手及腕关节假体的发展与现状

2016-04-21 天津市泰达医院骨科 陆芸 医脉通

随着社会老龄化人口的不断增加,体育竞技水平的不断提高和交通事故伤的迅猛增多,由各种骨性关节炎、风湿及类风湿性关节炎和创伤等原因导致的关节损伤患者日益增加。关节损伤的存在可以引起小关节的慢性疼痛、畸形和僵直,最终导致小关节运动功能的减弱或丧失,严重影响人们的劳动能力和生活质量。 虽然小关节置换术是随着髋关节、膝关节等大关节置换术的发展而兴起,但小关节置换术的历程却更为曲折,到目前为止仍未取得像

随着社会老龄化人口的不断增加,体育竞技水平的不断提高和交通事故伤的迅猛增多,由各种骨性关节炎、风湿及类风湿性关节炎和创伤等原因导致的关节损伤患者日益增加。关节损伤的存在可以引起小关节的慢性疼痛、畸形和僵直,最终导致小关节运动功能的减弱或丧失,严重影响人们的劳动能力和生活质量。

虽然小关节置换术是随着髋关节、膝关节等大关节置换术的发展而兴起,但小关节置换术的历程却更为曲折,到目前为止仍未取得像大关节置换术一样的进展。这是因为小关节具有独有的特点:手、腕等小关节的体积较小、关节周围的软组织解构复杂,对屈伸、旋转等动作的要求更高;肌肉、肌腱等动力装置较多,需承受较大牵引力;关节毗邻关系复杂以及对手的功能要求较高等。正因为上述原因,造成临床上在大关节置换术中获得的较为成熟的临床经验无法直接应用于小关节置换术中。人工小关节假体的研究历程包含了假体材料的选择和假体形状的设计两个阶段。在手指进行捏合及攥握时,掌指关节及指间关节所承受的最大压力可达200~300N,且可以在短时间内达到最大压力值,接近于单侧下肢髋关节、膝关节等负重大关节所承受的重力。

并且应该要满足在最大负荷下,一个手指间关节及掌指关节假体几乎一千万次的屈伸运动,因此,人工小关节假体材料在具备生物相容性和无毒性、无致畸性的基础上,必须具有高强度、高塑性和高抗疲劳能力。本文通过回顾小关节假体的发展历程,总结现有小关节假体材料的发展及在小关节假体中的应用,为临床工作中小关节假体及假体材料的应用提供更多的选择。

小关节假体的发展

第一代假体:1962年Swanson设计了第一代人工小关节假体。这是一种高强度及高弹性,由铰链装置连接的硅胶铰链式假体。假体中部为圆柱形,并略向掌侧、背侧突出。Swanson假体的远端柄状部分插入掌骨髓腔内,近端部分则插入桡骨髓腔中。假体的活动度主要依靠硅胶的弹性运动,因此属于限制性关节假体。早期主要应用于类风湿性关节炎导致的掌指关节畸形、疼痛及活动僵硬,取得了较好的疗效;并且在一定程度上改善了握力、恢复了掌指关节的屈曲活动,保持了更好的外观,是现代小关节假体史上里程碑式的设计。但Swanson假体仍有部分缺点,如应力比较集中,假体容易断裂、塌陷,硅胶易老化、松动,引起硅胶性滑膜炎,对软组织的要求比较高等。因此,目前主要应用于类风湿性关节炎及创伤性关节炎等的治疗。

第二代假体:随着髋关节、膝关节等大关节置换术的迅速发展,1969年,一些医生尝试将大关节置换术的部分经验应用到小关节中来,提出了非铰链式关节假体的基本概念,并应用到临床中,产生了Volz假体及Meuli假体等第二代小关节假体。该假体关节面一般由钛金属及聚乙烯塑料组成,可对关节的屈伸活动产生较小限制性,因此是一种半限制性关节假体。假体的柄状部分由钴合金或钴铬合金构成,中间部分有一向前后突出的槽状结构。插入桡骨骨髓腔部分的远端是一聚乙烯材质的关节面。这种小关节假体的设计可以明显改善腕关节的屈伸运动,但限制了尺侧及桡侧的活动。由于关节的接触面积较小,假体在做屈伸运动时会产生左右摆动,使关节不平衡,因此在临床应用中受到了极大限制。

第三代假体:随着生物力学及运动力学研究的不断深入,人工小关节假体更加注重软组织在维持小关节稳定性中的作用,结合现代技术设计成了第三代人工小关节假体。这些小关节假体主要包括Trispherical,Biaxial以及MWPⅢ型假体。它们均采取偏置的设计方式,使假体在屈伸及尺桡偏两个活动平面中更加接近正常的腕关节活动中心。这样的设计可有效降低手部在处于休息位时的尺偏以及假体脱出发生率。该假体早期对小关节功能活动恢复度较好,但远期易发生假体的松动、下沉及腕关节尺、桡偏畸形等,尤其是掌骨处更为严重。软组织上的力学不平衡性则可导致假体弯折、断裂、周围软组织肿胀疼痛等症状,使得假体置换失败。虽然第三代假体并发症较多,临床应用较少,但是为新一代小关节假体的设计提出了新的思路。

第四代假体:为减少前几代关节假体易出现假体松动等情况的发生,增加关节活动度,1998年设计了Universal全腕假体并投入临床使用。该假体远侧部分较为宽扁,有尖状突起插进头状骨中,两侧部分则使用螺钉系统紧密固定于四周的腕骨上。近端部分在外观上与正常桡骨远端接近,且有一定的背伸角度。两部分之间有一超高分子量聚乙烯(UHMWPE)关节面。采用这种假体进行全腕关节置换时,要刮除部分骨皮质,并进行腕骨融合以增加腕关节抗拉力作用。

在进行假体置换后其形态接近于正常的桡-舟-月关节面,因此保持了良好的生物力学特性,并保持了腕及手关节的平衡性。其主要并发症是假体掌侧脱位、桡骨部分松动,仍是临床上需要解决的突出问题。

小关节假体材料的发展及应用

小关节假体的发展历程伴随着假体材料的研发与应用。自1840年以来,各种各样的非生物材料与生物材料均被尝试植入体内,先后有学者利用木块、筋膜、金箔、橡胶、皮肤、象牙、玻璃、树胶、酚酸塑料等作为内植入材料,其效果都不太理想。随着生物材料的发展与进步,目前应用于小关节的材料主要包括钴铬钼合金、钛、钛合金材料和硅胶、聚乙烯、碳/碳复合材料非金属材料为主的假体问世,发展了小关节假体的置换和应用。目前人工大关节中最常用的两种金属材料是钴合金和钛合金,普遍应用于国内外的假体材料中,占据了大部分人工大关节假体的份额。同样,这两种金属在小关节的应用也较普遍,主要用于小关节假体近侧。

钴合金以铬为主加入各种合金元素,在材料表面形成钝性铬氧化层,确保材料的耐蚀性。自从Smith-Pelerson研发出的Vitalliuln钴铬铝合金,在医学上用于口腔,作成人工髓杯植入人体内取得了成功。随着在大关节假体的成功应用,钴合金开始应用于小关节假体。临床上应用的小关节假体主要是性能更好的钴铬钼合金,但由于这些合金长期处于人体体液的侵蚀环境中,又要承受反复的负重和摩擦磨损,对人体有害的钴、铬、钼等元素往往不可避免向人体释放,从而造成中毒。于是从元素的毒性考虑,在合金设计中开发生物相容性更优越的合金。与钴合金相比,钛及钛合金具有许多生物学优点:密度小、高强度、高比强度、低弹性模量(与人骨的弹性模量相近)、生物相容性好、耐蚀性能优良。因此,从20世纪50年代以来钛及钛合金开始获得了广泛的医学应用,被称为最有发展前景的生物医用材料之一。但随着应用的深入,随访研究发现钛合金耐磨性相对差,少数患者对其有过敏现象。

目前临床上应用最早和最多的是硅胶小关节假体。Swanson设计原理是用有弹性的硅胶作为动性间隔垫,来保持对线和填充关节空间。假体在体内起着模型作用,与其周围发展成为一个新的关节囊韧带系统,通过关节囊韧带和肌肉肌腱系统构建平衡;假体柄允许在髓腔内轻度移动,这样使得负荷分布于更大的骨组织,避免了假体中央部分的应力集中,保持关节的稳定性。由于硅胶低弹性模量低于骨组织,进一步保护骨和软组织。但也存在很大缺点:首先易疲劳折断,机械性寿命短,Swanson假体5年内的折断率高达82%;另外生物相容性差,磨损颗粒可引起反应性滑膜炎,局部骨质的囊性变和远端淋巴腺炎等,并且只有取出假体或切除滑膜后,方可治愈。

另一个小关节假体的重要材料是UHMWPE,其具有极高的分子量,使它赋有其优异的使用性能:具有较高的耐磨、耐冲击、耐低温,不易粘附、不易吸水、密度较小等良好生物相容性。20世纪60年代Charniey首先选用高分子聚乙烯材料用于全髋关节,并确定了金属-聚乙烯两种材料的复合,这种复合材料随之应用于小关节假体。但是,高分子聚乙烯磨损碎屑可以通过细胞因子诱导骨溶解的发生,是导致人工大关节假体松动的主要原因,从而推测对小关节也会产生碎屑性滑膜炎。因此,近年来人们为了减少UHMWPE磨屑做了很多研究。实验表明γ射线可对超高分子聚乙烯有一定破坏,应改为环氧乙烷消毒;或在超高分子聚乙烯的表面“钝化”,阻止蛋白质和生物分子等的非特异性作用,从而避免激活生物体中的一些不利反应,有效地抑制骨溶解的发生。

碳/碳复合材料是指以碳纤维作为增强体的一类复合材料碳/碳复合材料作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员,具有耐磨、耐烧蚀、低密度、高强度、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好等特点,广泛地应用于航天、航空、核能、化工等各个领域。1979年,以碳/碳复合材料为制作的非限制性掌指关节假体应用于临床。2002年3月,美国FDA批准碳/碳复合材料正式用于临床。但是碳/碳复合材料仍具有表面易于脱屑等缺点,因此仍未广泛推广于临床治疗中。

小结

生物力学及数字化骨科的迅速发展,为手及腕关节假体的设计带来了突破性的进展。现在,假体的设计已经不再是工厂化、批量化的大规模生产模式,而是根据每位病人的不同个体差异情况,在术前通过计算机模拟及三维重建技术,设计出个性化人工假体,并通过计算机的精确计算,调整假体植入后的力学平衡点,最后运用3D打印技术将假体快速成型。这种个性化人工假体不仅具有更佳的整体美观性,而且可以维持生物力学上的平衡性与稳定性,避免了假体的脱出、移位,延长了其使用寿命,减少了术后并发症的发生,是今后很长时间内小关节假体置换领域的的发展方向。

材料学的发展也推动了小关节假体的进步。虽然现有材料仍然无法完美解决假体材料的磨损、离子释放等问题,但是通过增强粒子的引入作用,将两种或多种高分子复合材料聚合,理论上不仅能够保证植入物的稳定性,提高其耐磨性,减少植入后颗粒脱落,并使其在X射线下显影,便于植入后定期检查,而且还可以对材料表面进行改性,提高其生物活性。某些带有自我修复功能的“记忆材料”甚至可以修复自身的轻微磨损,使假体材料长期保持最佳性能。当然,这仍需要每一个医学工作者的不断努力与深入探索。

医学探索的道路漫长而又艰辛。随着科技的创新、制作工艺的进步、研究的深入,小关节假体定会推陈出新,使新一代的关节假体达到更加满意的疗效,造福于人类。

来源:中华关节外科杂志(电子版)2016年2月第10卷第1期

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