全髖關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)演變

人工全髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

演變趨勢(shì)沈萬祥第1頁假體界面設(shè)計(jì)第2頁髖關(guān)節(jié)假體力學(xué)環(huán)境受力復(fù)雜：承受拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)和界面剪切力以及反復(fù)疲勞、磨損每年要承受100~300萬次循環(huán)體重負(fù)荷第3頁髖關(guān)節(jié)假體性能生物組織相容性：髖關(guān)節(jié)假體材料不能對(duì)周圍組織產(chǎn)生毒副作用，組織對(duì)植入材料無排斥反應(yīng)

第4頁髖關(guān)節(jié)假體力學(xué)環(huán)境

生物力學(xué)相容性：髖關(guān)節(jié)假體材料彈性模量、強(qiáng)度和韌性與人皮質(zhì)骨相匹配，在負(fù)載情況下，髖關(guān)節(jié)假體與所接觸組織所發(fā)生形變要彼此協(xié)調(diào)，并且植入期假體材料與周圍骨組織結(jié)合良好，不發(fā)生松動(dòng)和下沉第5頁髖關(guān)節(jié)假體性能生物摩擦學(xué)性能抗腐蝕、耐疲勞性能要求假體材料在人體環(huán)境中經(jīng)受化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕而不失效，在人體循環(huán)應(yīng)力作用下不損傷。第6頁金屬-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屬頭配伍（MOP），后來這一配伍成為THR中金標(biāo)準(zhǔn)第7頁MOP磨損率目前使用最多假體設(shè)計(jì)：51%美國2023（112095）線性磨損率0.25mm/年容積性磨損率第8頁MOP磨損率球頭直徑增大造成大線性磨損率增加原因在于：關(guān)節(jié)活動(dòng)出現(xiàn)更長(zhǎng)滑行距離；較大直徑球頭時(shí)關(guān)節(jié)表面積增加加大了容積性磨損率第9頁MOP磨損率采取22mm直徑球頭THA，術(shù)后23年內(nèi)PE線性磨損率為每年0·1mm，容積性磨損率為每年40mm3.28mm球頭THA術(shù)后23年內(nèi)PE線性磨損率就達(dá)每年0·12mm，容積性磨損率為每年70mm3.二者相差有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義28mm與32mm球頭對(duì)PE磨損差異，成果也是同樣。第10頁粘性磨損機(jī)制兩種硬度不一樣材料之間發(fā)生，周期性單一軸向運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)拉伸、擠壓，產(chǎn)生纖細(xì)拉升纖維，形成碎屑。因運(yùn)動(dòng)過程中聚乙烯表面分子排列方向性，越是單向，材料延展性越強(qiáng)，粘性磨損越嚴(yán)重。第11頁聚乙烯磨損顆粒（產(chǎn)生原因）多向摩擦微接觸下疲勞磨損聚乙烯退變表面裂紋第12頁聚乙烯顆粒造成骨溶解多種磨損微粒誘發(fā)炎癥反應(yīng)，致假體周圍骨溶解，最后出現(xiàn)假體松動(dòng)。雖然所有磨損微粒都能夠促發(fā)炎癥反應(yīng)，但聚乙烯磨損是微粒主要起源。超出5年中心臨床研究顯示：骨溶解發(fā)生率為18%第13頁金屬-高交聯(lián)聚乙烯1999：highlycross-lingkedpolyethlene線性磨損率：0·01mm/年容積磨損率（40·3~156mm3/年）平均98·5最高磨損率出目前大直徑股骨頭（40mm）配伍組合中第14頁金屬-高交聯(lián)聚乙烯輻射交聯(lián)和離子注入等表面處理技術(shù)，變化聚乙烯表面分子構(gòu)造、物理和化學(xué)特性，達(dá)成提升抗磨損性能和生物力學(xué)相容性目標(biāo)高交聯(lián)聚乙烯應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)假體后，磨損率顯著減少，磨損率與26,28,32,36,40mm股骨頭直徑之間無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)正有關(guān)關(guān)系第15頁金屬-高交聯(lián)聚乙烯高交聯(lián)就是改善表面分子排列方向性，分子排列愈加多向，減少延展性，研究表白粘性磨損通過高交聯(lián)聚乙烯能夠減少60-90%臨床隨訪23年成果，能夠保持80%生存率第16頁E-beamCCCCCHHHHHHHHHH

HCCCHHHHHCCHHHHfreeradicalsCCCCCHHHHHHHHHCCCCCHHHHHHHHH第17頁陶瓷頭對(duì)聚乙烯陶瓷-聚乙烯平均容積磨損率28mm3/年平均線性磨損率0·034mm/年相對(duì)于金屬對(duì)聚乙烯承重面磨損下降50%23年生存率95%23年生存率79%第18頁陶瓷對(duì)陶瓷1970年Boutin將氧化鋁陶瓷應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，至今臨床使用時(shí)間40年。Piconi及Maccuro于1985年初次報(bào)道了zirconia陶瓷頭使用至今，zirconia陶瓷頭已經(jīng)在臨床使用超出350000例。Zirconia是一種生物惰性材料，體內(nèi)外是嚴(yán)均證明了它優(yōu)越生物相容性。第19頁ModularCeramicLinerDesignSandwichdesignTaperlockdesignwithpolyethyleneorwithmetalbackedceramictaperangleapprox.5°

(1stgeneration)

taperangleapprox.18°

(2ndgeneration)第20頁長(zhǎng)處硬度高，耐磨性能好線性磨損率0·025-10μm/年生物惰性顆粒致炎作用顯著減少，減少骨溶解（骨溶解率不大于1%）避免金屬離子釋放問題

第21頁陶瓷假體碎裂14%2023美國（112095）陶瓷仍具有易碎、斷裂強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度低問題假體破裂發(fā)生率為0·04第22頁金屬對(duì)金屬承重面

上世紀(jì)70年代，由于當(dāng)初材料抗磨損性能差、磨屑顆粒造成骨溶解以極高松動(dòng)率，脫位、金屬離子污染等原因使得第一代髖關(guān)節(jié)表面置換假體被放棄當(dāng)代金屬對(duì)金屬假體摩擦面能夠產(chǎn)生液膜潤(rùn)滑和低磨損，這是MOM復(fù)興一種主要原因第23頁金屬對(duì)金屬界面研究MOM早期失敗原因：是假體材料、假體設(shè)計(jì)、假體工藝有顯著缺陷

90年代中期發(fā)生質(zhì)變材料鈷鉻鉬合金最優(yōu)配比matasul系列高碳鑄造鈷鉻合金第24頁FirstGenerationMetal-on-MetalBearingsG.K.McKee19651966M.E.Müller第25頁金屬對(duì)金屬大直徑股骨頭第26頁金屬對(duì)金屬大直徑骨頭線性磨損率為5um/年，容積性磨損率為0.114mm3/年，遠(yuǎn)低于金屬-聚乙烯（55~110mm3/年）和陶瓷-聚乙烯（40~50mm3/年）關(guān)節(jié)，具有良好抗磨性能無聚乙烯磨損顆粒，顯著減少骨溶解率第27頁界面金屬組成改良在鈷鉻合金中增加碳元素含量低碳0·05-0·08%

高碳0·20-0·25%高碳鈷鉻合金擁有更高抗磨損能力第28頁金屬表面處理金屬表面加工越光滑越能提升潤(rùn)滑度，減少磨損第29頁顯著減少磨損金屬表面第30頁第31頁MOM界面與“陶瓷對(duì)陶瓷”界面被公以為同步代最優(yōu)秀抗磨損材料加速磨損期穩(wěn)態(tài)磨損期金屬對(duì)聚乙烯500um/年“金屬對(duì)金屬”

5um/年“陶瓷對(duì)陶瓷”

3·9um/年第32頁大直徑頭設(shè)計(jì)變化磨損方式在“邊界潤(rùn)滑”、“液體潤(rùn)滑”、“混合潤(rùn)滑”三種關(guān)節(jié)面接觸方式容積性磨損比較中，“邊界潤(rùn)滑”磨損指標(biāo)比“液體薄膜潤(rùn)滑”高12倍。第33頁大直徑頭設(shè)計(jì)變化磨損方式“金屬大頭髖”由于股骨頭直徑、臼杯內(nèi)直徑均比傳統(tǒng)全髖增大，“頭臼”關(guān)節(jié)面之間可形成“液體薄膜潤(rùn)滑”，因此人工關(guān)節(jié)磨損率顯著減少。第34頁大直徑頭設(shè)計(jì)提升活動(dòng)范圍“金屬大頭髖”由于沒有了內(nèi)襯構(gòu)造，金屬臼杯比傳統(tǒng)臼杯總厚度減少，臼杯內(nèi)徑增大相匹配金屬股骨頭直徑增大（可與解剖股骨頭直徑相同）第35頁大直徑頭設(shè)計(jì)減少髖臼變形傳統(tǒng)全髖置換手術(shù)中，金屬杯放置方式是用打擊器固定在金屬杯球面中心點(diǎn)進(jìn)行打擊；當(dāng)金屬杯被打擊嵌入骨組織時(shí)，金屬杯邊緣會(huì)產(chǎn)生一定程度變形，變形會(huì)使金屬杯與臼襯、金屬杯與骨界面間隙產(chǎn)生影響，從而會(huì)增加假體間磨損程度。第36頁大直徑頭設(shè)計(jì)減少髖臼變形“金屬大頭髖”金屬臼杯是單層，沒有中心點(diǎn)，打擊器為特殊“吸附盤”，“吸附盤”邊緣與臼杯邊緣是整體吻合，金屬臼杯中心沒有單獨(dú)受力點(diǎn)，打擊吸附支架時(shí)作用力平均傳導(dǎo)到臼杯整個(gè)邊緣第37頁大直徑頭設(shè)計(jì)減少髖臼變形髖臼邊緣變形，局部磨損方式變?yōu)檫吔鐫?rùn)滑，摩擦率顯著升高臼杯緣不產(chǎn)生變形，從而使得臼杯球形關(guān)節(jié)面均勻、“頭臼”間隙均勻、“液體薄膜潤(rùn)滑”作用不受影響，假體間低磨損率保持不變第38頁大直徑頭設(shè)計(jì)提升活動(dòng)范圍

頭直徑與頸直徑比值增大，髖關(guān)節(jié)假體最大活動(dòng)范圍增大，“金屬大頭髖”設(shè)計(jì)活動(dòng)范圍可達(dá)141~156度，顯著大于傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)假體活動(dòng)范圍。第39頁大直徑頭設(shè)計(jì)減少假體脫位脫位距離與臼杯關(guān)節(jié)面匹配股骨頭球面最高點(diǎn)至移出髖臼邊緣連線距離增大第40頁大直徑頭設(shè)計(jì)減少假體脫位股骨頭中心點(diǎn)與關(guān)節(jié)緣撬撥脫位距離（跳躍距離）；“金屬大頭髖”中臼杯內(nèi)徑增大、股骨頭直徑增大，發(fā)生脫位“跳躍距離”顯著增大。這種假體構(gòu)造上差異使“金屬大頭髖”術(shù)后關(guān)節(jié)活動(dòng)穩(wěn)定性顯著增加、脫位發(fā)生率顯著下降、股骨頭與臼緣撞擊顯著減少第41頁髖臼組件臼杯應(yīng)有足夠厚度，不至于在體內(nèi)過度變形記住這并不是具有彈性臼杯！臼杯是一體化而非組合式！!第42頁需警覺問題金屬離子濃聚金屬過敏介導(dǎo)免疫反應(yīng)金屬腎毒性金屬致畸尚需更多監(jiān)測(cè)和深入研究第43頁血液和尿液中金屬離子含量多中心研究報(bào)告顯示紅細(xì)胞鈷水平相比MOP升高11倍尿液中鈷水平相比MOP升高34倍尿液中鉻水平相比MOP升高28倍第44頁育齡期女性患者金屬對(duì)金屬假體利用于育齡婦女，理論上也許和基因誘變或畸變有關(guān)，不過目前還沒有確切由于這種影響而出現(xiàn)缺陷嬰幼兒病例出現(xiàn)，目前已專門有研究進(jìn)行這方面摸索。第45頁育齡期女性患者Ziaeeetal證明了此前報(bào)道—鈷和鉻離子可通過胎盤對(duì)這些接觸胎兒金屬離子水平有一種調(diào)解（減少）機(jī)制。但在該試驗(yàn)所有10個(gè)樣本中，母體血清金屬離子濃度都是處于正常水平。第46頁育齡期女性患者對(duì)于育齡婦女應(yīng)當(dāng)考慮理論上與暴露于金屬離子有關(guān)胎兒風(fēng)險(xiǎn)。由于這些理論上風(fēng)險(xiǎn)，這些患者應(yīng)當(dāng)首先考慮選用傳統(tǒng)非金屬對(duì)金屬界面THA。推薦對(duì)于強(qiáng)烈要求行MOM2HRA育齡婦女在手術(shù)兩年后再考慮懷孕，這時(shí)過了磨合期（run2inwearphase）第47頁MOM目前推廣速度最快界面材料。低于65歲男性病人為主35%美國2023（112095）第48頁MilestonesinTribology(I)

60’s:Firstmetal-metalbearings(McKee,Müller,etc.)1962:Introductionoftraditionalpolyethylene(Charnley)1970:Firstceramic-ceramicbearings(Zirconium)(Boutin)1974:Modularstem/femoralheadtaperconnection第49頁MilestonesinTribology(II)

1988: Firstimplantationof2.GenerationMetal-on-Metal90’s: NewgenerationCeramic-on-Ceramic(Aluminum)1999: Introductionofhighlycross-linkedPolyethylene

2023:Introductionofcompositeceramic第50頁股骨假體設(shè)計(jì)

第51頁假體領(lǐng)頸領(lǐng)底部與股骨距截?cái)嗝嫦嘟佑|，可避免股骨假體下沉；而無頸領(lǐng)構(gòu)造股骨假體，則通過變化假體柄部設(shè)計(jì)避免假體下沉。應(yīng)力傳遞到股骨上十分主要，假體頸領(lǐng)設(shè)計(jì)有助于保持骨組織軸向載荷，維持正常應(yīng)力環(huán)境，避免失用性骨質(zhì)酥松；第52頁假體領(lǐng)

但頸領(lǐng)會(huì)制止松動(dòng)假體下沉而不能取得假體二期穩(wěn)定，反而以頸領(lǐng)為支點(diǎn)，使松動(dòng)假體柄端在股骨髓腔內(nèi)出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象，深入加快假體失效；亦有學(xué)者以為股骨距承當(dāng)太大壓力會(huì)對(duì)下端骨質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)；因此，引出了無領(lǐng)非骨水泥固定假體設(shè)計(jì)與應(yīng)用。第53頁假體體：

是承傳剪切力，向下轉(zhuǎn)化為軸向壓力關(guān)鍵部位。體部大小因假體整體設(shè)計(jì)而異，一般做得碩大，背（外）側(cè)尤厚實(shí)，而內(nèi)側(cè)則稍狹小，體部橫截面可呈橢圓形、梯形等多種形狀第54頁假體柄

假體柄是假體體部向遠(yuǎn)端延伸部分。柄橫切面呈近似長(zhǎng)方形或梯形，內(nèi)窄外寬，上端粗，下端狹，柄尖鈍圓。第55頁柄形：

短弧柄優(yōu)還是直