蔡 兵，于沈敏，林 文，張鵬翼，王以進(jìn)，冷云飛，李 敏，付 隼

自人工關(guān)節(jié)假體誕生之日起，假體松動與界面磨損之間的關(guān)系就一直是該領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)問題。尤其是骨水泥型假體，植入人體后存在假體/骨水泥和骨水泥/骨兩個界面，兩個界面不僅僅是分界線，而且是一個相互作用區(qū)域。界面之間的剪切應(yīng)力使對應(yīng)兩者之間產(chǎn)生相對微動，當(dāng)假體承受載荷產(chǎn)生運(yùn)動的同時，界面即刻受到的生物力學(xué)影響可達(dá)到或超過生理限度，引起固定界面之間出現(xiàn)骨溶解，最后假體松動、失效。我們采用界面應(yīng)力分析方法，評估人工肱骨頭假體置換術(shù)后假體的穩(wěn)定性和療效，現(xiàn)報告如下。

資料與方法

1 標(biāo)本制備

取新鮮國人尸體肩關(guān)節(jié)標(biāo)本6具(由上海安久生物科技有限公司提供，標(biāo)本資料見表1)，保存于－20℃冰箱內(nèi)，取出后在常溫下解凍，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為(36.5±1)℃，分離剔除肱骨頭周圍軟組織，保留肱二頭肌長頭腱，沿肱骨結(jié)節(jié)間溝、外科頸、解剖頸用骨鑿造成四部分骨折。取出肱骨頭，骨水泥填塞髓腔后置入人工肱骨頭假體(原京航公司提供)，假體后傾30°固定。于大小結(jié)節(jié)斷端分別穿骨洞若干，穿入雙股“0”號滌綸線，將大、小結(jié)節(jié)分別復(fù)位后經(jīng)假體柄上端外側(cè)翼孔縫合固定。將標(biāo)本在假體柄尖端處截斷肱骨干，標(biāo)本遠(yuǎn)端廢棄處理。再將假體柄植入部分測量全長后均勻分為4段，測量每個標(biāo)記點(diǎn)處肱骨干周徑后截斷(見圖1)。

表1 新鮮國人尸體肩關(guān)節(jié)標(biāo)本一般資料

2 剪切試驗(yàn)方法

截斷后的標(biāo)本放置在特制的剪切試驗(yàn)裝置中進(jìn)行調(diào)整，用帶有力傳感器的試驗(yàn)機(jī)，在桿塞上加載，以測定它的界面剪切應(yīng)力，直至推出為止。由于每具肱骨干標(biāo)本中部的橫截面形狀、最大直徑、面積大小很不一致，且骨皮質(zhì)形態(tài)不規(guī)則，故在實(shí)驗(yàn)前預(yù)制1套夾具，按圓形和橢圓形孔兩類試件，輔以調(diào)整夾具，配以不同直徑大小的基臺和桿塞，以適合測試用(見圖1～3)。

圖1 標(biāo)本截斷方法

圖2 剪切實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖3 基臺與桿塞

3 假體置換兩個界面

骨水泥假體有兩個交界面:假體與骨水泥、骨水泥與骨之間。在相同數(shù)值壓力下，骨、骨水泥、金屬的承受能力不同，因此在這些物質(zhì)的交界面上存在著剪切應(yīng)力。其中骨對壓力和勞損有著持續(xù)的顯微結(jié)構(gòu)上的代謝活性反應(yīng)，而最薄弱的環(huán)節(jié)是骨水泥。骨水泥承受反復(fù)循環(huán)的載荷可引起老化、疲勞斷裂導(dǎo)致假體松動，同時假體、骨水泥和骨之間的應(yīng)力分布與骨水泥的疲勞壽命也有密切關(guān)系。骨水泥內(nèi)部應(yīng)力受到假體設(shè)計(jì)、骨、骨水泥、金屬的材料性質(zhì)、手術(shù)技術(shù)和假體界面結(jié)構(gòu)的影響，內(nèi)部應(yīng)力增加可加速其發(fā)生疲勞斷裂(見圖4)。

圖4 微觀骨-骨水泥-假體界面應(yīng)力

4 典型的載荷-位移曲線

試驗(yàn)開始前嚴(yán)格調(diào)整夾具對準(zhǔn)中心點(diǎn)，WD－5A試驗(yàn)機(jī)加載速率控制在1.4mm/min，準(zhǔn)靜態(tài)下進(jìn)行界面應(yīng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)緩慢加載，用程序控制進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于試驗(yàn)批量進(jìn)行，這里給出典型的XY記錄儀上不同界面上的載荷位移曲線，然后將載荷除以剪切面積得出界面剪切應(yīng)力值(見圖5)。

圖5 不同界面上的載荷位移曲線

結(jié) 果

骨與植入物界面剪切應(yīng)力計(jì)算公式如下:ζ=p/πDh。式中p為試驗(yàn)時所加的載荷，D為試件直徑，h為試件高度。得到不同孔徑試件的剪切應(yīng)力值，作統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果顯示肱骨/骨水泥界面剪切應(yīng)力為4.02±0.27，假體/骨水泥界面剪切應(yīng)力為3.33±0.06，兩者相差17%，統(tǒng)計(jì)顯示具有顯著性差異(P＜0.05)，說明假體/骨水泥的界面最先推出來，抗剪切力最小，屬于易損界面(見表2)。

表2 界面剪切應(yīng)力測試結(jié)果(N/mm2)

討 論

骨水泥于50年代首先用于人工髖關(guān)節(jié)置換，60年代經(jīng)Charnley的使用推廣已廣泛應(yīng)用于固定各類關(guān)節(jié)假體，并在短期內(nèi)取得良好效果［1］。但隨著隨訪時間延長，逐漸出現(xiàn)了假體松動和失效病例，主要松動部位發(fā)生在假體/骨水泥界面［2］。假體松動與假體和周圍骨之間以及假體本身內(nèi)在的多種不良機(jī)械學(xué)因素有關(guān)，包括假體、骨、骨水泥的材料性質(zhì)、假體/骨界面的結(jié)合強(qiáng)度、假體對周圍骨應(yīng)力遮擋作用等［3］。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)非生物活性的假體/骨水泥界面最先推出來，抗剪切力最小，屬于易損界面，與肩關(guān)節(jié)置換后隨著骨水泥植入時間的延長，在固定界面出現(xiàn)松動、導(dǎo)致假體失效一致。其它原因包括溫度、化學(xué)影響、填塞不當(dāng)、假體位置偏移、手術(shù)操作不當(dāng)?shù)取erkin等［4］發(fā)現(xiàn)骨水泥在承載條件下發(fā)生蠕變，變硬、脆性增加，可對長期固定人工關(guān)節(jié)產(chǎn)生不利的影響。具有生物活性的骨水泥/骨界面在實(shí)驗(yàn)中后推出來，原因在于骨水泥進(jìn)入骨小梁間隙后在骨髓腔內(nèi)均勻分布，增加了二者之間結(jié)合力，抗剪切力較高。

假體、骨、骨水泥3種材料彈性模量的差異是影響三者之間界面剪切應(yīng)力的重要因素，同一壓力下，它們的承受能力不同［5］。肩關(guān)節(jié)假體由鈦合金制造，其彈性模量為0.10×106N/mm2，骨的彈性模量為0.01×106N/mm2，骨水泥的的彈性模量為2.8×103N/mm2，三者之間形成的結(jié)合強(qiáng)度差異明顯。其次，由于骨水泥包裹假體的長度不一，一般來說骨水泥固結(jié)長度增大，界面剪切應(yīng)力就減小，松動率會降低。再者，與手術(shù)操作、假體放置的準(zhǔn)確與否和大小結(jié)節(jié)是否達(dá)到解剖復(fù)位等因素有關(guān)。

骨水泥是通過髓腔內(nèi)充填和進(jìn)入骨小梁空隙形成的微觀交鎖固定假體，而非利用骨水泥的黏合作用。骨水泥的固結(jié)能力取決于界面區(qū)域骨的形態(tài)和骨組織/骨水泥之間接觸面積的大小，不規(guī)則的交接面使剪切力轉(zhuǎn)化為側(cè)向壓力。骨水泥通過滲入骨組織相互交聯(lián)形成一個良好的黏結(jié)界面而傳遞載荷，兩者之間交聯(lián)越充分、界面強(qiáng)度就越大［6］。隨著骨痂長入骨水泥的孔隙中，界面剪切力隨之增長。隨著骨愈合時間的增加，臨界剪切應(yīng)力會進(jìn)一步增高，造成假體與骨水泥之間易于破壞。骨組織在微動磨損過程中也會發(fā)生無機(jī)礦物質(zhì)磨損、產(chǎn)生微裂紋、骨單位發(fā)生疲勞折斷并被吸收等，都會導(dǎo)致假體松動，松動是假體柄、骨水泥與骨三者之間界面失效的主要形式［7］。假體遠(yuǎn)端由于骨水泥和骨之間的交聯(lián)減少會降低兩者界面應(yīng)力，同時假體置換時髓腔內(nèi)空氣和血液混合殘留，使骨水泥聚合不充分以致影響他們之間的黏結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致遠(yuǎn)端界面剪切應(yīng)力較低而發(fā)生假體松動。

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