人工关节

人工关节ABC

68岁的李奶奶

这两年膝盖越来越不好了

走两步路不仅疼痛难忍

还能听到咔哒声

早上起床膝关节发僵、不能动

最近更是发现膝盖好像变形了



李奶奶来医院就诊

医生说这是退行性骨关节病

需要做人工关节置换

什么是人工关节置换？

这一篇文章

跟您讲得明明白白！

什么情况下要换关节？

• 关节炎是65岁以后老年人的常发疾病
• 退行性骨关节炎与年龄有着密切的关联
• 超过60岁的人群中，80%以上在膝关节可见骨关节炎X线征象，50%被疼痛困扰。

一般来说，如果髋、膝关节有严重的畸形、破坏、功能障碍，患者有明显的疼痛，则应该及时就诊，考虑是否进行关节置换手术。

换关节的手术，骨科医生谁都可以做吗？

人工关节外科的管理

• 人工关节是二类限制性技术
• 机构准入标准
  • 卫健委-医政处-质评办
  • 专科质控中心（技术指导中心）
• 人员准入标准

人工关节置换有哪些类型

根据关节的损坏程度和范围不同，人工关节置换的类型分为如下几种：

	人工关节的类型	举例
关节表面置换	用于：关节表面骨与软骨破坏，而关节骨组织无大缺损或破坏、关节周围韧带完整的病例	膝关节表面置换。 主要用于：年轻及高活动量患者。 优点：保存骨量，以应付未来可能的翻修手术
半关节置换	用于关节一侧骨病损或破坏，而另一侧保持完整的病例	人工股骨头、人工肱骨头、人工桡骨头、膝关节仅置换胫骨侧关节面都称为半关节表面置换。
全关节置换	将损坏的两侧相对应的关节均予以假体置换	人工全髋关节、人工全肩关节、全肘关节置换、踝关节置换、铰链式膝关节（连接部分用假体隔开，减少磨损）等。
肿瘤假体	用于：肿瘤切除后重建缺损区的关节。

各种类型肿瘤人工假体

人工关节的组成结构（髋关节假体举例）

股骨柄	球头	衬垫	臼杯
钛合金或钴铬钼合金制造，插入股骨髓腔内，最终靠股骨柄与骨组织完全愈合到一起来达到最终稳定，股骨柄与骨组织愈合的越好，人工关节使用寿命越长久。	用陶瓷或金属材料制成。这是关节摩擦界面，摩擦系数越小，关节使用寿命越长久。目前最好的摩擦界面是陶瓷球头，其次是金属球头。	聚乙烯、陶瓷、金属等，以做为关节的介面。这是关节摩擦界面，摩擦系数越小，关节使用寿命越长久。目前最好的摩擦界面是陶瓷衬垫，其次是聚乙烯衬垫	钛合金或钴铬钼合金制造，植入骨盆腔的髋臼内，最终靠臼杯与骨组织完全愈合到一起来达到最终稳定，臼杯与骨组织愈合的越好，人工关节使用寿命越长久。

人工关节材料的种类

人工关节作为一种人体内植入物，须具备以下特性：

• ①与人体组织相容，对人体无毒副作用，无排异反应；
• ②能较好地与生物界面结合稳定；
• ③性能稳定，可耐受人体微环境，不易被降解、电解和腐蚀；
• ④易于合成制造，可批量生产。
• ⑤生物力学性能合适，能较好地适应植入部位人体组织；

目前尚无绝对满足以上全部条件的假体材料问世，鉴于此种情况，组合不同优势的材料可弥补单一材料的不足。成为当下医生首要选择，但在选择材料过程中，我们需要确保尽可能地满足生理环境和关节生物力学的要求。目前常用的人工关节假体材料主要有3种：金属材料、高分子材料和陶瓷材料。

植入物假体常用材料

目前患者的髋关节置换植入物假体常用材料主要是:金属材料、聚乙烯材料、陶瓷材料。

1. 金属合金材料
   1. 如钴合金、钛合金，它们是最常用的两种惰性金属；
   2. 以其良好的力学性能、易加工性和可靠性在人工关节材料中被广泛应用，常用来制作结构复杂和必须承受很大力量的人工关节。
   3. 但制作金属摩擦面的材料都是重金属，磨损下来的重金属离子会不会对人体造成伤害目前还没有最后的定论。
   4. 对将要怀孕生宝宝的育龄期妇女来说，重金属离子可能对胎儿发育产生影响。由于重金属离子主要是通过肾脏排泄，所以肾功能不全的患者不应该使用。
2. 有机高分子材料
   1. 如超高分子聚乙烯和高交联聚乙烯材料（传统聚乙烯已经淘汰）
   2. 这两种材料的摩擦系数相比金属来说小一些，因此，常常作为人工关节髋臼内衬材料，以及膝关节金属界面摩擦材料；
   3. 有超高分、高耐磨，用于骨水泥型髋臼或髋臼的内杯，是一种超耐磨的“塑料”。但磨损颗粒能诱发巨噬细胞反应，导致骨溶解，是关节远期松动的主要原因。
3. 陶瓷材料
   1. 超高硬度，仅次于金刚石，其中氧化锆和氧化铝陶瓷是最早用作生物医学材料的陶瓷材料之一。氧化铝、氧化锆陶瓷惰性稳定性好，在人工关节中常用于人工全髋关节的头臼部分。
   2. 具有良好的生物相容性，超高硬度、耐磨性和耐蚀性，能够解决金属和高分子假体材料的磨损颗粒引起的骨溶解问题;
   3. 而且陶瓷还可以克服假体在体内释放金属离子的问题。
   4. 陶瓷材料具有很好的亲水能力，作为人工关节可以保证关节的润滑性。
   5. 但是，在关节置换术中可能发生陶瓷假体破损的问题，导致假体失败。

• ★ 其实谈材料，主要是谈摩擦界面。摩擦界面的磨损速度决定了假体的使用时间。从==摩擦界面==来说有金属对聚乙烯、陶瓷对聚乙烯和陶瓷对陶瓷，价格不同，适用人群不同，效果也不同。
• ★ 从人工关节==固定理念==来说，其中髋关节常用非骨水泥型（生物型）假体，膝关节常用骨水泥型假体；

摩擦界面分类

• 目前临床广泛应用的三种材料人工关节均有其各自的优缺点，而患者对人工关节材料的选择，主要指的是摩擦界面的选择。摩擦界面的磨损速度决定了关节的使用时间。

目前髋关节置换假体的摩擦界面大致可以分为：

• 陶瓷头对陶瓷内衬
• 陶瓷头对聚乙烯内衬
• 金属头对聚乙烯内衬
• 金属头对金属内衬

陶瓷头+陶瓷杯

• 费用会相对高些。
• 陶瓷对陶瓷界面这个组合的主要优点是==极低的磨损率和生物惰性==（即不会引起生物学炎症、过敏等反应），==相对更耐磨==，这意味着陶瓷几乎不会引起磨损带来的骨溶解，在陶瓷与陶瓷摩擦时，同样的负荷，磨损相对金属界面小很多，可以耐受体重长达几十年的摩擦而不产生明显磨损，而因磨损残留在关节腔内的微小颗粒也极其少，基本不会出现身体对磨损颗粒发生排斥反应。使用时间长达三十年甚至更久，==非常适用于年轻患者，但价格也较昂贵==。预计使用寿命一般在30年左右，所以一般==建议65岁以下病人==使用。
• 但==陶瓷比较脆==，在剧烈活动或姿势不当的情况下，极少数有陶瓷破裂的风险。有极少数病人在活动时会出现“咯吱”的陶瓷摩擦产生的异响。

第四代复合陶瓷

• 目前，3代陶已经淘汰了，现在以第4代复合陶瓷为主，就是我们叫粉陶
• 主要成分包括氧化铝（82%），氧化锆（17%），氧化锶（1%）
• 锶的添加，使得其更柔软，更耐磨，而且可以做的更薄一点。
• 特点
  • 提高强度，抑制破损
  • 提高抗断裂韧性
  • 假体选择更广，球头更大
  • 磨损及骨溶解几乎消失

	第三代陶瓷	第四代陶瓷
氧化铝（体积％）	大于99.8	81.6
氧化锆（体积％）	无	17
其他氧化物（体积％）	少量	1.4
密度（g/cm3）	3.98	4.37
四点穹曲强度(MPa)	580	1384
断裂韧性（MPa m1/2）	3.2	6.5
陶瓷头尺寸	32mm为主	36mm为主

金属头+聚乙烯杯

• ==应用历史较长==，是比较==经典的组合==。金属对超高分子聚乙烯，一般不会出现在活动有异常的响声，也不会有碎裂等情况。
• 金属对聚乙烯耐磨性一般，但价格便宜，==适合于高龄患者==，使用寿命一般在15年左右，所以一般==建议75岁以上老年人==使用。
• 但与陶瓷对陶瓷摩擦界面比较，它在相同负荷相同时间下，磨损相对多一点点。而在极少数敏感的病人，会对磨损下来的碎屑产生反应，引起磨损碎屑周围炎症发生反应，而逐渐出现==假体周围疼痛==，==假体松动==等。

金属头+金属衬套

• 金属对金属摩擦界面(==钴铬合金==，有时是不锈钢)这种摩擦界面在上世纪六十年代即已开始应用。
• 然而该界面可产生==大量金属磨损颗粒==，这些颗粒可被巨噬细胞吞噬，产生异物反应，磨损产生的金属离子还可能进入血液，引发机体的过敏反应。近几年这类界面关节多==已停用==。

陶瓷头对聚乙烯

• 陶瓷头比金属更硬，是最耐划伤的植入材料。目前关节置换手术中使用的陶瓷，它坚硬、耐划伤、超光滑的表面可以大大降低聚乙烯摩擦界面的磨损率。
• 陶瓷对超高交联聚乙烯或者陶瓷对陶瓷界面，==耐磨性非常好==。预计使用寿命一般在20年左右，所以一般==建议65岁以上老年人==使用。
• 这种植入物的潜在磨损率小于金属对聚乙烯，换句话说，陶瓷对聚乙烯要比金属对聚乙烯理论上来说，==更耐磨==!

人工全髋关节种类很多，设计在不断改进，材料也在不断改进。目前，陶瓷对聚乙烯界面的关节在临床应用最多。

• 而单纯从材料上来考虑，人工髋关节最好的就是陶瓷对陶瓷界面的关节了。这种关节之所以使用寿命长，是因为磨损速度比以往的关节减少了几十倍上百倍，大大延长了关节使用的时间，而且磨损的颗粒是人体兼容的矿物质，不会引起骨溶解和假体周围的骨质疏松，比较适合年轻活动量大的患者。
• 年轻患者，如果经费充足，推荐使用金属骨小梁涂层臼杯、陶瓷球头、陶瓷衬垫、金属骨小梁近端涂层短股骨柄人工关节。这种人工关节使用寿命最久，一旦需要翻修，对病人损伤也最小。
• 从价格因素考虑，金属-聚乙烯关节更便宜，但基于耐磨性考虑，其可能更适合老年患者使用。具体到每一位患者，则应在主刀医生的建议下，结合年龄、经济状况、平时运动状况等因素综合考虑，选择合适的人工关节。

磨损引起骨溶解

界面线性磨损率>0.1mm/年会引发骨溶解

• 金属-传统聚乙烯：0.04-0.25mm/年
• 金属-高交联聚乙烯：0.02-0.05mm/年
• 陶瓷-高交联聚乙烯：0.03-0.04mm/年
• 第四代陶瓷-陶瓷：0.000025-0.01μm/年

假体固定理念之争

• 假体固定使用的固定技术包括医用骨水泥固定技术与非骨水泥型（生物型）固定技术

骨水泥（PMMA）固定技术

• 医用骨水泥型关节，是通过骨水泥涂在人工关节假体周围，与处理好的骨床相接触进行咬合固定的。
• 医用骨水泥是一种化学聚合制剂，由液剂和粉剂（聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸粘固剂）双组分构成的骨填充剂。其单体是甲基丙烯酸甲酯，聚合后成为聚甲基丙烯酸甲酯高分子聚合物，其弹性模量界于松质骨与金属之间，有助于人工关节骨内部分的稳定性。因此，它的初期稳定性非常好，可以让病人早期下地活动，这一点对老年病人也十分合适，减少并发症。
• 但骨水泥并不是粘合剂,它对假体的固定作用是通过大块充填和微观的机械交锁实现,其显著的特点是假体可以获得即刻的固定。
• 通常来说，建议高龄、骨质疏松、骨质条件不好的人选用骨水泥型人工髋关节，因为老年人往往骨质疏松的症状会比较严重，骨质基础条件不好，再加上老年病人常常伴有很多其他疾病，术后并发症风险比较大，最担心长期卧床不能活动。而使用骨水泥型人工髋关节便能早期活动，降低术后并发症的风险。

成功的骨水泥固定取决于骨水泥应用技术，骨水泥的应用技术已从20 世纪70 年代的第一代发展到现在的第三代，它是根据股骨柄假体的骨水泥固定技术发展中的技术含量划分的。

骨水泥技术
第一代	又称指压法。 将骨水泥调至面团期时，术者用手指将骨水泥塞入骨髓腔和髋臼窝粘合假体。 此方法在骨小梁中可能存在许多气泡和间隙，假体上的骨水泥覆盖厚薄不均，时有中断，因而失败率很高；
第二代	即骨水泥枪的使用。 在注入骨水泥之前，股骨髓腔远端放置髓腔塞以形成封闭的近端腔隙， 注入骨水泥时，该腔隙压力增高，利于骨水泥进入松质骨间隙，假体周围骨水泥均匀分布，提高了成功率；
第三代	在第二代技术的基础上，采用股骨假体柄中位技术、骨水泥真空搅拌技术等，以保证骨水泥均匀分布。

生物学固定技术

• 非骨水泥型关节，它又被称为生物学固定型。
• 早年骨水泥固定的人工关节置换术有较高的松动率以及骨水泥固定技术还不够完善。70 年代末 80 年代初,采用生物固定型全髋关节置换技术开始受到广泛重视，相继出现了各种非骨水泥固定型假体，并广泛应用于临床成为近三十年来,研究和应用的一个重要方向。
• 从理论上讲生物学固定就是让骨组织长入假体表面微孔内。它的假体通常是钛合金金属，本身就具有良好的生物相容性，再加上假体周围有良好的生物涂层，当其植入人体后，会刺激周围骨组织生长，促使骨组织与假体的表面密切结合。也就是说，非骨水泥型人工髋关节是让自己的骨质慢慢和人工关节“长”在一起，来达到永久固定的目的，这需要具备良好的骨质条件，而中青年人及部分中老年人符合这些要求。

通过假体紧密压配达到早期稳定；通过假体表面处理，使骨长入(ingrowth)和贴附（ongrowth）于假体，实现骨整合（osseointegration）

• 表面材料
• 表面类型（孔径）
• 表面处理方法

• 生物学固定经历两个阶段：初始固定阶段和继发固定阶段。
  • 初始固定是机械性的，依赖于假体的外形，髓腔严格依照假体柄的周径和长度进行磨扩，必须将对假体无坚强固定能力的骨松质磨锉殆尽，使假体与髓腔紧密相配后起固定作用。长柄假体可以在三个点上获得与髓腔的良好接触，达到满意的初始固定。
  • 继发固定阶段是在假体与髓腔紧密相配的基础上，骨骼借助其骨小梁生长骨化的生物固有特性，与假体间紧密结合。

如何选择人工关节假体固定方式

人工膝关节假体固定方式

• 对于膝关节来说，一般情况下都是使用骨水泥型假体，并且是表面置换，只是把表面那一层退变受损的关节软骨面切掉，给患者保留更多自己本身的骨质，表面覆盖一层人工的关节面，因此也被称为人工膝关节表面置换，通过手术消除关节疼痛、畸形和行走困难，改善患者生活质量，恢复到正常状态。

人工髋关节假体固定方式

当前比较一致的意见认为

• 对年龄过大（65 岁以上）骨质疏松症，骨缺陷者以及骨生长机能障碍者，晚期癌症与营养不良者，可采用骨水泥固定技术；
• 对于年龄较轻（60 岁以下或预期寿命在 20 年以上），活动度较大，骨生长机能良好的病人，可考虑非骨水泥固定或杂交式固定技术。

人工髋关节的使用寿命是多长?

随着手术器械不断改进，材料制造技术不断提高，我们常常会听到：90%以上的普通全髋关节假体的使用寿命是15~20年。

• 其实这个说法仅仅只是针对于人工关节的机械磨损寿命
• 一套人工关节在人体内的存留时间受很多因素影响，比如：
  • 患者有无骨质疏松、患者的体重是否过大、患者的活动量大不大、骨骼有没有很好的和假体生长在一起?
• 所以，人工关节的材质仅仅只是影响关节留存时间的其中一项因素。
• 实际上，临床上==既看到过使用超过30年的人工髋关节==，若是选择陶瓷对聚乙烯的关节，其磨损速度在每年几个微米，折算起来，四五十年的使用时间没问题。另外，对于一些更为年轻的患者，使用陶瓷对陶瓷的关节界面，磨损率更小，折算起来，如果要把陶瓷内衬或者陶瓷股骨头磨穿，需要200年以上。所以，如果不出别的意外，陶瓷关节可持续使用一辈子。==也看到过很多不到15年就翻修的人工髋关节==，
• 15~20年只是一个大概的说法。据报道，髋关节置换的15年生存率在年轻患者（<65岁）已达80%，在老年患者（>65岁）高达94%。

	15年	20年	25年
全膝关节	93.0%	90.1%	82.3%
单髁置换	76.5%	71.6%	69.8%
人工髋关节	89.4%	70.2%	57.9%

影响人工关节使用寿命四大因素

1. 病人自身的骨骼条件，骨质疏松和骨缺损会严重影响到人工关节的使用寿命。
2. 选择的人工关节类型，如上所述。
3. 手术医生的经验和手术技术，人工关节是否安装在正确位置，安装是否牢固。
4. 手术以后病人工作和生活状态，是否需要经常爬山爬楼负重。

换了人工假体可以做磁共振吗

• 很多患者关心一个问题就是我体内放置了这个“金属的假体”，还能做磁共振检查吗？
• 目前人工假体材料大部分是由陶瓷、合金（钴铬钼或钛等）及高分子合成塑料（超高分子聚乙烯），保证假体硬度的同时，兼顾耐磨性。中华医学会《磁共振成像安全管理中国专家共识（2017）》指出：骨科植入物（如钢板、钢针、螺钉以及各种人工关节等）大多呈非铁磁性或少量弱磁性，由于在术中已被牢固地固定在骨骼、韧带或肌腱上，通常不会移动。**因此，人工假体置换术后的患者是可以做磁共振检查的。**但是为确保安全，最好咨询一下您当时的手术医生。同时，在检查前也应当告知磁共振室的医务人员，以保证检查安全。如果检查过程中手术部位出现疼痛及其他身体不适须及时告知医生并马上终止检查。

国产还是进口？

每次手术前，医生都会问患者手术选用进口还是国产假体。那么这两种有什么区别呢？医生经常会打比方：这就像进口车跟国产车的区别。也就是说：两种都是安全可靠的，不能直接用好坏来评价。但不可否认，目前进口假体在材质及精度上优于国产假体，但价格也更高。因此，患者需要根据自身病情，年龄，经济条件选择适合自己的假体类型。

人工关节设计与数学

经过几十年的发展，人工关节的假体设计和手术技术以及快速康复方面都取得了长足的进步，现在已经成为非常成功的手术方式，是治疗关节终末期疾病的金标准。