全陶瓷界面髖關節(jié)假體的應用現狀

摘要：全陶瓷界面髖關節(jié)假體以其低磨損率和骨溶解發(fā)生率在全髖關節(jié)置換中得以發(fā)展。隨著近年來陶瓷材料制作工藝的技術提升，其相關優(yōu)勢愈發(fā)明顯，成為髖關節(jié)疾病患者，特別是年輕和活動量大患者的最佳選擇之一。本文試對近年來全陶瓷界面髖關節(jié)假體的臨床應用現狀作一綜述。

關鍵詞：全髖關節(jié)置換；關節(jié)假體；陶瓷對陶瓷；綜述

自1891年德國醫(yī)生Themistocles Glück的首次嘗試開始，人工髖關節(jié)置換已有一百多年的發(fā)展歷史；但直到1961年有現代髖關節(jié)置換之父美譽的英國外科醫(yī)生Sir John Charnley[1]設計出了全新的金屬股骨頭與超高分子聚乙烯髖臼配合，創(chuàng)立了低摩擦人工關節(jié)置換術的模式并應用于臨床，才宣告髖關節(jié)置換時代的來臨。目前，全髖關節(jié)置換術（THA）是人工材料在人體應用最成功的典范之一。人工髖關節(jié)假體材料對髖關節(jié)手術的成功起到舉足輕重的作用。尤其是假體負重界面之間相互作用所引起的后果是影響人工關節(jié)長期使用壽命的主要制約因素。為此，科研和醫(yī)務工作者一直致力于尋求一種穩(wěn)定持久的界面組合。

1 常用髖關節(jié)假體界面組合

金屬對聚乙烯界面（metel on polyethylene，MoP） 這是全髖關節(jié)假體中最經典的一種。其具有低摩擦系數、耐化學腐蝕性、抗應力破裂以及重復應力作用下可較好地吸收能量等優(yōu)點，在臨床已應用多年。超高分子量聚乙烯廣泛應用，但其摩損率高，長期使用后假體周圍可產生磨損碎屑，其中70%～90%的碎屑為聚乙烯碎屑[2]。這些碎屑微粒在體內可產生不同程度巨噬細胞反應，導致骨質破壞，出現骨溶解[3]。而假體周圍骨溶解是假體無菌性松動導致人工髖關節(jié)翻修最常見原因。

金屬對金屬界面（metal on metal，MoM） 金屬材料具有強度高、韌性高、抗腐蝕性強等特點，符合髖關節(jié)置換假體特性需求。MoM界面最引人關注的問題就是其釋放金屬離子，引起患者血清金屬離子濃度的明顯升高[4]。金屬離子可以隨體液循環(huán)分布于全身各個組織器官，其中腦、肺、肝和脾被認為是金屬離子聚集較多的部位[5]。如此高的金屬離子濃度聚集在患者血清、重要器官以及假體周圍， 其對人體的潛在危害不容忽視。2010年1月The Journal of Arthroplasty [6]發(fā)表編者按，對MoM假體所帶來的安全問題以及當前臨床上的大規(guī)模推廣提出疑慮，并建議臨床醫(yī)師對MoM假體應當合理的選擇和使用。

以上界面材料的種種不足，成為推動尋求更耐磨、生物相容性更好的生物材料的原動力。正是在這一背景下，生物陶瓷材料應運而生。

2 陶瓷對陶瓷界面（ceramic on ceramic，CoC）

陶瓷優(yōu)秀的機械性能、生物學穩(wěn)定性和液膜潤滑機制使它成為改善髖關節(jié)假體使用壽命的極佳材料。20世紀70年代，CoC開始應用于人工關節(jié)領域。法國外科醫(yī)生Pierre Boutin[7]于1970年首次應用氧化鋁陶瓷，德國醫(yī)師Griss和Mittelmeier于1974年相繼設計出全陶瓷界面的人工關節(jié)并應用于臨床。

氧化鋁陶瓷是目前最常用的陶瓷材料。以Biolox○Rforte為代表的第三代氧化鋁陶瓷人工關節(jié)，硬度、機械強度都較前兩代產品顯著提高，假體斷裂的發(fā)生率也降低到0.004%[8]。近10多年來氧化鋁陶瓷人工髖關節(jié)在臨床上取得了令人滿意的結果[9]，確立了陶瓷材料在髖關節(jié)假體中的地位。

近年研究出新型氧化鋁基復合陶瓷，這種材料將氧化鋁、氧化鋯、氧化鉻等結合在一起，其生物相容性及耐磨損性等性能更優(yōu)異，材料強度、韌性均較氧化鋁和氧化鋯也更大，這就是第四代陶瓷人工關節(jié)的材料。

2.1特點及優(yōu)勢 陶瓷材料應用于THA，最重要的是由于其優(yōu)越的摩擦性能和較低的磨損率。陶瓷材料的離子結構可以吸引帶極性的液體，使之均勻地覆蓋在陶瓷的表面，有利于形成流體薄膜潤滑效果，減少假體之間的摩擦。Lusty等[10]報告283例髖關節(jié)行第三代 CoC置換，其7年在位率為 99%，陶瓷頭的磨損率為0.2mm3。Lewis等[11]通過對30例CoC長達10年的對比觀察顯示，其磨損率僅為 0.02mm/y。陶瓷材料非常堅硬， 其硬度僅次于金剛石， 遠高于鈷鉻合金和鈦合金等金屬材料， 因此陶瓷制成的部件不易被劃傷。陶瓷為生物惰性材料，化學鍵穩(wěn)定，組織學反應低，無腐蝕性，陶瓷顆粒對組織的刺激也較金屬顆粒小；磨損時產生顆粒小，組織反應小，所以陶瓷關節(jié)可有效的減輕骨溶解。Murphy 等[12]通過對155例174髖 2～9年（平均4.3年）的隨訪，進行 X 線評估，無骨溶解現象發(fā)生。

2.2臨床結果 早期陶瓷存在材料本身的特性、假體設計和固定方式的缺陷，但隨著陶瓷特性、假體固定方式的改進，陶瓷關節(jié)的生存率得到了明顯改善。一項多中心前瞻性隨機研究顯示，17年時的假體存留率，CoC為96.8%，而MoP 為91.3%（P=0.0046），CoC關節(jié)沒有發(fā)現骨溶解，而MoP 關節(jié)骨溶解的發(fā)生率為17.6%[13]。 Schroder 等[14]報道了364例 （436髖） CoC置換的隨訪研究，在平均3年的隨訪過程中98%的患者未進行翻修，1.1%的患者因脫位而進行翻修，0.53%的患者因假體周圍骨折進行翻修，末次隨訪的平均 Harris 評分為94.4。Chang 等[15]通過對142 個應用陶瓷磨損界面進行翻修的髖關節(jié)進行平均 5.4 年的隨訪發(fā)現，末次隨訪的 Harris 平均評分為 91.3 分，雖然有6例出現了較輕微的并發(fā)癥（3例異位骨化，2例脫位，2例發(fā)生感染），但無再次翻修、透亮線、臼杯的移位以及骨溶解等。Yeung等[16]報道了一組283例患者301髖采用第三代CoC假體置換術后10年的隨訪，其研究結果顯示：與術后5年時相比，術后10年時該組病例無新的翻修病例出現；平均HHS評分為94分；以任何原因進行的翻修為終點，假體生存率為98%。如將所有術后失訪病例都認定為失敗并需要進行翻修處理，術后10年時假體生存率仍然高達89%。

2.3相關問題

2.3.1假體碎裂 與陶瓷高強度優(yōu)勢伴隨出現的一個固有特點是脆性，脆性使得裂紋在陶瓷材料中較易擴展，這也是陶瓷材料在人工關節(jié)應用中最受關注的問題。近年來隨著生產工藝的改進，假體設計日趨合理以及操作技術的提高，當代陶瓷假體的破碎率已明顯降低。Capello等[17]對 194例患者經過30個月的隨訪，無一例出現內襯碎裂。Takata 等[18]報告，通過對 356 例（419 髖）陶瓷全髖關節(jié)置換患者4年的隨訪，僅1例肥胖患者出現陶瓷股骨頭碎裂。Garino 等[19]指出，德國CeramTec公司 2000～2005 年出品的人工陶瓷關節(jié)部件共計 1984949 件，根據臨床回訪報告，體內陶瓷部件碎裂率為0.02%，而且 32mm 球頭比 28mm 的要低；并且進行統計分析，得出結論：全髖關節(jié)置換中氧化鋁陶瓷部件的碎裂率是罕見的，在術后短時間內發(fā)生率僅為0.02%；陶瓷碎裂主要與意外事件，如創(chuàng)傷、錯配等相關。Park等[20]系統研究357例\"三明治\"（陶瓷球頭對陶瓷-聚乙烯-金屬髖臼）式陶瓷人工關節(jié)假體，發(fā)現陶瓷破損6例（1.7%），其中包括2例陶瓷頭破損，4例臼襯破損，其認為\"三明治\"式陶瓷假體中球頭一內襯反復沖擊，使兩種不同彈性模量的材質產生應力，聚乙烯不斷磨耗，股骨柄撞擊臼緣，導致球頭、臼襯破損率提高，進而不可避免地出現各種并發(fā)癥以致置換失敗。鑒于\"三明治\"式陶瓷關節(jié)較高的破損率，目前多使用單純的陶瓷對陶瓷人工關節(jié)假體。

2.3.2關節(jié)異響 隨著CoC全髖關節(jié)置換應用的增多，術后的異響（squeaking）越來越多的受到大家的關注。但其不僅僅發(fā)生在CoC界面，在其他硬對硬界面也有發(fā)生[21]。異響的出現通常不伴有疼痛及功能異常，對大多數患者的滿意度及 Harris評分影響不大。據Jarrett等[22]報告，在2003～2005年手術的131例人工陶瓷全髖關節(jié)置換術患者，隨訪1年以上，有14例（10.7%）曾出現過異響，其中有10例癥狀隨后消失，僅有l(wèi)例因異響較嚴重而行人工關節(jié)翻修術。 Sexton等[21]報道了2406 例CoC關節(jié)置換，平均隨訪 10.6 年的異響發(fā)生率為 3.1% ，從術后到第一次發(fā)現異響的平均時間為40個月（1～96個月） ，在發(fā)生異響的患者中有15%的患者在平均隨訪9.5 （4.1～13.3）年異響消失。目前對異響出現的原因尚未清楚， 但普遍認為是多個因素的作用的結果， 主要可能是由于髖臼置入的位置不良導致邊緣負荷，陶瓷杯邊緣負重及頭臼間的條紋磨損造成的，也可能是\"微分離（micro-separation）\"引起撞擊的緣故[23]。總之，異響發(fā)生的確切原因有待進一步研究。但正確的臼杯位置和恰當的軟組織張力能減少或預防關節(jié)異響發(fā)生。

2.3.3脫位 由于陶瓷球頭大小的限制，有發(fā)生關節(jié)脫位的風險。Mai等[24]報告336例陶瓷對陶瓷人工關節(jié)置換病例中（1997～2005年），有2例發(fā)生脫位，且都為術后1年內，進行閉式復位后未再次脫位。而后隨著關節(jié)置換術中采用更大直徑的陶瓷頭，臨床上減少或避免了脫位發(fā)生。臨床研究表明，使用32mm或36 mm的大直徑球頭可明顯降低脫位風險。Zagra等[25]進行一項為期兩年的隨機對照、前瞻性研究發(fā)現，相對于28mm的球頭（共151例，7例脫位，占4.64%），使用36mm球頭發(fā)生脫位風險顯著降低（共225例，2例脫位，占0.88%）。這表明大直徑球頭可進一步增大關節(jié)活動度，降低關節(jié)脫位風險，提高陶瓷關節(jié)假體的耐用性和安全性。

2.4第四代陶瓷的革新 現在，陶瓷材料已發(fā)展到第四代，除了具有更高的生物相容性之外，在硬度、潤滑、韌性和抗磨損性能上帶來了革命性的突破[26]。其不但具有極強的抗碎裂性能，而且有極高的抗斷裂韌性。實驗室研究顯示，在第四代陶瓷關節(jié)面，條狀磨損（stripe wear）發(fā)生率比第三代陶瓷關節(jié)假體明顯減少[27]。通過對破損的第四代陶瓷Biolox○Rdelta球頭進一步研究發(fā)現該條狀磨損面的粗糙度僅為55nm，低于正常金屬球頭和同類假體的表面粗糙度[28]。2007年發(fā)布的報告顯示在2003～2007年間置入的6500個內襯未發(fā)現有碎裂的發(fā)生[29]。據Chevalier等[30]報告，法國在過去幾年，已有250000多例delta陶瓷人工關節(jié)相繼用于臨床。有學者對第四代陶瓷假體隨訪6年，65000個球頭和40 000個植入物均未發(fā)現破損[31]。

在第三代及其之前的陶瓷內襯，因為陶瓷本身強度的限制，必須保證有足夠的厚度，這樣就限定的陶瓷球頭的大小。而過小的球頭不僅增大了磨損，并且有脫位及破碎的風險。隨著第四代陶瓷的出現，這個問題得到了消除。如果選擇第四代陶瓷會減少碎裂的發(fā)生，并且因為其強度大，內襯可以做得更薄，這樣就可以使用32mm或 36mm大直徑球頭， 從而減少撞擊及關節(jié)面的磨損；同時降低了置換后關節(jié)脫位的發(fā)生率，提高了置換后髖關節(jié)的穩(wěn)定性，增加了關節(jié)的活動范圍，有利于患者置換后關節(jié)功能的康復。研究表明：當股骨頭假體直徑超過32mm時，就可以消除假體組件間的碰撞，防止出現假體破碎[32]。

3 結語

經過40多年的發(fā)展，不論是陶瓷的特性，還是部件的固定方式都得到了顯著改善，CoC已成為全髖關節(jié)置換領域主要的關節(jié)界面選擇之一。CoC界面具有磨損率低、長期應用后不易導致骨溶解及更適于年輕和活動量大患者的優(yōu)勢已得到全球骨科界認同。第四代CoC組合是目前最有前途的關節(jié)界面，基本消除了假體磨損、破碎、松動、免疫反應等長期困擾的人工關節(jié)問題，可能成為未來髖關節(jié)置換的首選。CoC假體將會成為新一代具有歷史意義的人工關節(jié)，其作為關節(jié)界面材料在關節(jié)置換領域的應用前景將十分廣闊。

參考文獻：

[1]Charnley J. Arthroplasty of the hip： a new operation. Lancet. 1961；1：1129-32.

[2]Sim FH. AAOS Instructional Course Lectures，2000.Vol.50[M].Rosemont：American Academy of Orthopaedic Surgeons，2000：71-82.

[3]Hukkanen M， Corbett SA， Batten J， et al. Aseptic loosening of total hip replacement.J Bone Joint Surg Br. 1997 May；79（3）：467-74.

[4]Sauv P， Mountney J， Khan T， et al. Metalion levels after metal-on-metal ring total hip repl acement：a 30-year follow-up study[ J] .J Bone Joint Surg Br ， 2007， 5：586- 590.

[5]Urban RM， Tomlinson MJ， Hall DJ， et al. Accumulation in liver and spleen of metal particles generated at nonbearing surfaces in hip arthroplasty[J]. J Arthroplasty，2004， 3 ： 94- 101.

[6]Crawford R， Ranawat CS， Rothman. RH. Metal on Metal： Is It Worth the Risk？ The Journal of Arthroplasty Volume 25， Issue 1， January 2010， Pages 1-2

[7]Boutin P. Total arthroplasty of the hip by fritted aluminum prosthesis. Experimental study and 1st clinical applications. Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot. 1972；58：229-46.

[8]Mehmcod S，Riyaz JH，Pandit H. Review of ceramic-on-ceramic total hip arthroplasty. J Surg Ortho Adv，2008，17（1）：45-50.

[9]Ha YC， Koo KH， Jeong ST， et al. Cementless alumina-on-alumina total hip arthroplasty in patients younger than 50 years： a 5 -year minimum follow-up study[J]. J Arthroplasty， 2007， 22（ 2） ：184 -188.

[10]Lusty PJ， Tai CC， Sew-Hoy RP， et al. Third-generation alumina-on-alumina ceramic bearings in cementess total hip arthroplasty[J]. J Bone Joint Surg Am ， 2007， 89（12） ， 2676 -2683.

[11]Lewis PM， Al-Belooshi A， Olsen M， et al. Prospective randomized trial comparing alumina ceramic-on-ceramic with ceramic-on-conventional polyethylene bearings in total hip arthroplasty [J]. Arthroplasty 2010 25（3）：392-397.

[12]Murphy SB， Ecker TM， Tannast M. Two-to 9-year clinical resultsof alumina ceramic-on-ceramic THA [J]. Clin Orthop Relat Res 2006 453 97-102.

[13]D'Antoniio JA. Alumina ceramic bearings for total hip arthroplasty：minimum 10-year follow-up 2011.

[14]Schroder D， Bornstein L， Bostrom MP， et al. Ceramic-on-ceramic total hip arthroplasty： incidence of instability and noise[J]. Clin Orthop Relat Res 2011 469（2）：437-342.

[15]Chang JD， Kamdar R， Yoo JH， et al. Third-generation ceramic-on-ceramic bearing surfaces in revision total hip arthroplasty [J].Arthroplasty 2009 24（8）：1231-1235.

[16]Yeung E， Bott PT， Chana R， et al. Mid-Term Results of Third-Generation Alumina-on-Alumina Ceramic Bearings in Cementless Total Hip Arthroplasty： A Ten-Year Minimum Follow-up. J Bone Joint Surg Am， 2012 Jan 18；94（2）：138-144. doi： 10.2106/JBJS.J.00331.

[17]Capello WN， Dantonio JA， Feinberg JR， et al. Alternative bearing surfaces： alumina ceramic bearings for total hip arthroplasty. Instr Course Lect 2005；54：171-176.

[18]Takata ET， Basile R， Albertoni WM. Experiences with Bicontact ceramic-ceramic total hip arthroplasty. Z Orthop Unfall 2007；145 Suppl 1：S25-S28.

[19]Garino J， Rahman MN， Bal BS. The reliability of modern aluminum bearings in total hip arthroplasty [ J ] . 2006， 17 （ 3 ） ：113 -119.

[20]Park YS， Hwang SK， Choy WS， et al.Ceramic failure after total hip arthroplasty with an alumina-on-alumina bearing. J Bone Joint Surg（Am），2006，88（4）：780-787.

[21]Sexton SA，Yeung E，Jackson MP，et al. The role of patient factors and implant position in squeaking of ceramic-on-ceramic total hip replacements[J]. J Bone Joint Surg（Br） 2011 93（4）：439-442.

[22]Jarrett CA，Banawat AS，Bruzzone M，et al.The squeaking hip：a phenomenon of ceramic-on-ceramic total hip arthroplasty.J BoneJoint surg（Am），2009，91（6）：1344-1349.

[23]Walter WL， O'Toole GC， Walter MK， et al， Squeaking in Ceramic-on-Ceramic Hips： The Im- portance of Acetabular Component Orientation [J] . J Arthroplasty， 2007， 22 （ 4 ） ： 496 -503.

[24]Mai IL， Hardwiek ME， Walker RH， et al. Early dislocation rate in ceramic-on-ceramic total hip arthroplasty.HSS J，2008.4（1）：10-13.

[25]Zagra L， Giaeometti Ceroni R， Corbella M. THA Ceramic-Ceramic Coupling： The Evaluation of the Dislocation Rate with Bigger Heads.Bioceramics in Joint Arthroplasty Ceramics in Orthopaedics，2004， pp 163-169.

[26]Wang W， Ouyang Y， Poh CK， et al. Orthopaedic implant technology： biomaterials from past to future. Ann Acad Med Singapore.2011；40（5）：237-238.

[27]Chevalier J， Cales B， Drouin JM， Low-temperature aging of Y-TZP ceramics.J Am Ceram Soc，1999，82（8）：2150-2154.

[28]Walter WL， Insley GM， Walter WK， et al. Edge loading in third generation alumina ceramic-on- ceramic bearings：stripe wear. J Arthroplasty，2004，19（4）：402-413.

[29]Masson B. Emergence of the alumina matrix composite in total hip arthroplasty[J]. Orthop 2009 33（2）：359- 63.

[30]Chevalier J， Crandjean S， Kuntz M， et al. On the kinetics and impact of tetragonal to monoclinie transformation in an alumina/zirconia composite for arthroplasty applications. Biomaterials，2009，30（29）：5279·5282.

[31]Lachiewicz PF， Hubbard JB， Soileau ES. Polyethylene wear and osteolysis with a new modular titanium acetabular component：resuits at 7 to 13 years. J Arthroplasty，2008，23（7）：971-976.

[32]Heisel C， Silva M， Schmalzried TP， et al. Beating surface options for total hip replacement in young patients.J Bone Joint Surg （Am） 2003；85：1365-1378.

編輯/哈濤