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【摘要】人工关节置换术是治疗晚期类风湿关节炎关节有严重破坏且疗效良好的手术。其中髋、膝关节是置换最多的关节。该手术对减轻类风湿关节炎的关节疼痛、纠正畸形、改善关节的功能障碍及日常生活的能力有明显的疗效。然而在目前的全髋人工关节中,现有的非骨水泥固定假体仍存在相对较高的无菌性松动率,使其临床应用受到了一定的限制。因此本文就人工全髋关节置换术后松动的原因进行分析,并提出了对髓关节中空多孔假体植入的改进措施,以使达到假体远期骨结合。
【关键词】人工全髋关节;置换;松动;改进
【中图分类号】R687.3+4【文献标识码】A【文章编号】1007-8517(2010)16-094-1
人们从19世纪中叶就开始了人工关节置换的探索,目的是缓解疼痛、矫正畸形、重建一个稳定的关节,并恢复和改善关节的运动功能。20世纪40年代起,人工关节的研究得到迅速发展,20世纪60年代,英国John Charnley使人工关节置换进入新的纪元,目前,随着人工关节技术的发展,人工关节置换技术已经普及并广泛应用,多数学者都认识到,在手术适应症正确的前提下,关节置换手术是一种可靠的治疗手段。其中全髋关节是置换最多的关节。该手术对减轻类风湿关节炎的关节疼痛、纠正畸形、改善关节的功能障碍及日常生活的能力有明显的疗效。然而在目前的全髋人工关节中,现有的非骨水泥固定假体仍存在相对较高的无菌性松动率,使其临床应用受到了一定的限制。许多研究发现,大部分多孔表面假体的骨长入范围及程度均未能达到理想的要求,骨合率仅仅为6%一20%。因此提高假体表面骨组织长入,增加假体与周围骨床的结合力和范围,从而避免松动以使其获得长期稳定,成为近年来非骨水泥固定人工关节的研究焦点和生物固定人工关节假体迫切需要解决的关键问题。
1人工全髋关节置换术后松动原因
引起人工髋关节假体远期松动的原因除了外科技术和固定方法外,最主要的是假体周围发生骨丢失和骨溶解,而造成假体周围骨丢失和骨溶解的主要因素包括以下两个方面:生物性因素、生物力学因素。
1.1生物力学因素
分析松动的生物力学机制,应考虑作用于假体界面的应力、假体界面结合强度以及应力遮挡(stress shielding)或局限性应力集中等诸因素。正常状况下,股骨独立持重,当插入股骨假体后,同样大小的重力则由股骨和假体分担,于是就产生了应力遮挡。根据Wollf”s法则,相对正常状况而言,股骨所受应力的减少,必然导致骨质通过孔隙的增多,或通过皮质的变薄而与之相适应,即所謂的骨重塑过程。对于人工髋关节引起局部骨重建环境改变的研究目前大部分集中在非骨水泥固定型全髋关节假体。应力遮挡影响的是骨组织的自然重建过程,而不同于骨溶解。当植入粗柄或表面有大面积多孔涂层覆盖的假体后,负重应力将主要通过假体柄传导到股骨远端,使股骨近端骨组织承受的载荷量明显减少,骨应变减弱,造成骨改建的负平衡,最终出现骨丢失,股骨髓腔增宽和骨结构削弱,假体近端缺乏支撑而轻易松动。股骨假体周围骨的应力遮挡程度与界面的结合特性和假体柄的刚度密切相关。Engh等研究发现应力遮挡致骨吸收与股骨柄的直径和假体近端微孔涂层的范围有明显的关系,股骨柄的直径越大、近端微孔涂层范围越广,则应力遮挡越严重,骨吸收越明显。与非骨水泥固定假体相比,骨水泥固定股骨柄相对较小,因此因应力遮挡而致的骨吸收也较少。同时,假体植入后,除在近端造成应力遮挡外,还常在远端形成应力集中,应力过度集中,则造成局限性骨坏死,同样引起假体周围骨丢失。
1.2生物性因素
生物性因素引起假体松动主要是指磨损碎屑导致假体周围骨溶解。磨损碎屑的类型包括超高分子聚乙烯、骨水泥和金属碎屑等。产生碎屑的部位主要在关节表面和界面,这里界面包括假体/骨水泥、骨水泥/骨、假体/骨和涂层/底物之间的界面。超高分子聚乙烯和骨水泥碎屑是引起假体周围溶骨的主因,而金属碎屑仅起次要作用。溶骨程度与碎屑的量和颗粒大小有关,颗粒越小,数量越多,假体周围溶骨越明显。超高分子聚乙烯髋臼假体内面的磨损率为0.1—0.19毫米/年,相当于每个关节内产生2×107—4x1010个小于10um的碎屑。碎屑的多少与活动度有明显的关系,年龄较轻,活动量较大音,假体磨损越严重。最近的研究表明,磨损碎屑致溶骨的机制可能为各种材料的磨损颗粒继发各种吞噬细胞反应。虽然这些细胞不直接进行骨吸收,但它们在吞噬颗粒物质后,可分泌多种与骨吸收有关的分子。
2人工全髋关节置换术后松动改进措施
基于以上假体松动的因素,要使得人工全髋关节假体的获得长期稳定,其中最重要的关键问题就是在全髋关节置换后,仍然能够使股骨达到正常的受力状态,也就是在股骨大粗隆侧重建拉应力,为此可通过髋关节中空多孔假体置换来进一步达到改进的目的。
2.1假体中空开孔设计
在吕大伟关于髋关节中空多孔假体置换术后生物力学特性的对比研究的实验结果中,开孔假体张力侧测得最大应力343.843MPa,压力侧最大mises应力为326.921MPa;未开孔假体张力侧测得最大mises应力为382.525MP,压力侧最大mises应力为361.089MPa。由此可以看出开孔后可以降低假体内外侧最大应力,开孔设计可部分改善应力集中现象。因此如果将中空多孔假体引入组织工程学成骨的概念,它具有减少骨质丢失,加速骨形成,有利早期负重的作用。
2.2改变假体柄的设计
大量的研究表明,通过假体远端约束,缩短假体柄长度,在施加相同载荷的情况下,张力侧应力减小,只不过有可能仍为远端应力集中;缩短假体柄长后,开孔部位应力明显增加,骨桥形成前后,假体内外侧最大应力减小。因此在临床应用中可充分考虑改变假体的设计,增加张力侧开孔设计的力学作用。
参考文献
[1] E.L雷定.骨科实用生物力学[M].北京:人民卫生出版社,1983.
[2] 毛宾尧.髋关节外科学[M].北京:人民卫生出版社,1998.
【关键词】人工全髋关节;置换;松动;改进
【中图分类号】R687.3+4【文献标识码】A【文章编号】1007-8517(2010)16-094-1
人们从19世纪中叶就开始了人工关节置换的探索,目的是缓解疼痛、矫正畸形、重建一个稳定的关节,并恢复和改善关节的运动功能。20世纪40年代起,人工关节的研究得到迅速发展,20世纪60年代,英国John Charnley使人工关节置换进入新的纪元,目前,随着人工关节技术的发展,人工关节置换技术已经普及并广泛应用,多数学者都认识到,在手术适应症正确的前提下,关节置换手术是一种可靠的治疗手段。其中全髋关节是置换最多的关节。该手术对减轻类风湿关节炎的关节疼痛、纠正畸形、改善关节的功能障碍及日常生活的能力有明显的疗效。然而在目前的全髋人工关节中,现有的非骨水泥固定假体仍存在相对较高的无菌性松动率,使其临床应用受到了一定的限制。许多研究发现,大部分多孔表面假体的骨长入范围及程度均未能达到理想的要求,骨合率仅仅为6%一20%。因此提高假体表面骨组织长入,增加假体与周围骨床的结合力和范围,从而避免松动以使其获得长期稳定,成为近年来非骨水泥固定人工关节的研究焦点和生物固定人工关节假体迫切需要解决的关键问题。
1人工全髋关节置换术后松动原因
引起人工髋关节假体远期松动的原因除了外科技术和固定方法外,最主要的是假体周围发生骨丢失和骨溶解,而造成假体周围骨丢失和骨溶解的主要因素包括以下两个方面:生物性因素、生物力学因素。
1.1生物力学因素
分析松动的生物力学机制,应考虑作用于假体界面的应力、假体界面结合强度以及应力遮挡(stress shielding)或局限性应力集中等诸因素。正常状况下,股骨独立持重,当插入股骨假体后,同样大小的重力则由股骨和假体分担,于是就产生了应力遮挡。根据Wollf”s法则,相对正常状况而言,股骨所受应力的减少,必然导致骨质通过孔隙的增多,或通过皮质的变薄而与之相适应,即所謂的骨重塑过程。对于人工髋关节引起局部骨重建环境改变的研究目前大部分集中在非骨水泥固定型全髋关节假体。应力遮挡影响的是骨组织的自然重建过程,而不同于骨溶解。当植入粗柄或表面有大面积多孔涂层覆盖的假体后,负重应力将主要通过假体柄传导到股骨远端,使股骨近端骨组织承受的载荷量明显减少,骨应变减弱,造成骨改建的负平衡,最终出现骨丢失,股骨髓腔增宽和骨结构削弱,假体近端缺乏支撑而轻易松动。股骨假体周围骨的应力遮挡程度与界面的结合特性和假体柄的刚度密切相关。Engh等研究发现应力遮挡致骨吸收与股骨柄的直径和假体近端微孔涂层的范围有明显的关系,股骨柄的直径越大、近端微孔涂层范围越广,则应力遮挡越严重,骨吸收越明显。与非骨水泥固定假体相比,骨水泥固定股骨柄相对较小,因此因应力遮挡而致的骨吸收也较少。同时,假体植入后,除在近端造成应力遮挡外,还常在远端形成应力集中,应力过度集中,则造成局限性骨坏死,同样引起假体周围骨丢失。
1.2生物性因素
生物性因素引起假体松动主要是指磨损碎屑导致假体周围骨溶解。磨损碎屑的类型包括超高分子聚乙烯、骨水泥和金属碎屑等。产生碎屑的部位主要在关节表面和界面,这里界面包括假体/骨水泥、骨水泥/骨、假体/骨和涂层/底物之间的界面。超高分子聚乙烯和骨水泥碎屑是引起假体周围溶骨的主因,而金属碎屑仅起次要作用。溶骨程度与碎屑的量和颗粒大小有关,颗粒越小,数量越多,假体周围溶骨越明显。超高分子聚乙烯髋臼假体内面的磨损率为0.1—0.19毫米/年,相当于每个关节内产生2×107—4x1010个小于10um的碎屑。碎屑的多少与活动度有明显的关系,年龄较轻,活动量较大音,假体磨损越严重。最近的研究表明,磨损碎屑致溶骨的机制可能为各种材料的磨损颗粒继发各种吞噬细胞反应。虽然这些细胞不直接进行骨吸收,但它们在吞噬颗粒物质后,可分泌多种与骨吸收有关的分子。
2人工全髋关节置换术后松动改进措施
基于以上假体松动的因素,要使得人工全髋关节假体的获得长期稳定,其中最重要的关键问题就是在全髋关节置换后,仍然能够使股骨达到正常的受力状态,也就是在股骨大粗隆侧重建拉应力,为此可通过髋关节中空多孔假体置换来进一步达到改进的目的。
2.1假体中空开孔设计
在吕大伟关于髋关节中空多孔假体置换术后生物力学特性的对比研究的实验结果中,开孔假体张力侧测得最大应力343.843MPa,压力侧最大mises应力为326.921MPa;未开孔假体张力侧测得最大mises应力为382.525MP,压力侧最大mises应力为361.089MPa。由此可以看出开孔后可以降低假体内外侧最大应力,开孔设计可部分改善应力集中现象。因此如果将中空多孔假体引入组织工程学成骨的概念,它具有减少骨质丢失,加速骨形成,有利早期负重的作用。
2.2改变假体柄的设计
大量的研究表明,通过假体远端约束,缩短假体柄长度,在施加相同载荷的情况下,张力侧应力减小,只不过有可能仍为远端应力集中;缩短假体柄长后,开孔部位应力明显增加,骨桥形成前后,假体内外侧最大应力减小。因此在临床应用中可充分考虑改变假体的设计,增加张力侧开孔设计的力学作用。
参考文献
[1] E.L雷定.骨科实用生物力学[M].北京:人民卫生出版社,1983.
[2] 毛宾尧.髋关节外科学[M].北京:人民卫生出版社,1998.