假体摩擦界面的发展

早期人工关节的失败除了材料选择不当外，假体设计不良和加工粗糙也是主要因素。随着治疗理念和手术技术的发展，假体设计和工艺也同步得以迅速提高，这其中关节摩擦副的发展最具代表。Charnley于20世纪60年代提出的低摩擦设计思想，已长期成为人工关节摩擦副设计的基本原则。金属与超高分子量聚乙烯配对的关节是目前最常用的组合。这些组合各有其优缺点（表1-2）。

（一）金属对超高分子量聚乙烯

1962年，Charnley关于金属对聚乙烯组合设计理念的提出，被认为是现代人工关节置换术的开端，据估计到目前全世界已有至少超过300万套的金属对聚乙烯髋关节置入体，是目前临床应用最多、最广的关节组合。具有低摩擦和较好的生物相容性，长达40多年的临床应用证实了该组合具有较好的稳定性，15年以上的随访结果表明假体存留率可达90%。此外，聚乙烯内衬可做成各种特定形状（如防止后脱位的高边等），这在金属对金属和陶瓷假体中都较难达到。假体撞击导致的磨损常见于金属对金属和陶瓷假体，并会带来严重后果，而聚乙烯和金属撞击的后果则小得多。但其缺点主要在于聚乙烯较差的抗磨损性能和老化，虽然理论上按每年0.1mm的磨损率计算，一般聚乙烯内衬具有百年寿命，但体内磨损远比模拟试验复杂，此外数亿的磨损颗粒释放入关节和周围组织，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。研究还发现，空气环境下消毒产生的氧自由基可导致聚乙烯老化。目前通过惰性环境γ射线消毒和热处理等可增加交联率，降低氧自由基残余量，形成的高交联超高分子聚乙烯可明显提高抗磨损和抗老化性能。体外模拟测试显示有良好的结果，除了磨损率下降外，磨损颗粒的形态、数量和大小也有所改变，传统聚乙烯假体的磨损颗粒多是直径为数微米的条形，高交联聚乙烯产生的磨损颗粒主要为纳米级的球形颗粒，后者的颗粒具有更小的组织学反应，但中远期的临床效果仍有待证实。

表1-2　各种关节摩擦副的磨损性能比较

（二）金属对金属

金属对金属的全髋置换术可追溯到20世纪30年代，Wiles首先进行了这方面的探索。20世纪50-60年代，McKee、Ring等进一步发展了金属对金属假体设计和固定技术。很高的早期失败率导致绝大多数研究转向了金属对聚乙烯，直到20世纪80年代末，由于人们逐渐认识到聚乙烯的高磨损率导致的骨溶解和远期松动，特别是年轻、高活动量患者的高失败率，金属对金属的研究才重新得到重视。第一代金属对金属的早期高失败率主要归因于不良的假体设计和粗糙的制作工艺，第二代金属对金属假体采用了锻造的碳增强钴铬钼合金，提高关节表面制作精度以减少磨损，合理的匹配间隙（30～150μm）有利于改善关节润滑机制。从1988年开始，已有超过20万的金属对金属关节假体被置入人体，临床结果非常优良。近中期的假体留存率接近100%，没有出现与金属设计直接相关的翻修，假体周围的金属颗粒量也不多。Sieber报道，118个取出的假体，包括65个股骨头和53个髋臼杯，失败原因包括股骨柄和髋臼松动、脱位、异位骨化和感染，没有1例因骨溶解翻修。进一步的临床观察发现，在快速磨损期，金属对金属假体的线性磨损率每年为25～35μm，到第3年进入稳态磨损后，磨损率每年降低到5μm，容积磨损率每年为0.3mm3，比传统的金属对聚乙烯低100倍。其他的临床研究也证实了金属对金属假体置入后发生骨溶解的病例极少。但是金属对金属假体产生的磨损颗粒平均粒径约0.05μm，按其容积磨损率计算，每年产生的颗粒数为6.7×1012～2.5×1014，极高的金属离子浓度对内脏尤其是肾脏和周围组织可能产生不良影响，此外，潜在的致癌可能和金属可能均有待进一步观察和解决。

（三）陶瓷对陶瓷

Boutin于1970年发明了陶瓷对陶瓷全髋关节。目前临床只有氧化铝陶瓷对氧化铝陶瓷的组合，氧化锆陶瓷对铝陶瓷自身均出现极高的磨损率，只能与聚乙烯组合。陶瓷对陶瓷是目前已知的最低摩擦关节组合，其摩擦和润滑机制与金属对金属关节相似。但陶瓷具有极高的表面硬度和表面亲水性能，从而具有更优良的摩擦和润滑性能。此外，与金属对金属的假体摩擦界面相比，陶瓷对陶瓷摩擦界面的另一大优势在于不增加关节磨损量的前提下，通过大直径球头的使用增加关节活动度、减少脱位几率，一般情况下尽可能使用32mm或36mm球头。陶瓷摩擦颗粒的相对生物惰性也有利于减少磨损导致的骨溶解反应。30余年来，已有超过50万例陶瓷关节置入人体。不过，早期设计的陶瓷假体并未取得理想的结果，在＜55岁的患者，假体10年存留率只有84%，15年为80%，20年只有61%。究其原因主要在于假体设计和固定技术上的不合理，而假体的体内磨损性能仍非常优良。现代的陶瓷设计和固定均有较大改进，2～3年的假体存留率达98%～99%，但长期效果有待观察。陶瓷关节的主要问题在于股骨头碎裂以及假体撞击产生的磨损。经过材料工艺及假体设计的改进，28mm陶瓷头的破碎率已从20世纪70年代的0.026%下降到0.01%，而32mm陶瓷头的破碎率仅为0.004%。此外，正确的操作对假体的寿命非常重要，陶瓷对陶瓷关节对假体安装位置要求更高，位置不良导致的假体撞击可能是磨损的主要来源。由于缺乏陶瓷假体的国际标准，在假体选用时，禁忌混用不同品牌的产品，禁止陶瓷头与金属部件作为假体摩擦界面。在假体安装时，保持假体表面完好状态、置入前彻底清洗假体接触面，安装陶瓷头时先轻拧到位再以配套工具轻轻敲击，不能以金属工具直接敲击陶瓷部件。

（四）陶瓷对聚乙烯

20世纪80年代末出现了氧化锆陶瓷，氧化锆陶瓷强度高于氧化铝，不易碎裂，高强度的表面不易出现划痕，不会增加聚乙烯磨损，因此，适合制作小直径的股骨头，如22mm、26mm球头。氧化锆陶瓷只能与聚乙烯组合，目前已有超过30万例的临床使用。但与铝陶瓷相比，体外实验和体内观察发现并未显著减少聚乙烯的磨损，因此其优越性仍有待于进一步观察。此外，氧化锆陶瓷又因采用蒸汽消毒后可能增加表面的粗糙度从而增加磨损可能。