人工髋关节发展

人工髋关节发展安徽医科大学第一附属医院卜海富人工髋关节发展简史人工关节置换术从早期的探索阶段至今较成熟发展阶段已有100余年历史。1822年英国人Anthony.White医生施股骨大粗隆下5cm截骨术，以改善髋关节功能，缓解疼痛，12个月后形成假关节。1840年美国JM.Carnochan首先进行了下颌关节成形术，橡木片（非生物材料）置入，这一手术应该说是人工假体置换术的开端。1891年Gluck在德国用象牙股骨头与髋臼首次进行了全髋关节置换术用镀镍螺钉固定假体，他还使用了骨胶作为粘合剂来固定假体，这也为骨水泥型全髋关节置换应用技术起到了启蒙作用。1923年SmithPetersen设计了玻璃杯关节成形术，被认为是髋关节置换术的鼻祖，以后用了许多不同材料做的杯效果均不佳。1938年SmithPetersen发现牙科医生使用的钴铬钼合金材料生物惰性较强，在人体内生物相容性较好，将其做成钟状开口的金属杯，全股骨头在杯内活动做了1000例，长期疗效不佳，金属杯与股骨头摩擦增加，股骨头坏死疼痛。1941年美国Moore和F.R.Thompson分别设置了长直柄人工股骨头和长弯柄股骨头假体。后来成了Muller，Harris全髋股骨头假体的原形。1950年Moore在美国设计了自锁式钴铬钼合金的股骨头假体。1962年Charnley的低摩擦关节问世后，各类型人工关节相继出现，但临床效果都不如Charnley髋关节置换术。Charnley假体具有低摩擦稳定较少发生松动等优点。1966年Charnley首先使用了空气层流净化手术间，个人空气隔离系统，预防性抗生素，使术后感染率大大降低。由于Charnley对人工关节作出的重大贡献，被公认为现代人工关节之父90年代出现了混合型固定的全髋关节置换术，1994年美国发展与共识会议正式提出，骨水泥型假体柄和非骨水泥臼。最近几年，骨水泥型和生物型假体交替成为研究热点二、人工髋关节置换（THR）概述近30年骨科发展最快的领域之一疗效肯定，10年成功率超过90%技术方法、材料学快速发展手术适应证日益扩大，置换人数不断增多晚期并发症导致翻修手术增加手术适应证逐步扩大髋关节解剖、病理和生物力学研究不断深入人工髋关节的材料选用和假体设计日趋合理手术技术和术前、术后的处理也逐步完善年龄60～75岁的最合适年龄范围已经放宽年轻患者髋关节病变，人工关节置换并非首选!骨关节炎股骨头坏死老年股骨颈骨折65高龄粗隆间骨折80类风湿性关节炎髋部肿瘤先髋其它结核等感染手术适应证逐步扩大人工髋关节表面髋人工全髋关节人工半髋关节手术分类保留股骨颈的非骨水泥型股骨柄假体(LINK)髋关节表面置换术对局部骨质完整性要求较高，不能矫正畸形术后假体松动、骨质吸收发生率高，易翻修三、人工髋关节的材料由于假体长期置入体内，材料应具有：•良好的生物相容性，•无毒副作用，•耐体液的化学腐蚀和电化学腐蚀，•弹性模量接近于人的皮质骨。人工髋关节有多种类型的设计及多种材料，但一般来说都有两部分组成，高光滑度的金属股骨头假体和由耐磨材料组成髋臼假体人体髋关节假体材料的种类•1、生物医学金属材料•2、生物陶瓷•3、复合材料1、生物医学金属材料定义：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。1.1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，目前髋关节置换临床应用最多的仍然是金属关节头和超高分子量聚乙烯髋臼的组合金属全髋材料缺点•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，从而引起假肢的疏松；•由于金属是生物惰性材料，植入人体后始终作为宿主的一体存在，容易变形和松动：•金属在人体内的富氧环境中能在其表面形成2~5nm厚的氧化层，其在摩擦作用下容易脱落，在脱落部位金属假体释放金属离子和颗粒，一方面增大了磨损率，另一方面释放的金属离子具有潜在的毒性，这些缺点严重影响了金属型人工髋关节的长期应用效果2、生物陶瓷定义：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）。•生物陶瓷根据生物活性分为：•①生物惰性陶瓷（氧化铝、氧化锆）：稳定性高、机械强度好•②生物活性陶瓷（羟基磷灰石、磷酸三钙）：骨传导特点、活骨整合的性能2.1生物陶瓷的优点•陶瓷材料的离子结构可以吸引带极性的液体，使之均匀地覆盖在陶瓷的表面，有利于形成流体薄膜润滑效果；并且陶瓷材料硬度高、磨损率低、磨损颗粒小；它还可以在潮湿的条件下正常工作，克服了金属假体在体内潮湿环境下容易释放金属离子的问题。2.1氧化铝陶瓷•目前常用的高纯度氧化铝是氧化铝粉末在1600~1800℃的高温下烧结而成。20世纪90年代后采用的新制造工艺减少了杂质，提高了材料的致密性。其具有化学惰性及良好的抗腐蚀能力。但氧化铝陶瓷韧性较金属低，氧化铝陶瓷制成的股骨头直径必须大于或等于28mm。近10年来氧化铝陶瓷制成的人工髋关节在临床上取得了令人并非满意的结果。2.2氧化锆陶瓷•氧化锆陶瓷：氧化锆陶瓷的密度、韧性和强度都高于氧化铝陶瓷，降低了陶瓷假体破裂的风险，而且可以制成22mm的股骨头。氧化锆陶瓷在1985年首次制成股骨头假体在临床使用。然而，纯氧化锆是不稳定的，它有3种晶体状态：单晶体、四角形、立方体。状态的变化导致其稳定性差并容易破裂，必须添加稳定剂（常用氧化钇）使之保持在四角形状态才能使其稳定性得到维持，并获得最佳的机械特性。2.3羟基磷灰石•于20世纪70年代首次成功用于临床。羟基磷灰石是构成骨和牙的主要无机质，具有优越的生物相容性，喷涂假体和骨床容易获得更坚强的结合强度；假体近端的可拆卸领托有效阻止了可能存在的聚乙烯颗粒迁移。喷涂钛质解剖柄股骨假体能提供均匀的应力分布，有效减低应力遮挡，有利于假体获得确切的股长入固定。假体材料依然在不断发展中:生物相溶性高、生物力学相容性好、生物结合性能好固定度好、寿命长是未来的发展方向四、生物型OR骨水泥型骨水泥型假体的特点1.临床应用时间较长，临床效果确切，有大量成功的病例。2.操作技术已经非常成熟。3.对手术操作要求相对较低。4.病人康复时间相对短。非骨水泥型假体特点1.采用生物固定，避免了骨水泥使用带来的副作用。2.对可能面临的翻修手术可以有更多的选择。3.对手术医生的操作要求相对较高。4.常见的并发症有大腿疼痛。选择的因素•年龄•骨质生长潜能•对生活质量的要求•对康复的配合程度•术者对不同类型假体的理解和操作技能骨水泥的副作用•心血管系统反应：单体吸收和周围血管扩张，引起反射性心动过缓。•单体引起过敏反应。•骨水泥填塞过程中由于压力的原因造成脂肪、空气等进入血循环造成栓塞。•骨水泥对周围神经、血管等组织造成机械压迫或热损失。骨水泥固定•手术时仔细准备骨水泥柄小心植入，是取得临床长期成功的关键。•目前认为，股骨柄假体周围骨水泥的厚度最好控制在2mm以上，而在股骨近端的内侧区域可以比2mm稍厚些。•骨水泥厚度小于2mm容易出现断裂。骨水泥固定•提高骨水泥固定成功率的技术细节还包括避免股骨柄假体内翻位植入髓腔，防止骨水泥环出现间隙。•内翻位植入假体柄会导致股骨近端内侧和远端外侧的骨水泥厚度变薄，这两个区域的骨水泥承受很高的应力，早期易于在此处发生骨水泥破裂和固定失败。非骨水泥固定•非骨水泥型假体包括：表面微孔和喷砂处理两种。•微孔涂层一词指的是通过加工处理在金属表面产生很多不同深度的微小孔隙，以便于骨长入其中。•喷砂一词指的是使用微小粒子轰撞假体表面，产生无数压痕，骨组织可以长入其上。这些压痕类似于假体表面凹凸不平的山峰和山谷，可以使骨组织长入到其表面的峰谷之上。•假体与骨组织之间形成坚硬、无微动的界面，也是利于骨组织长入空隙的重要条件。只有将微动范围尽量控制在不超过150um，才能形成一个牢固坚实的骨界面。如果超过，纤维软组织将长入孔隙中。•假体表面与皮质骨之间的物理距离超过50um，使得成骨细胞和成骨因子无法越过更宽的距离形成牢固的骨界面。•金属与骨组织的界面具有重新塑形的潜能，这点不同于骨水泥与骨组织界面。•如果骨组织在生长嵌入金属表面时出现裂缝和破坏，骨组织能够重新塑形并重建一个坚硬的界面。•因此理论上，非骨水泥型假体可获得较骨水泥型假体更牢固和长时间的固定。•非骨水泥型假体的固定技术有两种：•号对号固定技术•压配固定技术•号对号固定技术是指：髋臼或股骨柄打磨扩大的型号与所安装的假体型号完全一致。使用这一技术固定髋臼时，常需要额外的固定措施如使用螺钉固定，以获得骨与假体间牢固坚硬的结合界面。•文献报道使用髋臼螺钉固定存在很多缺点：螺钉产生的钉道减少了髋臼表面骨长入的面积，同时骨道还成为容纳磨损碎屑的场所，增大了骨溶解的范围。如果出现退钉，则会直接接触聚乙烯的非关节面，导致磨损发生。•压配技术是指股骨或髋臼打磨的尺寸较最终植入的假体型号小1到2mm。该技术依靠环向应力获得坚强固定，常不需额外固定。非骨水泥髋臼假体•在各种非骨水泥型髋臼假体中，背面微孔涂层的臼杯临床效果最好，而背面光滑的臼杯效果欠佳。•不过全涂层的假体柄的确能够获得更大范围的坚强固定。近端涂层的柄只能在股骨近端区域获得固定，这时应力的传导更加符合生理方式，主要通过近端传导，避免此处发生应力遮挡和骨缺失。•非骨水泥型柄周圈的涂层范围也影响临床效果，这种柄分为全周涂层设计和半周涂层设计，这种设计上的区别与有效关节间隙及骨溶解密切相关。•半周涂层设计的假体柄不能在近端股骨柄全周都形成骨长入，在此处留有一处通道，聚乙烯碎屑可以通过此通道进入股骨干，增加了有效关节间隙。当使用非全周涂层的假体柄时，聚乙烯碎屑会导致股骨干区域出现临床上明显的骨溶解。•近端全周涂层柄可以允许在近端股骨柄整个周圈的部分都形成骨长入，有效封闭了股骨干髓腔与有效关节间隙的通道。全周涂层的假体柄在术后松动、大腿痛和骨溶解等方面比半周涂层柄的表现要好得多。•假体柄的硬度也明显影响应力遮挡。通常假体柄的机械硬度越高在负重时应力遮挡的应力也越多。长柄假体用于翻修术远端假体周围骨折的病人短柄假体用于股骨弯曲畸形较重或远端髓腔狭窄的病人直柄假体适用于各种类型的病人，股骨解剖异常也可使用弯柄型和解剖曲柄型假体增强解剖正常股骨抗扭转稳定性但在股骨解剖有异常的病人，假体置入困难骨水泥型假体用于老年骨质疏松或类风湿性关节炎的病人保留股骨颈的短柄，假体植入要求高，有利翻修保留骨组织五、髋关节稳定性和活动度•影响关节活动和稳定性的其他假体设计因素还包括使用增高的防脱位衬垫。术者可以选择使用后方防脱位衬垫以增加后方稳定性。尽管这种衬垫能够有效的增加后方稳定性，但在髋关节外展时，会产生假体撞击，减少关节的基本弧线范围。因此通过采用这种衬垫增加后方稳定性的方法也来之不易。髋关节假体的力线•髋关节假体在患者股骨和髋臼内的方位和角度是影响稳定性的关键因素。•髋臼假体安装的前倾角过小增大了后脱位的风险，而角度过大又可增加前脱位的风险。•手术入路方式也影响理想的假体安装角度。采用后入路时，髋臼前倾角可以轻度增大以减少后脱位的可能。研究表明对于后入路的病例，获得最佳稳定性的前倾角度大约在15°~20°。•髋臼假体的垂直方向的角度，也影响关节的稳定性。髋臼安装垂直方向角度过大或者角较大都会增加关节上脱位的风险。•总之，尽管关于髋臼植入的最佳位置角度仍存在争议，研究表明外展角度应在30°~50°之间，前倾角度随外科入路不同可选择0°~15°之间的角度。而股骨假体的前倾角也应在0°~15°之间。六、人工髋关节的发展趋势•材料学的进步：出现了钛合金，钽金属等生物型骨长入假体。•骨水泥技术的进步：真空搅拌、远端塞和中置器、骨水泥枪的应用和脉冲冲洗技术,使现代骨水泥型假体更加可靠。骨水泥假体具有良好的初始稳定性和长期稳定性,至今仍为很多医生的首选。•骨水泥型股骨柄：抛光表面的骨水泥型股骨柄可通过二次下沉的效应实现假体-骨水泥-骨之间的牢固固定。•生物型股骨柄：因其可与骨床