微孔表面髋关节假体
作者：李雪松 齐新生
单位：(南京铁道医学院附属医院 骨科, 江苏 南京 210009)
关键词：人工关节，假体；髋关节；微孔表面
铁道医学000149 [摘要]微孔表面髋关节假体表面材料包括金属和陶瓷两种。金属假体与骨组织结合牢固，这主要受材料种类及微孔直径影响。但是，金属材料会产生癌症、神经病变、过敏反应、应力遮挡等副作用。因此，陶瓷材料尤其是羟基磷灰石(HA)因其良好的生物相容性及传导成骨作用而受到重视。HA主要通过生物结合和化学结合两种方式与骨组织形成牢固结合，在结合过程中，HA的降解起了重要作用，纯度、结晶率、表面微孔量等几方面影响其降解速度，巨噬细胞等也介入其降解过程。微孔表面假体在临床应用中取得了优异的疗效，大大提高了患者生活质量，已被广泛接受。
[中图分类号]R687.4 [文献标识码]A
, 百拇医药
[文章编号]1001-0912(2000)01-0064-03
人工髋关节置换术应用于临床已有几十年时间了，假体材料已经历了几次革新。目前，假体固定方式基本上分为两种，(1)机械固定。即在假体与骨组织之间填充骨水泥，通过机械作用固定假体，这种技术被称为骨水泥技术。(2)生物固定。将假体加工成粗糙表面，直接植入骨组织内，通过骨组织和纤维组织长入假体表面，以达到牢固的生物固定，防止假体松动。近年来，微孔表面假体越来越受到人们的重视，由于它简化了手术过程，减轻了患者痛苦，并去除了骨水泥的一些不良反应，而逐渐被医生和患者所接受。现就微孔表面假体作一概述。
1 金属表层材料
1.1 表层的微孔直径 目前的研究认为微孔直径以50～400 μm为最佳[1]。在此范围内，骨组织不但可以很快长入，且假体与骨可最大程度结合。通常认为当孔径为100 μm时，骨组织即可长入,但如要与假体形成骨性结合，则要在150 μm以上。当孔径小于50 μm时，长入微孔内的是纤维组织而非骨组织，从而引起结合力的下降。Bobyn等[1]在对孔径大于400 μm的假体研究时发现虽有骨组织长入，但与骨的结合力已明显下降。
, 百拇医药
1.2 金属材料的种类 在最初的研究中，由于制作技术所限和陶瓷制品具有脆性大、易劳损等特性，人们一直集中于金属表面涂层的研究。经过不断筛选，钴-铬合金、钛合金已成为最常用材料。钴-铬合金的物质强度高，不易磨损，保证了微孔表层的强度。钛合金则与骨组织具有良好的生物相容性，弹性模量良好。另外，钛合金制成的微孔表面层的微孔之间相互连通，长入微孔的骨组织可以相互融合，从而进一步加强了假体的稳定度。
1.3 金属材料的副作用 尽管金属材料具有一定的优越性，但其副作用也相对较多。金属离子的释放就成为人们比较重视的问题，不同材料将引发不同程度的问题。铬、镍等金属及其化合物具有致癌作用，这已被流行病学调查及动物实验证实。另外，钴也被怀疑为致癌原，已有报道称在应用钴-铬合金假体的患者中，假体附近组织发生癌变。铝被怀疑可引起分解性周围神经病变[2]、Alzheimerz病及骨萎缩[3]，而术前对钴、铬、镍等敏感的患者在植入这些假体后发生迟发性过敏反应，钒则被认为具有细胞毒性作用。钛合金虽然生物相容性较好，但其耐磨性能较弱，易产生磨损微粒[4]。另外，即便是弹性模量与骨最接近的钛金属，其强度也要高出骨组织10倍，大大增加了应力遮挡因素。
, 百拇医药
2 羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)表面材料
近几年生物陶瓷作为假体表层材料应用较广，HA越来越受到重视，尽管仍缺乏远期临床疗效证据，但近期临床效果已取得了令人鼓舞的结果。
2.1 HA涂层的参数 HA涂层的厚度通常认为以50 μm最好，此时HA界面结合力最高。当涂层厚度低于50 μm时，涂层易于降解，使假体松动[5]；当涂层厚度高于100 μm时，则机械强度明显降低，易于劳损。另外一些参数分别为：(1)HA纯度>95%，Ca/P为1.67；(2)结晶度>70%；(3)孔隙率为5%～20%。
2.2 HA的作用原理 HA的化学组成与人骨组织所含矿物质很相似，将其植入人体后，机体耐受良好，无全身或局部毒性反应，无炎症反应及排斥反应，因而认为HA具有良好的生物相容性。当HA被植入骨环境中，HA周围及微孔内有骨组织生成，而HA植入非骨环境时，则无新骨生成，说明HA不具有骨诱导性，而只起到对骨组织生长的支架作用，即传导成骨作用。HA与周围骨组织结合主要通过两条途径，(1)生物结合：骨细胞长入HA的微孔孔隙中[6]；(2)化学结合：HA的钙离子、磷离子与周围骨组织的钙离子、磷离子形成化学键。HA植入人体后，涂层中钙、磷离子会逐步向体液中释放，使微环境中钙、磷量增加，当这些钙、磷离子与骨介质(骨细胞中的一些蛋白分子)结合时，形成新生骨组织，并与HA紧密结合在一起。
, 百拇医药
人们在对金属微孔表面假体进行研究时发现，在骨组织与假体之间常形成一层纤薄的纤维组织层[7]，这严重影响假体与骨的结合力。在假体植入早期(4周)，HA假体周围也形成纤维膜，但其中含有较多胶原成分，纤维呈放射状排列，有向纤维软骨转化的趋势。经过一段时间(16周)观察发现，HA喷涂假体形成的纤维膜已被新生骨所替代[4]。
2.3 HA的降解性 HA降解与否尚无定论，但持肯定态度的较多。正如前面所提到的，HA之所以具有骨引导性，就是因为它的适度降解。通常认为，化学组成、晶体构造、材料结构及宿主的体液环境影响其降解度。HA的纯度越高，其降解速度越慢，同时结晶率也与降解速度成反比，而表面微孔量则与其成正比。Gomi等[8]认为巨噬细胞、单核细胞、成纤维细胞是细胞介入降解过程的主体。
3 临床应用
微孔表面假体应用于临床以来，已取得突出的进展，尽管假体柄早期疗效略逊于骨水泥假体，但髋臼要优于骨水泥技术。从长期疗效来看，微孔关节的前景仍比较乐观，根据Harris评分标准，一般均能从术前的40、50分改善至术后的90分以上[9，10]。Tompkins等[9]对204例患者至少7年随访中发现，无一例因无菌性松动而取出假体，8例(5%)X片出现透亮区，但临床效果优异，未发现疼痛等症状。金属微孔表面假体临床应用较早，其效果并不能超越骨水泥技术，仍存在假体松动、骨质溶解等问题。另外，存在着潜在性诱癌因素、致病作用等。因此，人们将注意力主要集中于具有良好生物相容性的HA上。大量文献均报道HA假体的优越性[11，12，13]。人们在研究中同时发现，假体植入初期的稳定与否直接影响远期疗效。植入初期保持假体的稳定会使更多骨组织长入微孔，而假体早期微动将引起微孔内纤维组织长入、磨损碎屑生成等不良反应，进而导致假体松动，产生剧烈疼痛，严重者需再次手术治疗。根据Pilliar等[14]研究结果，假体移动度只有在小于28～40 μm，才会有骨组织长入，当移动度大于150 μm时，只能以纤维组织达到固定。因此，必须提高手术技巧，使用配套器械，选用合适型号假体，使假体与骨紧密结合，才能提高手术成功率，延长假体使用寿命。
, http://www.100md.com
综上所述，微孔表面髋关节假体具有广阔的应用前景，是髋关节置换术中的一种非常重要的组成部分，但同时也存在一些问题，如HA的降解度对假体与骨结合强度的影响，金属微孔表面、HA微孔表面与骨结合强度的比较等，需进一步探讨。
基金项目：铁道部基金资助(J940Z013)
作者简介：李雪松(1973年生)，男，黑龙江哈尔滨人，南京铁道医学院医学硕士生。
参考文献：
[1] Bobyn J D, Pilliar R M, Cameron H U. The optimum pore size for the fixation of porous-surfaced metal implants by the ingrowth of bone[J].Clin Orthop, 1980,150:263-70.
, 百拇医药
[2] Parkinson I S,Ward M K，Kerr D N S.Dialysis encephalopathy,bone disease and anaemia:the aluminum intoxication syndrome during regular haemodialysis[J].J Clin Pathol，1981,34:1285-94.
[3] Perl D P，Brody A R.Alzheimer's disease:X-ray spectrometric evidence of aluminum accumulation in neurofibrillary tangle bearing neurons[J].Science,1980,208:297-9.
[4] Head W C,Bauk D J,Emerson R H. Titanium as the material of choice for cementless femoral components in total hip arthroplasty[J].Clin Orthop, 1995,(3112):85-90.
, 百拇医药
[5] Soballe K. Hydroxyapatite ceramic coating for bone implant fixation: mechanical and histological studies in dogs[J]. Acta Orthop Scand,1993 (Suppl),225:1-58.
[6] Ducheyne P, Healy K E.The effect of plasma spasyed calcium phosphate ceramic coating；on the metal ion release from porous titanium and cobalt chronium alloys[J]. J Biomed Res,1988,22(12):1137-63.
[7] Soballe K,Hanse E S,Brockstedt Rasmussen H,et al. Hydroxyapatite coating converts fibrous tissue to bone around loaded implants[J].J Bone Joint Surg(Br), 1993,75(2):270-8.
, 百拇医药
[8] Gomi K, Lowenberg B，Shapiro G, et al. Resorption of sintered synthetic hydroxyapatite by osteoclasts in vitro[J]. Biomaterials,1993,14(2)：91-6.
[9] Tompkins G S,Jacobs J J,Kull L R,et al. Primary total hip arthroplasty with a porous-coated acetabular component.Seven-to-ten-year results[J].J Bone Joint Surg(Am),1997,79(2):169-76.
[10] McLaughlin J R,Lee K R.Total hip arthroplast with an uncemented femeral component. Excellent results at ten-year follow-up[J].J Bone Joint Surg(Br), 1997,79(6):900-7.
, http://www.100md.com
[11] Geesink R G, Hoefnagels N H. Six-year results of hydroxyapatite-coated total hip replacement[J]. J Bone Joint Surg(Br),1995,77(4):534-47.
[12] Loupasis G, Morris E W, Hyde I D. The Furlong hydroxyapatite-coated total hip replacement in patients under age 51. A 6-year follow-up study[J]. Acta Orthop Belg， 1998, 64(1): 17-24.
[13] Loupasis G,Hyde I D, Morris E W. The Furlong hydroxyapatite-coated femoral prosthesis. A 4-to 7-year follow-up study[J]. Arch Orthop Trauma Surg，1998,117(3):132-5.
[14] Pilliar R M, Lee J M, Maniatopoulos C. Observation on the effect of movement on bone ingrowth into porous-surfaced implants[J]. Clin Orthop,1986,(208):108-13.
收稿日期：1999-10-08, 百拇医药
单位：(南京铁道医学院附属医院 骨科, 江苏 南京 210009)
关键词：人工关节，假体；髋关节；微孔表面
铁道医学000149 [摘要]微孔表面髋关节假体表面材料包括金属和陶瓷两种。金属假体与骨组织结合牢固，这主要受材料种类及微孔直径影响。但是，金属材料会产生癌症、神经病变、过敏反应、应力遮挡等副作用。因此，陶瓷材料尤其是羟基磷灰石(HA)因其良好的生物相容性及传导成骨作用而受到重视。HA主要通过生物结合和化学结合两种方式与骨组织形成牢固结合，在结合过程中，HA的降解起了重要作用，纯度、结晶率、表面微孔量等几方面影响其降解速度，巨噬细胞等也介入其降解过程。微孔表面假体在临床应用中取得了优异的疗效，大大提高了患者生活质量，已被广泛接受。
[中图分类号]R687.4 [文献标识码]A
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[文章编号]1001-0912(2000)01-0064-03
人工髋关节置换术应用于临床已有几十年时间了，假体材料已经历了几次革新。目前，假体固定方式基本上分为两种，(1)机械固定。即在假体与骨组织之间填充骨水泥，通过机械作用固定假体，这种技术被称为骨水泥技术。(2)生物固定。将假体加工成粗糙表面，直接植入骨组织内，通过骨组织和纤维组织长入假体表面，以达到牢固的生物固定，防止假体松动。近年来，微孔表面假体越来越受到人们的重视，由于它简化了手术过程，减轻了患者痛苦，并去除了骨水泥的一些不良反应，而逐渐被医生和患者所接受。现就微孔表面假体作一概述。
1 金属表层材料
1.1 表层的微孔直径 目前的研究认为微孔直径以50～400 μm为最佳[1]。在此范围内，骨组织不但可以很快长入，且假体与骨可最大程度结合。通常认为当孔径为100 μm时，骨组织即可长入,但如要与假体形成骨性结合，则要在150 μm以上。当孔径小于50 μm时，长入微孔内的是纤维组织而非骨组织，从而引起结合力的下降。Bobyn等[1]在对孔径大于400 μm的假体研究时发现虽有骨组织长入，但与骨的结合力已明显下降。
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1.2 金属材料的种类 在最初的研究中，由于制作技术所限和陶瓷制品具有脆性大、易劳损等特性，人们一直集中于金属表面涂层的研究。经过不断筛选，钴-铬合金、钛合金已成为最常用材料。钴-铬合金的物质强度高，不易磨损，保证了微孔表层的强度。钛合金则与骨组织具有良好的生物相容性，弹性模量良好。另外，钛合金制成的微孔表面层的微孔之间相互连通，长入微孔的骨组织可以相互融合，从而进一步加强了假体的稳定度。
1.3 金属材料的副作用 尽管金属材料具有一定的优越性，但其副作用也相对较多。金属离子的释放就成为人们比较重视的问题，不同材料将引发不同程度的问题。铬、镍等金属及其化合物具有致癌作用，这已被流行病学调查及动物实验证实。另外，钴也被怀疑为致癌原，已有报道称在应用钴-铬合金假体的患者中，假体附近组织发生癌变。铝被怀疑可引起分解性周围神经病变[2]、Alzheimerz病及骨萎缩[3]，而术前对钴、铬、镍等敏感的患者在植入这些假体后发生迟发性过敏反应，钒则被认为具有细胞毒性作用。钛合金虽然生物相容性较好，但其耐磨性能较弱，易产生磨损微粒[4]。另外，即便是弹性模量与骨最接近的钛金属，其强度也要高出骨组织10倍，大大增加了应力遮挡因素。
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2 羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)表面材料
近几年生物陶瓷作为假体表层材料应用较广，HA越来越受到重视，尽管仍缺乏远期临床疗效证据，但近期临床效果已取得了令人鼓舞的结果。
2.1 HA涂层的参数 HA涂层的厚度通常认为以50 μm最好，此时HA界面结合力最高。当涂层厚度低于50 μm时，涂层易于降解，使假体松动[5]；当涂层厚度高于100 μm时，则机械强度明显降低，易于劳损。另外一些参数分别为：(1)HA纯度>95%，Ca/P为1.67；(2)结晶度>70%；(3)孔隙率为5%～20%。
2.2 HA的作用原理 HA的化学组成与人骨组织所含矿物质很相似，将其植入人体后，机体耐受良好，无全身或局部毒性反应，无炎症反应及排斥反应，因而认为HA具有良好的生物相容性。当HA被植入骨环境中，HA周围及微孔内有骨组织生成，而HA植入非骨环境时，则无新骨生成，说明HA不具有骨诱导性，而只起到对骨组织生长的支架作用，即传导成骨作用。HA与周围骨组织结合主要通过两条途径，(1)生物结合：骨细胞长入HA的微孔孔隙中[6]；(2)化学结合：HA的钙离子、磷离子与周围骨组织的钙离子、磷离子形成化学键。HA植入人体后，涂层中钙、磷离子会逐步向体液中释放，使微环境中钙、磷量增加，当这些钙、磷离子与骨介质(骨细胞中的一些蛋白分子)结合时，形成新生骨组织，并与HA紧密结合在一起。
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人们在对金属微孔表面假体进行研究时发现，在骨组织与假体之间常形成一层纤薄的纤维组织层[7]，这严重影响假体与骨的结合力。在假体植入早期(4周)，HA假体周围也形成纤维膜，但其中含有较多胶原成分，纤维呈放射状排列，有向纤维软骨转化的趋势。经过一段时间(16周)观察发现，HA喷涂假体形成的纤维膜已被新生骨所替代[4]。
2.3 HA的降解性 HA降解与否尚无定论，但持肯定态度的较多。正如前面所提到的，HA之所以具有骨引导性，就是因为它的适度降解。通常认为，化学组成、晶体构造、材料结构及宿主的体液环境影响其降解度。HA的纯度越高，其降解速度越慢，同时结晶率也与降解速度成反比，而表面微孔量则与其成正比。Gomi等[8]认为巨噬细胞、单核细胞、成纤维细胞是细胞介入降解过程的主体。
3 临床应用
微孔表面假体应用于临床以来，已取得突出的进展，尽管假体柄早期疗效略逊于骨水泥假体，但髋臼要优于骨水泥技术。从长期疗效来看，微孔关节的前景仍比较乐观，根据Harris评分标准，一般均能从术前的40、50分改善至术后的90分以上[9，10]。Tompkins等[9]对204例患者至少7年随访中发现，无一例因无菌性松动而取出假体，8例(5%)X片出现透亮区，但临床效果优异，未发现疼痛等症状。金属微孔表面假体临床应用较早，其效果并不能超越骨水泥技术，仍存在假体松动、骨质溶解等问题。另外，存在着潜在性诱癌因素、致病作用等。因此，人们将注意力主要集中于具有良好生物相容性的HA上。大量文献均报道HA假体的优越性[11，12，13]。人们在研究中同时发现，假体植入初期的稳定与否直接影响远期疗效。植入初期保持假体的稳定会使更多骨组织长入微孔，而假体早期微动将引起微孔内纤维组织长入、磨损碎屑生成等不良反应，进而导致假体松动，产生剧烈疼痛，严重者需再次手术治疗。根据Pilliar等[14]研究结果，假体移动度只有在小于28～40 μm，才会有骨组织长入，当移动度大于150 μm时，只能以纤维组织达到固定。因此，必须提高手术技巧，使用配套器械，选用合适型号假体，使假体与骨紧密结合，才能提高手术成功率，延长假体使用寿命。
, http://www.100md.com
综上所述，微孔表面髋关节假体具有广阔的应用前景，是髋关节置换术中的一种非常重要的组成部分，但同时也存在一些问题，如HA的降解度对假体与骨结合强度的影响，金属微孔表面、HA微孔表面与骨结合强度的比较等，需进一步探讨。
基金项目：铁道部基金资助(J940Z013)
作者简介：李雪松(1973年生)，男，黑龙江哈尔滨人，南京铁道医学院医学硕士生。
参考文献：
[1] Bobyn J D, Pilliar R M, Cameron H U. The optimum pore size for the fixation of porous-surfaced metal implants by the ingrowth of bone[J].Clin Orthop, 1980,150:263-70.
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[2] Parkinson I S,Ward M K，Kerr D N S.Dialysis encephalopathy,bone disease and anaemia:the aluminum intoxication syndrome during regular haemodialysis[J].J Clin Pathol，1981,34:1285-94.
[3] Perl D P，Brody A R.Alzheimer's disease:X-ray spectrometric evidence of aluminum accumulation in neurofibrillary tangle bearing neurons[J].Science,1980,208:297-9.
[4] Head W C,Bauk D J,Emerson R H. Titanium as the material of choice for cementless femoral components in total hip arthroplasty[J].Clin Orthop, 1995,(3112):85-90.
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[5] Soballe K. Hydroxyapatite ceramic coating for bone implant fixation: mechanical and histological studies in dogs[J]. Acta Orthop Scand,1993 (Suppl),225:1-58.
[6] Ducheyne P, Healy K E.The effect of plasma spasyed calcium phosphate ceramic coating；on the metal ion release from porous titanium and cobalt chronium alloys[J]. J Biomed Res,1988,22(12):1137-63.
[7] Soballe K,Hanse E S,Brockstedt Rasmussen H,et al. Hydroxyapatite coating converts fibrous tissue to bone around loaded implants[J].J Bone Joint Surg(Br), 1993,75(2):270-8.
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[8] Gomi K, Lowenberg B，Shapiro G, et al. Resorption of sintered synthetic hydroxyapatite by osteoclasts in vitro[J]. Biomaterials,1993,14(2)：91-6.
[9] Tompkins G S,Jacobs J J,Kull L R,et al. Primary total hip arthroplasty with a porous-coated acetabular component.Seven-to-ten-year results[J].J Bone Joint Surg(Am),1997,79(2):169-76.
[10] McLaughlin J R,Lee K R.Total hip arthroplast with an uncemented femeral component. Excellent results at ten-year follow-up[J].J Bone Joint Surg(Br), 1997,79(6):900-7.
, http://www.100md.com
[11] Geesink R G, Hoefnagels N H. Six-year results of hydroxyapatite-coated total hip replacement[J]. J Bone Joint Surg(Br),1995,77(4):534-47.
[12] Loupasis G, Morris E W, Hyde I D. The Furlong hydroxyapatite-coated total hip replacement in patients under age 51. A 6-year follow-up study[J]. Acta Orthop Belg， 1998, 64(1): 17-24.
[13] Loupasis G,Hyde I D, Morris E W. The Furlong hydroxyapatite-coated femoral prosthesis. A 4-to 7-year follow-up study[J]. Arch Orthop Trauma Surg，1998,117(3):132-5.
[14] Pilliar R M, Lee J M, Maniatopoulos C. Observation on the effect of movement on bone ingrowth into porous-surfaced implants[J]. Clin Orthop,1986,(208):108-13.
收稿日期：1999-10-08, 百拇医药