全髖關節置換術后聚乙烯內襯磨損機理的掃描電鏡分析

摘 要 目的：以掃描電鏡的方法觀測人工全髖假體聚乙烯內襯的磨損類型，并探討磨損類型與長期隨訪結果的臨床相關性。方法：利用掃描電鏡對聚乙烯內襯的磨損行表面形貌的觀察與測量，在人工全髖假體聚乙烯內襯上取不同部位的5個點，分別進行觀測，對其磨損情況作磨損機理及磨損類型的分析。結果：對關節負重面行掃描電鏡分析后發現，8髖的聚乙烯內襯均為疲勞磨損、摩擦磨損及粘著力磨損3種磨損機理的混合，其中粘著力磨損為主要磨損機理。結論：掃描電鏡分析顯示人工全髖假體聚乙烯內襯磨損機理多為3種磨損機理的混合。

關鍵詞 聚乙烯 磨損 假體失效

資料與方法

本組8例共8髖，男4例，女4 例，平均年齡65歲，平均體重70.5kg。平均隨訪時間為8 年。

所有患者在術前均經Harris髖關節評分，最近一次隨訪再次進行評分。放射學評價包括假體旁透亮線和局部骨溶解區的記錄、假體柄下沉、髖杯外展角和髖臼中心遷移等。如果髖臼中心在水平或垂直方向移位超過5cm，或者外展角改變大于5°，則被認為是髖臼松動的明確表現。假體柄下沉>1cm或全周放射學透亮帶則提示假體柄松動。局限性骨密度減低區若長度>7cm提示骨溶解。臨床確診為人工關節松動，均行翻修手術，取下人工關節的聚乙烯內襯。其中2例患者因全髖關節置換術后感染行全髖關節翻修手術。

將手術取下的人工關節行表面清理后，取下人工髖關節的聚乙烯內襯，在內襯內表面分別取5個大小約為1cm²的點，其中關節的負重面取3個點，非負重面取2個點，并用mark筆標記。將聚乙烯內襯碎掉后，對標記的5個點噴金，以掃描電鏡觀察樣品的表面形貌。

結 果

超高分子量聚乙烯主要的磨損機理包括以下幾種：①摩擦磨損指當兩個粗糙不平表面發生相對滑動時，即可在強度較弱一側發生劃痕、或切割、或在人工關節內，一個硬質材料的第三體顆粒陷入兩原始負荷之間，即可產生摩擦磨損，引起股骨頭金屬磨損顆粒的產生。②疲勞磨損主要取決于聚乙烯單體循環周期應力，因粘著力磨損或摩擦磨損而使材料表面產生纖絲，可最終因材料疲勞出現微量斷裂。疲勞磨損可作為獨立的磨損機制造成材料裂隙形成，或在材料內延伸。③粘著力磨損是指在微觀級，或在微觀狀態下進行材料的磨損觀察。當兩個相對負荷面的局部接觸時，如果兩材料間粘著力強度大于聚乙烯本身的結構強度，聚乙烯單體可以被拉成纖絲，纖絲最終可斷裂形成磨損顆粒。雖然磨損顆粒很小，可能只有幾微米或更小，肉眼觀察聚乙烯表面仍很光滑，但在電鏡下可觀察到聚乙烯材料表面粗糙纖絲形成。如果原始負荷表面間有第三體陷入，即可產生三體粘著力磨損。根據第三體硬度性能，負荷表面可以有一個面或同時兩個面出現摩擦-髖關節假體中，粘著力磨損顆粒常常被埋入材料強度較軟的一側聚乙烯內。股骨頭粘著力磨損，可直接產生金屬磨損顆粒，同時也使頭表面粗糙，增加對側聚乙烯帽磨損率。特別是鈦合金材料的股骨頭，由于存在嚴重的摩擦腐蝕磨損，可產生大量金屬磨損顆粒。

對關節負重面行掃描電鏡分析后發現，8髖的聚乙烯內襯均為疲勞磨損、摩擦磨損及粘著力磨損三種磨損機理的混合，其中粘著力磨損為主要磨損機理。結果見表1。

討 論

20世紀40年代，Charnely發明了全髖關節置換手術，每年約有50萬人成為此項技術的受益者。但全髖置換手術引起的骨質溶解與吸收，直至現在也沒有得到很好的解決。近來的研究資料明確指出：聚乙烯顆粒是骨質溶解的主要原因，且骨溶解的程度與磨損顆粒量明顯相關。

在研究關節假體材料磨損特性中，聚乙烯材料備受人們關注。研究體內不同磨損機理對整個磨損影響是十分重要的，必須改善材料性能以減少磨損影響。磨損是指當兩個相互作用面產生機械性損害，或材料表面的缺失，即出現磨損。傳統上認為存在兩種磨損，一種為疲勞磨損，另外一種為面際磨損。前者常在循環周期應力下，或者材料內部產生的壓力下發生；后者是當兩個負荷面直接接觸時，由摩擦或粘著力所引起。我們對假體觀測時發現這兩種基本的磨損在8髖聚乙烯假體中均存在，也就是說在這些假體中既有疲勞磨損又有面際磨損。

發現8 髖中有4髖假體存在明顯的微斷裂現象，分析其原因，疲勞磨損造成這種微斷裂的可能性極大。其中1髖假體肉眼可見在假體臼的負重區有直徑0.9cm的類圓形凹陷，底部較平，在其周邊可見有骨水泥集聚，可能是由于安裝假體時，較大的骨水泥塊進入假體關節間隙且與兩關節面反復摩擦形成嚴重的三體磨損所致，即Ⅲ型磨損方式。

通過肉眼及SEM分析我們發現取出的8例聚乙烯內襯中，雖嚴重程度不一，但均有表面氧化；除樣品6在表面沒有發現十分明顯的劃痕或切割外，其他幾個樣品均存在不同的此種痕跡；在樣品1、2、6、8中可見有明顯的微量斷裂存在，從形貌上分析，疲勞所致的可能性極大。

通過SEM檢測發現，8髖的聚乙烯內襯均為疲勞磨損、摩擦磨損及粘著力磨損三種磨損機理的混合，其中以粘著力磨損及摩擦磨損為主要磨損機理。有以下方法可以有效地避免上述磨損情況的發生：①在選用人工關節材料時，可以考慮更為耐磨損的材料，如陶瓷對陶瓷人工關節，其線性磨損率為目前已知關節配伍中最低；此外，硬對硬的人工關節配伍可避免粘著力磨損及疲勞磨損；也可有效地避免摩擦磨損的產生。②因為疲勞磨損主要取決于聚乙烯單體循環周期應力，因粘著力磨損或摩擦磨損而使材料表面產生纖絲，可最終因材料疲勞出現微量斷裂。所以以聚乙烯為人工關節髖臼內襯的THR術后患者應避免長途行走，這樣可有效減少循環周期應力的時間，從而減少材料表面纖絲的產生。③超高交聯超高分子量聚乙烯可能也是一個很好的減少各類磨損的選擇。

總之，人工關節的摩擦與磨損以目前技術來講是難以避免的，只有進一步明確人工關節的摩擦與磨損機理，才能更為有效地避免人工關節失效；指導新的人工關節材料的產生；進一步延長人工關節的在體使用時間。