【摘 要】全髋关节置换术用于治疗因外伤、骨不连、肿瘤、炎症及其他病变引起的髋关节功能障碍获得了满意的疗效，被认为是治疗终末期髋关节病变的最有效方法。但随着人工髋关节置换术的日益普及、手术适应证的扩大、接受手术人群的年龄范围在扩大，长期随访中出现假体松动、下沉、柄折断、股骨骨折、关节疼痛等并发症，需要翻修并置换更长更大的有柄人工关节的病例也在逐渐增多，人工关节翻修面临着严峻挑战。无柄人工髋关节为髋关节置换术提供了一种新的方法，由于其保留了股骨颈，所以更符合股骨近端力学传导的生物学特性，基础研究和临床应用均表明无柄人工髋关节能够有效避免或减轻上述并发症，显示具有良好的应用前景。
【关键词】无柄人工髋关节；全髋置换术；无柄；研究进展
【中图分类号】R687 【文献标识码】A【文章编号】1004-7484（2012）06-0581-02
1 无柄人工髋关节的发展简介
早在1939年，Wiles设计了全金属的全髋关节并进行了全髋关节置换，并没有把人工柄插入骨髓腔，Smith Peteraen在1948年最初构想出杯形关节置换技术。在此基础上，上世纪50年代，1946～1958年，Judet兄弟介绍了短柄型半髋关节置换术，早期结果良好，但后来由于发生丙烯酸酯的磨损碎屑和头断裂等问题而停止使用。60年代中期，Mulle等最先应用第1代压配式金属—金属髋关节表面置换系统，早期结果虽满意，最终却因假体松动而废弃。1973年由骨水泥型钴钼股骨假体聚乙烯髋臼假体在美国洛杉机、加利福尼亚大学医学中心(UCLA )发展并应用。1983年非骨水泥型假体应用于临床，但是由于易发生骨溶解，而致假体松动。经过后来的回顾性分析，发现主要是材料工艺的问题。目前研发的无柄人工髋关节系统主要有以下几类：(1)美国Towntey医生在1954年首先用塑料(Polyure全髋置换ne)生产，后来于1987年由Biopro USA 生产并命名为Total Articular ReplacementArthroplasty(TARA)，2000年又以Modular Ball and Socket Joint 取得美国专利；(2)英国McMinn教授1989年开始设计有中心干的表面置换，1991年2月成功置入第1例，接着改为Hydroxyapatite(HA)髋臼杯，股骨头部分用骨水泥固定的组合。由英国Corin公司1991年生产McMinn Resurfacing Total Hip System；2000年改名为Cormet2000，后来英国MMT公司也生产，名称为Birmingham Hip Resurfacing Implant (BHR)；(3)美国Wright Medical Technology Inc公司生产Conserve及Conserve Plus Femoral Resurfacing Implant；(4)国内的无柄人工髋关节目前主要是钱本文自1996年开始研究设计，并由上海复升医疗器械有限公司生产的无柄人工髋关节(Stemless Hip Prosthesis)[1]。新型设计的无柄人工髋关节假体对材料应用、制作工艺以及关节界面组合作了改进，同时在对假体几何形态设计不断深入研究的基础上，对半径间隙、球形度和表面粗糙度参数进行了优化，大大降低磨损，减少了松动的发生，使得无柄人工关节的研究应用再次受到瞩目。
2 无柄人工髋关节的基础研究
2.1 无柄人工髋关节的生物力学特性正常股骨颈受拉侧最大拉应力在股骨颈前侧的2/5处，受压侧最大压应力发生在股骨颈的后半区，其点位随股骨颈形态尺寸的个体差异而变化。传统的人工髋关节假体植入后，使股骨上段的局部应力明显减小，产生应力遮挡效应。Tai等[2]利用人工材料合成股骨模型，分别植入无柄人工髋关节和传统有柄人工髋关节，在加载2000牛顿负荷力下，分别测定未植入假体、植入无柄人工髋关节假体和植入传统有柄人工髋关节假体的股骨内外侧表面应力的变化，结果显示：植入无柄人工髋关节假体的股骨和植入传统有柄人工髋关节假体的股骨相比较，没有产生应力遮挡效应；植入无柄人工髋关节假体的股骨和未植入假体的股骨相比较，表面应力增加。费琴明等[3]用新鲜股骨标本，行体外无骨水泥固定和有骨水泥固定的两种不同状态下的无柄人工髋关节置换术，模拟无柄人工髋关节置换术早期(骨组织尚未生长)和后期(骨水泥固定模拟骨组织长入)，分析在髋关节负荷作用下股骨颈部位与股骨干应力强度和股骨头松动(以垂直位移于扭转角来描述)的刚度特性，结果显示：(1)无柄人工髋关节在置换“早期”或置换“后期”，都改善股骨颈部位的应力分布；(2)股骨干的受拉侧和受压侧的应力都和正常自然股骨的应力值基本接近；(3)在髋关节复合力的作用下，仅产生较小的垂直移位和很小的扭转角变形，具有小变形、抗松动及高刚度的特性。另外，有限元方法分析结果也支持上述结论。Tai等对无柄人工髋关节植入后股骨局部应力改变作有限元分析，得出无柄假体植入后股骨近端及中部的应力比完整股骨和有柄假体植入后的股骨的应力均要高的结论。陈精一[4]用新鲜尸体股骨进行有限元分析，也认为无柄人工髋关节的应力分布与原体无显著性差异。Munting等[5]运用双能X线吸收计量法(DEXA)，对行无柄人工髋关节置换术的患者作股骨近端的骨密度定期监测，结果发现，开始时骨密度较低的患侧股骨，术后骨密度逐渐增高，最后和未手术侧相比，已无显著性差异。根据Wolff骨重建定律，骨局部应力的改变，会导致骨内矿物质密度的变化，即应力增加，密度增高，反之则降低。因此，上述不同研究方法得出的实验结果相一致，都提示行无柄人工髋关节置换术后，股骨近端未产生应力遮挡效应。
2.2 无柄人工髋关节有效防止骨溶解 骨溶解是有柄人工髋关节置换术后最常见的并发症，是导致假体失败的最主要原因。近年来对骨溶解机制的大量研究结果表明，骨水泥、金属和聚乙烯的磨损微粒在骨溶解发生过程中起关键作用。聚乙烯磨损微粒产生的生物学反应最为明显。目前研究认为，磨损微粒诱发骨溶解的机制主要有下列几方面：(1)磨损颗粒刺激假体—骨界面组织中的巨噬细胞，诱导其释放一系列细胞因子如：肿瘤坏死因子(TNF)、白介素(IL)、花生四烯酸代谢产物(PGE2)和溶骨性细胞因子，再作用于假体-骨界面破骨细胞，使其分化成熟并造成局限性骨溶解的生物学效应；(2)金属钴、铬等引发的迟发型超敏反应，其中以磨损颗粒造成的CD25阳性活化的T淋巴细胞为主[6]；(3)假体-骨界膜之间微环境中破骨因子与成骨因子比例失衡。Charnley[7]首先在临床发现松动的人工关节假体周围有一层界膜组织，其中含大量巨噬细胞和异物巨细胞，而界膜组织的部位与X线片上的透亮带相对应，这和上述的微粒诱导骨溶解机制相吻合。Schmalzried等提出了有效关节腔假说，认为磨损微粒产生于人工关节负重的摩擦面后，扩散至关节液中。当关节运动时，由于关节腔内的压力变化，关节液及其中微粒可沿着假体骨界面向假体远端移动，关节液能够达到的区域被称为有效关节腔，有效关节腔的范围即是微粒可以分布的范围。
无柄人工髋关节也会产生磨损微粒，其防止或减轻骨溶解的关键在于减小有效关节腔的范围，限制磨损微粒进入到假体-骨界面的范围。人工髋关节置换术后，关节囊原有解剖结构遭到破坏，关节液不再局限于原来的关节腔内，此时的有效关节腔取决于骨与假体界面结合的程度以及界面组织中软组织成分。无柄人工髋关节保留了股骨颈，同时有效地保护了股骨颈部的血运，因而有利于股骨颈部的骨质向假体孔洞中生长，形成犬牙交错的多点固定，起到了早期机械固定牢靠、晚期生物固定坚强的作用，符合生物固定的要求。钱齐荣等[8]关于无柄人工髋关节生物固定的实验研究结果也充分证实了这一点。因此，无柄人工髋关节的生物固定设计使得其和传统人工髋关节相比，具有以下生物学特点：(1)良好的生物固定，避免微动和界面液压产生，而微动和界面液压也被认为是引起骨溶解的原因；(2)骨假体界面间的紧密结合，形成阻止微粒进入骨假体界面的屏障，减小有效关节腔；(3)减少了界面磨损微粒的来源。结合骨溶解发生的机制和无柄人工髋关节生物固定的特点，笔者认为无柄人工髋关节能够有效防止或减少骨溶解的发生。
2.3 无柄人工髋关节延长假体的使用寿命及减小后期翻修术的难度 全髋关节置换术是治疗严重髋关节疾病的一种有效手段，但因假体松动、感染、脱位等原因需行关节翻修是临床上常见的难题，特别是低龄全髋置换患者，因人工关节本身存在有限的使用寿命，一般在15～20年，因此必然面临后期翻修的难题。随着全髋置换的适应证进一步低龄化，翻修术将会进一步增加。胡如印等[9]报道的一组全髋置换病例平均年龄仅36.5岁。近期在美国进行的全髋置换病例中，翻修术占10％；Stulberg等[10]报告在对股骨头缺血坏死行全髋置换手术后，21％在术后平均7.3年就进行了翻修术。因此，如何减小后期翻修术的难度，保证翻修术后髋关节功能的恢复，提高生活质量，是骨科医师在为患者特别是低龄患者施行首次全髋置换时就应该考虑的因素之一。一般认为，假体异常应力越少，松动的可能性就越小；Noble PC等[11]在传统假体的研究中认为，假体柄在髓腔内位置越中心化，使用寿命就越长；这就说明人工关节越接近自然解剖生理，异常应力就越少，使用寿命就越长，无柄人工髋关节正好具有这一优点。钱齐荣等[12]亦认为，该技术保留了全部的股骨颈及部分股骨头，从而使股骨近端的力学传导更接近自然生理，利于假体生物固定和延长假体的使用寿命，即使需要再次翻修，由于股骨颈得到了保留，二次翻修手术依然可以使用目前常用的插人式人工髋关节假体置换，因而使翻修术的操作明显简化，预期效果将比目前常规髋关节置换术后翻修效果要好。
3 无柄人工髋关节的临床应用研究
3.1 无柄人工髋关节优点 林月秋等[18]行40例46髋无柄人工髋关节置换术，术后随访观察6～48个月，临床疗效满意。笔者分析认为，无柄人工髋关节适合年轻患者，保留了股骨颈并且不破坏股骨上端髓腔，应力遮挡小、稳定性好，不易松动。苏光辉等报道了无柄人工髋关节置换术54例，同样得出无柄人工髋关节能有效减少出血、感染、异物反应以及松动、下沉等并发症。其他的回顾性分析也得出无柄人工髋关节的设计更符合生物学特性，能有效减少并发症[10-12]。通过以上短、中期随访报道，可以看出，无柄人工髋关节和传统的有柄人工髋关节相比，具有以下特点：(1)保留股骨颈即保留了患者自身的颈干角和前倾角，股骨颈血液供应保留完好，为维持良好的生理力学传导特点和假体的生物固定提供了解剖学基础；(2) 扩大了年龄适应证，对于高龄体弱患者以及年轻患者同样适用；(3) 手术无需扩髓，创伤小，出血少，减少了脂肪栓塞、感染的发生；(4) 减少了骨质吸收、骨溶解导致的假体松动、下沉、股骨干骨折，降低翻修率；(5) 和传统的有柄髋关节置换系统相兼容，如需翻修，操作相对简单，预期效果良好。
3.2 颈干角在无柄髋关节置换术中的作用 假体颈干角增加，偏心距减少，则载荷的弯矩效应较少，使得假体应力水平降低，减少了假体颈部断裂破坏的可能性。但颈干角过大也造成股骨近端应力水平明显降低，加重应力遮挡。而且偏心距减少使得外展肌力臂减少，不利于肢体外展功能的恢复，还会影响术后髋关节的活动范围，加大髋关节脱位的风险。DHS定位器在股骨头不规则的无柄髋关节置换术中的应用 对于股骨头不规则如变形或过大的患者，常规无柄髋关节置换时，利用“香槟扣”无法准确判定中心点位置，根据经验来判定后者常导致术后颈干角的偏差[2,3]。而本组采取术前在X线片上找到股骨头中心，再利用135°DHS定位器定位技术结合术中X线打入股骨头中心钉方法，能准确地进行定位，保证术后颈干角在手术要求的范围内。
参考文献：
[1] 钱本文. 二十一世纪人工髋关节发展的新趋势[J]. 中国骨科杂志, 2005, 3: 12- 16
[2] Tai C L, Lee M S, Chen W P, et al. Biomechanical comparison of newly designed stemless prosthesis and conventional hip prosthesis: an experimental study [J]. Bio Medical Materials and Engineering, 2005, 15: 239-249.
[3] 费琴明, 洪水棕, 陈统一, 等.无柄解剖形人工髋关节生物力学实验研究[J]. 生物医学工程杂志, 2005, 22(1):104-107.
[4] 陈精一. 无病人工髋关节植入有限元分析[A]//国际股骨头坏死及髋关节置换学术会论文汇编[C]. 西安: [出版者不详], 2001: 4.10-15
[5] Munting E, Smitz R. Effect of a stemless femoral implant for total hip arthroplasty on the bone mineral density of the proximal femur [J]. The Journal of Arthroplasty, 1997, 4(12):373-379.
[6] Morelane J R．Bemstein M L．Femoral revision hip arthroplasty with uncemented porouscoated stem [J]. Clin Orthop Relat Res, 2001, 319(8):141-150.
[7] Chamley J. Low friction arthroplasty of the hip. Theory and practice [M]. Berlin: Springer, 1979:3-15.
[8] 钱齐荣, 苟三怀, 黄国富, 等. 新型无柄人工髋关节生物固定的实验研究[J].第二军医大学学报, 2000, 21(7): 689-692.
[9] 胡如印，田晓滨，邱冰，等．人工髋关节置换术治疗青年髋关节疾病的价值探讨[J]. 贵州医药, 2004, 28: 1091～1092.
[10] Stulberg BN, Singer R, Goldner J, et a1. Uncemented total hip arthropl in osteonecrosis. A 2-10 year evalution [J]. Clin Orthop, 1997, 334: 116～123.
[11] Noble PC, Collier MB, Maltry JA, et al. Pressurization and centralization enhance the quality and reproducibility of cement mantles[J]. Clin Orthop, 1998, 355: 77—89.
[12] 钱齐荣, 苟三怀, 吴宇黎, 等. 新型无柄人工髋关节生物固定的实验研究[J].第二军医大学学报, 2000, 21:689～692.