不同材料髋关节假体在髋关节置换中的应用

Yao J. Different prosthesis materials in hip replacement.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2011;15(17):
3196-3199.
[http://www.crter.cn http://en.zglckf.com]
Received: 2011-02-19 Accepted: 2011-03-20
Abstract BACKGROUND: Prostheses made of metallic materials, polymer materials and ceramic materials have been successfully used in clinic, and the products have been developed to a more mature stage, but there are still advantages and disadvantages in each material. OBJECTIVE: To evaluate the features and clinical application of different hip prostheses. METHODS: An online search of Wanfang database was performed to retrieve articles about hip prosthesis materials published from January 1999 to February 2011 with keywords of “hip replacement”. Repetitive articles, reviews and Meta analysis were excluded, and finally 18 articles were included. RESULTS AND CONCLUSION: Metal joint head and polyethylene acetabular combination is used most in hip replacement. However, the elastic modulus of the metal is far from that of the human skeleton, which leads to stress-shielding effect, and is likely to cause instability and loose of prostheses. Bio-inert ceramics is regarded as high stability and good mechanical strength in vivo, while bioactive ceramics have abilities of bone conduction and osseointegration in vivo. Composite prosthesis has been emphasized because of its adjustable elastic modulus and adequate mechanical strength, and similar mechanical properties with human bone. At present, there is no ideal prosthesis with good biocompatibility and biomechanical compatibility. Therefore, we should modify the design and manufacture processes of hip prosthesis to improve the wear resistance and mechanical properties, enhance integration between the prosthesis and the host bone, reduce stress shielding, and hope to find a new hip prosthesis so as to promote the biocompatibility with the host and prolong the prosthesis life.
姚进
Different prosthesis materials in hip replacement
Yao Jin
Department of Orthopedics, Tianjin Academy of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300120, China
姚进．不同材料髋关节假体在髋关节置换中的应用
www.CRTER.org
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。
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[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，15(17):3196-3199. [http://www.crter.org http://cn.zglckf.com]
排除标准：重复研究或 Meta 分析类文章。 1.2 Hale Waihona Puke Baidu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。
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
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。 yaojin007@ sohu.com
中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号: 1673-8225 (2011)17-03196-04
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。
中国组织工程研究与临床康复 第 15 卷 第 17 期 2011–04–23 出版 Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research April 23, 2011 Vol.15, No.17
不同材料髋关节假体在髋关节置换中的应用
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]。
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
3196
P.O. Box 1200, Shenyang 110004 cn.zglckf.com
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(100~200 GPa)与人 体骨骼(1~30 GPa)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；另外金属在人体内的富氧环境中能在其表面形成 2~5 nm 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[5]，这 些缺点严重影响了金属型人工髋关节的长期应用效果。 经过长期国际范围内的研究与探讨，目前用于关节置换 的基础金属材料常为医用不锈钢、钴基合金和钛合金。 钴基合金是各种骨科内植物的材料中应用最广泛的生 物材料。因钴基合金较不锈钢强度高、模量低，生物相 容性好，且抗腐蚀能力强、耐磨性能好等，故在关节置 换中得到了充分的应用[6]。但其也具有不可矿局的缺点： 韧性差而不适合机械加工，并且钴、铬金属离子具有毒 性。
Yao Jin, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Tianjin Academy of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300120, China yaojin007@ sohu.com
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。