不同材料髋关节假体在髋关节置换中的应用

中国组织工程研究与临床康复第15卷第17期2011–04–23出版JournalofClinicalRehabilitativeTissueEngineeringResearchApril23,2011Vol.15,No.17P.O.Box1200,Shenyang110004cn.zglckf.com3196不同材料髋关节假体在髋关节置换中的应用姚进DifferentprosthesismaterialsinhipreplacementYaoJinAbstractBACKGROUND:Prosthesesmadeofmetallicmaterials,polymermaterialsandceramicmaterialshavebeensuccessfullyusedinclinic,andtheproductshavebeendevelopedtoamorematurestage,buttherearestilladvantagesanddisadvantagesineachmaterial.OBJECTIVE:Toevaluatethefeaturesandclinicalapplicationofdifferenthipprostheses.METHODS:AnonlinesearchofWanfangdatabasewasperformedtoretrievearticlesabouthipprosthesismaterialspublishedfromJanuary1999toFebruary2011withkeywordsof“hipreplacement”.Repetitivearticles,reviewsandMetaanalysiswereexcluded,andfinally18articleswereincluded.RESULTSANDCONCLUSION:Metaljointheadandpolyethyleneacetabularcombinationisusedmostinhipreplacement.However,theelasticmodulusofthemetalisfarfromthatofthehumanskeleton,whichleadstostress-shieldingeffect,andislikelytocauseinstabilityandlooseofprostheses.Bio-inertceramicsisregardedashighstabilityandgoodmechanicalstrengthinvivo,whilebioactiveceramicshaveabilitiesofboneconductionandosseointegrationinvivo.Compositeprosthesishasbeenemphasizedbecauseofitsadjustableelasticmodulusandadequatemechanicalstrength,andsimilarmechanicalpropertieswithhumanbone.Atpresent,thereisnoidealprosthesiswithgoodbiocompatibilityandbiomechanicalcompatibility.Therefore,weshouldmodifythedesignandmanufactureprocessesofhipprosthesistoimprovethewearresistanceandmechanicalproperties,enhanceintegrationbetweentheprosthesisandthehostbone,reducestressshielding,andhopetofindanewhipprosthesissoastopromotethebiocompatibilitywiththehostandprolongtheprosthesislife.YaoJ.Differentprosthesismaterialsinhipreplacement.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiuyuLinchuangKangfu.2011;15(17):3196-3199.[]摘要背景：金属材料、高分子材料和陶瓷材料等制作的人工髋关节关节都已成功应用于临床，产品也已经发展到比较成熟的阶段，但是每种材料依然存在各自的优缺点。目的：评价不同材料髋关节假体的特点及临床应用。方法：采用电子检索的方式在万方数据库中检索1999-01/2011-02有关髋关节假体材料的研究，关键词为“髋关节置换”。排除重复研究、普通综述或Meta分析类文章，筛选纳入18篇文献进行评价。结果与结论：金属材料在髋关节置换中占有重要的地位，目前髋关节置换临床应用最多的是金属关节头和超高分子量聚乙烯髋臼的组合，但金属的弹性模量与人体骨骼相差甚远，导致应力遮挡效应，容易引起假体的疏松和不稳定；生物惰性陶瓷在活体内具有很高的稳定性和很好的机械强度，而生物活性陶瓷具有骨传导的特点以及与活骨整合的性能；复合材料假体因其可调的弹性模量和足够的力学强度，力学性能接近人体骨骼而逐渐被重视。但目前还缺乏生物相容性好、生物力学相容性好的理想假体材料。因此，应从改进人工髋关节设计和制造工艺，提高材料的耐磨性与力学性能，增强假体与宿主骨的结合性，减少应力遮挡，寻找新的人工髋关节假体材料等方面来提高置入物与宿主的生物相容性，从而能够更好地延长假体使用寿命。关键词：髋关节置换；髋关节假体材料；金属材料；高分子材料；陶瓷材料doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2011.17.037姚进．不同材料髋关节假体在髋关节置换中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，15(17):3196-3199.[]0引言目前人工关节置换特别是髋关节置换，已经成为整形外科投资最大、发展最突出的领域之一，在老年髋关节疾患中取得了良好的临床效果。这种治疗方式可以矫正髋关节畸形、消除疼痛、恢复髋关节功能，从而提高了患者的生活质量。但由于存在假体磨损、无菌性松动、脱位等并发症，对年轻、活动度要求高的患者不能提供理想、长久的临床疗效，特别是对于年轻、活动度要求高的患者，活动度、稳定性及耐用性就显得尤为重要。选择一种合适的骨关节置换材料需要进行两个基本的考虑：植入体的功能要求和与人体内的反应。植入体的功能指它在预期寿命内实现其替代组织的生理功能。人体内的反应应当从两个方面来测试：生理环境对材料性能的影DepartmentofOrthopedics,TianjinAcademyofTraditionalChineseMedicine,Tianjin300120,ChinaYaoJin,Associatechiefphysician,DepartmentofOrthopedics,TianjinAcademyofTraditionalChineseMedicine,Tianjin300120,[e-mail]:2011-02-19Accepted:2011-03-20天津市中医药研究院骨科，天津市300120姚进，男，1963年生，天津市人，汉族，1987年天津中医学院毕业，副主任医师，主要从事关节外科、创伤外科研究。[e-mail]中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:1673-8225(2011)17-03196-04收稿日期：2011-02-19修回日期：2011-03-20(20110219014/GW·W)姚进．不同材料髋关节假体在髋关节置换中的应用ISSN1673-8225CN21-1539/RCODEN:ZLKHAH3197响和材料及任何可能发生的降解对人体的局部的和系统的生理的影响。本文主要评价不同材料髋关节假体的特点及临床应用。1资料和方法1.1资料的纳入与排除标准纳入标准：①与髋关节假体新材料相关的文献。②与髋关节置换相关的文献。③髋关节置换材料选择及临床应用的文献。排除标准：重复研究或Meta分析类文章。1.2资料提取策略检索人相关内容：第一作者。检索时间范围：1990-01/2011-02。关键词：中文关键词为“髋关节置换；髋关节假体材料”。检索数据库：万方数据库。1.3对纳入文献的评价经检索共查到相关文献170篇。经阅读标题、摘要、全文后，排除内容重复、普通综述后筛选纳入18篇文献进行评价[1-18]。文献的类型主要包括对髋关节假体新材料及相髋关节置换材料选择及临床应用。2结果人工关节材料的发展已经历了近百年的时间，而且在最近20年中发展迅速。人工关节的作用是置换人体关节中的某一肢体关节，以减轻患者的疼痛，恢复其关节功能[1]。对人工关节材料的基本要求：①生物相容性好。所谓生物相容性是指生物材料和人体组织接触后，在材料-组织界面发生一系列相互作用后最终被人体组织所接受的性能，且材料对人体的正常生理功能无不良影响、无毒、无排异反应等[2]。②生物力学相容性好。生物力学相容性是指植入材料和所处部位的生物组织弹性形变特性相匹配的性质；在负荷情况下，材料与其接触的组织所发生的形变是否彼此协调。因人工关节在体内所承受的应力，通过人工关节材料-组织界面进行传递，如果两者在应力作用下发生弹性变形不匹配，则将使人工关节松动而导致植入失败。为此，人工关节材料与骨骼的弹性模量、热膨胀性能及其强度应尽量一致。③生物结合性能好、固定好：即要求人工关节与周围的骨组织结合良好、不发生相对移动和下沉等。人工髋关节置换的成功取决于优良的假体设计，制造工艺和手术操作。全髋关节假体必须长时间反复承受至少相当于人体质量3~8倍的负载[3]。这样就要求术后髋关节必须有满意的材料学和生物力学基础。④寿命长。人工关节一般设计寿命为20~50年。骨关节假体材料主要有以下3种：①生物医学金属材料：具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床使用主要的承力植入材料。②生物陶瓷：医用生物陶瓷材料化学性质稳定，生物相容性良好。生物陶瓷主要包括两类：分别为惰性生物陶瓷(如氧化铝、医用碳素材料等)和生物活性陶瓷(如羟基磷灰石和生物活性玻璃等)。③复合材料：是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造[4]。郑明等[18]研究不同材料假体对人工全髋关节置换近期临床效果的影响。研究选择了85例92髋人工全髋关节置换患者，通过X射线影像资料，对不同材料髋关节假体对股骨近端、髋臼周围骨质的应力影响进行临床观察。结果显示各组均未发现髋臼及股骨假体松动的临床表现，髋臼及股骨假体周围的骨量无明显应力性骨吸收影像，金属-金属组、陶瓷-陶瓷组未发现有碎屑反应，陶瓷-聚乙烯组、金属-聚乙烯组部分有碎屑反应。结果说明使用不同材料假体组合并不会导致股骨假体、髋臼假体与骨界面应力的显著差别，其远期效果差别除了与假体的制作水平、患者的骨质条件及医生的手术技术等密切相关外，聚乙烯材料产生的磨损碎屑所致的骨溶解应该是最关键因素。以下分别评估各种假体材料的特点及在临床中的应用效果。2.1生物医学金属材料金属材料在髋关节置换中占有重要的地位，目前髋关节置换术临床应用最多的是金属关节头和超高分子量聚乙烯髋臼的组合，并且随着金属材料配方和制造工艺的改进，金属/金属关节的组合越来越受到重视。但是金属的弹性模量(100~200GPa)与人体骨骼(1~30GPa)相差甚远，导致应力遮挡效应，从而引起假体的疏松和不稳定；并且由于金属是生物惰性材料，植入人体后始终作为宿主的异体存在，容易变形和松动；另外金属在人体内