全髋关节置换术后聚乙烯内衬磨损机理的扫描电镜分析

摘 要 目的：以扫描电镜的方法观测人工全髋假体聚乙烯内衬的磨损类型，并探讨磨损类型与长期随访结果的临床相关性。方法：利用扫描电镜对聚乙烯内衬的磨损行表面形貌的观察与测量，在人工全髋假体聚乙烯内衬上取不同部位的5个点，分别进行观测，对其磨损情况作磨损机理及磨损类型的分析。结果：对关节负重面行扫描电镜分析后发现，8髋的聚乙烯内衬均为疲劳磨损、摩擦磨损及粘着力磨损3种磨损机理的混合，其中粘着力磨损为主要磨损机理。结论：扫描电镜分析显示人工全髋假体聚乙烯内衬磨损机理多为3种磨损机理的混合。

关键词 聚乙烯 磨损 假体失效

资料与方法

本组8例共8髋，男4例，女4 例，平均年龄65岁，平均体重70.5kg。平均随访时间为8 年。

所有患者在术前均经Harris髋关节评分，最近一次随访再次进行评分。放射学评价包括假体旁透亮线和局部骨溶解区的记录、假体柄下沉、髋杯外展角和髋臼中心迁移等。如果髋臼中心在水平或垂直方向移位超过5cm，或者外展角改变大于5°，则被认为是髋臼松动的明确表现。假体柄下沉>1cm或全周放射学透亮带则提示假体柄松动。局限性骨密度减低区若长度>7cm提示骨溶解。临床确诊为人工关节松动，均行翻修手术，取下人工关节的聚乙烯内衬。其中2例患者因全髋关节置换术后感染行全髋关节翻修手术。

将手术取下的人工关节行表面清理后，取下人工髋关节的聚乙烯内衬，在内衬内表面分别取5个大小约为1cm2的点，其中关节的负重面取3个点，非负重面取2个点，并用mark笔标记。将聚乙烯内衬碎掉后，对标记的5个点喷金，以扫描电镜观察样品的表面形貌。

结 果

超高分子量聚乙烯主要的磨损机理包括以下几种：①摩擦磨损指当两个粗糙不平表面发生相对滑动时，即可在强度较弱一侧发生划痕、或切割、或在人工关节内，一个硬质材料的第三体颗粒陷入两原始负荷之间，即可产生摩擦磨损，引起股骨头金属磨损颗粒的产生。②疲劳磨损主要取决于聚乙烯单体循环周期应力，因粘着力磨损或摩擦磨损而使材料表面产生纤丝，可最终因材料疲劳出现微量断裂。疲劳磨损可作为独立的磨损机制造成材料裂隙形成，或在材料内延伸。③粘着力磨损是指在微观级，或在微观状态下进行材料的磨损观察。当两个相对负荷面的局部接触时，如果两材料间粘着力强度大于聚乙烯本身的结构强度，聚乙烯单体可以被拉成纤丝，纤丝最终可断裂形成磨损颗粒。虽然磨损颗粒很小，可能只有几微米或更小，肉眼观察聚乙烯表面仍很光滑，但在电镜下可观察到聚乙烯材料表面粗糙纤丝形成。如果原始负荷表面间有第三体陷入，即可产生三体粘着力磨损。根据第三体硬度性能，负荷表面可以有一个面或同时两个面出现摩擦-髋关节假体中，粘着力磨损颗粒常常被埋入材料强度较软的一侧聚乙烯内。股骨头粘着力磨损，可直接产生金属磨损颗粒，同时也使头表面粗糙，增加对侧聚乙烯帽磨损率。特别是钛合金材料的股骨头，由于存在严重的摩擦腐蚀磨损，可产生大量金属磨损颗粒。

对关节负重面行扫描电镜分析后发现，8髋的聚乙烯内衬均为疲劳磨损、摩擦磨损及粘着力磨损三种磨损机理的混合，其中粘着力磨损为主要磨损机理。结果见表1。

讨 论

20世纪40年代，Charnely发明了全髋关节置换手术，每年约有50万人成为此项技术的受益者。但全髋置换手术引起的骨质溶解与吸收，直至现在也没有得到很好的解决。近来的研究资料明确指出：聚乙烯颗粒是骨质溶解的主要原因，且骨溶解的程度与磨损颗粒量明显相关。

在研究关节假体材料磨损特性中，聚乙烯材料备受人们关注。研究体内不同磨损机理对整个磨损影响是十分重要的，必须改善材料性能以减少磨损影响。磨损是指当两个相互作用面产生机械性损害，或材料表面的缺失，即出现磨损。传统上认为存在两种磨损，一种为疲劳磨损，另外一种为面际磨损。前者常在循环周期应力下，或者材料内部产生的压力下发生；后者是当两个负荷面直接接触时，由摩擦或粘着力所引起。我们对假体观测时发现这两种基本的磨损在8髋聚乙烯假体中均存在，也就是说在这些假体中既有疲劳磨损又有面际磨损。

发现8 髋中有4髋假体存在明显的微断裂现象，分析其原因，疲劳磨损造成这种微断裂的可能性极大。其中1髋假体肉眼可见在假体臼的负重区有直径0.9cm的类圆形凹陷，底部较平，在其周边可见有骨水泥集聚，可能是由于安装假体时，较大的骨水泥块进入假体关节间隙且与两关节面反复摩擦形成严重的三体磨损所致，即Ⅲ型磨损方式。

通过肉眼及SEM分析我们发现取出的8例聚乙烯内衬中，虽严重程度不一，但均有表面氧化；除样品6在表面没有发现十分明显的划痕或切割外，其他几个样品均存在不同的此种痕迹；在样品1、2、6、8中可见有明显的微量断裂存在，从形貌上分析，疲劳所致的可能性极大。

通过SEM检测发现，8髋的聚乙烯内衬均为疲劳磨损、摩擦磨损及粘着力磨损三种磨损机理的混合，其中以粘着力磨损及摩擦磨损为主要磨损机理。有以下方法可以有效地避免上述磨损情况的发生：①在选用人工关节材料时，可以考虑更为耐磨损的材料，如陶瓷对陶瓷人工关节，其线性磨损率为目前已知关节配伍中最低；此外，硬对硬的人工关节配伍可避免粘着力磨损及疲劳磨损；也可有效地避免摩擦磨损的产生。②因为疲劳磨损主要取决于聚乙烯单体循环周期应力，因粘着力磨损或摩擦磨损而使材料表面产生纤丝，可最终因材料疲劳出现微量断裂。所以以聚乙烯为人工关节髋臼内衬的THR术后患者应避免长途行走，这样可有效减少循环周期应力的时间，从而减少材料表面纤丝的产生。③超高交联超高分子量聚乙烯可能也是一个很好的减少各类磨损的选择。

总之，人工关节的摩擦与磨损以目前技术来讲是难以避免的，只有进一步明确人工关节的摩擦与磨损机理，才能更为有效地避免人工关节失效；指导新的人工关节材料的产生；进一步延长人工关节的在体使用时间。