【doc】 髋关节置换术后假体材料的磨损及其生物学特征

【doc】 髋关节置换术后假体材料的磨损及其生物学特征 髋关节置换术后假体材料的磨损及其生物 学特征 130 中国临床康复第9卷第38朋2005—10—14出版 ChineseJouofClinicalRehabilitation,October142005Vo1.9No.38 髋关节置换术后假体材料的磨损及其生物学特征? 汤宇,孙天胜 ? 综述? 解放军北京军区总医院骨科,北京市loo7oo 汤宇?,男,1968年生,湖南省湘潭市人,汉族,1992年解放军第三军 医大学毕业,博士,主治医师,主要从事关节外科临床研究. tangche2004@sina.cam 通讯作者:孙天胜,主任医师,硕士研究生导师,解放军北京军区总医院, 北京市loo7oo 中图分类号:R496.1文献标识码:B文章编号:167l一5926(2oo5)38—0l30—03 收稿日期:2oo5—03一l4修回日期:2005-08—30(03/GL/YQ) Wearingandbiololgicalcharacterofprosthesismaterialafter thereplacementoftotalhipingTangYuSunTian—sheng, DepartmentofOrthopedics,GeneralHospitalofBeijingMilitaryArea CommandofChinesePLA.Beijingloo7oo.China TangYu,A-.Doctor,Attendingphysician,DepartmentofOrthopedics, GeneralHospitalofBeijingMilitaryAreaCommandofChinesePLA, Beijingloo7oo.Chinatangche2004@sina.cam Correspondenceto:SunTian—sheng.Chiefphysician,Tutorofmaster, DepartmentofOrthopedics,GeneralHospitalofBeijingMilitaryArea CommandofChinesePLA,Beijingloo7oo.China Received:2005——03——14Accepted:2005-08——30 Abstract 0BJECTI?:Withthetechnicaldevelopmentofjpintsurgeryandthe improvementofdailylife,moreandmorepatientswithhipdiseaseaccept thereplacementoftotalhip.Butthewearofprosthesisisstilloneofthe mainressonsforthelong—termeffectsafteroperation.Theunderstanding onprosthesismaterialresearchandthedevelopmentoflong-termfellowup canprovidepotentreferenceforclinicalwork. DATASOURCES:Therelevantarticlesonthewearofprosthetic materialafterthereplacementoftotalhippublishedbetweenJanuaryl999 andDecember2004weresearchedbycomputerwiththekeywords “ arthroplasty,hip,wear,ordebris”inPubMeddatabase,andthelanguage waslimitedtoEnglish. STUDYSELECT10N:Thedatawereselectedfirstly.andtheincluded articleswerethoseaboutthelong—termclinicalobservationandbasic researchonthewearofprosthesismaterialafterthereplacementofhip. howeverreviewandliteratureswithoutabstractwereeliminated. DATAEXTRACT10N:Totally29lliteraturesontheexperimental researchandthelong—termclinicalobservationofprosthesiswearafterthe hipreplacementswerecollected.Thecontentsofliteratureswereclassified andarrangedbymeansofreadingtheabstractsandfuUtexts.Totally69 literatureswererelatedtothecontentofreviews.and222articleswere excluded. DATASYNTHESIS:Thecontentsofthe69literaturesincluded biologicalmechanismofcomponentwear,thecharacteristicsand biomechanicsresearchoftheprosthesis,theresultsoflong—termclinical ~llowup. C0NCLUS10N:Thedeepbasicresearchandlong—termclinicalfollow—u D observationafterthereplacementoftotalZipcanprovidemoreeligible prosthesis,whichcanpreventanddecreasethewearoftheprosthesis, loosenofbonedissolutionetc..andincreasethetimeofuse. TangYSunTS.WeadngandbiologicaIcharaclerofprosthesismateriaIafterthe replacementoftotalhiping?LinchuartgKa.g~2005;9(38):130—2lChinal 汤宇,孙天胜髋关节置换术后假体材料的磨损及其生物学特征U】_中国临床康复, 20059{38):130—21wWWzglckfcom】 摘要 目的:随着关节外科技术的日益成熟以及人们生活水平的逐渐提高,越 来越多的髋部疾患患者接受了全髋关节置换术,但假体磨损仍为影响 术后长期效果的主要原因之一.对髋关节置换术中假体材料研究及长 期随访工作进展的了解,可以为临床工作提供有效的参考. 资料来源:应用计算机检索PubMed1999—01/2004一l2期间关于髋关节 置换术后假体材料磨损的文章,检索词”arthroplasty,hip,wear,or debris”,限定文章语言种类为”English”. 资料选择:对资料进行初审,选择髋关节置换术后与材料磨损研究有关的 长期临床观察及基础研究文章,排除综述类文章及未提供摘要的文章. 资料提炼:共收集到291篇有关髋关节置换术后假体磨损的实验研究 或长期临床观察论着,通过阅读摘要或全文对文章进行分类整理, 69篇与本文综述内容有关,排除222篇. 资料综合:69篇论着中包括磨损生物学机制,材料特性,各种假体材料 生物力学研究,以及临床长期随访的结果. 结论:全髋关节置换术后基础研究的深入和临床长期随访观察,可能提 供更合适的假体材料,预防和减少假体磨损,骨溶解松动等,延长假体 使用年限. 主词:关节成形术,置换,髋;髋假体;生物相容性材料 0引言 全髋关节置换术已获得良好的临床效果,但晚期 并发症中最常见的原因为磨损导致骨质溶解,假体松 动,不得不再次翻修,使假体受到使用年限的限制.如 何设计年限更长的假体,材料的选择和匹配起着很重 要的作用,这方面的临床长期随访及基础研究工作也 在逐渐深入.作者应用计算机检索PubMed1999—01/ 2004—12期间相关文章,从磨损生物学机制,材料特 性,各种假体材料生物力学研究,以及临床长期随访的 结果方面,对髋关节置换术后预防和减少假体材料的 磨损进行了. 1磨损和生物学机制 磨损碎屑对巨噬细胞和单核细胞系的作用效果已 有广泛研究.最近的研究同样表明成骨细胞也参与了 磨损碎屑导致的巨噬细胞溶解过程,对骨溶解的产生 和发展发挥作用.通过细胞培养,Fritz等1证明了金属 颗粒碎屑通过两种独特的机制影响成骨细胞功能:? 通过吞噬细胞本身来直接降低细胞功能.?在细胞增 生减少的同时,通过细胞因子介导,下调of.一1型前胶 原基因表达.此外这一研究还表明,被颗粒碎屑刺激的 成骨细胞产生白细胞介素6和前列腺素E:,导致破骨 细胞功能的变化.其他异源性生长因子加入培养液中, 可以有效地改变钛微粒对of,一1型前胶原mRNA表达 的抑制.这些工作使得对骨溶解的药物治疗和预防带 来可能性. Anderson等[21将人成骨细胞置于因无菌性松动进 行翻修术而获得的关节滑液中,发现降低了成骨细胞 功能(整合脱氧核糖核酸的H3一胸腺嘧啶脱氧核苷减 少).这是首次证实松动假体周围的滑液可以对细胞功 能产生直接影响. 破骨细胞对骨的吸收可以是对细胞活力,分化,增 生或存活过程中调控失衡的结果.Bi等r31观察到钛微 粒可以将培养的破骨细胞分化能力增加30倍.微粒产 生的吞噬细胞溶解并不影响细胞生存.可是增强的细 胞分化可以导致显着地增强骨吸收.Goering等[41证实 含有金属碱粒的吞噬细胞溶解对破骨细胞数量减少有 时间和剂量依赖关系,并且导致骨吸收.用钴铬合金和 ISSN1671—5926CN21—147O/R 11311)113.zCOrnt,23385083C~ina.com汤宇,等.髋关节置换术后假体材料的磨损及其生物学特征 不锈钢微粒比钛微粒这一效果更为明显. 2负重面 对髋关节置换术中杯假体负重面的选择在过去的 5年来也是研究热点.负重面的各种组合包括:硬对软 接触(金属对聚乙烯,骨水泥对聚乙烯)以及硬对硬接 触(骨水泥对骨水泥和金属对金属).由于在加工,制 作,消毒及储存各方面的改进,对负重面组合的选择也 增多.但是究竟何种组合临床效果最佳仍是无法确定. 2.1聚乙烯金属对聚乙烯是负重面组合中使用最 广泛的.对聚乙烯负重面特性的改进是目前研究和进 展的主要热点.基本的要求是控制自由基的数量.3O 多年来绝大多数使用于全髋关节置换术中的聚乙烯 都应用射线灭菌,射线在空气中可以产生自由基, 导致聚乙烯氧化,降低负重特性.同时射线使聚乙 烯交联,又可增加负重的能力.此外,长期的包装保存 可能导致聚乙烯更严重的氧化,因为氧气可能扩散到 置人物并与材料中的自由基发生反应. 最近有好几种聚乙烯材料都可以增加交联而减少 氧化退变.这些材料随照射剂量,照射种类(或电子 束),聚乙烯在加工之前是否再熔解以消除原有自由 基等不同条件而有差别.有些研究已集中于用大剂量 的射线和再熔解的方法来改变聚乙烯的生物机械特 性.这些变化可能在假体使用期间导致潜在的负重能 力弱化. Shen等I实验证明,在低氧环境中的袋装和灭菌 可以增加聚乙烯的交联,减少氧化,增强负重能力.但 是不管是在空气还是在惰性气体内,对各种聚乙烯材 料加热后的人工老化可以使照射后的聚乙烯负重能 力减低.Shen等151指出,照射导致交联的优点可能在体 内由于长期自由基的氧化而抵消. Muratoglu等[61报道了一种交联聚乙烯在体外实验 中的表现.他们发现在退火过程中可以有效地消除原 有可探测到的基团.同时这种聚乙烯产品在髋部类似 模型实验中经2000万次的循环活动没有发现可以测 量出的磨损,与常规聚乙烯相比,在屈服强度,最大张 力强度,延伸率,结晶度方面有减小.这些性能在美国 食品和药品监管局颁布的范围之内.虽然这些结 果令人兴奋,但是在体内的长期研究仍需继续,以确 定这些聚乙烯材料经交联后特性的改变是否能持久. 目前主要争论和广泛讨论的焦点集中于对交联 聚乙烯体内实验结果的报告中.4种最普遍使用的交 联聚乙烯骨水泥产品经实验后,发现4种产品都要优 于对照组聚乙烯.然而在人工老化的效果数据中出现 了更多相互矛盾的地方.在8O?空气,3周时间进行 老化的某种特定产品的磨损率应该明显增加,事实上 这种产品的表现要差于对照组.此外在对所有样品进 行的实验中,交联产品有最为明显和强烈的氧化退变 131 改变.这些研究结果,进一步说明在可获得的商业产品 间性能有很大的差别.由于这些产品制作方法不同,对 实验条件的反应也不一样,因此实验方法要求标准化. 在体外实验的差异并不反映体内的情况,需要有更长 期的临床随访数据来支持临床对这些产品的使用. Martell等[71报道在良好设计的前瞻,随机实验中, 经很短的2年随访,交联聚乙烯临床磨损状况得到改 善,平均线性和立体磨损率在常规杯是O.21mm/年和 94mm3/年,在交联聚乙烯杯这些数据则明显降低(P <0.05)(0.14mm/年和54mm3/年).作者还测量了在 体外的磨损率.体内测量的磨损体积比率(交联/对 照:O.57)与在磨损模型中测量的磨损体积比率近似 (交联/对照:0.56).这些结果进一步证实可以在实验条 件下原位使用全髋假体杯来证实对磨损情况的预计. 交联并不是减少聚乙烯磨损的惟一方法.Maloney 等r81报道在他们实验中使用了用压力模具制作的聚乙 烯关节.此模具与对应部件立体形状一致,直接将聚乙 烯树脂经加热和受压制作假体部件,希望在此压力下, 聚乙烯内自由基的数量和氧化退变可以减轻.在总共 378例髋关节置换中,随访近2O年,髋臼骨溶解发生 率0.5%,股骨骨溶解发生率3.2%.纵向聚乙烯磨损率 为O.05mm/年.Maloney等认为压力模具是获得聚乙 烯交联的有效方法. 在髋关节类似模型实验和全髋假体原位使用之间 的临床相关性仍有不一致的地方.Silva等191用步数监测 仪记录了31例患者在确定的时间内步数数据.他们发 现:?男性患者较女性患者步行速度快,快速步行时间 长.?男性患者聚乙烯磨损量大.?步行速度慢,磨损程 度轻.<~2oo万次的模拟实验与1年的原位使用状态相 当.因此对新聚乙烯材料的实验室检测l000万次的循 环更适合于传统的600万次循环.此外类似于步数监测 仪这样的简单和相对便宜的设备,适合于对全髋置换术 后可能有加快磨损的危险因素患者的监测. Schmalzried等q还报道了聚乙烯磨损程度和活动水平 之间的关联性.他们观察了37例患者,平均骨密度指数 为27.5.由常规聚乙烯或高分子聚乙烯制作的衬垫用 射线灭菌.作者发现体内纵形磨损率为O.14mm/年,磨 损体积73mm3/年,回归分析证实在男性和磨损程度之 间攉最强的相关性.其他对磨损程度有明显影响的因素 包括:患者身高(P=0.007),体质量(Pm-0.04),衬垫厚 度(P=0.03),髋关节旋转中心(P=0.015).计步器数据 显示患者步行190万次/年.比较磨损状态和计步器数 据后Silva~等认为对7O患者,在富氧环境中用射 线灭菌的常规聚乙烯平均磨损容积为30mm3/百万步. 这一数据可以用来在检测新的聚乙烯材料时作为髋关 节模拟器的参考磨损率. 在临床治疗中一个迫切需要回答的问题是全髋置 1321SSN1671-5926CN21—1470/Rl棚砖册z中国临床康复2005年lO月l4日第9卷第38期 换后磨损率的测量与杯负重面失败之间有何关联. Jordan等I”1在48例全髋假体随访超过10年后,分析了 单杯设计和32mm股骨头假体磨损和I临床表现之间的 关系.这组病人有磨损的风险,因为平均聚乙烯厚度仅 有4.9mm,平均年龄56岁,所有杯都用环氧乙烷灭菌, 放射线上测量的平均衬垫磨损率为0.18mm/年.在不 同时间阶段磨损率的变化程度与衬垫有关.骨溶解与 磨损明显相关(P<0.001).在磨损<0.1mm/年的髋 关节中没有发现有骨溶解.此研究最重要的结论就是 将来可以根据术后早期磨损状态来判断精确磨损率. 在任何关节重建术后关节运动都可能影响假体功 能和使用期限.最近Komistek等21用已经证实的荧光 图象技术对7例准备行全髋翻修术的患者评价关节运 动情况.他们发现在失败假体中髋关节分离要比在正 常功能和没有症状的髋关节大(10mm:3.6mm).主要 的分离集中在上方和侧方,这一区域也是聚乙烯退变 最大的部位.髋关节分离在理论上可以导致杯失败,机 制有如下几点:?偏心负重可以导致聚乙烯磨损.?冲 击性负载可以导致固定松动.?对磨损碎屑的负压抽 吸可以导致微粒迁移及潜在的骨溶解.?不稳定. 2I2陶瓷Howling等I31报道在髋关节模拟器实验中, 陶瓷对聚乙烯负重的磨损率是金属对聚乙烯磨损率的 50%.而Hopper等川报道对于经射线照射的聚乙烯 杯对陶瓷头,它们的平均衬垫磨损率为0.05mm/年. Wroblewski等51报道用陶瓷和交联聚乙烯的人工关节 在一小样本的骨水泥全髋置换术中,衬垫的磨损率为 0.03mm/年.这一数值比常规金属对聚乙烯关节的磨 损率小5倍.Bierbaum等报道在52对患者,平均5.5 年后对磨损率的测量.这两组患者惟一的差别在于一 组是陶瓷对聚乙烯关节而另一组是金属对聚乙烯关 节.在陶瓷对聚乙烯组衬垫磨损率为0.13mm/年,金 属对聚乙烯组0.17mm/年(P<0.05).磨损率的差别 是否会保持一致,还是随着随访时间延长差距更大, 这一点还需要继续观察.. 关于陶瓷对陶瓷人工关节临床效果的许多数据 已经由欧洲的学者进行了报道.用髋臼面表面多孔喷 涂的杯可以改进杯的固定.对陶瓷锁定机制的进一步 改进减少了杯在撞击过程中碎裂的可能.D’Antonio 等【l经历2年,对504例全髋置换进行随机化多中心 观察,分组为陶瓷对陶瓷或金属对聚乙烯的人工关 节.这两组的主要差别在于90%的陶瓷股骨头直径为 32mm,而83%的金属头直径28mm.两组不同类型人 工关节的临床表现没有差别.在聚乙烯组股骨近端区 域可以看到有小的骨溶解缺损,而在陶瓷组则没有. 没有发现陶瓷锁定装置的断裂或失败.在美国正在进 行陶瓷对陶瓷人工关节的临床实验,短期随访没有发 现有机械失败. 2.3金属对金属金属对金属的人工关节提供了另 一 种硬对硬的组合,据报道可测量出磨损容积的磨损 率.Dorr等I81对56例全髋置换术后随访平均5.2年, 没有发现有骨溶解.但是有1例杯由于松动而进行了 翻修.在另一独立研究中,Dorr等『I8】报道他用金属对金 属组合的改良杯.这种独特设计的杯改良了聚乙烯的 锁定机制,能使3mm厚的人工关节金属表面加工后 与聚乙烯结合.经蠕变和沉淀,聚乙烯内衬的渗透最初 为0.03mm/年,随后0.003mm/年,没有骨溶解发生. 扩散的金属碎屑对全身的可能影响也受到广泛 关注,但是这种临床关联仍未能明确.Urban等【91报道 在28例患者68%的主动脉旁淋巴结有磨损碎屑的扩 散,此外有38%的金属碎屑和14%的聚乙烯碎屑在肝 脾内发现.淋巴转移是扩散的最主要途径,它所产生 的临床效果还不明确.但是有一例患者由于在肝脾内 高浓度的钛微粒转移形成肉芽肿,而需要治疗.同时 也有在临近关节置换假体处发生恶性肿瘤的病例报 道.回顾最近的流行病学研究,没有发现在全髋或全 膝关节置换术和肿瘤发生之间有明确的联系.对金属 的高敏感性也是关注的焦点.在进行了假体置换的人 群中对金属过敏的人数要比普通人群高,仍需进行长 期仔细的随访,以确定磨损碎屑对免疫和远处器官系 统的可能影响. 3参考文献 1VermesC,ChandrasekaranR,JacobsJJ,eto1.11leeriectsofparticulatewestl” debris,cytokines,andgrowthfacto]~onthefunctionsofMG-63osteoblasts.J BoneJoiraSurgAm2001;83--A(2):201——11 2AndersonGL’MacQuarrieR,OsingaC.etInhibitionofleukotrienehlnction canmodulateparticulate-inducedchangesinbonecelldifferentiationand ~ictivity.JBiomedMaterRes2001;58(4):406-14 3BiY,SeabeldJM.KaacSG,etAdherentendotoxinonorthopedicwestl” particlesstimulatescytokineproductionandosteoclastdifierentiation.JBo, MinerRes2001;16(11):2082—91 4GoeringPL’KuesterRK,NealAR.eto1.Effectsofparticulateandsoluble caOmlumspecle8onbloehermcalandlunctlonalparameters1nculturedmllrlne macYophages.InVitrMolToxicol2000;13(2);125-36 5ShenFW,McKellopHA.Interactionofoxidationandcrosslinkingingamma— irradiatedultrahighmolecular-weightpolyethylene.JBiomedMaterRes2002; 61(3):430—9 6MuratogluOK.O’connorDO,BragdonCR,et以Gradientcrosslinkingof UHMWDEusingin.adiationinmoltenstatefortotaliointarthroplasty. 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