人工髋关节假体材料的选择及其临床应用

对于即将行髋关节置换的患者，存在很多面临选择的时刻，比如人工关节假体的摩擦界面组合的选择：是用金属对金属？或是金属对聚乙烯？还是用陶瓷对陶瓷？或是陶瓷对聚乙烯？下文将以目前临床上最常规的初次全髋关节置换为例，对于人工髋关节假体材料的选择及其临床应用等诸多问题进行一次详细解答，希望对即将行髋关节置换手术的患者有所帮助。

一、什么是髋关节置换？

人工髋关节置换，就是用人工制造的材料组成新的关节来代替疼痛且丧失功能的关节。如果病情需要，人体的大部分关节，包括髋、膝、肩、肘、踝、手足小关节等，都可以通过人工关节置换达到治疗的目的。目前应用最多、最成熟、效果最好的，是髋关节置换和膝关节置换。

组成髋关节的骨头分为两大部分：与上身躯干相连的部分称为“髋臼”，是一个圆形的“窝”；与大腿股骨相连的部分称为“股骨头”，是一个圆形的“球”。这两部分组成一个可活动的“球—窝”关节，就是髋关节。髋关节是人体最大的负重关节，满足人体站立、行走和运动的需要（如下图）。

当髋关节的这两部分中任何一部分发生问题，都会产生疼痛，影响关节的功能。当髋关节的疾病进展到了一定程度，其它治疗无效，就需要关节置换来解决。可以说髋关节置换是髋关节疾病的一种终极治疗方法，它是用生物相容性和机械性能良好的金属、聚乙烯、陶瓷等材料制成人工关节假体，通过手术用人工关节来置换被疾病或损伤所破坏的髋关节。髋关节置换的目的是为了解除关节疼痛、改善关节功能、纠正关节畸形、获得长期稳定（如下图）。

二、髋关节置换分为哪几种？

1、半髋关节置换：

如果只是股骨头这一侧出现问题，上面的“窝”（髋臼）是好的，而今后髋关节预期使用的时间又不长，可以只置换股骨头，称为“人工股骨头置换”，或称为“半髋关节置换”。比如老年人股骨颈骨折，年龄大，运动需求不高，可以采用这样的股骨头置换来治疗（如下图）。

2、全髋关节置换：

如果股骨头连同髋臼这一侧都有问题，或者虽然只是股骨头有问题，但考虑到患者今后的预期寿命很长，除了股骨头需要置换外，还需要把髋臼这一侧的“窝”表面也置换成人工材料，这就是“全髋关节置换”。理论上讲，全髋关节置换后的使用寿命要长于单纯的人工股骨头置换（如下图）。

还有一种髋关节置换方式是“表面置换”，因为它只适用于一些特殊人群，本文不做介绍。同样的，下文一律都将以全髋关节置换为例解答问题。

三、全髋关节假体由哪几部分组成？

全髋关节置换，主要是利用人工材料做成的组件来代替关节的摩擦界面，而这些摩擦界面需要借助一定形状的组件跟自己的骨头连接到一起（或生长到一起）。绝大多数的人工全髋关节由4个部分组成：髋臼杯、内衬、股骨头、股骨柄（如下图）。

1、髋臼杯与内衬部分：

“髋臼杯”是一个半球形的金属壳，他的外表面经过特殊的处理，可以和人体髋臼窝的骨头“长”到一起，形成长期的固定，他的内表面与“内衬”相连接。“内衬”也是一个半球形的“碗”，它的背面是与“髋臼杯”相吻合的半球形，通过特殊的设计和“髋臼杯”锁定到一起；而它的内面是一个抛光度非常高的光滑的“窝”，其内径与人工“股骨头”外径相匹配，与“股骨头”组成关节（如下图）。

2、股骨头与股骨柄部分：

人工“股骨头”是一个抛光度极高的光滑的球，和“内衬”组成新的关节。“股骨头”的下面有一个“豁口”，套装在“股骨柄”的上端，并通过特殊的锁定机制牢固固定。 “股骨柄”是一个特殊形状的“杆”，这个“杆”的下端插到骨髓腔中与大腿骨固定在一起，它的表面也经过了特殊处理，可以与大腿骨“长”到一起。少数情况下，有些病人骨头质量差，骨髓腔很宽，需要使用一种化学填充剂（俗称“骨水泥”）将“股骨柄”与大腿骨固定到一起（如下图）。

四、全髋关节假体是什么材料制成的？

1、髋臼杯：

“髋臼杯”是金属材质的，绝大部分采用钛合金。它的外表面通过特殊的工艺喷涂（或3D打印）上一层粗糙的多孔结构，人体的骨头可以“长”入到这些多孔结构中，形成长期稳定的结合（如下图）。

2、内衬：

“内衬”有两种材料，一种是用高分子聚乙烯制成，俗称“塑料”，但与我们日常生活中所使用的塑料不同；另一种是用近年来越来越主流的生物陶瓷制成，同样的，这种陶瓷与我们生活中的“陶瓷”也完全不同（如下图）。

3、股骨头：

人工“股骨头”的材料也有两种，一种是金属制成，主要成分是钴铬钼合金；另一种也是生物陶瓷制成（如下图）。

“内衬”和“股骨头”所使用的生物陶瓷主要是由不同比例的氧化铝和氧化锆组成，还含有少量镍等成分。生物陶瓷的研发经过了一个长期的过程：第1、2代生物陶瓷是灰白色的，目前已不再使用；第3代生物陶瓷为黄色（俗称“黄陶”），正逐渐退出市场；第4代生物陶瓷是粉色的（俗称“粉陶”），是目前市场的主流，已有超过15年的使用历史（如下图）。

4、股骨柄：

“股骨柄”为金属材质，绝大部分是钛合金制成。不同厂家不同系列的股骨柄在形状上有所差别，主要是为了和大腿骨的骨髓腔形态相适合。股骨柄的表面进行了粗糙化（喷砂或磨砂）处理，或者喷涂上一层多孔金属（或羟基磷灰石等生物材料），这样可以和人体的骨头“长”到一起，形成长期的稳定（如下图）。

顺便说明，无论选用上述何种材料，接受髋关节置换后是可以进行核磁共振检查的。

五、全髋关节假体的摩擦界面有哪几种组合？

通过上述介绍，可知一套全髋关节假体由髋臼杯、内衬、股骨头、股骨柄这4个组件组成，其中“髋臼杯”和“股骨柄”都是金属材质，不需要患者去选择，医生会根据具体情况使用不同的型号。需要患者参与选择的只有全髋关节假体的摩擦界面，也就是选用什么材质的“内衬”和“股骨头”。而根据前文所述，“股骨头”（金属/陶瓷）和“内衬”（聚乙烯/陶瓷）各有2种材质，按照排列组合，会产生以下几种组合：

①金属股骨头—陶瓷内衬（简称为“金属对陶瓷”）；

②金属股骨头—聚乙烯内衬（简称为“金属对聚乙烯”）；

③陶瓷股骨头—陶瓷内衬（简称为“陶瓷对陶瓷”）；

④陶瓷股骨头—聚乙烯内衬（简称为“陶瓷对聚乙烯”）。

由于陶瓷具有一定的脆性，其硬度又高于金属，当它和金属匹配组成关节时容易发生金属磨损和一定概率的陶瓷破碎，所以“金属对陶瓷”组合基本上不被使用。因此，可供患者选择的就剩下3种组合： “金属对聚乙烯”、“陶瓷对陶瓷”与“陶瓷对聚乙烯”。

六、不同的摩擦界面组合各有什么优缺点？

传统的“金属对聚乙烯”组合从20世纪60年代就开始使用，而后，技术的进步使得陶瓷等其它材料越来越受到欢迎。对于哪种材料最好这一问题，骨科界没有共识。选择通常取决于你的骨科医生的偏好。每个骨科医生都有无数的理由选择其中一种摩擦界面组合，而不是另一种组合。这既包括他的个人经验，以及工具和具体置换方法的偏好等。但在手术之前，医生会跟患者详细分析各种材料的优缺点，方便患者的选择。

1、金属对聚乙烯：

金属股骨头对聚乙烯内衬。这是一种历史悠久的经典组合，在陶瓷出现之前一直被使用，至今在美国有大量的医生仍在使用这种组合。它的优点是价格便宜，金属头可以有更大长度的调整余地。它的缺点是磨损率高，磨损会导致骨溶解等反应，影响人工关节的使用寿命。目前所使用的金属股骨头和聚乙烯内衬在材料和工艺上都进行了很大的改进，磨损率已大幅降低，但“金属对聚乙烯”在3种组合中仍是磨损率最高的（如下图）。

2、陶瓷对陶瓷：

陶瓷股骨头对陶瓷内衬。陶瓷的特点是硬度大，超耐磨，但具有一定的脆性。在金属、聚乙烯和陶瓷这三种材料中，陶瓷的硬度最大，最耐磨。因此“陶瓷对陶瓷”组合的最大优点是磨损率低，使用寿命长。这种组合的缺点是有一定的破碎率，但这种情况发生的概率非常低，多数与暴力较大的外伤有关，或者手术中使用不当。它的另一个缺点是少数病人活动时会感到“吱咯”样的异响，这种情况发生的概率也非常低，而且主要发生在欧美体格较大的患者中，亚洲人极少。还有一个缺点就是，这种组合的价格最贵。理论上讲，“陶瓷对陶瓷”是最耐磨和使用寿命最长的一种组合（如下图）。

3、陶瓷对聚乙烯：

陶瓷股骨头对聚乙烯内衬。从各个方面来讲，这种组合都是介于上述两种之间的一种组合。价格适中；硬（陶瓷）对软（聚乙烯）的组合不容易发生破碎；活动时不会发生“吱咯”样的异响；磨损率也介于两者之间（如下图）。

上述3种摩擦界面组合都有其临床使用价值，只要产品符合要求，使用得当，理论上都有超过20年的使用寿命。其中“陶瓷对陶瓷”组合具有最长的理论寿命，即使存在一定的破碎率，也是非常罕见的并发症。

以下临床经验可供患者参考：

①磨损率：金属—聚乙烯 > 陶瓷—聚乙烯 > 陶瓷—陶瓷；

②破碎率：陶瓷—陶瓷 > 陶瓷—聚乙烯 > 金属—聚乙烯；

③价格：陶瓷—陶瓷 > 陶瓷—聚乙烯 > 金属—聚乙烯。

七、哪些因素会影响人工关节的使用寿命？

具体来讲，主要有3大因素会影响人工关节的使用寿命：假体因素、医生因素与患者因素。

1、假体因素：

一款设计合理、质量过关、适合患者的人工关节假体是获得长久使用的重要因素。可以说，目前所使用的人工关节都是层层检验合格的产品，有些已经得到几十年的临床验证。但不同的人工关节适合不同的患者，还需要医生根据具体情况来选择使用。同样的，一个耐磨损的摩擦界面组合可以有更长的使用寿命，这在前面已有介绍。

2、医生因素：

全髋关节置换是一项成熟的技术，特别是在大城市的大医院。但其也是一项精确度要求比较高的手术，主刀医生的临床经验与技术水平，人工关节的安装深度、方向、角度、松紧度等都会直接影响到人工关节使用寿命。

3、患者因素：

患者的体重、活动量、病变程度和骨头质量也是决定人工关节使用寿命的一大关键因素。体重越大、活动量越多的病人关节的磨损越重，这很容易理解。病变程度重、骨头变形大，手术的难度也会相应增加。同样，病变时间越长、骨头质量越差，骨头和人工关节的结合能力也就越弱，这些都会影响人工关节的使用寿命。所以，建议患者根据医生的建议在适当的时候进行人工关节置换手术，而无原则地往后推迟是极不可取的。

八、如何选择人工关节的摩擦界面组合？

如果患者年龄较大，活动量小，或者经济条件不具备，可选择“金属对聚乙烯”组合。如果是一款合格的人工关节假体，只要使用得当，该组合同样可获得长久的使用寿命。

如果患者年轻，想要获得更长久的理论使用寿命，经济情况也允许，可以选择“陶瓷对陶瓷”组合。但如果体重太大，重体力劳动或有运动需求，为防止少见的陶瓷碎裂可能，此时不建议选用“陶瓷对陶瓷”组合。

如前所述，从各方面讲，“陶瓷对聚乙烯”是介于前两者之间的一种组合，适合绝大多数患者使用。理论上讲，其耐磨损程度比“陶瓷对陶瓷”组合差，但明显好于“金属对聚乙烯”组合，且价格适中，是一个不错的选择（如下图）。

综上所述，每位患者的疾病种类、身体状况和解剖特点都不一样。因此，患者应根据医生的临床建议结合个人情况综合考虑，选择最适合自身的人工关节假体。