姚兆海

人工關(guān)節(jié)研究的報(bào)告

姚兆海

人工關(guān)節(jié)；骨科；關(guān)節(jié)

全球每年接受人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者超過60萬，僅我國就有10萬左右，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已成為當(dāng)前骨關(guān)節(jié)治療的主要發(fā)展方向之一[1]。我國對(duì)于人工關(guān)節(jié)研究近年來開展的如火如荼，在很多領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，但某些方面也存在著顯著差距，筆者就當(dāng)前人工關(guān)節(jié)相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)行匯總報(bào)告，并提出觀點(diǎn)，以供參考。

1 概述

隨著醫(yī)療水平的提高，針對(duì)臨床上骨組織或關(guān)節(jié)缺損疾病采用假體替代治療越來越多，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)也在逐年增加，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，歐美國家人工關(guān)節(jié)需求每年增長率超過7%，每年接受人工關(guān)節(jié)置換術(shù)者超過50萬例，中國每年約10萬例[2]。需求的增加難免對(duì)人工關(guān)節(jié)質(zhì)量和工藝水平的要求增高，故加快人工關(guān)節(jié)的開發(fā)應(yīng)用是當(dāng)前人工關(guān)節(jié)研究的主要議題。其實(shí)人工關(guān)節(jié)研究很早就已經(jīng)開展，1891年Gluck報(bào)道了首例人體應(yīng)用人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的研究，采用象牙制作下頜關(guān)節(jié)作為替代骨，為關(guān)節(jié)疾病假體置換治療提供了新思路，后逐漸又采用金屬材料、陶瓷材料及有機(jī)高分子材料作為人工關(guān)節(jié)行置換術(shù)的替代骨。

2 各類型人工關(guān)節(jié)研究

2.1 金屬材料上世紀(jì)30年代Iles采用不銹鋼制作的股骨頭和髖臼對(duì)Still氏病患者進(jìn)行了關(guān)節(jié)置換術(shù)，但由于金屬碎裂而未達(dá)到預(yù)期效果，不過開辟了采用金屬材料制作人工關(guān)節(jié)的篇章。不銹鋼材料雖然強(qiáng)度尚可，加工方便，但是在體內(nèi)生理環(huán)境下易出現(xiàn)摩擦、腐蝕、破裂等情況的發(fā)生，以當(dāng)時(shí)的科技水平采用此種材料應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換已是創(chuàng)新。后逐漸又研究開始探索應(yīng)用鈷合金，其強(qiáng)度相對(duì)較高，彈性模量低，耐磨耐腐蝕，曾一度在臨床推廣應(yīng)用，但后期研究發(fā)現(xiàn)采用鈷合金假體的患者，過敏反應(yīng)及其它與鈷金屬重度相關(guān)疾病發(fā)病率增加，且在尿液和血液中可檢測到較高的鈷離子，此后應(yīng)用受到限制[3]。直到上世紀(jì)60年代，生物材料選擇逐漸以鈦及鈦合金為主導(dǎo)并延續(xù)至今。鈦合金密度與人骨密度相近，其重量相對(duì)較輕、強(qiáng)度高、彈性模量較低、耐磨耐腐蝕、抗疲勞等，相對(duì)其它合金材料性能好，且更安全可靠[4]。目前常用的合金材料眾多，如β鈦合金TLM、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr合金、氮化鈦等，其中氮化鈦是鈦材料經(jīng)離子氮化學(xué)工藝處理后的材料，在保持原有鈦材料的優(yōu)點(diǎn)上，其硬度、耐磨性及耐腐蝕性均顯著增強(qiáng)。另有新型的多孔鉭金屬材料應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)研究，但其材料理論尚不完善，需要今后深入研究證實(shí)。

2.2 高分子材料上世紀(jì)40年代國外開始采用高分子材料研究合成人工關(guān)節(jié)，采用的主要有聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯等材料，其中聚乙烯是最早應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)制作的高分子材料，后使用超高分子聚乙烯應(yīng)用于人工腕、膝關(guān)節(jié)，使用壽命相對(duì)延長，同時(shí)減輕了摩擦和磨損問題，但臨床隨訪結(jié)果表明這兩類材料晚期磨損嚴(yán)重，患者可出現(xiàn)關(guān)節(jié)松動(dòng)，且人工關(guān)節(jié)磨損后分解微?？稍斐蔁o菌性炎癥，產(chǎn)生關(guān)節(jié)積液，給患者增添額外疾患負(fù)擔(dān)[5]。當(dāng)前臨床實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛的高分子材料為硅橡膠，多應(yīng)用在指關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等非重力關(guān)節(jié)部位。有研究認(rèn)為硅橡膠人工指關(guān)節(jié)明顯好于金屬人工指關(guān)節(jié)，對(duì)于有掌指關(guān)節(jié)伸屈肌腱損壞者最為適用。但同時(shí)也有遠(yuǎn)期隨訪觀察發(fā)現(xiàn)硅橡膠引起異物反應(yīng)的病例報(bào)道，這與人工關(guān)節(jié)斷裂及磨損微顆粒誘發(fā)炎癥無關(guān)系。

2.3 陶瓷人工關(guān)節(jié)Boutin于1972年首次使用陶瓷人工關(guān)節(jié)進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，為人工關(guān)節(jié)研究提供了新的方向。陶瓷人工關(guān)節(jié)材料的優(yōu)勢(shì)在于材料強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕，但劣勢(shì)也較顯著，如硬度較大、彈性模量高、抗彎強(qiáng)度低及生物力學(xué)匹配性差等，使用中可出現(xiàn)斷裂及骨損傷等情況，或許出于對(duì)其劣勢(shì)的考慮，Boutin使用的陶瓷人工關(guān)節(jié)嚴(yán)格意義上講為陶瓷復(fù)合材料，是將陶瓷頭結(jié)合于鈦合金的柄上后應(yīng)用于置換術(shù)。近年來集中在增強(qiáng)陶瓷韌性的研究開展較多，利用二氧化鋯相變?cè)鲰g取得了良好效果，但由于此種陶瓷人工關(guān)節(jié)加工難度大，且置入體內(nèi)有關(guān)脆性及疲勞性破壞的研究尚不完善，故目前并未廣泛應(yīng)用于臨床[6]。

2.4 復(fù)合材料人工關(guān)節(jié)基于追求能夠與人體骨組織間彈性模量相匹配的理想假體材料的想法，目前已有一種以羥基磷灰石為基礎(chǔ)的復(fù)合材料的研究。如正處在探索階段的羥基磷灰石/金屬生物復(fù)合材料、羥基磷灰石/高分子聚合物生物復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)高分子基生物復(fù)合材料、羥基磷灰石/生物惰性陶瓷生物復(fù)合材料等，理論上基本能夠達(dá)到與骨組織間彈性模量相匹配的程度，但仍處在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，且對(duì)于遠(yuǎn)期并發(fā)癥是否能真正改善很難給出確切答案[7]，但可作為今后人工關(guān)節(jié)材料研發(fā)的方向之一。

3 展望

研發(fā)具有良好生物相容性、耐磨耐腐蝕、強(qiáng)韌耐疲勞、高匹配人骨組織間彈性模量的人工關(guān)節(jié)材料是臨床醫(yī)生及材料技術(shù)人員的共同追求，應(yīng)當(dāng)緊隨當(dāng)前科技發(fā)展步伐，尋找最佳制作材料。當(dāng)前在仿生學(xué)人工關(guān)節(jié)上的研究是今后關(guān)注的重點(diǎn)之一[8]，理論上講該材料具有高結(jié)構(gòu)功能順應(yīng)性、自愈性及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可在人工關(guān)節(jié)表面引入人工軟骨增強(qiáng)抗磨損能力。已有研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇水凝膠與天然軟骨結(jié)構(gòu)性能極為相似，是制作人工軟骨的絕佳材料，但其機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較差，需要處理改善以適應(yīng)需求[9]。目前人工納米材料研究理論知識(shí)豐富，今后可考慮在人工關(guān)節(jié)表面加工出納米結(jié)構(gòu)以減少磨損，或在關(guān)節(jié)表面制造納米微孔聯(lián)合自體骨細(xì)胞克隆增殖，以增強(qiáng)生物相容性，不失為最理想的方法[10]。

4 結(jié)論

人工關(guān)節(jié)研究是伴隨材料科學(xué)發(fā)展而進(jìn)行的，當(dāng)前人工關(guān)節(jié)研究重點(diǎn)應(yīng)放在加緊對(duì)新型高科技材料應(yīng)用于假體制作的探索中。目前來看尚未有可完全順應(yīng)人骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)功能的人工關(guān)節(jié)出現(xiàn)，研發(fā)原則可轉(zhuǎn)至以提高生物相容性，增強(qiáng)耐磨耐腐蝕性及高匹配人骨間彈性模量上，可在原有研發(fā)材料的基礎(chǔ)上創(chuàng)新改革，實(shí)驗(yàn)室研究成熟并應(yīng)用于臨床后需對(duì)遠(yuǎn)期療效進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。在臨床實(shí)踐中人工關(guān)節(jié)的選擇應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體情況，考慮患者對(duì)材料經(jīng)濟(jì)成本承受能力及適應(yīng)能力，選擇最符合的人工材料。

[1] 趙艷.人工關(guān)節(jié)置入材料的臨床應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2011,15(38)：7205-7208.

[2] 錢正瑛,金偉.人工關(guān)節(jié)假體材料的研究現(xiàn)狀[J].國際生物醫(yī)學(xué)工程雜志,2009,32(4)：247-250.

[3] 陳銳,戴閩,熊平,等.金屬離子對(duì)人工關(guān)節(jié)松動(dòng)影響的相關(guān)研究[J].生物骨科材料與臨床研究,2010(07).

[4]《中國組織工程研究與臨床康復(fù)》學(xué)術(shù)部.讓昨天告訴今天：人工髖關(guān)節(jié)研究的學(xué)術(shù)與技術(shù)進(jìn)展[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2009(07).

[5] 蔡運(yùn)火,鮑航行,王金法,等.人工關(guān)節(jié)假體周圍骨溶解的發(fā)生機(jī)制及防治[J].浙江中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36(4)：458-461.

[6] 蔡友治,嚴(yán)世貴.陶瓷人工關(guān)節(jié)研究進(jìn)展[J].中華骨科雜志, 2010,30(11)：1157-1160.

[7] 陳治宇,張暉,阮正上,等.含銀涂層人工關(guān)節(jié)抗感染性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國實(shí)用醫(yī)藥,2009,4(3)：82-84.

[8] 孟昭琴.人工關(guān)節(jié)材料的仿生性能及臨床應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2010,14(22)：4101-4104.

[9] 李鋒,王成燾.關(guān)節(jié)軟骨和人工關(guān)節(jié)材料接觸角的測定[J].潤滑與密封,2009(8).

[10] 黃成龍,趙常利,韓培,等.納米化表面鈦合金內(nèi)植物的界面組織學(xué)和生物力學(xué)評(píng)價(jià)[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2011 (21)：3867-3870.

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