生物型膝关节假体的研究进展

王智勇，张志强

(1.山西医科大学，山西 太原 030001；2.山西医科大学第二医院骨科，山西 太原 030001)

生物型膝关节假体即非骨水泥型膝关节假体，其通过假体-骨界面紧密接触，促使骨组织长入假体，提高假体与髓腔的结合强度，从而达到假体的长期稳定。使用生物型人工膝关节，可保存患者骨量，同时避免或降低了骨水泥所导致的毒副作用。目前，随着工程技术与生物材料的发展，临床与科研对于生物型膝关节假体的研究也愈发受到关注。本文就生物型膝关节假体的研究进展予以综述。

1 生物型膝关节假体的表面性状

20世纪70年代，为寻求更加稳定的假体固定，生物型人工假体应运而生，并在80年代第1次应用于全膝关节置换。随着几十年的研究，生物固定技术得到了广泛的应用和突飞猛进的发展。生物型膝关节假体要达到长期稳定，假体表面的性状非常重要。研究发现，多孔表面假体要保证骨长入，实现生物固定，假体空隙大小在350～550 μm最佳，过大或过小都不利于骨长入，孔隙度以20%～40%为宜，且表面有一定的粗糙度[1]。

假体表面材料主要通过等离子喷射技术、高温烧结或电泳沉积等技术对假体基体表面进行恰当处理，从而改变假体表面的性状，以达到诱导骨-假体表面骨形成的目的。生物型膝关节假体的表面材料多集中于羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)、钴铬合金等。

HA属于生物相容性矿物质家族，具有良好的骨诱导性及生物相容性。其结构和成分与人骨组织极其相似，并且在骨界面存在机械固定力和化学键力，这使界面具有更高强度抗剪切力的作用，这些均可促进骨组织长入孔隙，在其表面附着，从而形成生物自锁固定与机械咬合固定，有效地防止假体松动和下沉，提高假体的远期生存率[2]。Cossetto等[3]通过对2002—2004年175 例HA涂层生物型膝关节置换病例发现，膝关节评分由术前57分提高至92分，无患者存在明显的聚乙烯磨损与骨溶解现象，174 例胫骨平台骨长入良好，假体5年生存率为98%。研究证明，HA涂层可充分提高骨长入的稳定性，保证良好的中期临床效果。Drexler等[4]通过研究4代生物型全膝关节假体的失败率与设计变化之间的关系发现，因生物型假体组件设计的进步(如HA涂层等)，显著降低了磨损所致的膝关节翻修的发生率，提高了生物型假体的临床疗效。虽然研究显示HA涂层假体与骨组织均有良好的初始固定，可有效提高假体的稳固程度，但临床上也有HA涂层发生脱落的报道[5]，脱落的涂层微粒会通过生物学途径引发假体的松动。目前涂层脱落考虑与制作工艺有关，因此，人们开始着重对涂层处理技术及HA材料改性的研究。Kim等[6]应用溶胶-凝胶法在假体表面制作HA涂层，使假体表面更为粗糙，更利于促进成骨细胞的活性。氧化钛和氧化锆等都具有阻碍HA涂层裂纹形成和发展的作用，在HA中加入氧化钛和氧化锆可明显增强界面的结合强度以及中远期固定效果[7]。

钴铬合金在组织内接近完全惰性，耐磨性高，抗腐蚀，弹性模量高于骨组织。目前大多是将钴铬合金的涂层烧结于钛合金假体上，改善钛合金假体磨损性能，达到骨整合的目的。Meneghini等[8]通过对两种生物型胫骨组件研究发现，钴铬合金串珠状胫骨组件稳定性高于有螺钉多孔钛合金胫骨组件。可见表面材料钴铬合金可提高假体牢固性，进一步说明生物型假体的稳定性与假体表面设计有关。Haenle等[9]通过动物研究发现，钛合金假体表面给予钛酸钙处理后，随时间的增加轴向拉力显著增加，钛酸钙作为假体表面修饰材料具有一定前景。此外，金属钽是目前关节假体表面较为理想的材料，其抗磨耐腐蚀，具有较高的机械强度，且弹性模量较低，介于皮质骨与松质骨之间。研究发现多孔钽胫骨组件全膝关节置换术后7年随访，膝关节临床等级评分显著提高，胫骨组件周围新骨形成，骨小梁增厚，无透射线形成，无应力遮挡所致的假体松动，具有良好的固定效果与临床疗效[10]。

2 生物型膝关节假体的人群选择

提高假体与骨的结合强度，获得长期生物固定则是患者与医师是否选择生物型膝关节假体的宗旨。生物型膝关节

*本文通讯作者：张志强

假体对于骨质条件要求较高，是选择生物型假体的关键因素，因为其决定了初始固定强度与骨长入。假体植入后，骨祖细胞移行至孔隙内，并增殖分化为成骨细胞，并且假体-骨界面骨组织应力分布发生改变，出现诱导骨重建现象[1]。骨小梁生长活跃，有再生能力的骨骼在6～12周即可初步达到生物固定的目的[11]。因此，生物型膝关节假体主要适用于骨关节炎、创伤性关节炎、无明显骨质缺损的患者，对于存在骨质疏松的患者应仔细评估患者骨质条件。Meneghini等[11]研究发现，骨质正常患者生物型膝关节假体稳定性显著高于骨质疏松患者。

人工膝关节植入后，假体承受至少3～5倍体重负荷，因此体重大于90 kg患者，不建议使用生物型膝关节假体[7]。Meneghini等[12]研究发现，对于身形高大、体重较重的男性患者，由于活动量增加易引起胫骨负载较大，更容易导致早期生物型膝关节置换失败。Jackson等[13]进行了肥胖对生物型全膝关节置换中期结局的影响研究，9年随访发现肥胖(BMI≥30)似乎对临床结局有负面影响，但在骨溶解、透射线及10年假体生存率方面则无显著差异，并且患者满意度也如预期。因此，不可仅仅依靠BMI判断患者肥胖而拒绝进行生物型膝关节置换。对于年轻、活动度大的患者均可考虑生物型膝关节假体。Whiteside等[14]对生物型膝关节置换患者5年随访发现，在相同的体重因素下，膝关节评分年龄轻的患者优于年龄大的，但年龄轻且体重大的患者与年龄大但体重轻的患者之间则无明显差异，所以年龄和体重均不是考虑生物型膝关节置换的决定因素。除以上条件外，生物型膝关节假体置换对医师手术技术的要求也更高，精确截骨、良好的压配也是影响生物型膝关节置换疗效的主要因素之一。

3 生物型膝关节假体临床结局的评价

3.1 生物型膝关节的固定效果 生物型膝关节假体固定需经过最初的机械固定，即假体与骨组织的紧密结合并获得即刻稳定，继而通过骨小梁生长骨化，使骨组织长入假体表面的微孔内部，实现由机械性固定向生物内锁固定的转化，最终经过骨整合作用获得良好固定。目前，国内外研究证实生物型膝关节假体固定效果良好，优于骨水泥型假体。Pandit等[15]随机选取30 例生物型与32 例骨水泥型Oxford单髁膝关节置换，术后1年的随访结果提示两组在临床效果方面没有显著差异，但影像学检查骨水泥假体置换组75%患者在假体与骨接触面可见透亮带；而生物型假体置换组仅有7%患者可见部分透亮带，未见完全透亮带病例。并且作者随后对相同病例进行5年随访后发现，生物型假体胫骨透射线显著低于骨水泥组，且膝关节功能评分显著高于骨水泥组，研究结果显示生物型固定与骨水泥型相比，具有更高的假体稳固性[16]。Lass等[17]随机选取120 例全膝关节置换病例，5年随访结果显示生物型组透射线率显著低于骨水泥组，并且认为生物型假体术后少量透射线可作为全膝关节置换长期固定性的早期指标。英国一项涉及多中心的1 000 例生物型膝关节置换病例，6年随访结果显示只有72 例存在部分透射线，无完全透射线病例[18]。其结果证实生物型膝关节假体安全有效，且比骨水泥型假体具有更好的固定性。

3.2 生物型膝关节的临床疗效随访 虽然目前临床应用最多的是骨水泥型膝关节假体，但大多数研究证实生物型膝关节也有着良好的临床疗效。Chana等[19]对219 例HA涂层全膝关节置换5～8年随访研究发现，膝关节评分由术前43分提高至77分，功能评分由20分提高至63分，无假体松动或移位病例，8年假体生存率为98%，且临床结局良好。Eriksen等[20]对102 例生物型膝关节置换病例随访20年，进行膝关节评分与X线检查，结果显示所有假体组件的累积生存率为84%，其中失败的主要原因是早期的胫骨假体和晚期的髌骨假体损坏。病例中胫骨假体的累积生存率为97%，股骨假体的是100%。Ritter等[21]通过对生物型全膝关节置换患者20年随访研究发现，胫骨组件20年生存率达96%，且无股骨组件失败病例，证实生物型膝关节假体20年生存率良好。Efstathopoulos等[22]对423 例生物型膝关节假体置换病例进行10年随访发现，假体10年生存率为98%，膝关节评分由术前42提高至术后90分，278 例临床结局良好，106 例较好，27 例一般，9 例临床结局不良。以上研究均提示生物型膝关节置换具有良好的中长期临床疗效，但研究发现也有不同的观点。Ritter等[21]对120 例生物型与骨水泥型全膝关节置换5年随访结果显示，两组假体植入生存率均为96%，并且6年随访显示两组临床疗效、假体功能和术后并发症均无显著差异。Park等[23]对50位患者两条腿分别给予生物型及骨水泥型假体，14年随访发现，骨水泥组及生物组在膝关节评分、膝关节平均活动度、患者平均满意度以及放射学检查结果均无显著差异，两组股骨组件生存率为100%，胫骨组件骨水泥型生存率为100%，生物型为98%，两组均无骨质溶解现象出现。以上两项研究结果显示生物型假体在全膝关节置换中与骨水泥型假体相比无差异。而一项欧洲多国(英国、澳大利亚、瑞典、新西兰)的研究显示，生物型膝关节假体较骨水泥型假体具有更高的失败率[24]。

3.3 生物型膝关节置换后翻修 随着膝关节置换的增多，膝关节翻修也随之增多。2005—2006年，美国有60 355 例膝关节翻修[25]。研究显示2030年膝翻修患者将达到2015年的600%[26]。膝关节置换术中植入假体将应力分散传至骨组织，不符合生理特性的应力传导会造成应力遮挡以及磨损，从而引起骨质疏松、骨溶解、感染、假体松动等，导致需要行膝关节翻修。但研究发现生物型固定在一定程度上可降低造成膝翻修的因素。Harwin等[27]对114 例生物型膝关节置换病例进行前瞻性研究，随访36个月结果显示所有假体通过放射学检查均显示良好的生物固定，无假体松动、骨溶解、应力遮挡及透射线现象出现。Larson[28]回顾性分析63 例HA涂层TKA病例，65个月随访发现，无病例存在假体无菌性松动、断裂或是髌骨等问题需要再次手术。生物型膝关节假体置换并发症的降低则可显著提高假体的使用寿命，从而降低膝关节翻修的发生率，且膝关节翻修术使用生物型假体，也可降低多次手术带给患者的痛苦。Whiteside等[29]对110 例生物型膝关节置换患者5～10年随访发现，假体生存率98%，只有2 例因为无菌和有菌性松动需要行膝关节翻修。Mow等[30]发现，36 例膝关节翻修使用生物型固定的患者9年随访临床结果良好。Peters等[31]对184 例生物型膝关节翻修病例49个月随访发现，生物型的压配柄与股骨和胫骨的内骨膜紧密接触，翻修术后无病例出现假体松动，膝关节评分由134分提高至167分，术后患者康复效果好。以上研究均显示了生物型假体对膝关节翻修的积极作用，但目前也有不同的研究报道。一项荟萃研究分析得出，膝关节置换术后2年随访生物型固定假体移位显著高于骨水泥型，无菌性松动的发生风险则低于骨水泥型[32]。Daniilidis[33]则认为生物型组胫骨组件假体松动程度及范围都显著高于骨水泥组。英国对2003—2006年80 697 例膝关节置换研究发现，生物型假体3年的翻修率(1.5%)高于骨水泥假体(1.4%)[34]。英国、澳大利亚、瑞典、新西兰的联合研究认为生物型假体存在更高的髌骨并发症，且对磨损的敏感性也较高，生物型假体具有更高的翻修率以及更低的功能[24]。

生物型膝关节假体的出现为膝关节置换的患者提供了更多的选择，尽管目前研究显示的临床疗效不尽相同，但生物型假体的良好固定效果与中长期临床评估已得到越来越多研究者的肯定。伴随着生物技术与假体材料的革新，生物型膝关节假体的临床应用将具有广阔的前景。

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