全髋关节假体设计演变

人工全髋关节设计

演变趋势沈万祥假体界面设计髋关节假体力学环境受力复杂：承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损每年要承受100~300万次循环的体重负荷髋关节假体性能生物组织相容性：髋关节假体材料不能对周围组织产生毒副作用，组织对植入材料无排斥反应

髋关节假体力学环境生物力学相容性：髋关节假体材料的弹性模量、强度和韧性与人的皮质骨相匹配，在负载情况下，髋关节假体与所接触的组织所发生的形变要彼此协调，并且植入期假体材料与周围的骨组织结合良好，不发生松动和下沉髋关节假体性能生物摩擦学性能抗腐蚀、耐疲劳性能要求假体材料在人体环境中经受化学腐蚀和电化学腐蚀而不失效，在人体循环应力作用下不损伤。金属-超高分子量聚乙烯界面1962年charnley首先使用超高分子聚乙烯和金属头配伍（MOP），以后这一配伍成为THR中的金标准MOP磨损率目前使用最多的假体设计：51%美国2006（112095）线性磨损率0.25mm/年容积性磨损率MOP磨损率球头直径增大导致大线性磨损率增加的原因在于：关节活动出现更长的滑行距离；较大直径球头时关节表面积的增加加大了容积性磨损率MOP磨损率采用22mm直径球头的THA，术后20年内的PE线性磨损率为每年0·1mm，容积性磨损率为每年40mm3.28mm球头的THA术后10年内的PE线性磨损率就达每年0·12mm，容积性磨损率为每年70mm3.两者相差有统计学意义28mm与32mm球头对PE磨损的差异，结果也是一样。粘性磨损机制两种硬度不同的材料之间发生，周期性单一轴向运动中出现拉伸、挤压，产生纤细的拉升纤维，形成碎屑。因运动过程中聚乙烯表面分子排列的方向性，越是单向，材料的延展性越强，粘性磨损越严重。聚乙烯磨损颗粒（产生原因）多向摩擦微接触下疲劳磨损聚乙烯退变表面裂纹聚乙烯颗粒导致骨溶解各种磨损微粒诱发炎症反应，致假体周围骨溶解，最后出现假体松动。虽然所有的磨损微粒都可以促发炎症反应，但聚乙烯的磨损是微粒的主要来源。超过5年的中心临床研究显示：骨溶解发生率为18%金属-高交联聚乙烯1999：highlycross-lingkedpolyethlene线性磨损率：0·01mm/年容积磨损率（40·3~156mm3/年）平均98·5最高磨损率出现在大直径股骨头（40mm）配伍组合中金属-高交联聚乙烯辐射交联和离子注入等表面处理技术，改变聚乙烯的表面分子结构、物理和化学特性，达到提高抗磨损性能和生物力学相容性的目的高交联聚乙烯应用于髋关节假体后，磨损率显著降低，磨损率与26,28,32,36,40mm股骨头直径之间无明显统计学正相关关系金属-高交联聚乙烯高交联就是改善表面分子排列的方向性，分子排列更加多向，降低延展性，研究表明粘性磨损通过高交联聚乙烯可以降低60-90%临床随访20年的结果，能够保持80%的生存率E-beamCCCCCHHHHHHHHHH

HCCCHHHHHCCHHHHfreeradicalsCCCCCHHHHHHHHHCCCCCHHHHHHHHH陶瓷头对聚乙烯陶瓷-聚乙烯平均容积磨损率28mm3/年平均线性磨损率0·034mm/年相对于金属对聚乙烯承重面磨损下降50%10年生存率95%20年生存率79%陶瓷对陶瓷1970年Boutin将氧化铝陶瓷应用于髋关节置换术，至今临床使用时间40年。Piconi及Maccuro于1985年首次报道了zirconia陶瓷头的使用至今，zirconia陶瓷头已经在临床使用超过350000例。Zirconia是一种生物惰性材料，体内外是严均证明了它优越的生物相容性。ModularCeramicLinerDesignSandwichdesignTaperlockdesignwithpolyethyleneorwithmetalbackedceramictaperangleapprox.5°

(1stgeneration)

taperangleapprox.18°

(2ndgeneration)优点硬度高，耐磨性能好线性磨损率0·025-10μm/年生物惰性颗粒致炎作用显著降低，降低骨溶解（骨溶解率小于1%）避免金属离子释放问题

陶瓷假体碎裂14%2006美国（112095）陶瓷仍具有易碎、断裂强度和抗张强度低的问题假体破裂发生率为0·04金属对金属承重面上世纪70年代，由于当时材料抗磨损性能差、磨屑颗粒导致的骨溶解以极高松动率，脱位、金属离子污染等原因使得第一代髋关节表面置换假体被放弃当代金属对金属假体的摩擦面可以产生液膜润滑和低磨损，这是MOM复兴的一个重要因素金属对金属界面的研究MOM早期失败原因：是假体材料、假体设计、假体工艺有明显缺陷90年代中期发生质变材料钴铬钼合金最优配比matasul系列高碳锻造钴铬合金FirstGenerationMetal-on-MetalBearingsG.K.McKee19651966M.E.Müller金属对金属大直径股骨头金属对金属大直径骨头线性磨损率为5um/年，容积性磨损率为0.114mm3/年，远低于金属-聚乙烯（55~110mm3/年）和陶瓷-聚乙烯（40~50mm3/年）关节，具有良好的抗磨性能无聚乙烯磨损颗粒，显著降低骨溶解率界面金属组成改良在钴铬合金中增加碳元素含量低碳0·05-0·08%高碳0·20-0·25%高碳的钴铬合金拥有更高的抗磨损能力金属表面处理金属表面加工越光滑越能提高润滑度，降低磨损显著降低磨损的金属表面MOM界面与“陶瓷对陶瓷”界面被公认为同时代最优秀的抗磨损材料加速磨损期稳态磨损期金属对聚乙烯500um/年“金属对金属”5um/年“陶瓷对陶瓷”3·9um/年大直径头设计改变磨损方式在“边界润滑”、“液体润滑”、“混合润滑”三种关节面接触方式的容积性磨损比较中，“边界润滑”的磨损指标比“液体薄膜润滑”高12倍。大直径头设计改变磨损方式“金属大头髋”由于股骨头直径、臼杯的内直径均比传统全髋增大，“头臼”关节面之间可形成“液体薄膜润滑”，因此人工关节的磨损率显著降低。大直径头设计提高活动范围“金属大头髋”由于没有了内衬结构，金属臼杯比传统臼杯总厚度降低，臼杯内径增大相匹配的金属股骨头直径增大（可与解剖股骨头直径相同）大直径头设计降低髋臼变形传统的全髋置换手术中，金属杯放置的方式是用打击器固定在金属杯的球面中心点进行打击；当金属杯被打击嵌入骨组织时，金属杯边缘会产生一定程度变形，变形会使金属杯与臼衬、金属杯与骨界面间隙产生影响，从而会增加假体间磨损程度。大直径头设计降低髋臼变形“金属大头髋”的金属臼杯是单层，没有中心点，打击器为特殊的“吸附盘”，“吸附盘”边缘与臼杯边缘是整体吻合，金属臼杯中心没有单独受力点，打击吸附支架时作用力平均传导到臼杯整个边缘大直径头设计降低髋臼变形髋臼边缘变形，局部磨损方式变为边界润滑，摩擦率显著升高臼杯缘不产生变形，从而使得臼杯球形关节面均匀、“头臼”间隙均匀、“液体薄膜润滑”作用不受影响，假体间低磨损率保持不变大直径头设计提高活动范围头直径与颈直径比值增大，髋关节假体最大活动范围增大，“金属大头髋”的设计活动范围可达141~156度，明显大于传统髋关节假体活动范围。大直径头设计降低假体脱位脱位距离与臼杯关节面匹配的股骨头球面最高点至移出髋臼边缘连线的距离增大大直径头设计降低假体脱位股骨头中心点与关节缘撬拨脱位的距离（跳跃距离）；“金属大头髋”中臼杯内径增大、股骨头直径增大，发生脱位的“跳跃距离”显著增大。这种假体结构上的差异使“金属大头髋”术后关节活动的稳定性明显增加、脱位发生率明显下降、股骨头与臼缘撞击明显减少髋臼组件臼杯应有足够的厚度，不至于在体内过度变形记住这并不是具有弹性的臼杯！臼杯是一体化而非组合式！!需警惕的问题金属离子浓聚金属过敏介导免疫反应金属肾毒性金属致畸尚需更多监测和深入研究血液和尿液中金属离子含量多中心研究报告显示红细胞钴水平相比MOP升高11倍尿液中钴水平相比MOP升高34倍尿液中铬水平相比MOP升高28倍育龄期女性患者金属对金属假体运用于育龄妇女，理论上可能和基因诱变或畸变有关，但是目前还没有确切的由于这种影响而出现缺陷的婴幼儿病例出现，目前已专门有研究进行这方面的探索。育龄期女性患者Ziaeeetal证实了以前的报道—钴和铬