1、 综 述 人 工 关 节 表 面 涂 层 研 究 现 状张 国 强 ,王 岩(中 国 人 民 解 放 军 总 医 院 骨 科 ,北 京 100853)【 摘 要 】 生 物 固 定 型 人 工 关 节 假 体 表 面 涂 层 的 研 究 成 为 目 前 人 工 关 节 领 域 研 究 的 热 点 。 随 着 组 织 工 程 学 、 材 料学 的 发 展 ,在 人 工 关 节 表 面 用 材 、 涂 层 类 型 及 其 处 理 方 式 等 方 面 都 有 很 多 成 果 出 现 ,本 文 就 以 上 几 个 方 面 加 以 综 述 。【 关 键 词 】 涂 层 ; 表 面 处 理 ; 人 工 关
2、 节Progress in research on coa tings on prosthesis ZHANG Guo2Q iang, WANG Yan. General Hospital of PLA, B eijing 100853,ChinaABSTRACT To research on material coated on p rosthesis has been a focus of the field of the p rosthesis design. Many out2comes have p resented in the researches on materials, p
3、 rocess method and formation type with the advance in tissue engineerand material science. This article is just a review on these aspects above.Key words Coatings; Surface treatment; Joint p rosthesisZhongguo Gushang/China J O rthop Judet设 计 的 有 孔 金 属 型 ; Lord和 Bancel设 计 的 珊 瑚 面 型 20 等 。 卢 世 璧 等 21
4、研 制 的 珍 珠 面 人 工 髋 关节 假 体 也 属 巨 孔 型 表 面 假 体 ,其 表 面 珠 粒 直 径 为 015 mm,表面 孔 容 积 为 50%。 动 物 实 验 及 临 床 初 步 应 用 取 得 了 良 好 效果 。 但 巨 孔 型 表 面 假 体 与 骨 的 结 合 只 是 机 械 性 “ 二 维 ” 固 定 ,提 高 结 合 强 度 有 限 ,目 前 临 床 上 已 很 少 应 用 。212 微 孔 型 表 面 研 究 表 明 骨 组 织 可 以 长 入 到 具 有 百 微 米级 的 微 孔 结 构 中 ,并 进 一 步 证 实 了 其 最 适 宜 骨 长 入 的 孔
5、 径 在150 700 m 22223 。 基 于 这 一 理 论 ,人 们 对 关 节 假 体 的 表 面微 孔 结 构 设 计 进 行 了 大 量 的 研 究 和 临 床 观 察 。 早 期 设 计 的 微孔 表 面 假 体 如 钴 铬 钼 珠 粒 烧 结 假 体 、 TSI2361L不 锈 钢 假 体 和Bobyn设 计 的 有 孔 陶 瓷 髋 臼 杯 假 体 等 由 于 其 孔 径 均 偏 小 、 孔隙 率 较 低 而 未 取 得 较 好 的 效 果 。 Bobyn等 23 在 其 研 究 中 也证 实 当 微 孔 直 径 小 于 100 m时 ,长 入 孔 内 的 只 是 纤 维 组
6、 织 ,而 骨 组 织 很 难 长 入 。近 年 来 随 着 研 究 的 深 入 和 制 造 工 艺 的 提 高 ,许 多 新 型 微孔 表 面 涂 层 结 构 被 研 发 出 来 ,其 大 致 分 为 :二 维 微 孔 表 面 设 计和 三 维 多 孔 表 面 设 计 2类 。 前 者 主 要 是 通 过 金 属 珠 粒 烧 结 或喷 砂 在 金 属 基 体 表 面 形 成 凹 凸 不 平 的 有 孔 粗 糙 面 ,其 孔 径 为微 米 级 ,各 孔 之 间 不 相 连 通 或 少 部 分 相 连 通 ,如 钴 铬 钼 金 属 珠粒 烧 结 表 面 结 构 , HA喷 砂 表 面 结 构 (
7、 grit2blasted surface)等 ;而 三 维 多 孔 表 面 设 计 是 通 过 等 离 子 喷 涂 、 化 学 沉 积 等 方 法 在金 属 基 体 表 面 制 备 出 的 具 有 三 维 连 通 孔 的 表 面 结 构 ,孔 径 在100 700 m,孔 隙 率 在 25% 75%。 理 论 上 ,三 维 多 孔 表 面设 计 较 二 维 微 孔 表 面 设 计 更 应 具 有 较 强 的 骨 诱 导 能 力 和 较 高的 界 面 结 合 强 度 ,然 而 在 临 床 应 用 中 却 存 在 广 泛 的 争 议 。Won等 24 对 双 髋 关 节 置 换 病 例 进 行
8、的 前 瞻 性 、 随 机 对 照 研 究中 ,他 在 一 侧 植 入 近 端 多 孔 HA涂 层 假 体 ,另 一 侧 植 入 HA喷砂 涂 层 假 体 ,经 过 平 均 2. 5年 的 临 床 随 访 ,两 组 在 临 床 和 影 像学 上 以 及 Harris评 分 上 无 差 别 ,表 明 多 孔 HA在 早 期 并 没 有提 供 更 好 的 固 定 。 Frenkel等 14 将 具 有 三 维 多 孔 结 构 的 钛 金属 植 入 狗 体 内 ,并 与 普 通 钛 和 钴 铬 金 属 珠 粒 烧 结 表 面 结 构 比较 时 ,结 果 却 显 示 出 了 三 维 多 孔 结 构 明
9、 显 优 于 后 两 者 。 Over2gaard等 25 的 研 究 结 果 也 显 示 出 三 维 多 孔 结 构 的 优 良 效 果 ,他 将 多 孔 涂 层 复 合 HA假 体 和 喷 砂 涂 层 复 合 HA假 体 分 别 植入 狗 的 体 内 ,结 果 显 示 等 离 子 喷 涂 多 孔 涂 层 假 体 在 HA - 假体 界 面 以 及 HA - 骨 界 面 均 得 到 较 好 的 固 定 ;而 喷 砂 涂 层 假体 的 HA界 面 在 推 出 实 验 过 程 中 出 现 分 层 并 导 致 微 动 ,从 而加 速 了 HA的 降 解 。213 复 合 涂 层 复 合 涂 层 包
10、 括 材 料 复 合 涂 层 和 结 构 复 合 涂层 2种 类 型 ,是 在 微 孔 涂 层 的 基 础 上 为 进 一 步 提 高 界 面 结 合强 度 和 长 期 固 定 效 果 而 设 计 的 。 材 料 复 合 涂 层 是 将 几 种 材 料按 一 定 比 例 混 合 并 通 过 特 殊 的 制 备 工 艺 涂 覆 在 金 属 假 体 表 面所 形 成 的 结 构 。 目 前 研 究 的 这 种 复 合 涂 层 多 是 在 HA中 混 入一 种 或 几 种 材 料 来 提 高 涂 层 的 力 学 性 能 。 这 些 材 料 有 TiO2、ZrO2、 钛 粉 以 及 生 物 活 性 玻
11、 璃 等 。 研 究 表 明 , HA与 上 述 材 料复 合 后 所 形 成 的 复 合 涂 层 可 使 界 面 结 合 强 度 由 纯 HA涂 层 的30 MPa提 高 到 56 MPa 10211 。 结 构 复 合 涂 层 是 在 原 有 涂 层 结构 的 表 面 再 复 合 一 层 涂 层 ,这 样 可 使 该 结 构 的 整 体 表 面 积 加大 ,提 高 骨 长 入 量 ,使 骨 与 假 体 结 合 更 为 牢 固 ,而 且 二 次 涂 层多 用 类 骨 质 材 料 ,便 于 成 骨 细 胞 的 识 别 ,加 快 成 骨 速 度 。 该 复合 结 构 多 为 多 孔 金 属 复
12、合 HA,还 有 一 些 是 金 属 喷 砂 表 面 结构 复 合 HA者 。 大 量 的 实 验 研 究 和 临 床 观 察 结 果 表 明 ,多 孔表 面 复 合 HA涂 层 较 无 HA涂 层 者 有 着 更 为 优 良 的 骨 长 入 能力 和 界 面 结 合 强 度 。 多 孔 表 面 复 合 微 米 级 HA经 动 物 实 验 证实 具 有 最 优 秀 的 抗 张 力 和 组 织 学 特 性 26 。 Onsten等 27 对HA复 合 多 孔 涂 层 、 多 孔 涂 层 和 骨 水 泥 固 定 3种 类 型 假 体 进行 临 床 对 比 研 究 ,经 随 访 1 2年 ,结 果
13、显 示 HA复 合 多 孔 涂层 假 体 具 有 更 为 明 显 的 临 床 优 势 。 还 有 一 种 复 合 涂 层 是 在 多孔 表 面 涂 层 加 入 生 物 活 性 因 子 - 骨 形 态 发 生 蛋 白 (BMP)。BMP是 一 种 具 有 成 骨 诱 导 作 用 的 酸 性 多 肽 类 物 质 ,可 在 原 位和 异 位 成 骨 ,能 够 诱 导 骨 髓 基 质 干 细 胞 等 向 成 骨 细 胞 转 化 。牟 明 威 等 28 将 多 孔 金 属 材 料 复 合 BMP、 喷 涂 HA的 多 孔 金 属材 料 及 单 涂 层 金 属 材 料 进 行 动 物 实 验 成 骨 研
14、究 ,结 果 显 示 在植 入 第 4周 和 第 8周 新 生 骨 形 成 率 均 是 多 孔 金 属 材 料 复 合BMP组 最 高 。3 表 面 处 理 途 径有 多 种 表 面 处 理 方 法 可 用 于 制 作 人 工 关 节 表 面 涂 层 ,目前 应 用 和 研 究 较 多 的 有 等 离 子 喷 涂 技 术 、 高 温 烧 结 法 、 电 泳 沉653 中 国 骨 伤 2007年 5月 第 20卷 第 5期 China J O rthop mechanicaland in vitro biological performance. J B iomed Mater Res B Ap
15、p l B io2mater, 2005, 72 (1) : 128.12 Galante J, RostokerW , Lueck R, et al. Sintered fiber metal compos2ites as a basis for attachment of imp lants to bone. J Bone Joint Surg(Am) , 1971, 53 (1) : 1012114.13 Spector M. H istorical review of porous2coated imp lants. J A rthrop las2ty, 1987, 2 (2) : 1
16、632177.14 Frenkel SR, Jaffe WL, D imaano F, et al. Bone response to a novelhighly porous surface in a canine imp lantable chamber. J B iomedMaterRes B App l B iomater, 2004, 71 (2) : 3872391.15 Bobyn JD, Poggie RE, Krygier JJ, et al. Clinical validation of astructural porous tantalum biomaterial for
17、 adult reconstruction. J BoneJoint Surg(Am) , 2004, 86 ( Supp l 2) : 1232129.16 Bobyn JD, Stackpool GJ, Hacking SA, et al. Characteristics of boneingrowth and interface mechanics of a new porous tantalum biomateri2al. J Bone Joint Surg (B r) , 1999, 81 (5) : 9072914.17 Gruen TA, Poggie RA, Lewallen
18、DG, et al. Radiographic evaluationof a monoblock acetabular component: a multicenter study with 22to 52year results. J A rthrop lasty, 2005, 20 (3) : 3692378.18 Stuberg SD. Five2year follow2up of a tantalum, monoblock acetabularconponent(Abstract). J A rthrop lasty, 2004, 19 (2) : 257.19 M ittelmeie
19、r H. Total hip rep lacement with the autopher cementfree ce2ram ic p rostheses. In: Morscher E, ed. Cementless fixation of hip endo2p rostheses. Heidelberg, New York: Sp ringer. 1983. 33.20 Lord G, Bancel P. The madreporic cementless total hip arthrop lasty.New experimental data and a seven2year cli
20、nical follow2up study. ClinO rthop Relat Res, 1983, 176: 67276.21 卢 世 璧 ,孙 燕 群 . 无 骨 水 泥 固 定 珍 珠 面 人 工 髋 关 节 置 换 术 - 实 验研 究 和 初 步 临 床 应 用 . 中 国 人 民 解 放 军 军 医 进 修 学 院 学 报 , 1987,8 (1) : 124.753中 国 骨 伤 2007年 5月 第 20卷 第 5期 China J O rthop 21华 中 科 技 大 学 同 济 医 学 院 附 属 协 和 医 院 骨 科 )【 摘 要 】 探 讨 如 何 既 可 达 到
21、 牢 固 的 固 定 ,同 时 又 可 最 大 限 度 地 保 留 脊 柱 的 运 动 功 能 ,这 将 是 未 来 脊 柱 内 固 定 生物 力 学 发 展 的 趋 势 。 人 工 寰 齿 关 节 的 研 制 是 既 能 重 建 寰 枢 关 节 稳 定 性 ,又 能 保 留 寰 枢 关 节 旋 转 功 能 的 可 行 性 技 术 。作 者 从 人 工 寰 齿 关 节 的 理 念 、 人 工 寰 齿 关 节 解 剖 、 生 物 力 学 、 人 工 寰 齿 关 节 置 入 的 可 行 性 分 析 等 方 面 综 述 了 近 年 来 的一 些 研 究 进 展 。【 关 键 词 】 寰 齿 关 节
22、; 生 物 力 学 ; 寰 枢 关 节 ; 人 工 关 节Advancem en t of study of artif ic ia l a tlan to2odon to id jo in t HU Yong3 , X IE Hui, YANG Shu2hua. 3 D epartm ent of O rtho2paedics, N ingbo NO. 6 Hospital, N ingbo 315040, Zhejiang, ChinaABSTRACT Investigation was done on the way which was not only attain fast fixa
23、tion, but also retain maximum sp inal func2tion of action. It is a trend for biomechanics development of sp inal internal fixation device in the future. The designation of arti2ficial atlanto2odontoid joint can not only rebuild the stability of atlanto2axial joint, but also reserve the rotation func
24、tion betweenatlas and axis. This paper has reviewed some recently advance focusing on the biomechanics and anatom ical study of artificialatlanto2odontoid joint, design requirement and p rincip le of artificial atlanto2odontoid joint, imp lant feasible analysis of artificialatlanto2odontoid joint an
25、d so on.Key words A tlanto2odontoid joint; B iomechanics; A tlanto2axial joint; Joint p rosthesisZhongguo Gushang/China J O rthop & Trauma, 2007, 20 (5) : 3582360 www. zggszz. com寰 枢 椎 脱 位 与 不 稳 是 骨 科 较 常 见 的 疾 病 之 一 ,主 要 原 因为 齿 状 突 骨 折 或 畸 形 、 横 韧 带 断 裂 或 松 弛 导 致 的 寰 齿 关 节 功能 不 全 。 目 前 常 用 的 手 术 方
26、法 有 减 压 术 和 融 合 术 ,单 纯 的 减压 术 不 能 纠 正 或 加 重 寰 枢 关 节 不 稳 1 ,而 融 合 术 虽 然 能 稳 定寰 枢 关 节 ,但 又 丧 失 了 寰 枢 关 节 的 运 动 功 能 ,导 致 术 后 患 者 头颈 活 动 特 别 是 旋 转 明 显 受 限 223 ,逐 渐 导 致 未 融 合 的 颈 椎 失稳 4 。 针 对 这 一 缺 陷 ,许 多 学 者 已 经 进 行 了 人 工 寰 齿 关 节 临床 的 前 期 研 究 527 ,来 重 建 患 者 的 寰 齿 关 节 ,以 达 到 既 稳 定 又保 留 寰 枢 关 节 运 动 功 能 的
27、双 重 目 的 。 虽 然 人 工 寰 齿 关 节 很 多的 疑 虑 还 没 有 消 除 ,设 计 材 料 、 工 艺 ,以 及 产 品 的 特 性 上 仍 然和 真 正 的 寰 齿 关 节 有 很 大 的 距 离 ,但 是 一 个 可 动 的 、 人 造 的 寰齿 关 节 能 够 在 临 床 上 实 用 化 ,这 本 身 就 是 一 件 非 常 了 不 起 的事 情 ,它 所 具 有 的 意 义 已 经 超 越 了 本 身 ,是 一 个 划 时 代 的 信号 。1 人 工 寰 齿 关 节 研 究 的 理 念融 合 手 术 是 脊 柱 外 科 最 基 本 的 手 术 方 法 ,也 是 最 有 效 的手 术 方 法 之 一 。 脊 柱 的 最 初 手 术 是 为 了 解 除 神 经 压 迫 。 但 是为 此 切 除 了 较 多 的 椎 骨 又 会 造 成 脊 柱 的 不 稳 定 ,另 外 当 脊 柱出 现 损 伤 ,也 是 一 种 不 稳 定 的 现 象 ,植 骨 融 合 的 方 法 也 就 自 然诞 生 了 。 但 是 融 合 本 身 是 希 望 解 除 不 稳 定 ,并 不 是 想 将 本 来853 中 国 骨 伤 2007年 5月 第 20卷 第 5期 China J O rthop & Trauma,May. 2007, Vol. 20, No. 5