收稿日期2021-12-15本文編輯：鄭昭引用本文：郭衛(wèi).腫瘤型人工關(guān)節(jié)假體的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)化策略[J].中華解剖與臨床雜志,2022,27(3):129-137.DOI:10.3760/cma.j.cn101202-20211215-003

收稿日期 2021-12-15

本文編輯：鄭昭

引用本文：郭衛(wèi). 腫瘤型人工關(guān)節(jié)假體的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)化策略[J]. 中華解剖與臨床雜志, 2022, 27(3): 129-137. DOI: 10.3760/cma.j.cn101202-20211215-00377.

骨原發(fā)腫瘤總體發(fā)病率雖不高，但常造成患者肢體殘疾甚至危及生命。惡性骨腫瘤保肢治療的概念在過去的 40 年中逐漸發(fā)展成熟。保肢手術(shù)主要包括受累骨瘤段的完整切除和骨缺損的重建。在過去的40年里，美國和歐洲各國的骨腫瘤診療中心使用了各種各樣的重建技術(shù)，對(duì)骨腫瘤切除后肢體進(jìn)行重建。通過對(duì)不同重建方法的中長期隨訪結(jié)果進(jìn)行比較，金屬腫瘤型人工關(guān)節(jié)由于術(shù)后即刻穩(wěn)定、術(shù)后短期及長期功能滿意等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為保肢術(shù)后功能重建的首選。雖然人工關(guān)節(jié)假體經(jīng)過了40余年的發(fā)展，但其感染、松動(dòng)、折斷等并發(fā)癥仍是影響臨床應(yīng)用效果的嚴(yán)重問題，也是目前尚沒有很好解決的技術(shù)難題。

骨腫瘤切除后骨缺損范圍較大，較普通關(guān)節(jié)假體周圍更易形成較大的殘腔，再加上手術(shù)時(shí)間長、圍手術(shù)期間化療等因素，使得腫瘤型人工關(guān)節(jié)較普通人工關(guān)節(jié)有著更高的感染率。5年之內(nèi)腫瘤型人工關(guān)節(jié)假體周圍感染率高達(dá)20%以上［1-2］ 。感染是腫瘤型人工關(guān)節(jié)臨床應(yīng)用中最嚴(yán)重的并發(fā)癥，不但治療困難、治療效果差，而且對(duì)患肢功能及患者的生活質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，1/3~1/4的腫瘤型人工關(guān)節(jié)假體周圍感染患者最終選擇截肢的方法來控制感染。腫瘤型人工關(guān)節(jié)感染治療困難的主要原因是感染后形成具有高抗藥性的生物膜，即使全身應(yīng)用大劑量抗生素，在病灶局部組織中亦難以達(dá)到有效的抗生素濃度，感染久治難愈，最終導(dǎo)致假體取出甚至反復(fù)感染不得不進(jìn)行截肢。

腫瘤型人工關(guān)節(jié)的無菌性松動(dòng)是影響人工關(guān)節(jié)使用壽命和遠(yuǎn)期療效常見的并發(fā)癥，也是導(dǎo)致假體手術(shù)失敗的常見原因之一。研究表明，無菌性松動(dòng)是多因素相互作用的，既有機(jī)械因素（假體磨損、微動(dòng)、應(yīng)力遮擋、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等），又有生物因素（慢性炎癥反應(yīng)、骨溶解相關(guān)細(xì)胞因子釋放和酶類激活等）［3］。嚴(yán)重的假體松動(dòng)不僅需要多次翻修手術(shù)，而且患者骨量的嚴(yán)重丟失也會(huì)給肢體功能造成很大影響。腫瘤型人工關(guān)節(jié)由于缺損段較長、假體較重，髓內(nèi)固定長度有時(shí)受到自體骨長度的影響，并且患者較為年輕，基礎(chǔ)活動(dòng)水平較高，這些因素均是造成假體松動(dòng)的主要原因。另外，腫瘤型人工關(guān)節(jié)由于缺損段較長，假體柄固定容易產(chǎn)生應(yīng)力集中及應(yīng)力遮擋，導(dǎo)致骨溶解及松動(dòng)。使用骨水泥固定的腫瘤型人工關(guān)節(jié)會(huì)產(chǎn)生骨水泥顆粒，骨水泥破碎會(huì)產(chǎn)生磨屑，假體-骨水泥、骨-骨水泥界面的降解和剝離也會(huì)產(chǎn)生磨屑。表面多孔處理的人工假體可以促進(jìn)骨的長入，進(jìn)而促進(jìn)骨-假體界面的封閉，阻止磨屑顆粒 和細(xì)胞因子的遷移。羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）廣泛應(yīng)用于假體柄上，HA涂層具有骨誘導(dǎo)性，可以促進(jìn)假體周圍的骨生成，增加骨和假體的整合強(qiáng)度［4］。

近20年來，雖然腫瘤型人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用已趨于成熟，但相應(yīng)的并發(fā)癥一直沒有得到較好地解決，臨床應(yīng)用效果遭遇瓶頸。在如何改進(jìn)腫瘤型關(guān)節(jié)、降低使用并發(fā)癥方面，有些是可以借鑒普通關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，但是，腫瘤型人工假體重建的缺損范圍、固定方式、材料性能、周圍軟組織特點(diǎn)決定了自身的特殊性。近年來，生物材料、表面處理和生物力學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的進(jìn)展已經(jīng)為腫瘤型人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

骨科內(nèi)植物與周圍骨組織之間的生物活性結(jié)合是近10年來腫瘤型人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其關(guān)鍵是生物材料表面必須具備骨誘導(dǎo)的生物活性。利用物理沉積、溶膠-凝膠、電化學(xué)沉積以及生物仿生等技術(shù)，在關(guān)節(jié)鈦金屬表面涂覆具備生物活性的生物陶瓷涂層、HA、鈦顆粒、鉭金屬顆粒等，是提高鈦金屬生物活性的有效手段之一。生物型髖關(guān)節(jié)通過對(duì)其表面進(jìn)行適當(dāng)處理，形成一層生物涂層，使其具有耐磨性及生物相容性，可增加骨生長速度、縮短術(shù)后恢復(fù)時(shí)間、降低微動(dòng)引起的假體周圍產(chǎn)生纖維組織層的危險(xiǎn)性，已經(jīng)成為髖關(guān)節(jié)假體中的主流。目前預(yù)防生物涂層脫落的措施有：（1）涂層制備工藝的低溫化；（2）涂層顆粒納米化；（3）功能梯度涂層設(shè)計(jì)；（4）將涂層噴涂于粗糙的金屬假體表面提高其結(jié)合強(qiáng)度；（5）廣泛涂層取代局部涂層等。

針對(duì)腫瘤型人工關(guān)節(jié)假體臨床應(yīng)用中的松動(dòng)、斷裂及感染等并發(fā)癥，如何通過改進(jìn)腫瘤型人工關(guān)節(jié)的表面涂層、應(yīng)用抗菌處理技術(shù)降低假體感染率，如何通過優(yōu)化假體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)固定方式降低假體松動(dòng)率及機(jī)械并發(fā)癥，是目前研究的主要方向。

腫瘤型人工關(guān)節(jié)在歷經(jīng)了 40 余年的應(yīng)用之后，以鈦合金與鈷鉻鉬合金為結(jié)構(gòu)性材料的人工關(guān)節(jié)已經(jīng)在臨床上得到了充分的驗(yàn)證。醫(yī)用鈦合金（Ti6Al4V）是目前人工關(guān)節(jié)使用的主要合金。它是由不同結(jié)構(gòu)的晶體組成的一種雙相材料，具有高強(qiáng)度和高抗疲勞性，與其他合金相比具有低彈性模量優(yōu)勢。Ti6Al4V的彈性模量大約是鈷鉻鉬（CoCrMo）合金的一半，這有利于假體周圍骨骼的應(yīng)力分擔(dān)，減少應(yīng)力遮擋導(dǎo)致的骨吸收。兩者相比，Ti6Al4V合金生物相容性、抗疲勞能力更佳，而CoCrMo合金機(jī)械強(qiáng)度、耐磨損能力更強(qiáng)，兩種合金的結(jié)合為腫瘤型人工關(guān)節(jié)的制造提供了優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性材料［5-7］。

由于 Ti6Al4V 合金的抗磨損能力較低，而摩擦系數(shù)較高，通常不用作關(guān)節(jié)面的材料。CoCrMo合金和陶瓷材料比Ti6Al4V合金更適合用于關(guān)節(jié)面的制造。腫瘤型人工關(guān)節(jié)假體主要由 CoCrMo合金的股骨遠(yuǎn)端、Ti6Al4V 合金的脛骨平臺(tái)和髓腔桿以及聚乙烯（polyethylene，PE）的襯墊構(gòu)成。CoCrMo和Ti6Al4V兩種合金材料構(gòu)成的假體具有優(yōu)良的抗磨損性能和力學(xué)強(qiáng)度，植入后可以使患者獲得即刻的關(guān)節(jié)穩(wěn)定。然而，作為骨腫瘤關(guān)節(jié)置換使用的內(nèi)植物假體，它還存在一些不足之處。第一，CoCrMo合金，所制備的假體質(zhì)量過大（密度8.9 g/cm3 ），會(huì)加大周圍骨質(zhì)的負(fù)荷，有可能會(huì)導(dǎo)致術(shù)后骨折和增加磨損；第二，CoCrMo 合金在磨損過程中產(chǎn)生的金屬顆粒會(huì)引起周圍組織的炎癥反應(yīng)和骨溶解。由于腫瘤型人工關(guān)節(jié)假體與人體組織接觸面積更大、承受的機(jī)械應(yīng)力也比普通人工關(guān)節(jié)成倍增加，所以腫瘤型人工關(guān)節(jié)的機(jī)械強(qiáng)度及生物相容性要求更高。

由于腫瘤型人工關(guān)節(jié)體積較普通人工關(guān)節(jié)體積成倍增加，假體植入后會(huì)造成患側(cè)肢體的質(zhì)量顯著增加。骨腫瘤術(shù)后患者一般會(huì)有肌肉、韌帶的缺如和功能喪失，假體質(zhì)量過大則增加了假體的機(jī)械失敗率。但是，在通過中空的假體設(shè)計(jì)降低假體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)周圍軟組織長入，提高假體的生物相容性為腫瘤型人工關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

雖然合金材料的抗疲勞、耐磨損能力較好，但兩者的生物相容性尤其是骨組織相容性并不令人滿意。首先，CoCrMo合金密度過大，所制備的假體質(zhì)量過大，會(huì)加速周圍骨質(zhì)的負(fù)荷。其次，作為金屬材料，CoCrMo合金和Ti6Al4V合金一樣，當(dāng)放射線照射在其表面后會(huì)發(fā)生散射，產(chǎn)生金屬偽影。碳纖維增強(qiáng)型聚醚醚酮（carbon fiber-reinforced polyetheretherketone，CFR-PEEK）目前已被成功應(yīng)用于骨科內(nèi)植物制造領(lǐng)域。CFR-PEEK材料具有良好的力學(xué)強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、屈服應(yīng)力、沖擊強(qiáng)度）和生物安全性，與金屬相比還具有更低的密度和更匹配的彈性模量：一方面，降低了內(nèi)植物的質(zhì)量、減輕了宿主骨的負(fù)擔(dān)；另一方面，其與宿主骨相近的彈性模量（約 3.8 GPa）可有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)。因此，CFR-PEEK 作為骨腫瘤假體的制作材料具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，CFR-PEEK 材料的優(yōu)良透光性能在骨科尤其是骨腫瘤領(lǐng)域，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。排除了金屬偽影的干擾可以幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)早期的腫瘤復(fù)發(fā)；而且，解決了射線折射的問題后，骨科醫(yī)生可以更準(zhǔn)確地判斷放療的劑量，周圍組織也能得到了更好地保護(hù)。CFR-PEEK材料的出現(xiàn)也為解決 CoCrMo合金假體金屬離子釋放的問題提供了一個(gè)非常好的替代方案（圖1）。

圖1動(dòng)物（山羊）體內(nèi)實(shí)驗(yàn)用的聚醚醚酮（CFR-PEEK）材料制作的腫瘤關(guān)節(jié)假體

早期用于腫瘤切除后大段骨缺損重建的腫瘤型人工假體是定制式假體（custom-made endoprosthesis），即根據(jù)術(shù)前影像學(xué)檢查結(jié)果確定假體尺寸規(guī)格，再交由工廠量體裁衣，這一過程常需要數(shù)周時(shí)間。但隨著手術(shù)數(shù)量的增多，術(shù)前等待時(shí)間長、術(shù)中難以調(diào)整尺寸或更改手術(shù)方案等原因，定制式假體逐漸不能滿足臨床的需要。此外，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)生物力學(xué)認(rèn)識(shí)方面存在欠缺，假體柄折斷等機(jī)械性失敗的發(fā)生率并不低。若翻修假體，則需要將整個(gè)假體全部翻修，而不僅僅是翻修折斷的假體柄。多種因素的促使下，假體廠商逐漸開始預(yù)先制作不同規(guī)格不同大小的定制式人工假體，在手術(shù)時(shí)按需要選擇；隨后進(jìn)一步發(fā)展為預(yù)先制作假體模塊，在術(shù)中按需組裝成完整假體。在假體各模塊間采用莫氏錐度配合，滿足精確匹配的同時(shí)，又方便拆卸，由此組配式假體（modular endoprosthesis）誕生了。該設(shè)計(jì)能較好地滿足患者的個(gè)體差異，術(shù)前無需刻意等待假體生產(chǎn)，假體損壞時(shí)也僅需翻修發(fā)生損壞的假體模塊［8］。傳統(tǒng)定制式腫瘤型人工關(guān)節(jié)在近30年來已經(jīng)逐漸被組配式腫瘤型人工關(guān)節(jié)取代。

早期定制型膝關(guān)節(jié)假體多為單純鉸鏈型（simple hinge），即股骨和脛骨組件通過單一鉸鏈軸連接，僅使膝關(guān)節(jié)在矢狀面上做屈伸運(yùn)動(dòng)，重建膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，但隨訪發(fā)現(xiàn)無菌性松動(dòng)發(fā)生率較高。隨著研究者對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)認(rèn)識(shí)的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)在屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)股骨和脛骨還伴有水平面的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。據(jù)此改進(jìn)設(shè)計(jì)并出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)侥[瘤膝關(guān)節(jié)假體（rotating-hinge），該設(shè)計(jì)更加仿生，集中于假體柄-骨界面的大部分旋轉(zhuǎn)力被旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所吸收（圖2）。

圖2組配式旋轉(zhuǎn)鉸鏈型膝關(guān)節(jié)假體

無菌性松動(dòng)假體和假體的機(jī)械性失敗仍然是假體失敗的主要原因。假體的鉸鏈型剛性鏈接是導(dǎo)致假體松動(dòng)和機(jī)械性失敗的重要因素。郭衛(wèi)團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)鉸鏈型膝關(guān)節(jié)假體在臨床應(yīng)用中的并發(fā)癥問題進(jìn)行了深入研究，研發(fā)了雙動(dòng)型人工膝關(guān)節(jié)假體，旨在降低鉸鏈型連接的膝關(guān)節(jié)假體的并發(fā)癥。該假體由于采用了旋轉(zhuǎn)軸的半球狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在假體屈曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于球窩的運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到泄力的作用，明顯降低了膝關(guān)節(jié)活動(dòng)過程中對(duì)關(guān)節(jié)假體柄的應(yīng)力集中，理論上可以有效降低假體柄的折斷及松動(dòng)的發(fā)生率。臨床上使用短期隨訪效果良好（圖3、4），長期使用結(jié)果還在隨訪中。該型膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)在2015年獲得國家發(fā)明專利。

2021年，郭衛(wèi)等［9］針對(duì)兒童患者設(shè)計(jì)了非鉸鏈型（仿生型）兒童膝關(guān)節(jié)假體，在盡量減少兒童保肢治療后的肢體不等長的前提下，設(shè)計(jì)一款既能避免關(guān)節(jié)置換造成的關(guān)節(jié)對(duì)側(cè)骨骺生長受阻，又能降低兒童全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率的股骨遠(yuǎn)端腫瘤型假體。

膝關(guān)節(jié)假體柄發(fā)生折斷和松動(dòng)的主要原因是假體柄和骨之間界面的應(yīng)力過大。目前，臨床廣泛采用的旋轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)郊袤w在膝關(guān)節(jié)活動(dòng)過程中會(huì)對(duì)股骨和脛骨柄產(chǎn)生較大應(yīng)力，長期大量活動(dòng)容易導(dǎo)致假體松動(dòng)、折斷，往往需要行人工膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)。尤其是兒童和青少年患者，由于其膝關(guān)節(jié)活動(dòng)量大，以及骨骼的進(jìn)一步生長，假體更容易提前松動(dòng)；同時(shí)，由于兒童假體的柄通常較細(xì)，容易出現(xiàn)假體柄折斷。如何將膝關(guān)節(jié)假體運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)假體柄產(chǎn)生的應(yīng)力泄于關(guān)節(jié)腔內(nèi)，是降低假體并發(fā)癥的最重要因素。解決該問題的關(guān)鍵步驟是消除膝關(guān)節(jié)假體的鉸鏈型結(jié)構(gòu)，將剛性結(jié)構(gòu)改為柔性結(jié)構(gòu)?；诜律鷮W(xué)原理，該膝關(guān)節(jié)假體通過將剛性固定的鉸鏈?zhǔn)竭B接方式改為柔性連接固定的設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)重建的同時(shí)，克服了鉸鏈?zhǔn)较リP(guān)節(jié)假體對(duì)股骨及脛骨應(yīng)力集中的缺點(diǎn)，有效降低了發(fā)生假體的松動(dòng)及斷裂的可能性，延長了假體的使用壽命（圖 5、6）。

仿生型兒童膝關(guān)節(jié)假體的設(shè)計(jì)創(chuàng)新主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：（1）假體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。關(guān)節(jié)的連接采用人工韌帶穿過假體上預(yù)先制備好的孔道重建交叉韌帶及側(cè)副韌帶的仿生設(shè)計(jì)，可以在關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)將假體柄的應(yīng)力降為零，有效降低假體柄的松動(dòng)、折斷率，同時(shí)還具備可靠的關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。（2）脛骨PE襯墊為向后傾斜45°斜坡式、深盤型防過伸設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了假體的初始穩(wěn)定性；脛骨襯墊采用前穩(wěn)定型設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)面向前延伸4 mm，增加了關(guān)節(jié)面的包裹面積，進(jìn)一步加強(qiáng)了假體的穩(wěn)定性。（3）脛骨平臺(tái)骨結(jié)合界面采用金屬骨小梁多孔結(jié)構(gòu)，有利于骨長入。（4）直徑9 mm細(xì)柄、保留患者脛骨側(cè)的骨生長功能。這樣的仿生設(shè)計(jì)可以在關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)將假體柄的應(yīng)力降為零，長期使用情況下，可以有效降低假體柄的松動(dòng)、折斷率。

圖3 雙動(dòng)型人工膝關(guān)節(jié)假體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3A 假體結(jié)構(gòu)示意圖 3B 假體實(shí)物圖

圖4 患兒男，5歲，左股骨遠(yuǎn)端骨肉瘤，瘤段切除后行雙動(dòng)型人工關(guān)節(jié)置換術(shù) 4A 術(shù)前左膝關(guān)節(jié)正位X線片 4B 術(shù)中假體置換 4C 術(shù)后左膝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片

圖5 仿生型兒童人工膝關(guān)節(jié)假體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5A 假體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 5B 聚乙烯襯墊實(shí)物圖 5C 脛骨側(cè)假體實(shí)物圖

圖6 患兒男，7 歲，左股骨遠(yuǎn)端骨肉瘤，行瘤段切除、仿生型人工關(guān)節(jié)置換術(shù) 6A 術(shù)前左股骨正位X線片 6B 術(shù)中假體置換 6C 術(shù)后左膝關(guān)節(jié)正位X線片

傳統(tǒng)骨科內(nèi)植物的固定方式有水泥固定和生物固定。假體的固定方式直接決定假體的持久性，固定方式不合理將直接導(dǎo)致無菌性松動(dòng)發(fā)生。

生物固定和骨水泥固定方式均能為假體提供堅(jiān)強(qiáng)固定，但又都有一定的松動(dòng)概率。這是因?yàn)樯锕潭ㄐ图袤w柄周圍應(yīng)力遮擋和骨質(zhì)溶解所致，而骨水泥固定型假體常在假體柄和骨水泥界面形成松動(dòng)區(qū)域。目前，尚無隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)或循證醫(yī)學(xué)證據(jù)對(duì)比哪種固定更優(yōu)。水泥型固定方式可能更便于翻修手術(shù)時(shí)假體取出，而生物學(xué)固定方式一旦假體與骨界面發(fā)生骨整合，則很難將假體柄取出。腫瘤型單純鉸鏈?zhǔn)蕉ㄖ萍袤w應(yīng)用早期采用骨水泥固定的患者較多，骨水泥固定假體曾一度被認(rèn)為有更高的松動(dòng)率和假體周圍感染率［10］ 。隨著旋轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)郊袤w的廣泛應(yīng)用，有研究顯示，由于在骨-假體或水泥-假體界面的應(yīng)力明顯降低，其松動(dòng)率大幅下降［11］ 。近年研究多集中在對(duì)假體設(shè)計(jì)的改進(jìn)以及新的固定技術(shù)的開發(fā)。有學(xué)者認(rèn)為，骨水泥固定假體使用中會(huì)產(chǎn)生微小的骨水泥碎屑，這些碎屑常導(dǎo)致假體周圍感染和松動(dòng)的發(fā)生［12］。Ward等［13］在假體體部和假體柄交接部進(jìn)行多孔涂層處理，更利于軟組織附著和皮質(zhì)外骨橋形成，在生物固定的同時(shí)阻擋髓腔內(nèi)骨水泥碎屑的溢出，減少假體松動(dòng)的發(fā)生。現(xiàn)代的觀念認(rèn)為，在行假體植入手術(shù)時(shí)，對(duì)髓腔擴(kuò)髓應(yīng)擴(kuò)至與假體柄粗細(xì)相同的尺寸，再使用骨水泥填充假體與骨骼之間的微小間隙，在保留更多骨量的同時(shí)可以使用直徑更粗的假體柄，以獲得堅(jiān)強(qiáng)的固定。在水泥柄固定過程中，要注意以下事項(xiàng)：（1）擴(kuò)髓時(shí)一定要盡量去除髓腔內(nèi)松質(zhì)骨，使骨水泥能夠直接與皮質(zhì)骨結(jié)合；（2）水泥注入髓腔前一定要放置排氣管，在水泥注入髓腔過程中，逐漸將髓腔內(nèi)氣體及血液排除髓腔外，使得骨水泥能夠充滿髓腔內(nèi)；（3）拔出排氣管后，應(yīng)進(jìn)一步向髓腔內(nèi)擠壓水泥，使之壓入髓腔內(nèi)尚存的松質(zhì)骨骨小梁內(nèi)，再用力插入假體柄。

3.2.1 骨長入表面涂層

理論上，生物固定型假體主要依靠緊壓配合技術(shù)與粗糙多孔或幾何表面的骨結(jié)合來達(dá)到假體的初始和遠(yuǎn)期穩(wěn)定，因此，假體表面經(jīng)過多種處理后能夠改善骨與假體之間的結(jié)合，增加假體的穩(wěn)定性。

人工關(guān)節(jié)的表面材料需要具備理化毒性弱、生物相容性好、抗感染、強(qiáng)度大、耐磨損等基本特性。根據(jù)表面材料的覆蓋部位不同，對(duì)材料本身的屬性也有不同的要求，比如：與骨骼接觸的部分，需要具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，微觀結(jié)構(gòu)要有利于骨質(zhì)長入；與軟組織接觸的部分，則需要盡可能把理化毒性降到最低，減輕局部炎性排異反應(yīng)發(fā)生，最大限度提高抗感染能力；與關(guān)節(jié)面接觸的部分，表面材料還需要具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨損性能。因此，實(shí)際使用中對(duì)表面材料的性能要求很高。

多孔表面結(jié)構(gòu)也是金屬人工關(guān)節(jié)表面處理的一種重要方法。一般為了簡化加工工藝，多孔表面結(jié)構(gòu)多與人工關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)性材料相同。以鈦合金為例，應(yīng)用最為廣泛的 Ti6Al4V 合金加工工藝較為成熟，表面結(jié)構(gòu)處理的微觀效果卻千差萬別：孔徑過于疏松不但不能充分誘導(dǎo)骨組織長入，還會(huì)降低人工關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；孔徑過于密實(shí)則會(huì)完全阻止骨組織長入。表面結(jié)構(gòu)牢固可以減少破碎材料顆粒對(duì)周圍組織的毒性反應(yīng)；表面結(jié)構(gòu)疏松則會(huì)加重脫落材料顆粒的毒性反應(yīng)。目前，HA是在臨床上應(yīng)用最為廣泛的一種人工關(guān)節(jié)表面噴涂材料［14］。HA除了與軟組織生物相容性較好之外，HA表面噴涂在理論上還有助于金屬假體周圍的骨長入發(fā)生，所以，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于非骨水泥方法固定的人工關(guān)節(jié)。然而，長期隨訪結(jié)果表明，現(xiàn)有的生物固定型假體仍存在相對(duì)較高的無菌性松動(dòng)率，而且大部分多孔表面噴涂的假體其骨長入范圍及程度均有限，不僅與噴涂HA的孔隙率有關(guān)，更重要的是噴涂HA 表面的厚度不夠。相比于 HA 噴涂的骨長入效果來看，似乎使用鈦漿噴涂燒結(jié)的技術(shù)能夠使骨長入的效果更好。另外，鉭金屬棒用于股骨頭壞死修復(fù)也在臨床上得到應(yīng)用。由于膝關(guān)節(jié)的原發(fā)惡性骨腫瘤多發(fā)生于青少年，而非骨水泥固定方法理論上可以降低遠(yuǎn)期假體松動(dòng)的發(fā)生率，所以，HA噴涂技術(shù)可能更適用于人工關(guān)節(jié)的長骨髓腔內(nèi)固定。HA的表面噴涂工藝也是該技術(shù)應(yīng)用的一大難點(diǎn)。

生物活性陶瓷是一種具有骨傳導(dǎo)活性的陶瓷支架，成骨可發(fā)生在陶瓷表面。磷酸鈣基生物活性陶瓷是迄今為止骨傳導(dǎo)活性最高的生物陶瓷［15-16］，其中，HA和磷酸三鈣最具應(yīng)用前景。通過等離子體噴霧技術(shù)使HA附著于假體表面，經(jīng)HA表面涂層處理的人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，周圍骨組織能很快直接沉積在 HA 表面，并與 HA 的鈣、磷離子形成化學(xué)鍵而結(jié)合緊密，實(shí)現(xiàn)腫瘤假體重建后周圍軟組織貼附，降低周圍殘腔形成，降低感染發(fā)生率。由于各種表面材料屬性迥異，尚不能確定哪種材料最為優(yōu)越，所以，針對(duì)腫瘤型人工關(guān)節(jié)不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作，并驗(yàn)證不同表面材料的優(yōu)劣才是最需要解決的問題。

鉭（Ta）是一種耐高溫、延展性好、抗化學(xué)腐蝕的金屬材料［17］。近20年來，有關(guān)鉭金屬生物安全性的研究有了比較完整的系列報(bào)道［18-19］，與臨床應(yīng)用最為廣泛的 Ti6Al4V 合金相比，Ta具有不遜色的生物相容性。Fernández-Fairen 等［20］將61例頸前路減壓融合術(shù)的患者隨機(jī)分為2組（28 例患者使用Zimmer 公司的多孔 Ta 進(jìn)行椎間融合，外33例利用自體髂骨復(fù)合前路鋼板融合），經(jīng)過2年的隨訪發(fā)現(xiàn)，2組治療效果相當(dāng)，都獲得了良好的融合效率和較少的并發(fā)癥。此外，多孔Ta植入物在治療髖關(guān)節(jié)疾病方面也取得了較好的臨床結(jié)果［21］。

除了優(yōu)秀的生物相容性外，Ta被骨科醫(yī)生廣泛關(guān)注的還有其促進(jìn)骨再生的生物活性。Ta 雖然具有優(yōu)異的生物活性，但是力學(xué)性能上的缺陷一直是限制其應(yīng)用的主要原因：首先，Ta的密度高達(dá)16.654 g/cm3（鈦合金的密度為 4.4 g/cm3）。因此，由Ta 制備的假體過重，在植入后對(duì)宿主骨的負(fù)擔(dān)較重。尤其是腫瘤型的人工關(guān)節(jié)，宿主骨量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通關(guān)節(jié)，所以過重的假體導(dǎo)致植入后的即刻穩(wěn)定性受影響，加重假體周圍骨量丟失。其次，Ta的彈性模量高達(dá)186~191 GPa，與人體骨骼（3~ 20 GPa）相差甚遠(yuǎn)，彈性模量不匹配會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力遮擋效應(yīng)，加快骨磨損和假體疲勞，不利于假體的遠(yuǎn)期穩(wěn)定。但是，通過制備涂層的方法可以很好地利用Ta的生物活性，并且對(duì)人工假體的力學(xué)特性幾乎不產(chǎn)生影響。目前，Zimmer公司的Ta涂層產(chǎn)品已經(jīng)在臨床上取得了較為成功的長期隨訪結(jié)果。另外，通過多孔結(jié)構(gòu)來增加 Ta 假體的力學(xué)適配性。最初通過化學(xué)酸蝕、機(jī)械加工等手段制備的多孔Ta內(nèi)植物有效降低了彈性模量和假體的質(zhì)量。鏤空的多孔結(jié)構(gòu)有利于再生骨組織長入假體內(nèi)部，并在假體表面形成牢固的骨整合，這大大增加了假體的遠(yuǎn)期穩(wěn)定性和使用壽命。隨著制備技術(shù)的進(jìn)步，空間結(jié)構(gòu)不規(guī)則、連通性不好等問題也暴露出來。連通性保證了骨長入的深度和骨整合的牢固程度。因此，3D打印技術(shù)就順理成章成為解決連通性問題的“金鑰匙”。

Ta金屬的3D打印技術(shù)相較于鈦合金起步較晚。主要是由于Ta金屬的熔點(diǎn)高達(dá)2996℃，對(duì)打印機(jī)的要求非常嚴(yán)苛，同樣嚴(yán)苛的還有Ta粉的制粉標(biāo)準(zhǔn)。具有規(guī)則空間結(jié)構(gòu)和良好連通性的3D打印Ta內(nèi)植物是有利于提高骨整合效率的［22］。從力學(xué)角度分析，3D打印技術(shù)將 Ta 金屬的孔隙率提高的80% 以上便可以確保內(nèi)植物具有非常好的力學(xué)適配性（主要涉及質(zhì)量和彈性模量方面）。

近年來，3D打印快速成型技術(shù)在骨科領(lǐng)域得到了普遍的推廣和應(yīng)用。3D 打印技術(shù)正逐漸成為解決人工假體與骨的界面整合的技術(shù)突破口。在基礎(chǔ)研究方面，3D打印技術(shù)材料與傳統(tǒng)金屬材料的屬性差異得到了進(jìn)一步全面評(píng)價(jià)［23］；3D打印技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)植物表面涂層處理的研究也是層出不窮［24-27］。近年來，3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的最大進(jìn)展應(yīng)屬人工金屬假體的設(shè)計(jì)制造，其中最主要的突破莫過于人體負(fù)重骨缺損的金屬假體快速成型。負(fù)重骨不同于一般上肢帶骨，其在正常生理狀態(tài)下需要承擔(dān)一定重量，這對(duì)假體自身強(qiáng)度就提出了相應(yīng)要求。此外，負(fù)重骨缺損時(shí)要求假體不但能填補(bǔ)缺損，還可以長期牢固固定，這對(duì)假體的生物相容性和骨長入能力又提出了更高要求。一般而言，基于電子束熔融技術(shù)和選擇性激光熔融的鈦合金 3D打印技術(shù)已基本能夠滿足以上要求。

3.2.2 抗感染表面涂層

假體周圍感染是目前文獻(xiàn)報(bào)道中最常見、對(duì)假體威脅最大的并發(fā)癥，是繼局部腫瘤復(fù)發(fā)導(dǎo)致保肢術(shù)后截肢的第二位原因［28］。一般控制假體周圍感染的方法就是取出假體進(jìn)行曠置，待確認(rèn)感染控制后，行二次手術(shù)重新置換關(guān)節(jié)。即使這樣，二期曠置控制感染的成功率也僅有70%左右。目前，很多研究側(cè)重于假體自身抗菌性能的研究，如混合抗生素骨水泥，抗生素涂層、抗生素緩釋劑等［29］。Furno 等［30］研究發(fā)現(xiàn)，銀離子因其強(qiáng)氧化性被證明具有良好的抗菌活性。此外，銀離子與鈦合金具有良好的相容性，與目前假體表面使用的HA涂層也能良好相容，且對(duì)骨長入無影響。Ghani等［31］ 觀察到，將銀離子鍍層復(fù)合鈦合金后，銀離子通過自鈍化過程在假體表現(xiàn)形成一層抗腐蝕膜，具有較好的抗假體周圍感染的能力。研究顯示，在假體表面進(jìn)行碘離子的噴涂有效降低了假體的感染率［32-33］。

腫瘤型人工關(guān)節(jié)感染后，在假體周圍可能形成具有高抗藥性的生物膜，即使全身應(yīng)用大劑量抗生素，在病灶局部組織中亦難以達(dá)到有效的抗生素濃度，導(dǎo)致感染久治難愈，最終不得不取出人工關(guān)節(jié)。若能在腫瘤型人工關(guān)節(jié)的表面搭載抗生素，從而在病灶局部直接釋放出高濃度抗生素，獲得較全身大劑量使用抗生素更高的殺菌抑菌效果，同時(shí)減少病菌耐藥性的出現(xiàn)，則可以解決常規(guī)用藥方式效率不高且毒性較大的問題?？股氐陌褚彩潜砻娌牧咸幚淼囊粋€(gè)重要趨勢。由于骨水泥包埋抗生素的藥物釋放曲線極為陡峭，抗生素僅能在骨水泥植入后很短的一段時(shí)間內(nèi)釋放，之后則幾乎停止釋放［34］。有研究證明，如果選擇多孔表面材料包埋抗生素，那么抗生素的釋放曲線將更為平緩，假體周圍的抗生素釋放時(shí)限也更為長久。Takigami等［35］對(duì)腫瘤型人工關(guān)節(jié)表面進(jìn)行覆蓋萬古霉素-HA 涂層，可以實(shí)現(xiàn)假體表面持續(xù)緩釋釋放抗生素，提高人工關(guān)節(jié)的抗感染能力。

由于腫瘤型假體的固定完全依靠髓內(nèi)假體柄，所以假體柄的固定效果至關(guān)重要。不僅假體柄的長度、直徑以及曲度對(duì)固定效果有著影響，其外形與髓腔的匹配程度對(duì)于固定的遠(yuǎn)期效果也十分重要，在髖關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)中該理論得到證實(shí)。大部分所謂生物固定型假體其實(shí)存在早期松動(dòng)的問題。由于假體設(shè)計(jì)形狀不能與骨床完全貼附等因素，即使為達(dá)到與周圍骨質(zhì)整合的目的做一些表面處理（如微孔處理、粗糙面或HA涂層等），假體柄表面的骨長入范圍及程度仍有限，骨結(jié)合率僅6%~20%。因此，對(duì)骨與假體結(jié)合范圍、深度和強(qiáng)度的增強(qiáng)作用均有限，對(duì)假體遠(yuǎn)期穩(wěn)定性的幫助并不理想。

由于個(gè)體髓腔解剖形態(tài)存在差異，現(xiàn)有組配式假體的假體柄不能較好地與每一位患者的髓腔尺寸相匹配，特別是生物固定對(duì)假體柄與髓腔匹配程度要求較高，幾何形狀一致時(shí)才能夠得到較好的壓配效果。并且，假體柄與髓腔幾何形狀相符合對(duì)于水泥固定同樣十分重要，因?yàn)楣撬鄬雍癖【鶆蛞恢?，降低了?yīng)力集中，減少了骨水泥層的裂紋。通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)患者的髓腔定制假體柄，從而提高匹配度，改善固定效果，降低松動(dòng)發(fā)生率，實(shí)現(xiàn)個(gè)體化的精確制造，也是未來發(fā)展的方向。

人工骨關(guān)節(jié)假體重建的共性問題在于假體-骨整合效果欠佳。整合效果取決于人工假體和患者自體骨的匹配和愈合。匹配主要指結(jié)構(gòu)和功能兩方面：結(jié)構(gòu)匹配是指植入假體的外形及構(gòu)件與原有組織的完全相同；功能匹配指植入假體在結(jié)構(gòu)上能夠滿足患者關(guān)節(jié)活動(dòng)要求，在力學(xué)性能上符合重建部位的生物力學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)假體的遠(yuǎn)期完好，無需在外形及結(jié)構(gòu)上與原有組織完全匹配。愈合是人工假體通過金屬-骨界面與宿主骨的整合，對(duì)于人工假體與骨的接觸面，結(jié)構(gòu)和材料屬性決定了其整合的效果，理想的結(jié)構(gòu)和材料屬性應(yīng)較接近缺損區(qū)域骨骼，但傳統(tǒng)的加工方法無法實(shí)現(xiàn)人工假體梯度材料屬性結(jié)構(gòu)加工。3D 打印技術(shù)可以制造出不同空隙率的假體表面結(jié)構(gòu)，可以制造不同密度的假體和假體表面，其骨整合的效果無論在動(dòng)物體內(nèi)還是人體內(nèi)均得到了充分的證實(shí)［36］ 。因而，3D打印多孔金屬骨小梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為人工關(guān)節(jié)與骨的界面骨整合的金標(biāo)準(zhǔn)。Arabnejad等［37］利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制造了一款用于髖關(guān)節(jié)置換的鈦合金股骨柄，該假體具有特殊的整體多孔結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)股骨柄相比，能夠顯著減少股骨柄對(duì)股骨的應(yīng)力遮擋效應(yīng)。

增材制造技術(shù)目前多用于個(gè)性化定制的人工假體制造，尤其適用于長骨大段骨關(guān)節(jié)缺損。在剩余骨段長度較短，尤其是皮質(zhì)骨有效固定段很短、不足以固定常規(guī)假體柄的患者，3D打印技術(shù)可以制作出較為粗短的長度合適的假體柄，通過壓配固定于髓腔內(nèi)，假體及骨外側(cè)輔以鋼板固定，可以有效解決此類情況下的人工假體重建。大量臨床實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)，3D打印多孔金屬骨小梁結(jié)構(gòu)可以很好地與髓腔內(nèi)側(cè)自體骨整合。對(duì)于兒童腫瘤鄰近關(guān)節(jié)骨骺的病例，使用 3D打印金屬假體、保留關(guān)節(jié)面的重建方法尤其成功，多孔金屬骨小梁結(jié)構(gòu)可以與保留的骨骺骨面進(jìn)行完美整合。但就目前采用的增材制造梯度打印制備的假體柄而言，力學(xué)強(qiáng)度尚不能達(dá)到機(jī)加工生產(chǎn)的假體柄強(qiáng)度，因而多用于粗短柄的制造。

利益沖突：作者聲明不存在利益沖突

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北京力達(dá)康科技有限公司

北京力達(dá)康科技有限公司成立于1998年，公司本著“力致高科、康華益民“的宗旨，經(jīng)過23年的創(chuàng)新發(fā)展，成為一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)于一體，以外科植入物為主業(yè)的國家級(jí)醫(yī)療器械高新技術(shù)企業(yè)，國產(chǎn)醫(yī)療人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域的龍頭骨干企業(yè)，和優(yōu)秀的民族品牌企業(yè)。公司先后獲得國家火炬計(jì)劃、國家創(chuàng)新基金等獎(jiǎng)項(xiàng)，入選國家十三五重點(diǎn)科研規(guī)劃目錄。

公司現(xiàn)階段生產(chǎn)銷售人工關(guān)節(jié)五萬余套，未來三年?duì)I收將超過10億元，并努力成為人工關(guān)節(jié)A股上市公司。公司未來將在順義空港C區(qū)打造中國骨科醫(yī)療器械領(lǐng)域“產(chǎn)、學(xué)、研、醫(yī)”一體化的科技創(chuàng)新聯(lián)合體，為中國骨科醫(yī)療器械的發(fā)展做出新的更大的貢獻(xiàn)。