生物型膝關節假體的研究進展

王智勇，張志強

(1.山西醫科大學，山西 太原 030001；2.山西醫科大學第二醫院骨科，山西 太原 030001)

生物型膝關節假體即非骨水泥型膝關節假體，其通過假體-骨界面緊密接觸，促使骨組織長入假體，提高假體與髓腔的結合強度，從而達到假體的長期穩定。使用生物型人工膝關節，可保存患者骨量，同時避免或降低了骨水泥所導致的毒副作用。目前，隨著工程技術與生物材料的發展，臨床與科研對于生物型膝關節假體的研究也愈發受到關注。本文就生物型膝關節假體的研究進展予以綜述。

1 生物型膝關節假體的表面性狀

20世紀70年代，為尋求更加穩定的假體固定，生物型人工假體應運而生，并在80年代第1次應用于全膝關節置換。隨著幾十年的研究，生物固定技術得到了廣泛的應用和突飛猛進的發展。生物型膝關節假體要達到長期穩定，假體表面的性狀非常重要。研究發現，多孔表面假體要保證骨長入，實現生物固定，假體空隙大小在350～550 μm最佳，過大或過小都不利于骨長入，孔隙度以20%～40%為宜，且表面有一定的粗糙度[1]。

假體表面材料主要通過等離子噴射技術、高溫燒結或電泳沉積等技術對假體基體表面進行恰當處理，從而改變假體表面的性狀，以達到誘導骨-假體表面骨形成的目的。生物型膝關節假體的表面材料多集中于羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)、鈷鉻合金等。

HA屬于生物相容性礦物質家族，具有良好的骨誘導性及生物相容性。其結構和成分與人骨組織極其相似，并且在骨界面存在機械固定力和化學鍵力，這使界面具有更高強度抗剪切力的作用，這些均可促進骨組織長入孔隙，在其表面附著，從而形成生物自鎖固定與機械咬合固定，有效地防止假體松動和下沉，提高假體的遠期生存率[2]。Cossetto等[3]通過對2002—2004年175 例HA涂層生物型膝關節置換病例發現，膝關節評分由術前57分提高至92分，無患者存在明顯的聚乙烯磨損與骨溶解現象，174 例脛骨平臺骨長入良好，假體5年生存率為98%。研究證明，HA涂層可充分提高骨長入的穩定性，保證良好的中期臨床效果。Drexler等[4]通過研究4代生物型全膝關節假體的失敗率與設計變化之間的關系發現，因生物型假體組件設計的進步(如HA涂層等)，顯著降低了磨損所致的膝關節翻修的發生率，提高了生物型假體的臨床療效。雖然研究顯示HA涂層假體與骨組織均有良好的初始固定，可有效提高假體的穩固程度，但臨床上也有HA涂層發生脫落的報道[5]，脫落的涂層微粒會通過生物學途徑引發假體的松動。目前涂層脫落考慮與制作工藝有關，因此，人們開始著重對涂層處理技術及HA材料改性的研究。Kim等[6]應用溶膠-凝膠法在假體表面制作HA涂層，使假體表面更為粗糙，更利于促進成骨細胞的活性。氧化鈦和氧化鋯等都具有阻礙HA涂層裂紋形成和發展的作用，在HA中加入氧化鈦和氧化鋯可明顯增強界面的結合強度以及中遠期固定效果[7]。

鈷鉻合金在組織內接近完全惰性，耐磨性高，抗腐蝕，彈性模量高于骨組織。目前大多是將鈷鉻合金的涂層燒結于鈦合金假體上，改善鈦合金假體磨損性能，達到骨整合的目的。Meneghini等[8]通過對兩種生物型脛骨組件研究發現，鈷鉻合金串珠狀脛骨組件穩定性高于有螺釘多孔鈦合金脛骨組件?？梢姳砻娌牧镶掋t合金可提高假體牢固性，進一步說明生物型假體的穩定性與假體表面設計有關。Haenle等[9]通過動物研究發現，鈦合金假體表面給予鈦酸鈣處理后，隨時間的增加軸向拉力顯著增加，鈦酸鈣作為假體表面修飾材料具有一定前景。此外，金屬鉭是目前關節假體表面較為理想的材料，其抗磨耐腐蝕，具有較高的機械強度，且彈性模量較低，介于皮質骨與松質骨之間。研究發現多孔鉭脛骨組件全膝關節置換術后7年隨訪，膝關節臨床等級評分顯著提高，脛骨組件周圍新骨形成，骨小梁增厚，無透射線形成，無應力遮擋所致的假體松動，具有良好的固定效果與臨床療效[10]。

2 生物型膝關節假體的人群選擇

提高假體與骨的結合強度，獲得長期生物固定則是患者與醫師是否選擇生物型膝關節假體的宗旨。生物型膝關節

*本文通訊作者：張志強

假體對于骨質條件要求較高，是選擇生物型假體的關鍵因素，因為其決定了初始固定強度與骨長入。假體植入后，骨祖細胞移行至孔隙內，并增殖分化為成骨細胞，并且假體-骨界面骨組織應力分布發生改變，出現誘導骨重建現象[1]。骨小梁生長活躍，有再生能力的骨骼在6～12周即可初步達到生物固定的目的[11]。因此，生物型膝關節假體主要適用于骨關節炎、創傷性關節炎、無明顯骨質缺損的患者，對于存在骨質疏松的患者應仔細評估患者骨質條件。Meneghini等[11]研究發現，骨質正?；颊呱镄拖リP節假體穩定性顯著高于骨質疏松患者。

人工膝關節植入后，假體承受至少3～5倍體重負荷，因此體重大于90 kg患者，不建議使用生物型膝關節假體[7]。Meneghini等[12]研究發現，對于身形高大、體重較重的男性患者，由于活動量增加易引起脛骨負載較大，更容易導致早期生物型膝關節置換失敗。Jackson等[13]進行了肥胖對生物型全膝關節置換中期結局的影響研究，9年隨訪發現肥胖(BMI≥30)似乎對臨床結局有負面影響，但在骨溶解、透射線及10年假體生存率方面則無顯著差異，并且患者滿意度也如預期。因此，不可僅僅依靠BMI判斷患者肥胖而拒絕進行生物型膝關節置換。對于年輕、活動度大的患者均可考慮生物型膝關節假體。Whiteside等[14]對生物型膝關節置換患者5年隨訪發現，在相同的體重因素下，膝關節評分年齡輕的患者優于年齡大的，但年齡輕且體重大的患者與年齡大但體重輕的患者之間則無明顯差異，所以年齡和體重均不是考慮生物型膝關節置換的決定因素。除以上條件外，生物型膝關節假體置換對醫師手術技術的要求也更高，精確截骨、良好的壓配也是影響生物型膝關節置換療效的主要因素之一。

3 生物型膝關節假體臨床結局的評價

3.1 生物型膝關節的固定效果 生物型膝關節假體固定需經過最初的機械固定，即假體與骨組織的緊密結合并獲得即刻穩定，繼而通過骨小梁生長骨化，使骨組織長入假體表面的微孔內部，實現由機械性固定向生物內鎖固定的轉化，最終經過骨整合作用獲得良好固定。目前，國內外研究證實生物型膝關節假體固定效果良好，優于骨水泥型假體。Pandit等[15]隨機選取30 例生物型與32 例骨水泥型Oxford單髁膝關節置換，術后1年的隨訪結果提示兩組在臨床效果方面沒有顯著差異，但影像學檢查骨水泥假體置換組75%患者在假體與骨接觸面可見透亮帶；而生物型假體置換組僅有7%患者可見部分透亮帶，未見完全透亮帶病例。并且作者隨后對相同病例進行5年隨訪后發現，生物型假體脛骨透射線顯著低于骨水泥組，且膝關節功能評分顯著高于骨水泥組，研究結果顯示生物型固定與骨水泥型相比，具有更高的假體穩固性[16]。Lass等[17]隨機選取120 例全膝關節置換病例，5年隨訪結果顯示生物型組透射線率顯著低于骨水泥組，并且認為生物型假體術后少量透射線可作為全膝關節置換長期固定性的早期指標。英國一項涉及多中心的1 000 例生物型膝關節置換病例，6年隨訪結果顯示只有72 例存在部分透射線，無完全透射線病例[18]。其結果證實生物型膝關節假體安全有效，且比骨水泥型假體具有更好的固定性。

3.2 生物型膝關節的臨床療效隨訪 雖然目前臨床應用最多的是骨水泥型膝關節假體，但大多數研究證實生物型膝關節也有著良好的臨床療效。Chana等[19]對219 例HA涂層全膝關節置換5～8年隨訪研究發現，膝關節評分由術前43分提高至77分，功能評分由20分提高至63分，無假體松動或移位病例，8年假體生存率為98%，且臨床結局良好。Eriksen等[20]對102 例生物型膝關節置換病例隨訪20年，進行膝關節評分與X線檢查，結果顯示所有假體組件的累積生存率為84%，其中失敗的主要原因是早期的脛骨假體和晚期的髕骨假體損壞。病例中脛骨假體的累積生存率為97%，股骨假體的是100%。Ritter等[21]通過對生物型全膝關節置換患者20年隨訪研究發現，脛骨組件20年生存率達96%，且無股骨組件失敗病例，證實生物型膝關節假體20年生存率良好。Efstathopoulos等[22]對423 例生物型膝關節假體置換病例進行10年隨訪發現，假體10年生存率為98%，膝關節評分由術前42提高至術后90分，278 例臨床結局良好，106 例較好，27 例一般，9 例臨床結局不良。以上研究均提示生物型膝關節置換具有良好的中長期臨床療效，但研究發現也有不同的觀點。Ritter等[21]對120 例生物型與骨水泥型全膝關節置換5年隨訪結果顯示，兩組假體植入生存率均為96%，并且6年隨訪顯示兩組臨床療效、假體功能和術后并發癥均無顯著差異。Park等[23]對50位患者兩條腿分別給予生物型及骨水泥型假體，14年隨訪發現，骨水泥組及生物組在膝關節評分、膝關節平均活動度、患者平均滿意度以及放射學檢查結果均無顯著差異，兩組股骨組件生存率為100%，脛骨組件骨水泥型生存率為100%，生物型為98%，兩組均無骨質溶解現象出現。以上兩項研究結果顯示生物型假體在全膝關節置換中與骨水泥型假體相比無差異。而一項歐洲多國(英國、澳大利亞、瑞典、新西蘭)的研究顯示，生物型膝關節假體較骨水泥型假體具有更高的失敗率[24]。

3.3 生物型膝關節置換后翻修 隨著膝關節置換的增多，膝關節翻修也隨之增多。2005—2006年，美國有60 355 例膝關節翻修[25]。研究顯示2030年膝翻修患者將達到2015年的600%[26]。膝關節置換術中植入假體將應力分散傳至骨組織，不符合生理特性的應力傳導會造成應力遮擋以及磨損，從而引起骨質疏松、骨溶解、感染、假體松動等，導致需要行膝關節翻修。但研究發現生物型固定在一定程度上可降低造成膝翻修的因素。Harwin等[27]對114 例生物型膝關節置換病例進行前瞻性研究，隨訪36個月結果顯示所有假體通過放射學檢查均顯示良好的生物固定，無假體松動、骨溶解、應力遮擋及透射線現象出現。Larson[28]回顧性分析63 例HA涂層TKA病例，65個月隨訪發現，無病例存在假體無菌性松動、斷裂或是髕骨等問題需要再次手術。生物型膝關節假體置換并發癥的降低則可顯著提高假體的使用壽命，從而降低膝關節翻修的發生率，且膝關節翻修術使用生物型假體，也可降低多次手術帶給患者的痛苦。Whiteside等[29]對110 例生物型膝關節置換患者5～10年隨訪發現，假體生存率98%，只有2 例因為無菌和有菌性松動需要行膝關節翻修。Mow等[30]發現，36 例膝關節翻修使用生物型固定的患者9年隨訪臨床結果良好。Peters等[31]對184 例生物型膝關節翻修病例49個月隨訪發現，生物型的壓配柄與股骨和脛骨的內骨膜緊密接觸，翻修術后無病例出現假體松動，膝關節評分由134分提高至167分，術后患者康復效果好。以上研究均顯示了生物型假體對膝關節翻修的積極作用，但目前也有不同的研究報道。一項薈萃研究分析得出，膝關節置換術后2年隨訪生物型固定假體移位顯著高于骨水泥型，無菌性松動的發生風險則低于骨水泥型[32]。Daniilidis[33]則認為生物型組脛骨組件假體松動程度及范圍都顯著高于骨水泥組。英國對2003—2006年80 697 例膝關節置換研究發現，生物型假體3年的翻修率(1.5%)高于骨水泥假體(1.4%)[34]。英國、澳大利亞、瑞典、新西蘭的聯合研究認為生物型假體存在更高的髕骨并發癥，且對磨損的敏感性也較高，生物型假體具有更高的翻修率以及更低的功能[24]。

生物型膝關節假體的出現為膝關節置換的患者提供了更多的選擇，盡管目前研究顯示的臨床療效不盡相同，但生物型假體的良好固定效果與中長期臨床評估已得到越來越多研究者的肯定。伴隨著生物技術與假體材料的革新，生物型膝關節假體的臨床應用將具有廣闊的前景。

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