试后的衬垫宏观表面形貌：(a)(b)(c)：001、002和003号样品；(d) fig.5(b)中红框处表面形貌；(e) fig.5(d)中蓝框处表面形貌

Fig.6 Microscopic surface morphology of tibial insert before and after five million cycles of standard gait wear test: (a) sample 001 before wear; (b) sample 002 before wear; (c) sample 003 before wear; (d) sample 001 after wear; (e) sample 003 after wear; (f) sample 003 after wear图6 500万次标准步态磨损测试前后半月板衬垫表面微观形貌：(a) 001号样品磨损前； (b) 002号样品磨损前；(c) 003号样品磨损前；(d) 001号样品磨损后；(e) 002号样品磨损后；(f) 003号样品磨损后

第二阶段的磨损测试结果表明，本文中选用的上楼梯负载曲线产生的磨损率(5.95 mg/mc)比ISO14243-3中水平行走产生的磨损率(4.34 mg/mc)增加了37%.文献中也有类似的结果被报道，Reinders等[12]进行的研究结果表明，上楼梯动作产生的磨损率(8.88 mm3/mc)比ISO14243-1水平行走产生的磨损率(6.14 mm3/mc)增加了44%；Abdelgaied等[23]进行的研究结果表明，上楼梯动作产生的磨损率(7.1 mm3/mc)比水平行走产生的磨损率(5.8 mm3/mc)增加22%，王川等[24]对于上楼梯和标准步态磨损量的有限元对比也得到了前者会产生更大磨损量的结论.

Fig.7 Microscopic surface morphology of femoral component before and after five million cycles of standard gait wear test:(a) sample 001 before wear; (b) sample 002 before wear; (c) sample 003 before wear; (d) sample 001 after wear;(e) sample 003 after ore wear; (f) sample 003 after wear图7 500万次标准步态磨损测试前后股骨髁表面微观形貌：(a) 001号样品磨损前；(b) 002号样品磨损前；(c) 003号样品磨损前；(d) 001号样品磨损后；(e) 002号样品磨损后；(f) 003号样品磨损后

Fig.8 Wear trend of two million cycle stair climbing wear test图8 200万次上楼梯磨损趋势图

在整个磨损试验结束后，上楼梯运动相比正常步态对半月板衬垫的磨损量造成更大的影响，半月板衬垫表面形貌相较第一阶段磨损后表面形貌发生了显著变化，出现了条纹图案和局部凹陷，这种表面形貌结果相比传统ISO14243-3测试后产生的表面形貌结果更接近于临床半月板衬垫取出物的表面形貌，该结果与文献中报道的高负载下磨损测试后的衬垫表面形貌类似[12,25-26].

Fig.9 Linear fit results of the average wear of 002 and 003 sample during two million cycle stair climbing wear test图9 002和003样品200万次上楼梯平均磨损量线性拟合结果

Fig.10 Surface morphology of tibial insert before and after two million cycle stair climbing wear test: (a) 003 tibial insert sample;(b) surface morphology of the green frame in (a); (c) surface morphology of the blue frame in (a);(d) surface morphology of the red frame in (b); (e) surface morphology of the red frame in (c);(f) (g) microscopic surface morphology of the tibial insert图10 200万次上楼梯磨损测试后半月板衬垫表面形貌：(a) 003号半月板衬垫；(b) 图(a)中绿框处表面形貌；(c) 图(a)中蓝框处表面形貌；(d) 图10(b)中红框处表面形貌；(e) 图(c)中红框处表面形貌；(f) (g) 衬垫磨损区域微观表面形貌

然而本试验的研究存在一定局限性，在设计非标准磨损测试方法时，只使用了水平行走和上楼梯动作占比较大的两种运动，在未来应考虑加入更多负载动作；Reinders等[12]对不同负载下的磨损研究结果表明，不同动作按一定次序进行连续磨损试验后，动作间将产生相互影响，这将降低不同动作间产生磨损率的可比性；对于膝关节衬垫的磨损图案缺乏系统有效的分析手段，未来期望对磨损后表面形貌进行深入分析、分类和比较；本次试验只使用位移控制的方法进行动作模拟，未来可以考虑增加软组织约束装置以实现力控制下的动作；在未来的试验中，可以通过控制变量的方法，探索各种因素对于衬垫磨损量的影响，比如辐照剂量、交联程度、不同负载动作、不同偏载程度、不同设计、不同初始位置和不同润滑条件等；模拟本文中使用的上楼梯负载曲线从对植入PS型人工膝关节的病人研究中得到[16]，而本次试验对象为CR型人工膝关节，这也降低了加载曲线的模拟真实性.