生物型膝關節假體的臨床應用進展

【關鍵詞】  非骨水泥;全膝關節置換術;假體;綜述文獻

　人工全膝關節置換術(TKA)被認為是治療末期或嚴重膝關節病變最有效、最成功的治療方式。在TKA的假體固定方面，目前有骨水泥與生物型固定兩種方式。臨床中，應用骨水泥占到了絕大多數，甚至被認為是全膝置換假體固定的金標準。但骨水泥對人體來說是一種惰性材料，與骨和假體之間只能形成機械性結合，必然面臨老化、碎裂及磨損顆粒形成等問題，不能保證假體的長期固定，并且骨水泥單體聚合時產生的熱量，會對周圍組織產生損傷，骨水泥微粒在打壓植入假體的過程中，通過血液循環進入肺循環，有可能導致肺栓塞。在臨床中也證明了這一點。而生物型固定即非骨水泥固定，是通過骨與假體的直接骨長入而達到生物學固定的目的。隨著生物材料的發展，生物型膝關節假體得到很大進步，越來越受到臨床的關注。本文就生物型膝關節假體的臨床應用進展予綜述。

　　1 假體的制作工藝

　　非骨水泥假體按制造工藝可分為燒結多孔涂層金屬假體、等離子噴涂假體。前者是將金屬粉末或纖維燒結于假體表面，后者應用等離子噴涂技術將金屬或陶瓷(羥基磷灰石)顆粒覆于假體表面。

　　燒結多孔涂層假體要求涂層具有足夠大的孔徑使新骨形成并長入到多孔結構中。目前臨床廣泛應用的非骨水泥假體大多是將鈷-鉻-鉬合金的涂層燒結于鈦合金假體上。而在研究中發現，傳統的多孔表面處理假體實際上只有少量骨質突起長入假體表面。COOK對因非松動性原因而翻修的假體進行分析，證實假體的新生骨形成率不足10%[1]。因此，人們在涂層孔徑大小與假體表層設計方面作了大量的研究。動物實驗發現，燒結涂層的孔隙應≥100μm。Hirao等[2]將人工關節假體固定表面形狀設計成格子呢狀，結果表明當金屬孔徑寬度為500μm時有潛在的臨床意義。目前比較一致的觀點是孔徑在100～400μm時適合骨組織長入。

　　等離子噴涂假體目前的代表是將羥基磷灰石(HA)噴涂于假體表面。HA用于人工關節表面涂層的研究是從20世紀70年代初開始的。HA具有良好的生物相容性和傳導成骨活性，與骨組織在結構、成分上極其相似,它與骨界面不僅存在兩者之間相互咬合的機械固定力, 還存在骨組織與HA涂層的化學(健)力，這種化學力的產生是HA涂層植入體較非涂層植入體具有更高的界面抗剪切強度的主要原因之一[3]。目前認為，其可以促進骨組織長入孔隙和在表面附著，是一種可以促進假體與骨組織結合的界面材料。Gejo等[4]進行了前瞻性隊列研究，應用保留交叉韌帶型非骨水泥假體，分為多孔涂層鈦脛骨假體與羥基磷灰石涂層兩組。92例膝關節經過12個月隨訪，研究者應用影像研究表明，32%的非羥基磷灰石涂層假體組在脛骨托下面有清晰帶，而羥基磷灰石涂層假體組只有1例有清晰帶。但是臨床也有報道，隨著時間推移，HA涂層會發生脫落。目前考慮與制作的工藝有關：(1)涂層和基體的結合強度低。HA 粉末與金屬基體的熱膨脹系數、彈性模量等差異較大，噴涂過程中冷卻速率又極高，易形成殘余應力而使涂層與基體的結合強度降低，可出現裂紋或發生剝脫。(2)涂層的溶解快。等離子噴涂的工藝溫度很高，在高溫下HA 晶體分解形成非晶相(ACP、TCP、TTCP、CaO等)，從而影響涂層在體內的穩定性和持久性，由于這些非晶相的存在，使得結晶度不能單獨地反映涂層的質量[5]。太厚影響基體與涂層間的結合強度以及涂層的降解，太薄又難以發揮HA 引導骨組織長入的優點。所以目前如何保證涂層與假體的穩定性仍是有待解決的課題。

　　2 提高假體固定強度的研究

　　非骨水泥型人工膝關節植入后, 能否獲得早期穩定, 是影響人工關節長期效果的重要因素。只有在早期即實現生物固定，才能在很大程度上避免骨溶解、松動。而假體骨界面的持續的微動是引起骨溶解的原因。所以早期假體的穩定，必須實現微動最小化，避免早期松動。當植入體�补墙缑嫖�動產生的局部應力超過骨生長所能耐受的極限時, 骨組織不能長入界面,界面便被纖維所環繞。當植入體與纖維結合時, 其結合強度比與骨結合時明顯減少。因此, 非骨水泥型人工關節植入后要盡快達到界面的骨結合, 才能使人工關節穩定牢固, 不易松動。前文所述的HA是目前加強固定強度應用較多的的生物材料。除此之外，骨形態發生蛋白(BMP)得到了更多的關注。它是在假體涂層領域具有廣泛應用前景的表面處理技術。BMP是一種具有成骨誘導作用的酸性多肽類物質，屬于TGF2β超家族成員，可在原位和異位成骨，能夠誘導非定向分化的間充質細胞及骨髓基質細胞等向骨系細胞分化。它是一個大的家族，目前發現在成骨方面較為重要的是BMP��2、4、6、7、9。目前常常將BMP與其他材料組成復合體來運用于研究過程中。比如，彭磊等[6]將BMP與聚(乳酸�擦u基乙酸)共聚物/磷酸三鈣(PLGA/TCP)三維多孔框架組成復合體填充于兔股骨內髁上段缺損的HA涂層多孔鈦周圍，掃描電鏡觀察6周時斷裂位置為植入仿生骨�补墙缑妫�金屬表面骨組織量較少。12周時斷裂面主要發生在植入仿生骨�捕嗫租伣缑婊蛘�在重建的編織骨內或編織骨�财べ|骨界面。24周時，可以觀察到斷裂發生在編織骨�财べ|骨界面，實驗表明：BMP復合PLGA/TCP是既具有仿生天然骨基質成分，又具有骨誘導活性的復合材料。能修復假體周圍骨缺損，形成新骨，促進假體生物固定。因此， BMP復合載體材料是生物固定方面的值得探索的領域。可是BMP同樣也有它的負面作用。Blom等[7]提出，BMP同時也會促進骨吸收，導致移植骨材料的生物力學大大降低，在一段時間后發生關節假體的下沉與松動。機體應用BMP會產生免疫排斥反應及天然BMP對機體的毒副作用，BMP對骨誘導分化具有雙向作用，即BMP成骨的同時，也刺激破骨細胞的增生;BMP的適應證和禁忌癥等都是有待解決的課題。同樣，多孔金屬的出現進一步改善了生物固定的強度。比如，多孔鉭的研究和初步運用取得了可喜的結果。鉭(Tantalum)，第73號元素。臨床運用的鉭層，不僅擁有堅強的機械強度，其材料的彈性模量僅為3Gpa，介于皮質骨與松質骨的彈性模量之間，顯著小于鈷、鉻，使其更有利于骨骼塑形，并且它的界面摩擦系數，在松質骨上為0.88～0.98，在皮質骨則為0.74左右，比用其他方式所做表面處理材料的摩擦系數高40%～80%[8]。這些優勢減少了植入后的應力遮擋，提高了植入物的初期穩定性。多孔鉭+聚乙烯的一體化脛骨平臺假體已得到運用，在Florio等[9]的初步臨床報告中，86例患者101個初次全膝置換使用了這類假體，其中72例完全非骨水泥植入，29例僅在脛骨托底面使用骨水泥，術后2年隨訪中，假體�补墙缑鏇]有發現進展性的X線透亮影，無一需要翻修。在一項對比性的動物試驗研究顯示，燒結多孔涂層假體比等離子噴涂假體具有更快的骨長入速度，并認為這是由于燒結假體涂層的立體孔隙排列具有較高的機械應變力，利于促進骨組織的長入[10，11]。所以，如何加快假體骨長入的速度是目前的研究的一個重點。除此之外，新儀器的運用也提高了固定強度，比如，帶有導向功能的切割開鑿工具成為了非骨水泥固定成功的一個關鍵，特別是計算機導航技術確保了完美的脛骨截骨精度，保證了假體與骨的吻合度，提高了穩定性。

　　3 假體固定的不同設計代發表論文網

　　生物型膝關節假體的固定和設計經歷了多次革新。目前，股骨假體的非骨水泥固