全髋股骨头假体材料及生物力学研究进展

1、    全髋股骨头假体材料及生物力学研究进展        自1890年Thomas Gluck研制第一例全髋关节以来，经过工程力学与材料学专家及临床医师共同努力，使其在材料、设计、加工、制造及临床应用等方面已不断完善。然而，从临床实际中可以看出，术后多种并发症，并没有从根本上得到解决。如术后感染，骨吸收，骨萎缩，假体下沉，下肢痛及假体远期松动，假体柄断裂还需要进一步施行翻修术。据文献报道，全髋股骨头的松动率仍在10%27%，柄断裂在0.23%0.7%，全髋术后随访215年股

2、骨近端骨吸收在10%95%1不等。因此，人们对系列的并发症的认识已越来越深刻，总结出除手术技巧，患者体重，健康，活动量，假体的位置以外，假体的材料选择与设计、加工仍是主要因素。至今使用最广泛的材料仍然是弹性模量高的金属及其合金，如不锈钢200GPa，钛合金110GPa。而骨骼组织的弹性模量只有18GPa左右。这些金属材料的弹性模量是骨本身的十几倍甚至几十倍。他们的组合不可能相匹配，不能创造接近人体生理状态下的受力环境。所以，在假体植入人体后产生的应力遮挡、应力集中、应力分布失衡，破坏了正常人体关节生物力学分布规律，因此出现假体柄断裂，骨吸收，最终假体松动难以避免。所以要解决根本问题应从假体材料

3、和设计着手研究。1假体材料的刚度与其应力分布Summer2认为假体材料刚度过大是引起应力遮挡的主要原因，一般认为假体松动，下沉，柄断裂和股骨吸收与股骨上段的应力分布关系密切。Lemis3通过三维有限元分析证实，高模量的钴铬钼合金，在植入后股骨距受力只能达到正常时67%，而低弹的Ti 合金可达到80%以上，而骨水泥的界面应力，后者明显大于前者。由于金属假体产生的应力遮挡，使在股骨近端最大受力只有正常的60%70%，股骨假体随着刚度下降，假体本身的应力也随之降低，而界面应力和股骨距应力则增大，Koeneman4等应用三维有限元理论分析也发现，低刚度材料假体在植入后轴向应力几乎接近正常。Engelh

4、ard与Saha5通过改变钛合金假体模截面来达到降低刚度，结果发现，股骨内侧骨皮质受力与正常无明显差别。Mailev6等证实，钴铬钼合金刚度比钛合金刚度大，假体更易下沉，股骨近端应力，应变随之下降。有人通过电测证实，当柄的弹性模量增大一倍时，柄本身应力最大值增加25%，骨水泥应力减少31%，股骨距应力减少23%。反之，当假体柄弹性模量降低一倍时，可使柄最大应力减少26%，骨干表面应力增大10%，骨水泥应力上升46%7。理论与实验结果都证明假体材料的刚度对应力有较大的影响，降低假体的刚度，使假体应力降低，提高假体抗破坏能力，延长假体的疲劳寿命。使受力变得更均匀，最大限度降低应力遮挡，甚至消灭应力

5、遮挡。Jo Miller8发现，任何硬度植入物都将引起不同程度应力遮挡，柄的弹性模量太大可能对界面影响不利，硬的柄在股骨近端较稳定，减少界面微动。刚度太低使植入物与在股骨的弯曲增大与张应力，可能阻止骨的长入。同时，Huiskes9证实假体的刚度越低，界面应力越大，而界面应力过大是产生假体微动主要因素。并通过三维有限元分析，证实假体材料在40GPa时，应力遮挡最小，界面应力最适合。Wright通过二维有限元理论，认为只有降低假体材料的刚度才能减少假体的直接应力，增加假体抗疲劳破坏时间。因此，低刚度的假体，可获得最大轴向应力，保持骨与假体直接结合。Morsher Mathys10认为等弹（与股骨弹

6、性模量一致）假体可以消灭应力集中，尤其是假体柄端。Shirandam11实验发现假体植入后应力集中主要在假体柄与股骨中1/3处，并证实低模量的钛合金应力集中比钴合金低20%。因此，理论与结果表明：假体弹性模量对应力分布影响很大。2假体材料刚度与其周围的骨吸收股骨假体材料的刚度与结构强度是影响应力遮挡性骨吸收最主要因素。Huiskes9认为弹性模量越高，应力遮挡越大，骨吸收越多。Dujovne12指出钛合金或钴合金与股骨本身的相对刚度决定骨吸收的大小，当假体柄直径小于12 mm，两种材料假体远端柄的弯曲刚度小于股骨，骨吸收相应较少，当假体直径大于1518 mm时，钴铬钼合金假体的弯曲刚度明显的高

7、于股骨，而钛合金的弯曲刚度仍然很低，接近于股骨。为此，钴合金引起的骨吸收比钛合金明显，在股骨干骺端由于两种假体的材料刚度显著高于股骨，骨吸收也很易形成。有关低刚度材料与高刚度材料对骨吸收的系列研究显示，前者的骨吸收比后者少30%50%13。Dennis Bobyn13在动物实验，运用双能骨吸收仪（DEXA）测定不同刚度的假体，发现低刚度假体在股骨远端骨吸收少于20%，而高刚度假体则达到50%。假体远端的直径小于13 mm骨吸收只有10%，大于13 mm骨吸收达到44%。他建议，假体材料的刚度为股骨的1/21/3为最佳，同时，Bobyn14比较钴合金与钛合金两种材料假体在两年内骨矿物含理是1.9

8、 g 比 11.8 g，三年内为6.3 g比12.1 g。并通过组织学分析，发现低刚度的假体植入后，在13年内骨矿物质含量达到或超过30%44%。Sunmer14等发现低刚度材料假体减少了股骨近端的骨吸收，但增加了近端髓腔内的骨萎缩，没有发现远端的骨吸收。认为材料刚度对应力摭挡影响大。Huiskes9认为刚度非常大的假体，骨吸收随着时间的推移将越来越明显。当然，骨吸收是由于假体的应力遮挡引起的主要因素，在总体上是符合Wolff定律的，即骨吸收与骨形成在一定应力刺激环境下保持一种动态的平衡，应力应变增加时，骨应力刺激骨应变量增加，骨代谢中的骨形成成分增加，反之，骨形成降低，骨吸收增加，人体总是通

9、过应力环境的改变，自动调节骨代谢。这是一种生物力学机制，这种现象在临床得到广泛的认可。Kiratli15等临床发现金属假体在股骨近端的骨萎缩达50%；Turner在犬实验中得到股骨远端在术后半年骨吸收达20%以上。Bobyn等16通过降低假体刚度发现术后6个月骨吸收明显减少，Huiskes9发现假体的材料的刚度影响骨的改建，假体刚度越低骨吸收越少，Maistrelli17对不锈钢与低模量的树脂作为假体植入犬类，术后12个月，不锈钢组比树脂组骨吸收明显。Sumner18动物实验证实，模量高的钴铬钼合金假体在股骨近端骨吸收比钛合金高25%35%。因此降低材料的刚度，可降低应力遮挡，减少骨吸收。3复

10、合材料假体的研究在全髋关节的应用领域里，金属材料始终处于主导地位。但自从人们认识到金属的刚度太大，很难与骨骼达到最佳的力学相容性。所产生的一系列负面效应，足以引起重视。早期一些欧洲学者试通过设计减少假体横截面或制成沟横状来达到降低假体刚度的目的。因为力学强度下降，界面应力不适合而最终失败。复合材料早期主要应用于航天、军用或民用等领域。80年代初人们发现该材料应用于全髋关节假体有许多优势。Chang FK19等证实，复合材料具有力学性能可调性，通过增强纤维的方向、辅层的顺序和密度、工艺设计方法及与其质材料的组合比例可制成所需力学性能的假体。力学强度和弹性模量的可调范围分别为，70MPa1900M

11、Pa；1.0GPa170GPa。复合材料假体在某一特定的几何形态，力学强度可以达到或超过金属，而刚度则远低于金属。Christel20通过设计加工碳纤维增强碳基质复合材料假体，弹性模量只有48GPa，发现该假体的疲劳强度、力学强度及骨界面结合力等方面明显优于316L不锈钢和钴铬钼合金。将几何形相同，而材料为复合材料和金属材料的假体相比较，前者置换后的应力分布明显的优于后者。有作者通过二维的有限元分析，认为，复合材料假体的应力集中比钛合金假体降低25%，而股骨应力增加25%。因此可增加它的疲劳强度。J Dennis Bobyn和Andrew21通过光弹试验、动物实验及临床应用发现等弹的复合材料假

12、体（与股骨模量一致），能消灭应力集中，但股骨近端引起固定不稳，易导致假体的松动，并建议增加假体近端的刚度与力学强度。Maistrelli22认为低模量的复合材料一定能创造最佳的生物力学环境。Sunmer18报道，低刚度的复合材料假体比钛合金明显增加股骨近端的应用，降低假体柄的受力，应力遮挡减少50%，而引起的骨吸收前者只有后者的一半（6%比11%）。Langermer23在动物实验发现复合材料假体植入后，稳定性、骨结合力方面明显优于钛合金。John通过生物力学测试证实复合材料力学性能优于钴合金并有良好的抗疲劳强度，同时Bonfield证明，复合材料假体与骨床结合良好。John Miller11

13、提出，碳纤维增强复合材料有各向异性，高疲劳强度，但耐磨性不佳，对多孔涂层不受影响。表明光滑的复合材料假体植入后有内锁微动。Dzturk24证实 C/C 复合材料在106循环荷载下没有疲劳断裂，疲劳最大张力的截荷为静态拉伸强度80%。复合材料是各向异性材料，是由增强纤维与基质组成的，可以通过纤维的不同走向、排列、铺层的顺序与密度以及与基质的比例以达到特定的力学强度与刚度。Chang FK19用碳纤维增强与PSF（聚砜）或PEEK（聚醚酮）复合材料，其力学性能优于钛合金假体。Christel20通过两维（0°/90°）纤维排列走向，制成C/C复合材料假体发现其弯曲强度，压缩强度

14、优于纤向四维排列。Peijs通过对不同方向排列的复合材料进行力学测试发现：单向纤维的拉伸强度达1750MPa，而多向纤维达1280MPa；Skinner25也对碳纤维增强PEEK复合材料力学性能进行阐述，发现纤维45°/45°方向排列拉伸强度仅为300MPa，单方向0°纤维达2130MPa，安全系数14.5；0°与90°纤维排列安全系数5.0；0°与45°安全系数为7.4。有人提出通过90°增加纤维排列，剪切强度增加近两倍。而单性浸料0°/90°不皱碳布，由于纤维不弯曲，交叉重叠，与平织纤维相比

15、，其拉伸强度明显提高。单向预浸料纤维含率高，可有效地发挥增强纤维的力学性能，但成形加工时间长，彼此相互交错为60°三轴织物，近似各向同性，受冲击造成的强度降低值小。当然决定复合材料力学强度与刚度的因素多相当复杂，除了增强纤维的排列走向，铺层的顺序、密度外，还有该材料的设计，制造加工工艺及表面处理等。复合材料的增强纤维大部分选用碳纤维，因它不但有良好力学性能，而且还有较好的生物相容性已被研究证实。基质材料其中有PSF，PEED，碳质材料等，其中PSF，PEEK中热塑性材料，耐疲劳且易加工成形，力学性能强且稳定，而且生物相容性好。他们与碳纤维组合能产生较好的界面结合强度。尽管如此，复合材

16、料应用于全髋关节的研究尚处于初级的探索阶段，然而其研究成果令人乐观。我们希望正如国外许多专家所预言：“复合材料很可能取代金属最终解决全髋假体根本问题2125。” 俞能宝（青岛市海慈医院骨科 266033）董天华（苏州医学院附属第一医院骨科）参考文献1，Salvati EA,Wilsor PD,Jolley M N, et al. A ten-year for follow-up study of our first one hundred consecutive. charnley total hip replacements. J Bone Jion Surg(Am)，1981,63:753

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