维生素E稳定型高交联聚乙烯人工关节磨损及磨屑的研究进展

冯景 李春亚 黄秀玲 华子恺

0 引言

目前，人工关节置换术已相当成熟，高交联聚乙烯(highly cross-linked polyethylene,HXLPE)引入人工关节领域后被证明其性能优于超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene,UHMWPE)人工关节，具有低磨损率和高存活率[1-3]。然而，临床结果显示聚乙烯人工关节在植入体内10年后开始氧化，且磨损率增加[4]。为了解决此问题，研究者将抗氧化剂维生素E(vitamin E,VE)作为填充剂注入HXLPE，形成维生素E稳定型高交联聚乙烯(vitamin E stabilized highly cross-linked polyethylene,VE/HXLPE)，并于2007年应用于全关节置换术。针对VE/HXLPE人工关节的摩擦磨损问题，目前还缺少系统的总结。因此，本文调研近十年关于VE/HXLPE人工关节磨损研究文献，从体外与临床方面综述VE/HXLPE型人工关节摩擦磨损性能及其磨屑特征的研究进展。

1 VE/HXLPE人工关节体外磨损量研究

1.1 VE/HXLPE髋关节磨损量

近十年，已有大量VE/HXLPE型人工关节的体外磨损研究。表1是关于VE/HXLPE人工髋关节的磨损研究，所有样品均根据ISO 14242-1与ISO 14242-3在髋关节模拟试验机上进行实验。Oral等[5]进行500万次步态循环试验发现，VE/HXLPE的磨损率比HXLPE的磨损率略低且无显著性差异，但是比UHMWPE的磨损率降低了约90%。VE/HXLPE髋臼内衬在顶部与侧边保留了较清晰的加工痕迹，而UHMWPE髋臼内衬表面整个受力区域的加工痕迹磨损严重。Halma等[6]研究同样得出VE/HXLPE髋关节的体积磨损率比UHMWPE的降低了约80%。

Affatato等[7-8]发现3种聚乙烯关节在体外磨损时的磨损量随循环次数的增加而增加，且磨损率呈现UHMWPE>VE/HXLPE>HXLPE的趋势，但UHMWPE与两种交联材料的磨损率差异从120万次循环后才显现。并且在整个磨损试验过程中，HXLPE的磨损量始终低于VE/HXLPE，这可能是由于试验材料使用共混法制备，在相同剂量γ射线辐照后，低浓度VE[0.1%(质量分数)]限制了材料的交联程度，达不到与HXLPE相同的交联度。因此，把控给予的辐射剂量可改善VE混合材料的耐磨性能[9]。

Popoola等[10]对VE/HXLPE型人工髋关节进行了1亿次体外磨损试验，VE/HXLPE髋臼内衬的体积磨损率与UHMWPE相比降低约90%以上，并且VE/HXLPE髋臼内衬在1亿次循环中的磨损量(200.90 mm3±26.86 mm3)与UHMWPE髋臼内衬在500万次循环中的磨损量(190.40 mm3±14.00 mm3)相当，足以说明VE/HXLPE人工关节优越的耐磨性能。Grupp等[11]将人工老化的聚乙烯髋臼内衬进行体外磨损测试，结果显示老化6周的VE/HXLPE磨损率远小于老化4周的普通UHMWPE和老化6周的HXLPE磨损率，这说明VE/HXLPE髋关节在老化后也可保持良好的耐磨性能。

表1 VE/HXLPE型人工髋关节在体外模拟试验机上的磨损研究Table 1 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial hip joint in vitro

1.2 VE/HXLPE膝关节磨损量

表2是关于VE/HXLPE型人工膝关节的磨损研究，所有样品均根据ISO 14243-1与ISO 14243-3在膝关节模拟试验机上进行实验。Haider等[12]全面对比了不同聚乙烯膝关节衬垫的磨损情况，VE/HXLPE衬垫比UHMWPE衬垫减少了73%～86%的磨损，且两种材料的大CR型衬垫磨损率均显著高于同材料的小CR型和PS型衬垫，如图1所示。

图1 500万次循环后VE/HXLPE与UHMWPE膝关节衬垫磨损率Figure 1 Wear rate of VE/HXLPE and UHMWPE tibial bearings after 5 million cycles

Micheli等[13]将500万次步态循环后的CR型UHMWPE、VE/HXLPE膝关节进行人工老化2周，并继续模拟250万次步态循环，结果显示VE/HXLPE衬垫的磨损率在老化前后没有显著变化，且均比UHMWPE磨损率低90%以上。在扫描电镜下，UHMWPE衬垫和VE/HXLPE衬垫在摩擦区域均有大面积的磨损[14]。Grupp等[15]研究了加速老化2周后UHMWPE、VE/HXLPE膝关节衬垫的体外磨损情况，结果显示VE/HXLPE型比UHMWPE型减少了约55%的磨损。此外，Vaidya等[16]和Wernle等[17]的研究也可得出各聚乙烯关节老化后，VE/HXLPE膝关节衬垫的磨损率显著低于UHMWPE和HXLPE的磨损率，说明VE/HXLPE膝关节在老化前后均可保持良好的耐磨性能。

通过以上髋、膝关节的体外磨损实验，可得到VE/HXLPE人工关节的磨损率比UHMWPE的磨损率低50%～90%[5-8,10,12-13]，但是比HXLPE的磨损率增加2～3倍[7-8]。若将各聚乙烯材料加速老化[11,13,15-17]，VE/HXLPE的磨损率在老化前后基本保持不变，且显著低于老化后的UHMWPE与HXLPE的磨损率，同时维持其他良好性能。

表2 VE/HXLPE型人工膝关节在体外模拟试验机上的磨损研究Table 2 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial knee joint in vitro

2 VE/HXLPE人工关节临床磨损量研究

VE/HXLPE型人工关节应用于临床的时间较短，经翻修手术取出的案例极少。Rowell等[18]回收了15个VE/HXLPE的髋臼内衬(平均19.5个月)和膝关节衬垫(平均36.6个月)，在扫描电镜下可观察到整个关节表面保留了较清晰的加工痕迹，而普通UHMWPE衬垫表面的加工痕迹在植入的第1年就会被抛光[19]，这表明VE/HXLPE型人工关节在植入短期内具有优良的耐磨性和抗变形性。

较多研究者对植入VE/HXLPE髋关节的患者进行了短中期随访，结果如表3所示。Bergvinsson等[20]对植入UHMWPE型和VE/HXLPE型髋关节的患者进行为期5年的随访，结果显示VE/HXLPE组的总磨损量显著低于UHMWPE组，且VE/HXLPE组的磨损率(0.01 mm/年)显著低于UHMWPE组的磨损率(0.08 mm/年)。Rochcongar等[21]的5年随访结果显示VE/HXLPE髋关节磨损率比UHMWPE的低66%。根据1～5年之间蠕变和磨损的变化，研究者预测两组之间的差异会随着时间继续增加。Massier等[22]使用随机对照试验方法对199例患者进行6年随访，发现VE/HXLPE髋臼内衬的股骨头穿透率(femoral head penetration rate)明显减少，但与UHMWPE内衬相比，两种人工关节的临床结果、翻修率和并发症方面没有差异。Galea等[23]在HXLPE型和VE/HXLPE型髋关节植入7年的随访中发现VE/HXLPE的股骨头总磨损量低于HXLPE，但两组并无显著性差异，因此还需要长期随访来评估关节材料的安全性和抗氧化性。Busch等[24]对植入HXLPE型和VE/HXLPE型髋关节的患者进行5年随访，结果显示添加VE并不显著影响HXLPE的磨损行为，这与Kjærgaard等[25]和Thoen等[26]的研究结果相同。

表3 VE/HXLPE型人工髋关节在临床的磨损研究Table 3 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial hip joint in vivo

综合随访结果，如图2所示，VE/HXLPE人工髋关节在临床短中期的平均穿透率在-0.01～0.05 mm/y范围内，低于UHMWPE髋关节[20-22]，但与HXLPE髋关节相比并无显著性差异[23-26]。Dumbleton等[27]提出易导致骨溶解的年磨损量阈值为0.1 mm/y，即磨损量低于此值可有效避免骨溶解。以上所有研究中的VE/HXLPE髋关节的平均磨损量均未超过此值，说明VE/HXLPE人工关节或许可以减少骨溶解的发生。此外，所有随访中VE/HXLPE髋关节没有出现并发症或翻修等情况。综合临床研究来看，VE/HXLPE关节在临床短中期具有良好耐磨性，但还需要更多高质量、长期的随机对照试验以评估VE/HXLPE关节的临床性能，并探究该材料的低磨损率是否在长期植入后不易导致骨溶解和无菌性松动。

图2 临床中聚乙烯人工关节的磨损研究Figure 2 Overview of wear of polyethylene artificial joint in vivo

3 VE/HXLPE人工关节磨屑研究

目前，研究中分析的VE/HXLPE磨屑多由体外试验产生。Teramura等[28-29]发现VE/HXLPE和UHMWPE的两种膝关节磨屑均分布在0.1～10 μm内，但VE/HXLPE磨屑中亚微米级磨屑(0.1～1.0 μm)占比降低约5%，即活性尺寸范围内的磨屑比例下降，这表明VE/HXLPE磨屑在一定程度上会降低溶骨介质的产生。Bichara等[30]研究发现VE/HXLPE膝关节磨屑的平均等效圆直径(equivalent circle diameter,ECD)为1.12 μm(范围为0.28～79.08 μm)，而UHMWPE磨屑的平均ECD为1.22 μm(范围为0.28～82.04 μm)，两组磨屑的尺寸分布相似，且无显著性差异。Galliera等[31]通过Zeta电位观测到VE/HXLPE磨屑与UHMWPE磨屑在亚微米尺寸的频率分布相似，且VE/HXLPE磨屑尺寸略小。Bladen等[32]表征了不同VE含量的聚乙烯磨屑与普通聚乙烯磨屑，各类磨屑的尺寸频率分布无明显差异，但体积浓度分布有较大差异。高VE浓度磨屑在0.1～1.0 μm范围内数量最多，但在1.0～10 μm范围内的体积浓度最高，这些特征对于关节寿命有不利影响。此外，研究者将各类磨屑与外周血单核细胞培养，含VE的聚乙烯磨屑比普通聚乙烯磨屑引起的生物反应小，但也会刺激TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8等炎症因子的分泌。

Popoola等[10]通过1亿次髋关节磨损试验得出，UHMWPE和VE/HXLPE的髋臼内衬会产生数十亿磨屑，但VE/HXLPE产生的磨屑数量比UHMWPE的减少90%以上。超过95%的VE/HXLPE磨屑的ECD为亚微米级，且纵横比(aspect ratio,AR)小于2，这表明VE/HXLPE磨屑主要为小尺寸类球状颗粒。研究者将试验产生的VE/HXLPE磨屑和HXLPE磨屑注入白兔膝关节处，两组动物的各项生命体征正常，由磨屑引起的生物反应无明显差异，仅在膝关节处伴随轻微炎症，这表明VE/HXLPE磨屑与HXLPE磨屑相比无进一步的刺激作用。

临床上，Orita等[33]首次提取并分析了关节在植入后产生的VE/HXLPE磨屑，发现植入平均3.4年的VE/HXLPE膝关节产生的磨屑数量没有减少，且ECD和AR均比UHMWPE磨屑小，这表明VE/HXLPE磨屑更小更圆。已有研究[34]表明当每克界膜组织中磨屑数量超过1×1010个时会发生骨溶解，而VE/HXLPE磨屑实际产生数量远远低于该值，说明在关节植入早期产生的磨屑数量不易导致骨溶解。VE/HXLPE在活性尺寸范围内的磨屑多于UHMWPE磨屑，如图3所示，这些特征对于骨溶解是不利的。但VE/HXLPE磨屑更圆，生物活性比长条形磨屑降低，在此方面VE/HXLPE磨屑与UHMWPE磨屑相比具有优势。

图3 膝关节滑膜液中分离出的UHMWPE和VE/HXLPE磨屑的尺寸分布Figure 3 Size distribution of UHMWPE and VE/HXLPE wear debris separated from synovial fluid of knee joint

综合以上研究，VE/HXLPE磨屑与UHMWPE磨屑在体内外条件下具有相似的尺寸分布，且VE/HXLPE磨屑的整体尺寸多为亚微米级，形状更偏向于类球状[10,28-33]。在数量方面，体外试验中VE/HXLPE磨屑数量比UHMWPE磨屑数量少[10]，而临床研究结果与此相反[33]。同时，磨屑活性实验表明VE/HXLPE磨屑具有生物活性，存在骨溶解风险[10,32]。由于临床情况的复杂性，临床数据往往与体外理想条件下的结果有一定程度的偏差，因此还需要对大量临床VE/HXLPE磨屑进行研究以评估其风险。

4 总结与展望

本文针对VE/HXLPE型人工关节的磨损及磨屑进行综述。VE/HXLPE型人工关节与UHMWPE型人工关节相比，具有更好的耐磨性和更高的抗氧化性；与HXLPE型人工关节相比，不仅具有相同优良的耐磨性和机械强度，还具有抗氧化性。通过对植入VE/HXLPE关节患者的随访，发现VE/HXLPE关节在体内具有较低的穿透率和磨损率，这与体外研究结果相符，且在植入的短中期内无不良反应。此外，VE/HXLPE磨屑的研究表明，该材料磨屑同样存在引起无菌性松动和骨溶解的风险，但与UHMWPE磨屑相比生物活性显著下降，因此初步推测VE/HXLPE磨屑的溶骨性较低。目前，还需长期临床数据以评估VE/HXLPE关节的实际临床效果，其磨屑在体内浓度是否会达到甚至超过体外实验浓度，也需要更多临床观察。