全髖關(guān)節(jié)假體設計演變.ppt

1、人工全髖關(guān)節(jié)設計演變趨勢,沈萬祥,假體界面設計,髖關(guān)節(jié)假體力學環(huán)境,受力復雜：承受拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)和界面剪切力以及反復疲勞、磨損 每年要承受100300萬次循環(huán)的體重負荷,髖關(guān)節(jié)假體性能,生物組織相容性：髖關(guān)節(jié)假體材料不能對周圍組織產(chǎn)生毒副作用，組織對植入材料無排斥反應,髖關(guān)節(jié)假體力學環(huán)境,生物力學相容性：髖關(guān)節(jié)假體材料的彈性模量、強度和韌性與人的皮質(zhì)骨相匹配，在負載情況下，髖關(guān)節(jié)假體與所接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調(diào)，并且植入期假體材料與周圍的骨組織結(jié)合良好，不發(fā)生松動和下沉,髖關(guān)節(jié)假體性能,生物摩擦學性能 抗腐蝕、耐疲勞性能要求假體材料在人體環(huán)境中經(jīng)受化學腐蝕和電化學腐蝕而不失效，在人體

2、循環(huán)應力作用下不損傷。,金屬-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屬頭配伍（MOP），以后這一配伍成為THR中的金標準,MOP磨損率,目前使用最多的假體設計：51% 美國 2006 （112095） 線性磨損率 0.25mm/年 容積性磨損率,MOP磨損率,球頭直徑增大導致大線性磨損率增加的原因在于：關(guān)節(jié)活動出現(xiàn)更長的滑行距離；較大直徑球頭時關(guān)節(jié)表面積的增加加大了容積性磨損率,MOP磨損率,采用22mm直徑球頭的THA，術(shù)后20年內(nèi)的PE線性磨損率為每年01mm，容積性磨損率為每年40mm3.28mm球頭的THA術(shù)后10年內(nèi)的PE線性磨損率就達每年012m

3、m，容積性磨損率為每年70mm3.兩者相差有統(tǒng)計學意義 28mm與32mm球頭對PE磨損的差異，結(jié)果也是一樣。,粘性磨損機制,兩種硬度不同的材料之間發(fā)生，周期性單一軸向運動中出現(xiàn)拉伸、擠壓，產(chǎn)生纖細的拉升纖維，形成碎屑。因運動過程中聚乙烯表面分子排列的方向性，越是單向，材料的延展性越強，粘性磨損越嚴重。,聚乙烯磨損顆粒（產(chǎn)生原因）,多向摩擦 微接觸下疲勞磨損 聚乙烯退變 表面裂紋,聚乙烯顆粒導致骨溶解,各種磨損微粒誘發(fā)炎癥反應，致假體周圍骨溶解，最后出現(xiàn)假體松動。雖然所有的磨損微粒都可以促發(fā)炎癥反應，但聚乙烯的磨損是微粒的主要來源。 超過5年的中心臨床研究顯示：骨溶解發(fā)生率為18%,金屬-高交

4、聯(lián)聚乙烯,1999： highly cross-lingked polyethlene 線性磨損率： 001mm/年 容積磨損率 （403156mm3/年）平均985 最高磨損率出現(xiàn)在大直徑股骨頭（40mm）配伍組合中,金屬-高交聯(lián)聚乙烯,輻射交聯(lián)和離子注入等表面處理技術(shù)，改變聚乙烯的表面分子結(jié)構(gòu)、物理和化學特性，達到提高抗磨損性能和生物力學相容性的目的 高交聯(lián)聚乙烯應用于髖關(guān)節(jié)假體后，磨損率顯著降低，磨損率與26,28,32,36,40mm股骨頭直徑之間無明顯統(tǒng)計學正相關(guān)關(guān)系,金屬-高交聯(lián)聚乙烯,高交聯(lián)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，研究表明粘性磨損通過高交聯(lián)聚乙

5、烯可以降低60-90% 臨床隨訪20年的結(jié)果，能夠保持80%的生存率,陶瓷頭對聚乙烯,陶瓷-聚乙烯 平均容積磨損率28 mm3/年 平均線性磨損率 0034mm/年 相對于金屬對聚乙烯承重面磨損下降50% 10年生存率 95% 20年生存率 79%,陶瓷對陶瓷,1970年Boutin將氧化鋁陶瓷應用于髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，至今臨床使用時間40年。 Piconi及Maccuro于1985年首次報道了zirconia陶瓷頭的使用至今， zirconia陶瓷頭已經(jīng)在臨床使用超過350000例。 Zirconia是一種生物惰性材料，體內(nèi)外是嚴均證明了它優(yōu)越的生物相容性。,Modular Ceramic Lin

6、er Design,Sandwich design,Taperlock design,with polyethylene or with metal backed ceramic,taper angle approx. 5(1st generation)taper angle approx. 18 (2nd generation),優(yōu)點,硬度高，耐磨性能好 線性磨損率0025-10m/年 生物惰性 顆粒致炎作用顯著降低，降低骨溶解（骨溶解率小于1%） 避免金屬離子釋放問題,陶瓷假體碎裂,14% 2006 美國 （112095） 陶瓷仍具有易碎、斷裂強度和抗張強度低的問題 假體破裂發(fā)生率為004

7、,金屬對金屬承重面,上世紀70年代，由于當時材料抗磨損性能差、磨屑顆粒導致的骨溶解以極高松動率，脫位、金屬離子污染等原因使得第一代髖關(guān)節(jié)表面置換假體被放棄 當代金屬對金屬假體的摩擦面可以產(chǎn)生液膜潤滑和低磨損，這是MOM復興的一個重要因素,金屬對金屬界面的研究,MOM 早期失敗原因：是假體材料、假體設計、假體工藝有明顯缺陷 90年代中期發(fā)生質(zhì)變 材料 鈷鉻鉬合金 最優(yōu)配比 matasul系列 高碳鍛造鈷鉻合金,First Generation Metal-on-Metal Bearings,G.K. McKee,1965,1966,M.E. Mller,金屬對金屬大直徑股骨頭,金屬對金屬大直徑骨

8、頭,線性磨損率為5um/年，容積性磨損率為0.114mm3/年，遠低于金屬-聚乙烯（55110mm3/年）和陶瓷-聚乙烯（4050mm3/年）關(guān)節(jié)，具有良好的抗磨性能 無聚乙烯磨損顆粒，顯著降低骨溶解率,界面金屬組成改良,在鈷鉻合金中增加碳元素含量 低碳 005-008% 高碳 020-025% 高碳的鈷鉻合金擁有更高的抗磨損能力,金屬表面處理,金屬表面加工越光滑越能提高潤滑度，降低磨損,顯著降低磨損的金屬表面,MOM界面與“陶瓷對陶瓷”界面被公認為同時代最優(yōu)秀的抗磨損材料 加速磨損期 穩(wěn)態(tài)磨損期 金屬對聚乙烯 500um/年 “金屬對金屬” 5um/年 “陶瓷對陶瓷” 39um/年,大直徑頭

9、設計改變磨損方式,在“邊界潤滑”、“液體潤滑”、“混合潤滑”三種關(guān)節(jié)面接觸方式的容積性磨損比較中，“邊界潤滑”的磨損指標比“液體薄膜潤滑”高12倍。,大直徑頭設計改變磨損方式,“金屬大頭髖”由于股骨頭直徑、臼杯的內(nèi)直徑均比傳統(tǒng)全髖增大，“頭臼”關(guān)節(jié)面之間可形成“液體薄膜潤滑”，因此人工關(guān)節(jié)的磨損率顯著降低。,大直徑頭設計提高活動范圍,“金屬大頭髖”由于沒有了內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，金屬臼杯比傳統(tǒng)臼杯總厚度降低，臼杯內(nèi)徑增大 相匹配的金屬股骨頭直徑增大（可與解剖股骨頭直徑相同）,大直徑頭設計降低髖臼變形,傳統(tǒng)的全髖置換手術(shù)中，金屬杯放置的方式是用打擊器固定在金屬杯的球面中心點進行打擊；當金屬杯被打擊嵌入骨組織

10、時，金屬杯邊緣會產(chǎn)生一定程度變形，變形會使金屬杯與臼襯、金屬杯與骨界面間隙產(chǎn)生影響，從而會增加假體間磨損程度。,大直徑頭設計降低髖臼變形,“金屬大頭髖”的金屬臼杯是單層，沒有中心點，打擊器為特殊的“吸附盤”，“吸附盤”邊緣與臼杯邊緣是整體吻合，金屬臼杯中心沒有單獨受力點，打擊吸附支架時作用力平均傳導到臼杯整個邊緣,大直徑頭設計降低髖臼變形,髖臼邊緣變形，局部磨損方式變?yōu)檫吔鐫櫥?，摩擦率顯著升高,臼杯緣不產(chǎn)生變形，從而使得臼杯球形關(guān)節(jié)面均勻、“頭臼”間隙均勻、“液體薄膜潤滑”作用不受影響，假體間低磨損率保持不變,大直徑頭設計提高活動范圍,頭直徑與頸直徑比值增大，髖關(guān)節(jié)假體最大活動范圍增大，“金屬

11、大頭髖”的設計活動范圍可達141156度，明顯大于傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)假體活動范圍。,大直徑頭設計降低假體脫位,脫位距離 與臼杯關(guān)節(jié)面匹配的股骨頭球面最高點至移出髖臼邊緣連線的距離增大,大直徑頭設計降低假體脫位,股骨頭中心點與關(guān)節(jié)緣撬撥脫位的距離（跳躍距離）；“金屬大頭髖”中臼杯內(nèi)徑增大、股骨頭直徑增大，發(fā)生脫位的“跳躍距離”顯著增大。這種假體結(jié)構(gòu)上的差異使“金屬大頭髖”術(shù)后關(guān)節(jié)活動的穩(wěn)定性明顯增加、脫位發(fā)生率明顯下降、股骨頭與臼緣撞擊明顯減少,髖臼組件,臼杯應有足夠的厚度，不至于在體內(nèi)過度變形 記住 這并不是具有彈性的臼杯！ 臼杯是一體化而非組合式！ !,需警惕的問題,金屬離子濃聚 金屬過敏 介導免疫

12、反應 金屬腎毒性 金屬致畸 尚需更多監(jiān)測和深入研究,血液和尿液中金屬離子含量,多中心研究報告顯示 紅細胞鈷水平相比MOP升高11倍 尿液中鈷水平相比MOP升高34倍 尿液中鉻水平相比MOP升高28倍,育齡期女性患者,金屬對金屬假體運用于育齡婦女，理論上可能和基因誘變或畸變有關(guān)，但是目前還沒有確切的由于這種影響而出現(xiàn)缺陷的嬰幼兒病例出現(xiàn)，目前已專門有研究進行這方面的探索。,育齡期女性患者,Ziaee et al證實了以前的報道鈷和鉻離子可通過胎盤對這些接觸胎兒的金屬離子的水平有一個調(diào)解（減少）機制。但在該實驗的所有10個樣本中，母體血清金屬離子濃度都是處在正常水平。,育齡期女性患者,對于育齡婦女

13、應該考慮理論上與暴露于金屬離子相關(guān)的胎兒的風險。由于這些理論上的風險，這些患者應該首先考慮選用傳統(tǒng)的非金屬對金屬界面THA。推薦對于強烈要求行MOM2HRA的育齡婦女在手術(shù)兩年后再考慮懷孕，這時過了磨合期（run2in wear phase）,MOM,目前推廣速度最快的界面材料。 低于65歲的男性病人為主 35% 美國 2006（112095）,Milestones in Tribology (I),60s: First metal-metal bearings (McKee, Mller,etc.) 1962: Introduction of traditional polyethylene

14、 (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 Pol

15、yethylene 2005: Introduction of composite ceramic,股骨假體設計,假體領(lǐng),頸領(lǐng)底部與股骨距截斷面相接觸，可防止股骨假體下沉；而無頸領(lǐng)結(jié)構(gòu)的股骨假體，則通過改變假體柄部設計防止假體下沉。 應力傳遞到股骨上十分重要，假體的頸領(lǐng)設計有利于保持骨組織的軸向載荷，維持正常的應力環(huán)境，防止失用性骨質(zhì)酥松；,假體領(lǐng),但頸領(lǐng)會阻止松動假體的下沉而不能獲得假體二期穩(wěn)定，反而以頸領(lǐng)為支點，使松動假體柄端在股骨髓腔內(nèi)出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，進一步加快假體失效；亦有學者認為股骨距承擔太大的壓力會對下端骨質(zhì)產(chǎn)生應力遮擋效應；因此，引出了無領(lǐng)的非骨水泥固定假體的設計與應用。,假體體：

16、,是承傳剪切力，向下轉(zhuǎn)化為軸向壓力的關(guān)鍵部位。 體部大小因假體的整體設計而異，一般做得碩大，背（外）側(cè)尤厚實，而內(nèi)側(cè)則稍狹小，體部的橫截面可呈橢圓形、梯形等多種形狀,假體柄,假體柄是假體體部向遠端延伸的部分。柄的橫切面呈近似長方形或梯形，內(nèi)窄外寬，上端粗，下端狹，柄尖鈍圓。,柄形：,短弧柄優(yōu)還是直柄優(yōu)，支持者各執(zhí)一詞，均有理由證明各自優(yōu)勢。一般說來，直柄假體適用于各種類型的病人，即使股骨解剖輕度異常也可使用；彎柄形和解剖型假體可提供較好的假體扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，但對于伴有股骨有解剖異常的病人，假體常難以植入。,骨水泥固定的全髖關(guān)節(jié)假體（略）,非骨水泥固定全髖關(guān)節(jié)假體,（骨-假體界面）,多孔表面非骨水泥固定股骨假體,為使假體長期穩(wěn)定，實現(xiàn)骨假體的有效整體，人們設計不同的假體表面，是周圍骨質(zhì)能長入假體表面孔隙中以達到固定的目的，這就是“多孔表面設計”。,All TM like,Tritanium,Regenere