影響骨水泥型股骨假體固定相關因素分析

趙利民，區得炎，鄧高用，肖榮馳

(桂林醫學院附屬醫院，廣西 桂林)

0 引言

雖然生物固定技術在遠期隨訪中獲得良好的效果，但是就目前相對于生物型固定來說，骨水泥型髖關節置換可以獲得即刻穩定性，對于髖關節置換的翻修、老年不穩定骨折的髖關節置換、伴骨缺損的髖關節置換，骨水泥型假體相對更具有優勢，有研究表明[1]在老年性股骨頸骨折性全髖關節置換術中，使用骨水泥固定的股骨假體6個月的隨訪中療效明顯優于非骨水泥固定。使用骨水泥股骨柄的髖關節置換術中，骨水泥是固定假體與股骨的介質，因此股骨與假體存在兩個固定界面：假體-骨水泥界面和骨水泥-骨界面，這兩個界面中的任一界面存在不穩定性，都有導致假體松動的風險。

1 骨水泥作為假體-骨水泥界面和骨水泥-骨界面共同的載體，起著充填及傳遞負荷的作用，因此骨水泥自身結構的穩定性影響著兩個界面。

1.1 骨水泥復合物

目前骨水泥在材料學上的沒有明顯的發展，以固態粉末PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和(或)丙烯酸共聚物，混合液態單體MMA(甲基丙烯酸甲酯單體)為主流，但是一些研究人員在骨水泥中加入其它成分材料，以增強或者彌補PMMA的特性，增強PMMA機械強度、增強界面連接強度、降低PMMA放熱反應和抗感染等特性。如Zang X等人[2]將雙相磷酸鈣(BCP)引入PMMA水泥中以制備可注射的復合骨水泥(BCPx / PMMA)，可促進大鼠骨髓間充質干細胞的生物礦化以及粘附，增殖和成骨分化。在Khandaker M等人[3]的研究中，將PMMA骨水泥和氧化鎂、羥基磷灰石、殼聚糖、硫酸鋇和二氧化硅的生物活性顆粒(尺寸從微米到納米)的組合對PMMA的機械，熱和電池功能性能的影響，研究結果表明摻有二氧化硅的PMMA試樣的彎曲強度和斷裂韌性明顯高于其他試樣。所有添加劑均延長了達到最高固化溫度所需的時間，并顯著提高了PMMA樣品的細胞粘附力。Lin X等人[4]將鎂顆粒加入PMMA中以制備表面可降解骨水泥(SdBC)，PMMA/Mg具有增強的骨整合、血管生成和抗感染性能。

1.2 骨水泥孔隙率

骨水泥內部的空泡會導致應力集中，導致骨水泥裂隙，孔隙較多使得裂隙疊加致使骨水泥套發生斷裂。因此減小孔隙率可以防止或者減少疲勞發生的起始，增加機械強度。影響孔隙率的有不同的攪拌方式、骨水泥種類和骨水泥溫度等因素。真空攪拌影響最大，孔隙率最??；中粘度水泥的孔隙率比高粘度水泥高；預冷水泥的孔隙率比室溫水泥的孔隙率高。有研究人員[5,6]將骨水泥柄在植入前進行預熱或者股骨管預冷將有效降低骨水泥在假體-骨水泥界面的孔隙率，界面的抗剪強度顯著提高。但是對于同一類型的骨水泥來說，真空攪拌可以降低骨水泥內部孔隙率，但是對骨-骨水泥界面的孔隙率卻無明顯作用。

1.3 骨水泥鞘

骨水泥鞘的厚度會影響假體穩定性，骨水泥過薄會導致骨水泥斷裂[7]，在Cristofolini等人[8]的研究中得出較薄骨水泥層厚度(1-2mm)顯示出比標準厚度(2-3mm)有明顯更多和更長的裂紋，骨水泥開裂和微動破壞顯著增加。但是也有研究并不支持過厚的骨水泥層，如法國效應(French Paradox)，Numata等人[9]研究了法國股骨柄Charnley-Marcel-Kerboull(CMK)，CMK中的薄骨水泥層(2.5mm)產生有效的環向應力，而股骨假體和骨水泥穩定工作。髖關節置換的骨水泥技術由第一代發展為目前的第四代，假體中置器的使用已成為當前骨水泥型髖關節置換主流，使股骨假體處于髓腔中部，產生均勻的骨水泥厚度穩定假體，但是關于骨水泥鞘厚度的標準一直存在爭議。

2 骨水泥-骨界面骨水泥與骨界面之間的固定

主要是通過骨水泥在骨與假體之間充填傳導負荷，并在骨的蜂窩結構中的滲透來增強骨松質框架的強度，將骨松質轉化成一種骨-骨水泥復合物，這是一種更加堅固的復合材料。其作用機制可簡單歸納為：微觀交鎖及容積填塞。

2.1 微觀交鎖

骨-骨水泥界面的微觀交鎖是指面團期的骨水泥向骨小梁中滲透，在界面上形成交織。因此有限元分析得出，影響骨水泥與骨交鎖的面積及深度的因素，都會影響骨水泥-骨界面的穩定性[10,11]。加壓技術會將骨水泥進一步壓入松質骨的骨小梁中，從而提高界面的結合強度。有研究[12]探討了骨孔隙率與骨水泥界面抗剪強度的關系，認為越高的孔隙率產生的骨水泥界面剪切強度更強。Wang等人[13]就認為骨水泥界面的強度與骨水泥滲透到骨中密切相關，并將一種改良與常規股骨加壓器設計相對比，研究結果得出改良的加壓器在股骨模型中產生更長的較高壓力持續時間，這種設計修改可以增強水泥滲入松質骨并可以改善股骨水泥固結。在髖關節置換術中，關于骨水泥粘度的選擇有很多不同的觀點。Falez等人[14]的研究認為低粘度水泥顯示出大量的極性濃度，這種極性濃度可能被認為是早期植入失敗的危險因素。它可能對股骨頭有兩種影響：生物性的(過度的局部放熱反應可能導致骨細胞壞死)和生物力學的(可能導致股骨頭的負荷分布不均)。Trela-Larsen等人[15]研究了骨水泥類型與初次全髖置換術后翻修風險之間的關系，認為不同粘度的翻修率之間沒有明顯的差異。

2.2 容積充填

界面孔隙率、髓腔清潔度、髓腔干燥度等因素會影響骨水泥與骨之間的充分接觸及充填，達不到良好的充填作用而減少假體的使用壽命。尹一然等人[16]對比了髓腔干燥與非干燥情況下骨與骨水泥結合的強度，結論為相對干燥的骨髓腔環境可顯著增加骨水泥-骨界面抗拉力和壓力的力量，并可以明顯提高骨水泥-骨小梁之間的微嵌合程度，提高骨水泥-骨界面間的穩定性。

2.3 骨水泥的熱損傷

Berman等人[17]在兔模型中觀察到在大于或等于70度的溫度下，組織學切片始終可見骨壞死。在假體植入過程中，骨水泥發生聚合反應，并放熱，其界面范圍在40度至110度之間，熱量釋放到周圍的骨組織中，使得骨受熱損傷而壞死。骨組織中的壞死會導致植入物的早期松動，引起疼痛并縮短植入物的壽命。

3 假體-骨水泥界面假體-骨水泥界面的穩定性

主要考慮負荷轉移的條件和假體與骨水泥界面的粘附性。此界面涉及股骨柄假體及骨水泥，骨水泥此前已敘述。根據負荷轉移的條件可將骨水泥柄分為摩擦力閉合和形狀閉合設計理念兩種柄，前者通過假體柄與骨水泥發生相對微移位以增加摩擦力來平衡外力，不需要柄和骨水泥間存在連接，即拋光柄(Ra＜1.0um)，此類柄多為錐形、無頸領；后者通過宿主骨和骨水泥表面的形狀達到骨水泥對柄的抓持，需要柄與骨水泥間堅固的連接，其受到的力主要為剪力，這樣的柄需要磨砂或為紋理狀的表面設計，即粗糙柄(Ra＞2.0um)，此類柄多為橢圓形形、有頸領。

骨水泥股骨柄的表面處理技術是影響假體-骨水泥界面的重要因素，粗糙柄與骨水泥存在物理連接，理論上，粗糙柄-骨水泥界面更穩定。如Wang等人[18]的研究中發現表面光潔度對界面強度影響最大，將表面粗糙度增加100倍可使界面剪切強度增加20倍。在Akiyama等人[19]的試驗中表明隨著金屬表面粗糙度的增加，水泥的粘結強度也隨之提高。Ebramzadeh等人[20]的研究表明在內側-外側方向，拋光柄的每周期運動比粗糙柄的每周期運動大43微米(P＜0.01)，且拋光柄比粗糙柄的下沉率更高。但是大量研究及臨床證據表明，粗糙柄與骨水泥一旦發生解離后會加速出現骨溶解，造成假體-骨水泥界面的無菌性松動。Collis等人[21]在粗糙柄及拋光柄的研究對比中觀察到，兩者發生松動和即將松動的差異非常明顯，因而推薦使用拋光柄。這一現象的主要原因是粗糙假體與骨水泥摩擦產生磨損顆粒，導致巨噬細胞的聚集，從而發生骨溶解。另外，在Crawford等人[22]的研究中認為沿粗糙和拋光柄沿柄-骨水泥界面的流體遷移存在差異，拋光的錐形桿密封了柄-骨水泥界面，比粗糙柄更不容易發生骨溶解。

也有證據表明不同的拋光程度存在不同程度的磨損，如Datir等人[23]，通過長達10年的隨訪后得出結論，具有亞光表面光潔度的股骨柄組件比具有光滑表面光潔度的類似設計的股骨柄具有不令人滿意的10年生存期。由此可見骨水泥型的股骨柄假體表面拋光度越高穩定性越好。Hoskins等人[24]的研究證實拋光柄和亞拋光柄在早期到中期都具有出色的效果，但拋光桿的長期存活率要好得多，無菌松動是亞拋光柄的一個問題。

有學者將拋光柄與粗糙柄結合起來，將假體的近端設計成粗糙的表面，但是大量證據表明，這種設計并不能提高假體的生存時間，反而導致假體周圍骨溶解。如Grose等人[25]的研究中使用近端粗糙的股骨柄進行全髖關節置換，19例隨訪兩年以上，有9例出現嚴重骨溶解及松動而失敗(47%)，失敗率高的驚人。說明閉合形態固定柄及摩擦力閉合柄屬于兩個不同系統的固定方式要分清界限。

綜上所述，骨水泥型股骨假體固定的因素影響從骨水泥、骨水泥-骨界面及骨水泥-假體界面分析過程中我們可以發現，大部分影響因素已經研究深入，但仍有不少問題亟待解決，知道弱點在哪，才能作出相應的改良，減少或消除不良影響的程度，提高患者滿意度。