人工髋关节生物力学研究进展

作者：尹其翔, 沈铁城    作者单位：江苏大学医学院，江苏 镇江 212013； 江苏大学附属医院骨科，江苏 镇江212001

【关键词】  人工髋关节； 生物力学； 置换术

　　自从Charnley在20世纪60年代，对人工髋关节置换术做出一系列开创性贡献后［1］，人工髋关节置换术在临床广泛开展，成为治疗髋关节严重病变的有效手段。在取得巨大成功的同时，不可忽视感染、关节脱位、假体松动、断裂、磨屑造成的骨吸收等已成为影响手术远期效果的主要原因。而这些很大程度上都与术后的应力分布异常（对比生理状态）有关。近年来生物力学研究已经成为热点。    　　生理状态下髋关节的应力传导模式为：髋臼-股骨头-股骨颈。人工髋关节置换术后变为髂骨-髋臼假体-股骨假体头-假体柄-股骨。应力传导方式的改变会造成一系列问题：①近端股骨承受应力下降，造成近端股骨适应性骨溶解［2］，支撑力下降，引起假体松动下沉；远端股骨应力上升，易骨折；②假体承受力量过大，假体折断；③骨水泥在应力作用下也会发生蠕变、疲劳断裂［3］，碎屑引起巨噬细胞释放细胞因子激活破骨细胞，造成骨质破坏；④假体承重同时界面（假体-骨，骨-骨水泥，骨水泥-骨）之间产生剪切、扭转应力，超过界面承受范围引起界面两侧相对微动，发生松动。    　　本文通过对国内外人工髋关节生物力学研究现状的分析，重点介绍假体材料、设计及研究方法的进展。    　　1  影响术后生物力学效果的因素    　　1.1  假体材料    　　人工髋关节假体的材料主要有金属（不锈钢、钴铬钼合金、钛合金）和非金属（羟基磷灰石、高分子材料、碳纤维）。

　　1.1.1  金属   ①不锈钢：不锈钢生物相容性尚可，牢固，容易加工，一度成为假体的主要材料。但是不锈钢的硬度大，弹性模量远大于骨，植入人体后会产生严重的应力遮挡效应，造成股骨近端骨质疏松，远期松动发生率高，且过于笨重，现在已不作为主要的假体制造材料。②钴铬钼合金（CoCrMo）：弹性模量较不锈钢小，生物相容性良好，耐磨。加工相对麻烦，通常通过精密铸造方式加工成人工关节。钴铬钼合金现在为临床应用最主要的人工关节材料，取得了很大的成功。但是由于其弹性模量仍然远大于股骨（约为骨皮质的13倍），所以造成的远期应力遮挡效应仍然成为棘手的问题。严世贵等［4］研究发现：钴铬钼合金人工髋关节置换后,股骨上端内侧压应力变化非常大,特别是股骨距处压应力下降超过90％。这成为股骨近端骨适应性萎缩，假体松动、再发骨折的原因。③钛合金：生物相容性更好，韧性好，弹性模量与骨接近，轻便。钛合金假体可增加近端股骨1/3的应力，应力遮挡效应相对小。缺点是不耐磨，不能作为髋臼假体。钛合金作为假体材料还需要进一步研究。

　　1.1.2  非金属  ①超高分子聚乙烯：用于人工关节的关节面，较好地解决了人工关节的摩擦磨损问题。现在已是人工全髋关节不可或缺的材料。即便如此，超高分子聚乙烯的磨损碎屑仍会刺激巨噬细胞反应，引起骨吸收，导致假体支撑失效、无菌性松动。②羟基磷灰石（HA）：生物相容性好，物理性质接近骨，作为假体涂层。人体骨的无机质成分主要是羟基磷灰石，将其作为具有生物活性的涂层一方面可使骨组织长入涂层的孔隙中，与涂层形成交联，达到坚强的远期生物固定效果。另一方面由于其物理性质和人骨非常接近，可以缓和骨-假体间界面的应力差异［5］，减小应力遮挡效应。关于HA涂层的研究已经取得一些进展。牟明威等［6］认为羟基磷灰石涂层方法均能够增强假体与骨组织之间的结合和固定强度，达到促进骨长入的作用。但是由于HA 涂层与金属表面结合的问题而影响了骨组织与金属表面的结合, 因此HA 涂层的工艺和效果对植入体与骨组织牢固固定的效果有较大的影响。唐六丁等［5,7］发现在假体柄上加入羟基磷灰石涂层使应力遮挡率下降。HA涂层越薄，界面紧压配合力和环向应力越大，理论上越不容易发生松动。但是HA涂层太薄会造成过早溶解吸收、界面两侧应力差异过大（界面分离剥脱损坏），太厚HA涂层会疲劳断裂，所以50 μm的HA涂层为最佳。但其研究基于生物力学考虑，和临床具体情况还有所差距，HA涂层的工艺、分布范围、厚度还须进一步探讨。③碳纤维复合材料：这是一种新兴的假体材料，具有高强度、低弹性模量（与骨接近），生物相容性好的优点。余能宝等［8］对碳纤维聚砜(CRF/PSF)复合材料假体的生物力学特性进行了深入的研究,发现低弹性模量的CRF/PSF假体能有效减低应力遮挡、应力集中，应力分布接近生理状态；假体早期的微动小、抗扭转强，稳定性显著优于钴铬钼合金；韧性和抗冲击性能、减振性、抗疲劳性明显优于金属材料。由于碳纤维复合材料的种种优势，必将成为今后研究的热点。

　　1.2  假体的设计

　　1.2.1  骨水泥的应用  Charnly很早就开始使用冷成型丙烯酸骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)来固定假体［1］。长期以来骨水泥是作为金属假体和骨之间的填充材料使用，填补界面间的空隙，达到假体和骨间的紧密结合与早期坚强固定。直到现在临床还广泛使用。但是PMMA骨水泥由于蠕变、疲劳断裂产生的碎屑同样会引起骨溶解，造成假体下沉松动。临床上也有术中使用骨水泥造成患者死亡的报道［9］。一度使骨水泥在初次置换中的作用遭到了质疑。近年来活性骨水泥的研究成为一个亮点。相比传统PMMA骨水泥的机械嵌合，锶羟基磷灰石骨水泥（Sr-HA）能与骨形成骨性融合。倪国新等［10］对Sr-HA骨水泥的生物力学及组织学效应的研究表明：锶羟基磷灰石骨水泥和骨质的结合强度大，能和骨形成骨性融合，骨溶解少。

　　1.2.2  假体的几何形状  假体柄长和颈干角对应力分布的影响：李永丰等［11］研究认为颈干角越大，假体和骨水泥上的应力越小，理论效果越好。但是颈干角过大会导致股骨应力下降过大（股骨近端得到的应力传递过小），应力遮挡效应明显。所以颈干角还是在生理范围内（130度）最好。颈长在35～44 mm范围内假体和骨水泥上的应力较小。＜35 mm影响关节活动度，＞44 mm假体和骨水泥上的应力增大。所以颈长在35～44 mm较好。弯柄接近解剖，使用广泛；直柄用于解剖变异和翻修术。圆形截面抗扭转性能差，改为椭圆或圆角矩形截面可有限加强抗扭转性能，配合纵向沟槽和生物活性涂层，远期固定性能更加可靠。颈领应用现在还有争议［12］：一方面，颈领可将应力垂直传递到骨皮质的截面上，有效增加了股骨近端的应力，且可作为术中判断假体植入深度的标志，抗假体下沉。另一方面，由于颈领和骨皮质界面的接触面很小，此界面的固定不牢，颈领的摆动会进一步加剧松动。柄的最佳长度决定于股骨髓腔的大小和几何形状,目前设计为12～15 cm［1］。

　　1.2.3  假体的表面处理  目的在于促进远期骨组织的广泛长入，达到牢固的生物固定。主要手段有金属小球珍珠面（PCA）、珊瑚面、HA涂层。实验及临床回顾性研究均证明这些方法能够达到促进骨长入的作用，增强假体与骨组织之间的结合和固定强度［6］。HA涂层的作用见前文，不再赘述。注意点：①表面处理的工艺直接影响到手术效果，珍珠面的密度、光洁度、小球直径、HA涂层的厚度、牢固程度都有很大影响。②涂层范围要控制好。范围过大则应力遮挡效应明显，范围过小则生物固定不牢靠，容易松动。

　　1.3  股骨质量    　　桂鉴超等［13］在对正常骨和骨质疏松骨进行有限元分析后认为: 股骨质量影响髋关节置换的效果。骨质疏松骨的界面位移大、股骨获得应力小,骨质疏松患者行人工关节置换术后效果难以保证。

　　1.4  术后负重活动    　　Mellal等［14］报道了植入物负荷能刺激骨生长，结果和Clark等［15］的研究结果相符。倪国新等［16］观察了负重对骨-Sr-HA骨水泥界面组织学、化学成分及力学特性的影响，负荷有利于骨的代谢及骨-骨水泥界面的力学特性。

　　1.5  手术方法

　　1.5.1  假体放置位置  手术中假体放置位置、角度会影响应力传导情况［17］。Gao等［18］进行的力学实验证明：较原前倾角多大约15度的角度植入全髋股骨侧假体,会使更多的应力经股骨近端传导，股骨表面的应变分布最接近于生理状态。这样可使置换后股骨获得更多的近端负载,有效降低应力遮挡,有利于骨长入及远期稳定。唐国瑜等［19］ 研究认为髋臼假体外展角在45度时，假体近端应力最小，应力遮挡最小。

　　1.5.2  假体近端牢固固定和紧压配合  由于股骨近端特别是股骨距处是应力下传的主要途径，故假体植入时应力求取得近端牢固固定。扩髓选择比假体小一号的髓腔锉，将假体锤入髓腔，选择个体化的假体都有助于假体与髓腔的紧压配合。    　　2  研究方法

　　2.1  离体标本力学实验    　　传统的实验方法。这种研究的对象是由人尸体得到的离体髋关节标本。通过仪器向标本的特定部位加载外力负荷（模拟活体髋关节受到的应力负荷），用传感器测量标本目标部位的应力大小和方向，研究全髋置换前后应力作用方式的变化。指导人工关节假体的设计和全髋置换手术的开展。    　　离体标本实验研究具有直观、易懂、数据分析采集方便的优势，但是其缺点也是不可忽视的：①对解剖破坏较大，特别是髋关节周围的韧带和肌肉的作用很难真实再现，影响结果的可靠性。②由于经费、尸体数量、实验条件限制，样本含量不够，抽样误差很难控制。说服力下降，统计学意义不大。

　　2.2  数学模型计算    　　Wang等［20］ 应用赫兹弹性理论分析活体人髋关节在最经常的8种人类活动中，髋关节的应力水平状态。计算出了髋关节的峰值应力和平均应力，并认为快速步行时峰值应力大。唐六丁等［7］ 应用非均质层状材料弯曲和扭转理论计算模型，分析了钛合金外涂HA假体和股骨内面的紧压配合力和环向应力，得出HA涂层最佳厚度为50 μm的结论。与罗正先等［21］的分析结果比较一致。他还分析了不同材料假体置换后股骨干峡部的弯曲应力分布，发现复合材料假体的应力遮挡效应最低，羟基磷灰石涂层的加入使应力遮挡率进一步下降［5］。利用力学理论分析复杂的人体总归是简化的、粗糙的，只能分析趋势，精确度不佳。所以近年来高精度的有限元分析可以从很大程度上克服这一缺陷。

　　2.3  界面分析    　　倪国新等［10］利用扫描电镜对假体-骨、骨水泥-骨的界面进行观察，了解假体置换后界面的微观变化情况。对界面进行“推出实验”［6］和“纳米压痕实验”［10］，并对结合强度进行分析。这些试验结果直观、可取得第一手原始资料，但需要特殊器械，花费大。

　　2.4  光弹性研究    　　利用透明的高分子材料制作成髋关节的三维模型，再对模型施加载荷并尽量模拟原型的边界条件，将这种受载的平面模型（或经过应力“冻结”的三维模型切片）置于偏振光场中就会显现出干涉条纹。根据光学定律及弹性理论，即可以算出模型内部各点的应力大小和方向。然后在计算出实际人体的应力分布情况。郭磊等［22］用此法对骨盆进行生物力学分析，进一步研究了髋臼发育不良易导致髋关节骨性关节炎的原因，并对此提出了合理的生物力学解释［23］。光弹性法研究是建立在光弹性模型对实体的高精度模拟的基础上，要求模型的几何形态、加载负荷的大小和方向要尽量接近实体情况，所以受到很多限制。而且过程复杂，需要特殊仪器，成本较高。

　　2.5  有限元分析    　　有限元法(Finite Element Method) 是一种在工程科学技术领域中广泛应用的数学物理方法。20多年来发展非常迅速,在骨科生物力学研究中占主导地位,具有广阔的发展前景。有限元分析具有不受具体实验条件限制，科学性强，应用广泛的优点。尤其是不需要通过具体实验就可以得出结论和趋势，特别适用于前期研究。但是有限元分析的高可靠性是建立在对实际事物的高度精确的模拟上，包括几何模拟、材料模拟和工况模拟等3方面［24,25］。就有限元模型而言,几何模拟是至关重要的,简单的模拟引起的误差可能导致错误的结论。而现有的计算工具还不足以强大到完全真实的模拟活体情况；况且作为初始条件的错综复杂的应力也是研究者难以面面俱到的。但是随着计算机技术的进步和研究的深入，有限元分析的作用会越来越大。

　　3  研究展望

　　3.1  个体化假体    　　由于个体差异，很难保证一种假体能满足所有患者的需要。假体的不适合会导致与股骨、髋臼的不合套，使固定不牢、晃动、应力异常传导，进一步造成骨溶解，界面纤维增生，最终松动失效。而个性化假体为每个患者“度身定做”，适应个体需要。所以随着经济的发展，个性化假体的研究会成为一个新的热点。

　　3.2  新假体材料    　　高刚度，高弹性模量的金属假体会带来严重的应力遮挡，低弹性模量，高韧性的材料将会成为股骨柄假体的新选择。碳纤维复合材料、钛合金、陶瓷材料等在这方面将会发挥巨大的作用。近年来这方面的研究很多。高分子聚乙烯作为假体摩擦面的材料仍有磨损碎屑引起一系列问题。金属-金属关节面耐磨性能有明显优势，只要制造工艺达到一定水平，很有希望取代高分子聚乙烯-金属关节面。曾有金属-金属关节面磨屑造成血液中金属离子偏高的报道，对人体的影响还需要进一步研究。

　　3.3  表面处理技术    　　生物固定型假体进行复合BMP，PCA，HA+PCA等表面处理可促进广泛的骨长入，股骨和假体融为一体，远期固定效果良好［26］。但其中的细节问题还值得进一步研究。

　　3.4  新型骨水泥    　　锶羟基磷灰石骨水泥与骨组织的骨性融合大大加强了界面的结合强度，为骨水泥假体带来新的活力。

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