人工关节磨损的测量方法与防治

【中图分类号】R-1 【文献标识码】B 【文章编号】1671-8801（2015）01-0359-03

1 人工关节置换术的概念

人工关节置换术是指采用金属、高分子聚乙烯、陶瓷等材料，根据人体关节的形态、构造及功能制成人工关节假体，通过外科技术植入人体内，代替患病关节功能，达到缓解关节疼痛，恢复关节功能的目的。

2 人工关节置换术的发展史

在出现人工关节置换术之前，医学家们从未停止过对关节疾病治疗的探索。毁损关节面切除术（Resection），关节融合术（Arthrodesis），截骨术（Osteotomy），关节成形术（Arthroplasty），以及截肢术（Amputation）等，这些治疗方式曾被广泛用于关节疾病的治疗中，有些至今仍在特定的患者中使用，但是这些术式多以牺牲关节功能，降低患者生活质量来达到解决关节疼痛，治疗关节疾病的目的。

十九世纪末，Themistocles Gluck 经过动物实验后，采用象牙、树脂及石膏混合后将假体固定在一些关节结核患者的膝关节部位，虽然这种方式以现代的观念看来是不会获得成功，但在人工关节置换发展史中是一个极为重要的理念的出现，是一个闪亮的新起点。

1938年，Philp Wiles 等利用不锈钢制成的髋臼和股骨假体植入患者体内，虽然Philp Wiles因为各种原因没有继续他的工作，但人工髋关节置换的雏形已经出现在后面的面前。

1962年，英国的John Charnley医生提出了低摩擦人工髋关节置换理论，人工关节置换术，特别是人工髋关节置换进入到了崭新的纪元。

进入二十一世纪，随着医用生物材料改进、外科手术技术进步、医学工程技术的介入，人工关节置换术正在走向精确化、微创化，手术成功率得到极大的提升，假体的远期生存率也在不断改善，人工关节置换术正在走下神坛，成为骨科关节疾病治疗领域的一个常规治疗手段。

3 人工关节置换的适应症及优缺点

3.1人工关节置换的适应症

（1） 严重的骨性关节炎，类风湿性关节炎，创伤性关节炎，强直性脊柱炎，先天性发育畸形导致的关节炎或关节疼痛、活动功能障碍，Paget病，以及骨关节的肿瘤等。（2）出现以上疾病的患者尚需符合以下标准才适宜进行人工关节置换术：①关节面骨和软骨破坏的影像学改变；②有中度到重度持续性疼痛；③经过至少半年的保守治疗，功能和疼痛无法改善。保守治疗至少应包括：非甾体类抗炎药物及其它类型的止疼药物、理疗、助行装置（手杖、拐杖等）以及有意识的减少关节负荷的生活、工作习惯的改变；④患者能够积极配合医生治疗，有良好的依从性。（3） 年龄已非人工关节置换的决定性因素。最初，受限于早期的人工关节假体设计及材料磨损性能的限制，以及手术技术尚不成熟，一度认为人工關节置换只适用于65岁以上人群。

3.2人工关节的优点

人工关节可以通过重建一个功能接近正常的关节，解除关节疼痛、畸形和功能障碍，提高病人的生活质量，另外也适用于严重关节损伤和关节磨损。

3.3人工关节的缺点

磨损是影响人工关节使用和成败的一个重要因素，磨损颗粒诱发假体周围组织细胞产生一系列生物学反应是导致假体周围骨溶解及假体无菌性松动的重要因素[1] 。因此对人工关节磨损的检测、监测及预防无论是在人工关节设计阶段还是植入人体以后，是人工关节置换术成功与否的重要指标。

4 人工关节磨损的测量

对人工关节磨损测量方法的研究对人工关节材料和工艺选的选择，外形尺寸设计、制造和检验、应用等，都具有重要的意义， 对于磨损的检测是人们探索关于磨损产生机理、碎屑效应和假体使用寿命的重要指标。

目前，人工关节磨损测量方法分为实际人工关节假体磨损的测量和体外人工关节假体实验磨损的测量两大类[2]。

植入假体的磨损检测主要有影像学检测（X 射线检查、CT 断层扫描技术、核磁共振等技术实现人工关节磨损的体内医学检查）和取出植入假体磨损的检测。影像学检测可为骨科医生提供详实、可靠的数据，包括人工关节的尺寸、安放位置及术后随时、无创的观察假体的使用情况，特别是人工关节的磨损情况[3]。

体外人工关节假体实验磨损的测量主要包括：（1）称重法；（2）几何法：①坐标测量法② 光学干涉法③同位素跟踪法④ 经验公式法。

称重法是是目前为止在人工关节磨损实验阶段用得最多的磨损测量方法，国际标准化组织也对称重法的标准测量程序做了相应的规定。该方法的特点有：1） 这种方法获得的是磨损量的整体，不能获得假体上各处磨去材料的分布细节；2） 该方法直接获得材料磨损的整体重量/质量，在体积换算中根据的是假体的材料密度，而由于假体特殊的工作环境使得这一常量有所变化，如润滑液的吸收等，从而导致磨损体积计算误差较大。3） 由于材料在实验中的蠕变（Creep）效应，导致材料体积计算误差，目前已有措施减少这一误差，如假体稳定处理（Stabilization），通过48 h 或者72 h 以后，给予材料足够的时间恢复。4） 随着材料及其成型技术的不断改进，假体磨损量越来越小，使得称重难度越来越大， 目前常用天平使用0.01mg 或者0.1mg 的分辨率。对于称重法中称量收集起来的人工关节磨损碎屑，这种方法除了前述的问题以外，就是收集难度较大，所以用的相对较少，一般在碎屑磨粒分析时同时获得磨损体积大小。

据文献报道，几何法的研究还比较少，尤其国内鲜有相关文献报道。4种几何法中，坐标测量法作为一种更加通用而且适应现代加工与分析手段的方法，现将其简单介绍如下：

坐标测量法 采用CMM扫描测得三维坐标数据，根据测得的曲面数据可以建立数字化CAD关节面原型，在此基础上可计算人工关节的磨损。因此，坐标测量法属于几何法[4-5]。此法首先对磨损前的假体进行扫描，构建数字化CAD模型，然后对假体进行磨损，再次扫描测得磨损后的假体CAD模型数据，二者进行比较。由于三维几何法不仅可以给出材料整体磨损量而且可以给出材料磨损的分布细节，受材料吸水性影响较小，适用于假体配伍的低磨损发展趋势和现代分析技术，具有比较广阔的应用前景。

5 人工关节磨损的防治

我国社会老龄化程度不断加重，由于生活习惯及饮食序贯的改变，我国老年人骨质疏松症的发病率日益增高，目前我国已经是世界上骨质疏松（osteoporosis，OP）患者最多的国家。世界卫生组织（WHO）在1994年将骨质疏松定义为一种以骨量低下，骨组织微结构破坏，导致骨强度降低及骨脆性增加，易发生骨折的全身性疾病[6]。人工髋关节置换是治疗晚期骨性关节炎、股骨头坏死、老年股骨颈骨折非常理想的方法，植入人工关节后不仅可以重建活动功能，还能够提高生活质量。目前人工髋关节置换术已经成为骨科手术中一项非常成熟的技术[7]。人工关节是临床需求量最多的植入体之一，欧美等发达国家每年仅全髋关节置换患者已超过70 万例。目前我国人工关节置换术不到40万例，但需要进行关节置换的患者远超过此数。我国将是人工关节需求量最大的潜在市场。Sundfeldt等[8]统计表明在人工髋关节置换15～20年后，大约有10%～15%患者的人工假体关节失效，超过66%的髋关节翻修是由人工关节无菌性松动引起的。故人工关节的无菌性松动是骨科医生所面临的棘手问题，而且至今国内外尚无理想的解决方法。人工假体周围临近的骨组织溶解的原因及其病理过程目前尚未完全明确，但由磨损颗粒引起的骨溶解的生物学因素，已经成为医学界的共识。人工关节的无菌性松动后，将导致局部疼痛，严重者需要做翻修术，给患者的心理、机体及经济上造成很大的负担，如何防治人工关节术后松动目前已经成为骨外科最重要的课题。因此为了保障人工关节的长期使用，防治磨损颗粒与假体周围骨溶解主要应从以下几方面着手：

1）人工关节的选择

人工关节技术涉及材料学、生物摩擦学和医学工程等多种学科的交叉，关系到人们的生命质量。人工关节的摩擦磨损性能是评价其质量好壞的一个重要因素。因此，提高传统关节置换材料的摩擦磨损性能是人工关节假体研究的热点方向之一。国内外材料和医学科技工作者对提高人工关节材料抗磨减摩性能进行了大量研究[9-10]，根据人工关节材料， 磨损颗粒主要有超高分子量聚乙烯（UHMWPE） 颗粒、金属（钛合金、钴铬合金）颗粒、氧化铝陶瓷颗粒、骨水泥（PMMA ）颗粒等[11]。不同磨损颗粒的生物学特性各异。目前主要集中于对传统关节材料进行表面改性处理，以期改善材料表面状态及物理、化学性能，从而提高人工关节材料的耐磨性能，降低摩擦系数。

2）人工关节植入固定技术的选择

导致术后人工关节无菌性松动的因素也较多，其主要因素是人工关节的磨损颗粒，还有患者的自身机体状况及术者术中操作技术原因，目前对于假体植入后固定方法主要有两种，其一为假体置入后采用骨水泥对其固定。其二为依靠骨组织长入假体表面微孔内使假体与骨组织牢固的方法，被称为生物学固定。各具有缺点，骨水泥固定方法的优点是早期锚固作用非常良好，短时间内失败率与翻修率都很低，缺点是骨水泥具机械性能差，容易碎裂，随着时间的推移假体周围骨溶解和无菌松动发生率也比较高，故给临床的使用上带来了很大的局限性。生物学固定是近年来发展起来的较新技术，是依靠术后骨组织长入人工假体表面微孔内，使其假体与邻近组织牢固嵌连，或者通过改变人工假体的外型，使之更加适应髓腔的结构，二者紧密结合达到固定目的。理论上虽然可以实现假体与周围组织融为一体的可能，但在临床实践中同样存在人工假体松动、假体周围骨溶解现象。而且发现生物学固定的方法，早期固定牢固性不理想，远期的固定效果与骨水泥固定没有明显太大的区别。

据以上文献回顾和分析来看，人工关节置换在治疗晚期严重关节疾病疗效确切，能缓解、消除疼痛，明显改善关节功能，但人工关节置换术后远期假体周围骨溶解是一个很大的难题人工关节假体周围骨溶解的形成是一个非常复杂的过程，影响因素主要涉及到假体材料、假体固定方法、界面微动、界面密封程度、假体周围高液压等；更主要的是生物学因素，包括磨损颗粒种类和大小、细胞因子释放、对磨损颗粒的致敏反应等。在防治假体周围骨溶解的措施主要有改进人工关节材料及设计、改善人工关节固定技术、注重手术操作技术。对这些因素的深入研究不仅可以促进人工关节制造精度的提高，降低加工成本，而且可以丰富和完善外科植入体磨损实验国家标准的内容，最终促进我国人工关节置换术的广泛开展。在药物防治研究领域，二膦酸盐类化合物证实具有正面效应，有望成为防治假体周围骨溶解的有效药物。解决好这些问题，人工关节置换术一定会显示出更加广阔的前景，为更多的患者带来福音。

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