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1、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100300万次循环的体重负荷,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
2、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01mm，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012
3、mm，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
4、交联聚乙烯,1999： highly cross-lingked polyethlene 线性磨损率： 001mm/年 容积磨损率 （403156mm3/年）平均985 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
5、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,陶瓷头对聚乙烯,陶瓷-聚乙烯 平均容积磨损率28 mm3/年 平均线性磨损率 0034mm/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。,Modular Ceramic Li
6、ner Design,Sandwich design,Taperlock design,with polyethylene or with metal backed ceramic,taper angle approx. 5 (1st generation) taper angle approx. 18 (2nd generation),优点,硬度高，耐磨性能好 线性磨损率0025-10m/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
7、004,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,First Generation Metal-on-Metal Bearings,G.K. McKee,1965,1966,M.E. Mller,金属对金属大直径股骨头,金属对金属大
8、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（55110mm3/年）和陶瓷-聚乙烯（4050mm3/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 005-008% 高碳 020-025% 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” 39um/年,大
9、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
10、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，
11、“金属大头髋”的设计活动范围可达141156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
12、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,Ziaee et al证实了以前的报道钴和铬离子可通过胎盘对这些接触胎儿的金属离子的水平有一个调解（减少）机制。但在该实验的所有10个样本中，母体血清金属离子浓度都是处在正常水平。,育龄期女性患者,对于育
13、龄妇女应该考虑理论上与暴露于金属离子相关的胎儿的风险。由于这些理论上的风险，这些患者应该首先考虑选用传统的非金属对金属界面THA。推荐对于强烈要求行MOM2HRA的育龄妇女在手术两年后再考虑怀孕，这时过了磨合期（run2in wear phase）,MOM,目前推广速度最快的界面材料。 低于65岁的男性病人为主 35% 美国 2006（112095）,Milestones in Tribology (I),60s: First metal-metal bearings (McKee, Mller,etc.) 1962: Introduction of traditional polyethyl
14、ene (Charnley) 1970: First ceramic-ceramic bearings (Zirconium) (Boutin) 1974: Modular stem/ femoral head taper connection,Milestones in Tribology (II),1988: First implantation of 2. Generation Metal-on-Metal 90s: New generation Ceramic-on-Ceramic (Aluminum) 1999: Introduction of highly cross-linked
15、 Polyethylene 2005: Introduction of composite ceramic,股骨假体设计,假体领,颈领底部与股骨距截断面相接触，可防止股骨假体下沉；而无颈领结构的股骨假体，则通过改变假体柄部设计防止假体下沉。 应力传递到股骨上十分重要，假体的颈领设计有利于保持骨组织的轴向载荷，维持正常的应力环境，防止失用性骨质酥松；,假体领,但颈领会阻止松动假体的下沉而不能获得假体二期稳定，反而以颈领为支点，使松动假体柄端在股骨髓腔内出现摆动现象，进一步加快假体失效；亦有学者认为股骨距承担太大的压力会对下端骨质产生应力遮挡效应；因此，引出了无领的非骨水泥固定假体的设计与应用。,
16、假体体：,是承传剪切力，向下转化为轴向压力的关键部位。 体部大小因假体的整体设计而异，一般做得硕大，背（外）侧尤厚实，而内侧则稍狭小，体部的横截面可呈椭圆形、梯形等多种形状,假体柄,假体柄是假体体部向远端延伸的部分。柄的横切面呈近似长方形或梯形，内窄外宽，上端粗，下端狭，柄尖钝圆。,柄形：,短弧柄优还是直柄优，支持者各执一词，均有理由证明各自优势。一般说来，直柄假体适用于各种类型的病人，即使股骨解剖轻度异常也可使用；弯柄形和解剖型假体可提供较好的假体扭转稳定性，但对于伴有股骨有解剖异常的病人，假体常难以植入。,骨水泥固定的全髋关节假体 （略）,非骨水泥固定全髋关节假体,（骨-假体界面）,多孔表面非骨水泥固定股骨假体,为使假体长期稳定，实现骨假体的有效整体，人们设计不同的假体表面，是周围骨质能长入假体表面孔隙中以达到固定的目的，这就是“多孔表面设计”。,All TM like,Tritanium,Regenerex,Gription,Trabecular
