髋关节假体材料及界面选择

髋关节假体材料及界面选择

河北医科大学第三医院作者：陈百成

髋关节假体材料及界面选择经过近百年的发展，人工髋关节置换术已经成为治疗非感染性髋关节疾病终末期的最佳方法之一，具有能够缓解疼痛、改善关节功能、恢复关节的稳定和功能等优点，已经得到广大患者的认同，并迅速推广。但随着初次置换数量的不断增加，每年因各种原因导致手术失败需要翻修的数量也在不断增加。人工假体的磨损及松动问题促使关节外科医生对髋关节假体材料及界面的

选择进行深入的研究。

一、髋关节假体材料的应用分析

人工髋关节是受力复杂的负重关节，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用，每年要承受100万~300 万次循环的体质量负荷并且由于其长期植入体内，要经受体液的腐蚀作用。鉴于特殊的使用环境，假体材料要满足以下基本要求：1、生物相容性好。即生物材料能被人体组织所接受、且对人体无毒、无排异反应等。2、生物力学相容性好。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，才能将应力通过人工关节材料-组织界面进行有效传递。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。4、寿命长。人工关节一般设计寿命为 20~50 年。

超高分子量聚乙烯由于良好的生物相容性、低摩擦系数、费用低廉以及较好的抗磨损性能而成为制造人工关节假体的常用材料。

但聚乙烯假体的最大问题是材料磨损以及产生的磨损颗粒。在关节活动过程中假体表面发生形变是聚乙烯假体磨损产生微米和亚微米颗

粒的核心特征之一。目前国内外学者就聚乙烯使用中的磨损问题进行大量的实验研究，对聚乙烯进行表面改性，主要利用辐射交联和离子注入等表面处理技术，改变聚乙烯的表面分子结构、物理和化学特性，达到提高抗磨损性能和生物力学相容性的目的。Martell 等研究发现，体内常规聚乙烯线型磨损0.21mm/年，而高交联聚乙烯则仅为0. 14mm/年。

金属材料是制造人工关节假体的重要材料，主要有不锈钢、钴钼合金、钴铬钼合金、钛合金等。现代金属材料强度高，具有抗弯曲、扭转和抗疲劳特性。新一代假体采用大头、高抛光、小间隙，直径相差约100μ m 组合设计时其摩擦性能非常理想。然而，金属的弹性模量(100~200 GPa)与人体骨骼(1~30 GPa) 相差甚远，导致了应力遮挡效应，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。

陶瓷材料目前已经发展到第四代，主要有氧化铝、氧化锆、羟基磷灰石（HA）以及复合陶瓷等。陶瓷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。另外陶瓷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。加快陶瓷磨损的有关因素有垂直位臼杯、股骨颈碰撞以及股骨头分离等，这些对术者的手术技术提出了更高的要求。

黑晶材料，主要成分是锆97.5％+铌2.5％，锆合金在空气中加热，空气中的氧弥散进入合金，将表面转换为陶瓷，氧化的表面为5μm。试验证实，黑晶具有以下特点：①具有钴铬钼合金的强度②拥有陶瓷的光滑度及抗磨损特性③能够避免陶瓷的脆性破裂问题④可以避免金属过敏（不含金属镍）⑤翻修时，可用于破损锥部等。承重试验证实，当承重达到8060 磅时陶瓷头出现破碎，而黑晶头在承重高达20,000 磅时，仍完好无损。但需要注意的是，假体表面5μm 的ZrO2 涂层一旦损伤后，将会带来更大的磨损。

二、髋关节假体界面的分类及选择

1、髋关节假体摩擦界面的比较与选择

影响髋关节假体寿命的因素很多，但人工关节的磨损已经成为制约假体远期效果的最主要因素。其中关节摩擦副的选择至关重要。金属与超高分子量聚乙烯配对的人工关节是目前最常用的组合，但聚乙烯与金属磨损颗粒导致的骨溶解是远期失败的最主要因素之一。为此，学者们不断探索新的组合，包括：高交联高分子量聚乙烯的应用、金属对金属组合、陶瓷对陶瓷组合、陶瓷对聚乙烯组合等，这些新组合在体外具有优良的摩擦和润滑性能，但也存在各自缺点，且远期疗效尚待观察。

金属—超高分子量聚乙烯界面，目前临床多采用钴铬钼合金和聚乙烯配对，具有低摩擦和较好的生物相容性等优点，长期的临床实践证明其具有较好的稳定性，超过15 年的随访结果显示假体生存率可达90％。此外，聚乙烯内衬可以做出各种特定的形状，如高边

内衬、偏心距内衬等特殊形态，同时比硬对硬界面可以更好的耐受撞击。但聚乙烯较差的抗磨损性能，产生大量的磨损颗粒进入关节和周围软组织，是造成骨溶解和松动的主要原因，也是影响假体远期寿命的最直接原因。目前通过惰性环境γ 射线消毒和热熔处理增加交联率、降低氧自由基残余，形成的高交联超高分子聚乙烯可明显提高抗磨损及老化性能，但对聚乙烯最佳的交联率还存在较大的争议，并且尚缺乏大宗病例的远期随访。

金属—金属界面，相比金属对聚乙烯界面其摩擦系数大大降低，超过10 年的随访结果显示其摩擦率低于1~20μ m/年，而金属对聚乙烯的摩擦率为70~600μ m/年。另外，体内外研究证实，金属对金属关节的线性摩擦率只相当于金属对普通超高分子聚乙烯的百

分之一。伴随低摩擦率而来的是骨溶解率大大降低。Migaud 等进行了一项前瞻性的对照研究，对39 例金属对金属髋关节平均随访6.6 年，无1 例发生骨溶解。另外一个优势在于通过增加股骨头假体直径可以明显降低假体脱位的发生率。但是，金属假体磨损将释放金属离子和颗粒，研究显示患者钴铬离子的血清浓度可达正常人的7 倍，潜在的金属离子致癌可能、金属过敏和肾毒性等问题均有待进一步解决，尤其是金属过敏可能与假体失败密切相关。

陶瓷—陶瓷界面，是目前已知的最低摩擦关节组合。陶瓷具有极高的表面硬度有利于表面抛光，产生更小的表面粗糙度，可减少摩擦。而陶瓷的表面亲水性能使滑液可以更均匀的分布于摩擦面，有助于润滑性能。另外，陶瓷对陶瓷关节还可以在不增加关节磨损的情