人工关节只能用15年吗?

2021
05/14

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京东健康
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人工关节到底能用多少年?

 



「太长,不想看?」
如果您没耐心听我细细说,了解以下四个要点即可:

 

1.“人工关节只能用15年”的说法在当今时代是错的!

2.超高分子交联聚乙烯出现后,人工关节的使用寿命理论上已经可以超过人类寿命。

3.陶瓷部件的出现,磨损寿命进一步延长,磨损颗粒的问题已经可以忽略不计。

4.所以,对年轻患者来说,“年龄”已经不是髋关节置换的禁忌了。


如果您想仔仔细细了解一下,请看详情:



01

人工关节到底能用多少年?


1、是什么决定了关节的使用寿命呢?


关节材料、假体设计、手术技术、身体状况、活动情况等等,都会影响到人工关节的使用状态。其中,关节的材料是主要的影响因素。


这就如同我们购买家用汽车一样,厂家对汽车会有一个使用时间推荐,国家把汽车的报废标准设定在60万公里,这个标准是怎么定出来的呢?这个标准是按照汽车的零部件材料的老化时间来计算的。同样的,我们的人工关节同样会有一个使用年限的设定,这个也是主要跟材料的耐用时间有关系的,简单的讲,就是这个关节的部件能磨损多少年。


这个时候,可能有些聪明的人就会跳出来问了:“你说关节能用一辈子,那很多材料发明出来还没有几十年,你怎么知道能用一辈子?”这就涉及到人工关节研发测试的一些方法了,所有的人工关节厂家都会有研发部,研发部门对人工关节的磨损有一套规范的检测方法,通过体外磨损的速度来推算植入体内的使用时间。比如说,在体外模拟人体运动1年到数年,所测量到的磨损量,就可以推算出这个材料制成成品的厚度下能磨损多少年。这下您清楚了吧?


 


2、为什么以前的关节只能用15年?


从上世纪50年代我们现代人工关节外科的鼻祖,美国的John Charnly教授提出了低摩擦理论后,“金属对聚乙烯”的人工关节摩擦界面就成为了人工关节的「金标准」。人工关节的寿命主要是由“摩擦界面”的性质决定的。那么什么是“摩擦界面”呢?要说清楚这个问题,首先得先让大家知道人工髋关节是什么样的。


看一下下面这张图:


 


髋关节假体其实包括四个部件,最上方是金属髋臼杯❶,髋臼杯里面会放一个内衬❷,内衬对着的是球头❸,球头是套在股骨柄上的❹。这四个部件就构成了人工髋关节。


 


其中❷❸,也即是内衬和球头构成了所谓的「摩擦界面」,由于髋臼杯❶和股骨柄❹是最终要和骨头长在一起的,而关节运动过程中摩擦界面的摩擦就构成了关节耗损的主要因素。


磨损的快慢主要取决于两个因素:界面的光滑程度和界面材料的耐磨性。其实很容易理解,这些都是物理学的基本原理。这个面越粗糙,磨损的就越快;反之,越光滑则磨损的速度越慢。而材料越耐磨,则磨损的速度越慢,反之则磨损速度加快。


上个世纪五十年代以来,球头部分❸的材料以金属为主,有不锈钢和钴铬钼两种,其中后者更加耐磨,内衬部分❷主要为聚乙烯,也就是塑料材料,这种金属和塑料组成的摩擦界面,因为金属质地坚硬,而塑料质地柔软,所以摩擦起来受损的主要是塑料部分。这样的组合,每年的聚乙烯的磨损丢失量大约为200μm厚度,而一个聚乙烯内衬的厚度一般为3-5mm(3000μm-5000μm),我们用小学时候学过的加减乘除的方法算一算,如果要把一个聚乙烯内衬磨坏掉,也就是15-25年。大部分情况下,由于其他因素(比如手术技术造成假体安装位置不良)的影响,假体的使用寿命打了折扣,加之磨损颗粒对人体骨质的溶解作用,造成了“金属对聚乙烯”摩擦界面的假体的使用寿命一般也就15年左右。


 


3.现在的材料能磨多少年?

以前的“金属对聚乙烯”的磨损年限在15年左右,因此对于年轻患者,全髋关节置换其实真的不能满足其一辈子的需要。为了改变这种情况,科学家们不断投入大量精力研发新的材料,以减少“摩擦界面”的磨损速度。


在这一过程中,有两种革命性的材料出现:


 


(1)首先是:超高分子量交联聚乙烯。


在普通医用人工关节聚乙烯的基础上,科学家们尝试对生产工艺进行改进,通过r射线的照射和后期热处理,从而得到了“超高分子量交联聚乙烯”,这种塑料的出现,使得界面的磨损速度大大下降,也使得材料的抗氧化性同时得到了提升,也就是说,这种塑料更耐磨、寿命更长


目前“超高分子量交联聚乙烯”已经演进到了第三代,耐磨性更好,抗氧化性能更好。与传统的金属球头匹配在一起,每年的磨损速度已经下降到20μm/年。如果按照这种磨损速度,3mm(3000μm)的内衬被磨穿,理论上应该需要150年。这样看来,似乎“金属对聚乙烯”的假体已然可以使用一辈子了。然而实际上,由于磨损的塑料颗粒所引发的炎症反应主导了骨溶解的发生,所以我们认为这种假体植入人体后,其实并不能像理论上那样满足年轻患者一辈子的使用需求。


 

人工关节


(2)更具革命性的里程碑是:关节陶瓷部件的发明。


我个人认为,关节陶瓷的出现,应当是解决了髋关节置换的年龄限制问题。由于陶瓷可以比金属做的更加光滑(摩擦系数更低),因此陶瓷部件的发明,使得摩擦界面的磨损速度进一步下降,而且这种下降已经到了不可思议的地步。


为什么说“不可思议”呢?是因为陶瓷界面的光滑度太好了,摩擦系数极小,所以磨损的速度很慢,到了几乎可以忽略不计的地步。这里说的磨损的速度,不单指的是陶瓷部件本身,还有和它匹配的另外一半的磨损速度。那这种磨损小,到底小到什么地步呢?


摩擦界面其实是对应的两边,就是两个东西相互末餐,陶瓷部件既可以做成球头,也可以做成内衬。所以,由陶瓷部件组成的「摩擦界面」其实有两种,一种是“陶瓷球头”对“陶瓷内衬”,一种是“陶瓷球头”对“超高分子量交联聚乙烯内衬”。这两种界面的磨损速度是不同的。


首先看看“陶瓷球头”对“超高分子量交联聚乙烯内衬”(陶对聚乙烯,也称为半陶瓷)的磨损速度。以第四代粉陶来计算(第三代黄陶目前已经淘汰),这种摩擦界面的磨损速度大概是每年6μm,如果按照聚乙烯内衬3mm(3000μm)来计算磨损时间,理论上把聚乙烯内衬磨穿需要接近500年。当然了,这种界面仍旧存在聚乙烯磨损颗粒的问题(虽然颗粒数量较以前几乎可以忽略不计),颗粒本身的骨溶解效应不可否认,所以呢,即使人类能活到500岁,我们也肯定不认为这种假体真的可以在体内用500年,不过,即使狠狠得打个1折-2折,还能剩个50-100年,这也绝对能够满足人类使用了吧。


 


其次,我们再来看看“陶瓷球头”对“陶瓷内衬”(陶对陶,也称为全陶瓷)的磨损速度,以第四代粉陶来计算,这种摩擦界面的磨损速度大概是每年3μm,如果按照聚乙烯内衬3mm(3000μm)来计算磨损时间,理论上把聚乙烯内衬磨穿需要接近1000年。也就是说,人成精了也够用。


 


不得不说,陶瓷部件的发明确实是解决了年轻患者的手术时机问题,无论是全陶瓷假体还是半陶瓷假体,都足够满足人一辈子的使用需求。所以,我们真得感谢发明关节陶瓷的科学家,使得全世界的股骨头坏死患者的生活质量有了本质的提高。


不过,遗憾的是,这种关节材料目前我们国家还不能生产,这种材料学的工业门槛实在太高,甚至高过了“手机和计算机芯片”。我们都知道,虽然芯片我们被美国卡脖子,但是至少工艺制成低(比如28nm)的芯片我们国家还是可以做的,但是第四代粉陶,我们国家真的是毫无能力生产,这个是国家整体高精尖工业领域的水平所决定的。不过,不光是我们,连美国目前都没有办法生产出和现有关节陶瓷相匹敌的产品。目前全世界90%的陶瓷产品都是来自于德国某公司。


02

到底选全陶瓷还是半陶瓷?


全陶瓷指的就是“陶瓷球头”和“陶瓷内衬”相互摩擦的关节,半陶瓷就是“陶瓷球头”和“聚乙烯内衬”相互摩擦的关节。


全陶瓷的价格是比半陶瓷的价格更贵,一般情况下,差价在1万到两万之间。那么是否意味着全陶瓷就比半陶瓷好呢?其实两者之间并不能以价格高低直接去比对,没有绝对的谁好谁不好。全陶瓷和半陶瓷,各有各的优势,也各有各的劣势。


全陶瓷的优势在于摩擦界面的两端均为陶瓷,磨损的颗粒属于矿物质,矿物质颗粒在诱发体内巨噬细胞炎症反应的程度上要远远低于聚乙烯颗粒,也就是说全陶瓷磨损颗粒的溶骨效应要比半陶瓷要小。


但是全陶瓷也有三个致命的劣势。


第一,  相对于半陶瓷关节的“硬对软”的界面(硬:陶瓷球头,软:聚乙烯内衬),全陶瓷是一种“硬对硬”的界面(硬:陶瓷球头,硬:陶瓷内衬),所以,全陶瓷部件更容易碎裂,虽然这种碎裂的发生率已经在第四代粉陶上大大下降,但是仍旧存在这种可能性。碎裂以后的翻修问题一直是让关节外科头痛的大问题,因为碎裂后,陶瓷碎屑不可能从关节内完全清理干净,大量肉眼不可见的细微陶瓷颗粒的存在,就会使得植入的翻修关节在未来的磨损率和碎裂率上都会大大的提高,所以假体的选择十分困难,也很有争议:有些医生选择半陶瓷关节进行翻修,让存在的陶瓷颗粒通过挤压进入聚乙烯内衬里,这样的话,界面光滑度下降,聚乙烯的磨损寿命大大下降。也有些医生仍旧选择全陶瓷关节翻修,但是界面磨损速度大增,而且陶瓷部件的再次碎裂风险也明显增高。


 


第二,  前面说了,陶瓷的碎裂风险很高,所以陶瓷部件必须做成规则的形状,也就是说,陶瓷内衬是不具备聚乙烯内衬上那个防脱位高边的。因此,全陶瓷关节植入后的脱位发生率是比半陶瓷要高的。


 


第三,全陶瓷存在异响的问题,所谓异响,就是异常的响声,不应该出现的响声,这种情况在欧美国家发生率很高,但是在中国的发生率较低,可能和体重有一定的关系,但是发生在瘦弱的国人身上的异响就没法解释了。异响虽然不是大问题,和陶瓷碎裂似乎也没有直接的关联,但是走一步响一下确实是很烦人,甚至有些响声附近的人都可以听得到,给生活造成极大困扰。


全陶瓷和半陶瓷的虽然在磨损速度上看起来差异是两倍,一个是6μm,一个是3μm,但其实都在10μm以内,这种磨损的速率其实已经可以忽略不计了,磨损颗粒的数量也不会有数量级的差异。所以,无论是全陶瓷和半陶瓷,都是可以满足患者终身的需求,这也就是为什么在美国,绝大多数患者植入的人工髋关节假体都是半陶瓷关节。


当然,选择权在患者手中,如果确实对磨损率有心理上的纠结,那就选择全陶瓷关节,不过前提是找一个经验丰富的医生,以免假体位置不良、从而使得发生关节脱位的概率增高。




 


本文来源自:新浪微博账号“南方医院关节医生王健” ,已获原作者转发授权

责任编辑:黑凤梨

排版编辑:小梧桐



本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
聚乙烯,关节,球头,假体,材料

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