維生素E穩定型高交聯聚乙烯人工關節磨損及磨屑的研究進展

馮景 李春亞 黃秀玲 華子愷

0 引言

目前，人工關節置換術已相當成熟，高交聯聚乙烯(highly cross-linked polyethylene,HXLPE)引入人工關節領域后被證明其性能優于超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene,UHMWPE)人工關節，具有低磨損率和高存活率[1-3]。然而，臨床結果顯示聚乙烯人工關節在植入體內10年后開始氧化，且磨損率增加[4]。為了解決此問題，研究者將抗氧化劑維生素E(vitamin E,VE)作為填充劑注入HXLPE，形成維生素E穩定型高交聯聚乙烯(vitamin E stabilized highly cross-linked polyethylene,VE/HXLPE)，并于2007年應用于全關節置換術。針對VE/HXLPE人工關節的摩擦磨損問題，目前還缺少系統的總結。因此，本文調研近十年關于VE/HXLPE人工關節磨損研究文獻，從體外與臨床方面綜述VE/HXLPE型人工關節摩擦磨損性能及其磨屑特征的研究進展。

1 VE/HXLPE人工關節體外磨損量研究

1.1 VE/HXLPE髖關節磨損量

近十年，已有大量VE/HXLPE型人工關節的體外磨損研究。表1是關于VE/HXLPE人工髖關節的磨損研究，所有樣品均根據ISO 14242-1與ISO 14242-3在髖關節模擬試驗機上進行實驗。Oral等[5]進行500萬次步態循環試驗發現，VE/HXLPE的磨損率比HXLPE的磨損率略低且無顯著性差異，但是比UHMWPE的磨損率降低了約90%。VE/HXLPE髖臼內襯在頂部與側邊保留了較清晰的加工痕跡，而UHMWPE髖臼內襯表面整個受力區域的加工痕跡磨損嚴重。Halma等[6]研究同樣得出VE/HXLPE髖關節的體積磨損率比UHMWPE的降低了約80%。

Affatato等[7-8]發現3種聚乙烯關節在體外磨損時的磨損量隨循環次數的增加而增加，且磨損率呈現UHMWPE>VE/HXLPE>HXLPE的趨勢，但UHMWPE與兩種交聯材料的磨損率差異從120萬次循環后才顯現。并且在整個磨損試驗過程中，HXLPE的磨損量始終低于VE/HXLPE，這可能是由于試驗材料使用共混法制備，在相同劑量γ射線輻照后，低濃度VE[0.1%(質量分數)]限制了材料的交聯程度，達不到與HXLPE相同的交聯度。因此，把控給予的輻射劑量可改善VE混合材料的耐磨性能[9]。

Popoola等[10]對VE/HXLPE型人工髖關節進行了1億次體外磨損試驗，VE/HXLPE髖臼內襯的體積磨損率與UHMWPE相比降低約90%以上，并且VE/HXLPE髖臼內襯在1億次循環中的磨損量(200.90 mm3±26.86 mm3)與UHMWPE髖臼內襯在500萬次循環中的磨損量(190.40 mm3±14.00 mm3)相當，足以說明VE/HXLPE人工關節優越的耐磨性能。Grupp等[11]將人工老化的聚乙烯髖臼內襯進行體外磨損測試，結果顯示老化6周的VE/HXLPE磨損率遠小于老化4周的普通UHMWPE和老化6周的HXLPE磨損率，這說明VE/HXLPE髖關節在老化后也可保持良好的耐磨性能。

表1 VE/HXLPE型人工髖關節在體外模擬試驗機上的磨損研究Table 1 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial hip joint in vitro

1.2 VE/HXLPE膝關節磨損量

表2是關于VE/HXLPE型人工膝關節的磨損研究，所有樣品均根據ISO 14243-1與ISO 14243-3在膝關節模擬試驗機上進行實驗。Haider等[12]全面對比了不同聚乙烯膝關節襯墊的磨損情況，VE/HXLPE襯墊比UHMWPE襯墊減少了73%～86%的磨損，且兩種材料的大CR型襯墊磨損率均顯著高于同材料的小CR型和PS型襯墊，如圖1所示。

圖1 500萬次循環后VE/HXLPE與UHMWPE膝關節襯墊磨損率Figure 1 Wear rate of VE/HXLPE and UHMWPE tibial bearings after 5 million cycles

Micheli等[13]將500萬次步態循環后的CR型UHMWPE、VE/HXLPE膝關節進行人工老化2周，并繼續模擬250萬次步態循環，結果顯示VE/HXLPE襯墊的磨損率在老化前后沒有顯著變化，且均比UHMWPE磨損率低90%以上。在掃描電鏡下，UHMWPE襯墊和VE/HXLPE襯墊在摩擦區域均有大面積的磨損[14]。Grupp等[15]研究了加速老化2周后UHMWPE、VE/HXLPE膝關節襯墊的體外磨損情況，結果顯示VE/HXLPE型比UHMWPE型減少了約55%的磨損。此外，Vaidya等[16]和Wernle等[17]的研究也可得出各聚乙烯關節老化后，VE/HXLPE膝關節襯墊的磨損率顯著低于UHMWPE和HXLPE的磨損率，說明VE/HXLPE膝關節在老化前后均可保持良好的耐磨性能。

通過以上髖、膝關節的體外磨損實驗，可得到VE/HXLPE人工關節的磨損率比UHMWPE的磨損率低50%～90%[5-8,10,12-13]，但是比HXLPE的磨損率增加2～3倍[7-8]。若將各聚乙烯材料加速老化[11,13,15-17]，VE/HXLPE的磨損率在老化前后基本保持不變，且顯著低于老化后的UHMWPE與HXLPE的磨損率，同時維持其他良好性能。

表2 VE/HXLPE型人工膝關節在體外模擬試驗機上的磨損研究Table 2 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial knee joint in vitro

2 VE/HXLPE人工關節臨床磨損量研究

VE/HXLPE型人工關節應用于臨床的時間較短，經翻修手術取出的案例極少。Rowell等[18]回收了15個VE/HXLPE的髖臼內襯(平均19.5個月)和膝關節襯墊(平均36.6個月)，在掃描電鏡下可觀察到整個關節表面保留了較清晰的加工痕跡，而普通UHMWPE襯墊表面的加工痕跡在植入的第1年就會被拋光[19]，這表明VE/HXLPE型人工關節在植入短期內具有優良的耐磨性和抗變形性。

較多研究者對植入VE/HXLPE髖關節的患者進行了短中期隨訪，結果如表3所示。Bergvinsson等[20]對植入UHMWPE型和VE/HXLPE型髖關節的患者進行為期5年的隨訪，結果顯示VE/HXLPE組的總磨損量顯著低于UHMWPE組，且VE/HXLPE組的磨損率(0.01 mm/年)顯著低于UHMWPE組的磨損率(0.08 mm/年)。Rochcongar等[21]的5年隨訪結果顯示VE/HXLPE髖關節磨損率比UHMWPE的低66%。根據1～5年之間蠕變和磨損的變化，研究者預測兩組之間的差異會隨著時間繼續增加。Massier等[22]使用隨機對照試驗方法對199例患者進行6年隨訪，發現VE/HXLPE髖臼內襯的股骨頭穿透率(femoral head penetration rate)明顯減少，但與UHMWPE內襯相比，兩種人工關節的臨床結果、翻修率和并發癥方面沒有差異。Galea等[23]在HXLPE型和VE/HXLPE型髖關節植入7年的隨訪中發現VE/HXLPE的股骨頭總磨損量低于HXLPE，但兩組并無顯著性差異，因此還需要長期隨訪來評估關節材料的安全性和抗氧化性。Busch等[24]對植入HXLPE型和VE/HXLPE型髖關節的患者進行5年隨訪，結果顯示添加VE并不顯著影響HXLPE的磨損行為，這與Kj?rgaard等[25]和Thoen等[26]的研究結果相同。

表3 VE/HXLPE型人工髖關節在臨床的磨損研究Table 3 Summary of the wear of VE/HXLPE artificial hip joint in vivo

綜合隨訪結果，如圖2所示，VE/HXLPE人工髖關節在臨床短中期的平均穿透率在-0.01～0.05 mm/y范圍內，低于UHMWPE髖關節[20-22]，但與HXLPE髖關節相比并無顯著性差異[23-26]。Dumbleton等[27]提出易導致骨溶解的年磨損量閾值為0.1 mm/y，即磨損量低于此值可有效避免骨溶解。以上所有研究中的VE/HXLPE髖關節的平均磨損量均未超過此值，說明VE/HXLPE人工關節或許可以減少骨溶解的發生。此外，所有隨訪中VE/HXLPE髖關節沒有出現并發癥或翻修等情況。綜合臨床研究來看，VE/HXLPE關節在臨床短中期具有良好耐磨性，但還需要更多高質量、長期的隨機對照試驗以評估VE/HXLPE關節的臨床性能，并探究該材料的低磨損率是否在長期植入后不易導致骨溶解和無菌性松動。

圖2 臨床中聚乙烯人工關節的磨損研究Figure 2 Overview of wear of polyethylene artificial joint in vivo

3 VE/HXLPE人工關節磨屑研究

目前，研究中分析的VE/HXLPE磨屑多由體外試驗產生。Teramura等[28-29]發現VE/HXLPE和UHMWPE的兩種膝關節磨屑均分布在0.1～10 μm內，但VE/HXLPE磨屑中亞微米級磨屑(0.1～1.0 μm)占比降低約5%，即活性尺寸范圍內的磨屑比例下降，這表明VE/HXLPE磨屑在一定程度上會降低溶骨介質的產生。Bichara等[30]研究發現VE/HXLPE膝關節磨屑的平均等效圓直徑(equivalent circle diameter,ECD)為1.12 μm(范圍為0.28～79.08 μm)，而UHMWPE磨屑的平均ECD為1.22 μm(范圍為0.28～82.04 μm)，兩組磨屑的尺寸分布相似，且無顯著性差異。Galliera等[31]通過Zeta電位觀測到VE/HXLPE磨屑與UHMWPE磨屑在亞微米尺寸的頻率分布相似，且VE/HXLPE磨屑尺寸略小。Bladen等[32]表征了不同VE含量的聚乙烯磨屑與普通聚乙烯磨屑，各類磨屑的尺寸頻率分布無明顯差異，但體積濃度分布有較大差異。高VE濃度磨屑在0.1～1.0 μm范圍內數量最多，但在1.0～10 μm范圍內的體積濃度最高，這些特征對于關節壽命有不利影響。此外，研究者將各類磨屑與外周血單核細胞培養，含VE的聚乙烯磨屑比普通聚乙烯磨屑引起的生物反應小，但也會刺激TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8等炎癥因子的分泌。

Popoola等[10]通過1億次髖關節磨損試驗得出，UHMWPE和VE/HXLPE的髖臼內襯會產生數十億磨屑，但VE/HXLPE產生的磨屑數量比UHMWPE的減少90%以上。超過95%的VE/HXLPE磨屑的ECD為亞微米級，且縱橫比(aspect ratio,AR)小于2，這表明VE/HXLPE磨屑主要為小尺寸類球狀顆粒。研究者將試驗產生的VE/HXLPE磨屑和HXLPE磨屑注入白兔膝關節處，兩組動物的各項生命體征正常，由磨屑引起的生物反應無明顯差異，僅在膝關節處伴隨輕微炎癥，這表明VE/HXLPE磨屑與HXLPE磨屑相比無進一步的刺激作用。

臨床上，Orita等[33]首次提取并分析了關節在植入后產生的VE/HXLPE磨屑，發現植入平均3.4年的VE/HXLPE膝關節產生的磨屑數量沒有減少，且ECD和AR均比UHMWPE磨屑小，這表明VE/HXLPE磨屑更小更圓。已有研究[34]表明當每克界膜組織中磨屑數量超過1×1010個時會發生骨溶解，而VE/HXLPE磨屑實際產生數量遠遠低于該值，說明在關節植入早期產生的磨屑數量不易導致骨溶解。VE/HXLPE在活性尺寸范圍內的磨屑多于UHMWPE磨屑，如圖3所示，這些特征對于骨溶解是不利的。但VE/HXLPE磨屑更圓，生物活性比長條形磨屑降低，在此方面VE/HXLPE磨屑與UHMWPE磨屑相比具有優勢。

圖3 膝關節滑膜液中分離出的UHMWPE和VE/HXLPE磨屑的尺寸分布Figure 3 Size distribution of UHMWPE and VE/HXLPE wear debris separated from synovial fluid of knee joint

綜合以上研究，VE/HXLPE磨屑與UHMWPE磨屑在體內外條件下具有相似的尺寸分布，且VE/HXLPE磨屑的整體尺寸多為亞微米級，形狀更偏向于類球狀[10,28-33]。在數量方面，體外試驗中VE/HXLPE磨屑數量比UHMWPE磨屑數量少[10]，而臨床研究結果與此相反[33]。同時，磨屑活性實驗表明VE/HXLPE磨屑具有生物活性，存在骨溶解風險[10,32]。由于臨床情況的復雜性，臨床數據往往與體外理想條件下的結果有一定程度的偏差，因此還需要對大量臨床VE/HXLPE磨屑進行研究以評估其風險。

4 總結與展望

本文針對VE/HXLPE型人工關節的磨損及磨屑進行綜述。VE/HXLPE型人工關節與UHMWPE型人工關節相比，具有更好的耐磨性和更高的抗氧化性；與HXLPE型人工關節相比，不僅具有相同優良的耐磨性和機械強度，還具有抗氧化性。通過對植入VE/HXLPE關節患者的隨訪，發現VE/HXLPE關節在體內具有較低的穿透率和磨損率，這與體外研究結果相符，且在植入的短中期內無不良反應。此外，VE/HXLPE磨屑的研究表明，該材料磨屑同樣存在引起無菌性松動和骨溶解的風險，但與UHMWPE磨屑相比生物活性顯著下降，因此初步推測VE/HXLPE磨屑的溶骨性較低。目前，還需長期臨床數據以評估VE/HXLPE關節的實際臨床效果，其磨屑在體內濃度是否會達到甚至超過體外實驗濃度，也需要更多臨床觀察。