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【世纪科普】人工关节的材料及使用寿命
  • 发布日期:2022-08-12
  • 来源:北京世纪坛医院
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  • 伴随人口老龄化的到来,年龄相关的骨关节疾病患者越来越多,需要进行人工关节置换的患者日益增加。人工关节置换术是治疗终末期骨关节疾病、恢复受损关节功能的最有效的方法,被誉为20世纪最成功的手术之一。随着人工关节手术技术的日益革新及人工关节材料的不断创新,关节置换术总量每年都有较大幅度的递升,为许许多多骨关节病的患者解除关节病痛,纠正关节畸形同时,也提高生活质量。

    在人工关节置换术中,最常见的便是髋关节和膝关节的置换术。髋关节和膝关节均是受力复杂的负重关节,在负重情况下,假体需要同时承受拉、压、扭转、界面剪切、反复疲劳及磨损的综合作用,整体而言十分复杂。因此希望假体材料必须具有中等的强度、塑性和抗疲劳、抗磨损性能。并且整个关节的安全承载能力至少应大于7倍体重。由于假体长期植入体内的原因,材料应具有良好的生物相容性,无毒副作用,耐体液的化学腐蚀和电化学腐蚀。希望比重轻,弹性模量接近于人的皮质骨。综上要求,对于人工关节制作所使用的材料有十分严格的要求。

    人工关节不同的部件由不同的材料制造而成,再通过适当的方法将人工关节假体固定在骨组织上,假体的关节表面要进行抛光处理。目前,钴、钛、钢铁基合金金属材料组成人工髋关节的股骨头、膝关节的股骨髁的表面,超高分子聚乙烯材料组成人工髋关节的髋臼股份、人工膝关节的胫骨平台部分,聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥用于人工关节假体与骨组织的固定。

    近年来,新的研究成果不断应用于人工关节置换术的临床实践。生物陶瓷材料正被研制并广泛用于临床;假体表面的预处理,以增加假体与骨的固定效果,防止松动、脱离;通过改变合金化学成分和改进加工技术,以解决假体柄的磨损、疲劳断裂和松动问题;新的骨水泥使用技术及更符合人体生物力学特性的假体形状的设计,提高了假体的固定效果,减少了假体松动的并发症;提高手术技术,设计更为精确的手术定位安装器械,目前设计的定位器械日益精确,几乎能保证假体的固定位置良好。

    对于髋关节来说,主要分为医用“骨水泥型人工髋关节”和“非骨水泥型人工髋关节”。

    医用骨水泥型髋关节,是通过骨水泥涂在人工髋关节假体周围,与处理好的骨床相接触进行咬合固定的。医用骨水泥是由液剂和粉剂(聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸粘固剂)双组分构成的黏结剂或骨填充剂。它的初期稳定性非常好,可以让病人早期下地活动,这一点对老年病人也十分合适,减少并发症。

    通常来说,建议高龄、骨质疏松、骨质条件不好的人选用骨水泥型人工髋关节,因为老年人往往骨质疏松的症状会比较严重,骨质基础条件不好,再加上老年病人常常伴有很多其他疾病,术后并发症风险比较大,最担心长期卧床不能活动。而使用骨水泥型人工髋关节便能早期活动,降低术后并发症的风险。

    那么,非骨水泥型髋关节,它又被称为生物学固定型。它的假体通常是钛合金金属,本身就具有良好的生物相容性,再加上假体周围有良好的生物涂层,当其植入人体后,会刺激周围骨组织生长,促使骨组织与假体的表面密切结合。也就是说,非骨水泥型人工髋关节是让自己的骨质慢慢和人工关节“长”在一起,来达到永久固定的目的,这需要具备良好的骨质条件,而中青年人及部分中老年人符合这些要求。

    对于膝关节来说,一般情况下都是使用骨水泥型假体,并且是表面置换,只是把表面那一层退变受损的关节软骨面切掉,给患者保留更多自己本身的骨质,表面覆盖一层人工的关节面,因此也被称为人工膝关节表面置换,通过手术消除关节疼痛、畸形和行走困难,改善患者生活质量,恢复到正常状态。

    目前,常用的人工关节植入材料有三种:1、金属合金材料——如钴合金、钛合金,它们是最常用的两种惰性金属;2、有机高分子材料——如超高分子聚乙烯和高交联聚乙烯材料,由于这两种材料的摩擦系数相比金属来说小一些,因此,常常作为人工关节髋臼内衬材料,以及膝关节金属界面摩擦材料;3、陶瓷材料——它具有超高硬度,仅次于金刚石,其中氧化锆和氧化铝陶瓷是最早用作生物医学材料的陶瓷材料之一。氧化铝、氧化锆陶瓷惰性稳定性好,在人工关节中常用于人工全髋关节的头臼部分。在体内和体外实验中,氧化铝及氧化锆的人工关节面的磨蚀及磨损率均明显降低。

    时代在进步,最好的人工关节材料也在不断涌现。人工股骨头种类很多,设计在不断改进,材料也在不断改进。其实谈材料,主要是谈摩擦界面。摩擦界面的磨损速度决定了假体的使用时间。人工髋关节的摩擦界面材料有几种:从最初的钴铬钼合金对聚乙烯材料,发展到钴铬钼合金对高交联聚乙烯的,再到钴铬钼合金对超耐磨聚乙烯/维生素E抗氧化聚乙烯。近年来,还出现了陶瓷部件,陶瓷组成的摩擦界面包括陶瓷对高交联聚乙烯/超耐磨高交联聚乙烯/维生素E抗氧化聚乙烯,不过,陶瓷对陶瓷界面是磨损率最低的界面。

    影响假体整体使用时间的因素很多,包括假体的设计、材料、手术操作、患者的体重及职业等。现在随着中国工业水平的进步,不管是国产的还是进口的假体,使用寿命都相差无几。陶瓷关节的出现,使得一辈子只做一次手术成为可能。

    随着手术器械不断改进,材料制造技术不断提高,90%以上的普通人工髋关节可使用20年左右。若是选择陶瓷对聚乙烯的关节,其磨损速度在每年几个微米,折算起来,四五十年的使用时间没问题。另外,对于一些更为年轻的患者,使用陶瓷对陶瓷的关节界面,磨损率更小,折算起来,如果要把陶瓷内衬或者陶瓷股骨头磨穿,需要200年以上。所以,如果不出其他别的意外,陶瓷关节可持续使用一辈子。

    所以说,在除外了假体的设计、手术操作、患者的体重及职业等因素外,单纯从材料上来考虑,人工全髋关节最好的就是陶瓷对陶瓷界面的关节了。这种关节之所以使用寿命长,是因为磨损速度比以往的关节减少了几十倍上百倍,大大延长了关节使用的时间,而且磨损的颗粒是人体兼容的矿物质,不会引起骨溶解和假体周围的骨质疏松。

    对股骨头置换手术应全方位的考虑,一般来说,会考虑患者的经济条件,估算患者的未来寿命和日常活动量,据此选择不同材料的人工关节假体。