人工髋关节假体设计的材料学考量

—— 促进成骨+抗菌
表面银涂层或注银
表面锚定抗生素 负载各类干细胞的多孔金属材料——“ The living implant ” ……
J Am Acad Orthop Surg 2015;23 (suppl 1):S32-S43. Novel Developments in the Prevention, Diagnosis, and Treatment of Periprosthetic Joint
( The Epidemiology of Revision Total Hip Arthroplasty in the United States. J Bone Joint Surg Am. 2009;91:128-33)
解决存在的问题
固定界面材 料的进步
活动界面材 料的改进 假体材料表 面抗菌改性
——材料学的发展能够做什么？
改善初始稳定性 提高骨整合能力 减少磨损 大头的普遍应用 降低无菌性松动 的风险 降低骨溶解风险 降低脱位风险
可望使假体本身具 有抑菌能力
降低感染风险
固定界面
人工髋关节假体的固定方式
股骨假体固定方式选择的变化趋势
非骨水泥型假体的固定 ——骨长入 vs 骨长上
实现骨长入或骨长上的基本要求
治疗髋关节疾患最有效的手段之一 20 世纪外科手术中最重要的手术之一
人工髋关节置换失败的原因
机械性松动, 19.70% 其他, 25.80% 其他机械 性并发症, 14.10% 感染, 14.80% 脱位, 22.50%
承重面磨损, 5.00% 假体周围骨 假体周围骨溶 折, 6.20% 解, 6.60% 假体失效, 9.90%
• Rothman Institute 2000-2013年966例（990髋） 髋翻修病例，平均随访40.2月 • 使用钛质髋臼假体536髋，钽454髋 • 髋臼假体失败率：钽4.4% (20/454) ，钛9.9% (53/536)
• 其中144髋为感染翻修，因再次感染而失败的
比例：钽 3.1% (2/64) ，钛 17.5% (14/80)
人工髋关节假体设计 的材料学考量
人工髋关节置换术
The Operation of The Century
(Learmonth, I. D., C. Young, et al. (2007). "The operation of the century: total hip replacement." Lancet 370(9597): 1508-1519)
以 Trabecular Metal（TM）为代表的 多孔金属材料
临床研究已经证实
TM具有和松质骨高度相似的3D结构 摩擦系数高，假体具有可靠的初始稳定性 骨整合充分，假体具有出色的长期稳定性
术后6周
术后两年
TM与其它多孔材料对比
松质骨
TM
Regenerex
Tritanium
BIOFOAM
Gription
表面锚定抗生素
镁银共注——成骨与抗菌的平衡
ACS Appl Mater Interfaces. 2015 Aug 19;7(32):17826-36. Balancing the Osteogenic and Antibacterial Propert Titanium by Codoping of Mg and Ag: An in Vitro and in Vivo Study. Zhao Y1, Cao H2, Qin H1, Cheng T1, Qian S2, Cheng M1, Peng X1, Wang J1, Zhang Y1, Jin G2, Zhang X1, Liu X2, C
• • • • •
植入物材料的生物相容性 孔径大小、形状和孔隙率 促进骨长入的其他手段：HA等
通过机械的方法获得牢固的初始固定 假体与骨床的良好、直接接触
骨长上材料
grit blasting
plasma spraying
骨长入材料
Sintered beads
Fiber metal mesh
Porous metal
金葡菌对Tantalum（钽）的粘附显著 低于其他金属材料
‘‘bacteriophobic effect’’
(J Orthop Trauma 2006;20:476–484)
TM材料对人体白细胞的激活作用
（J Biomed Mater Res 88A: 332–341, 2009）
Is tantalum protective against infection in revision total hip arthroplasty?
( J. Parvizi. et al. Bone Joint J. 2015;97-B:45–9. Is tantalum protective against infection in revision total hip arthroplasty?)
假体材料表面改性
钛纳米管负载抗生素缓释
平均200 µm， 孔径大小 100-500um 60% N/A Ti 115GPa 1.4
孔隙率（%）
开孔率（%） 材质 弹性模量 摩擦系数
78-80% 100% Ta 1.5-3.1GPa 0.98
60%-65%
N/A Ti 115GPa 0.65/1.01
67-70%
N/A Ti 115GPa N/A
临床需求
• 成骨 • 抗菌 • 抗骨溶解
活动界面（承重面）
骨溶解的生物学机制
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目前的承重面选择
硬 对 软
CoCr on XLPE
Ceramic or Oxinium on XLPE
硬 对 硬
Ceramic on Ceramic Metal on Metal
Trends in Total Hip Arthroplasty Implant Utilization in the United States. The Journal of Arthroplasty 29 (2014) 1915–1918
Stiktite
孔径（µm）
孔径均一 平均440µm
孔径100600µm 不规则 67% 存在部分闭孔 Ti6Al4V 1.9 Gpa N/A
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大孔径650um 小孔径250um 不规则
大孔径 530µm 小孔径 200µm
不规则形状 平均孔径 300µm 63% N/A CP Ti 115GPa 1.2