趙陽 李亮 王志強(qiáng)

多孔鉭在關(guān)節(jié)融合中的歷史與前景

趙陽 李亮 王志強(qiáng)

多孔鉭是一種類似于松質(zhì)骨的低彈性模量金屬，目前廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域( 如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、脊柱外科、骨移植替代物、關(guān)節(jié)融合 )。它的十二面體多孔結(jié)構(gòu)是通過碳?xì)庀喑练e/滲透技術(shù)將純鉭澆筑到碳晶體支架上獲得的。這個(gè)過渡金屬擁有著一些有趣的生物材料性能，包括人們熟知的高容積孔隙率( 70%～80% )，良好的力學(xué)特性，生物相容性和生物學(xué)活性等，還具有很好的骨和纖維的生長(zhǎng)特性，能夠允許骨與軟組織快速和大量的附著。鉭軟骨復(fù)合材料在體外實(shí)驗(yàn)早期研究中取得了可喜的成果，這為未來的關(guān)節(jié)表面修復(fù)提供了一種新的選擇?，F(xiàn)就多孔鉭近年來的演變和發(fā)展以及在關(guān)節(jié)融合中的應(yīng)用綜述如下。

一、多孔鉭的制備

多孔鉭植入物，由熱固性泡沫材料聚合物的熱解，制成了一個(gè)具有十二面體結(jié)構(gòu)的低密度碳晶體骨架( 98% 孔隙度 )，再用市售純鉭使用化學(xué)氣相沉積 / 滲透[1-2]的方法沉積到這個(gè)碳支架上而獲得。最初的碳骨架可以做成許多不同的形狀，不同尺寸，這給設(shè)計(jì)師們提供了無限的舞臺(tái)。通常情況下，鉭涂層的厚度取值范圍從 40～60 μm。通過調(diào)整鉭沉積厚度，設(shè)計(jì)師可以改變孔徑的大小和植入物的力學(xué)性能。目前，應(yīng)用于矯形外科中的多孔鉭植入物，平均孔徑為 400～600 μm，體積孔隙率大約 75%～ 85% [ 99% 鉭，1% 碳( 重量比 )]。

1. 骨內(nèi)生長(zhǎng)性：1980 年，Bobyn 等在燒結(jié)材料上找到了適合組織生長(zhǎng)的最佳孔徑大小，串珠樣 Co-Cr 大概是 50～400 μm[3]。這種材料能保持 8 周 17 兆帕的最大抗曲強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。Bobyn 等通過一個(gè)經(jīng)皮質(zhì)犬模型證實(shí)多孔鉭作為一種比較成熟的支架材料，它的高孔隙率能顯著增加骨組織的附著量，說明多孔鉭材料具有良好的力學(xué)性能以及骨內(nèi)向生長(zhǎng)性。Bobyn 等在一個(gè)為期 6 個(gè)月的體內(nèi)研究中發(fā)現(xiàn)在 22 例骨水泥多孔鉭髖臼犬模型研究中，通過影像學(xué)攝片，組織學(xué)和電子顯微鏡觀察檢測(cè)骨移植物界面，在 22 例模型中發(fā)現(xiàn)骨組織長(zhǎng)入深度范圍從0.2～2 mm，平均孔內(nèi)長(zhǎng)入面積為 16.8%，而孔外平均為25.1%。這些結(jié)果與 Jasty 等之前研究的犬模型相比，骨組織長(zhǎng)入鈦纖維金屬和鈷鉻合金的比例分別為 21.5% 和13.4%[4]。與多孔鉭髖臼組件中骨組織長(zhǎng)入率相比，在理論上，多孔鉭組件導(dǎo)致骨組織移植物界面力學(xué)性能增加。Hanzlik 等[5]報(bào)道 76 例應(yīng)用骨水泥多孔鉭進(jìn)行髖臼修復(fù)手術(shù)病例的回顧研究中，對(duì)骨組織長(zhǎng)入植入物內(nèi)情況進(jìn)行了分析。通過影像學(xué)攝片檢測(cè)骨移植物界面，發(fā)現(xiàn)僅 1 例出現(xiàn)植入物松動(dòng)，骨組織長(zhǎng)入多孔鉭孔隙內(nèi)情況良好。這些在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物模型以及臨床效果上，已經(jīng)對(duì)多孔鉭在全關(guān)節(jié)置換、脊柱融合、踝關(guān)節(jié)融合、股骨頭壞死等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

2. 纖維組織增長(zhǎng)特性：纖維組織在多孔金屬移植物內(nèi)的增長(zhǎng)對(duì)附著于膝關(guān)節(jié)植入物表面的韌帶和肌腱有益。假體中軟組織血管的長(zhǎng)入，從力學(xué)和生物學(xué)的角度上講可以增強(qiáng)附著強(qiáng)度[2]。此前的研究表明，纖維組織在多孔結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)能迅速愈合[2,6]，這種情況在孔徑增加到 50 μm以上更加明顯。增加孔徑的大小，孔隙率，植入時(shí)間，大血管和附著強(qiáng)度都會(huì)增加。Hacking 等報(bào)道了在多孔鉭犬模型中的顯微組織生長(zhǎng)情況。將矩形鉭植入物放置到雜種狗的皮下組織，評(píng)估 4、8 和 16 周組織學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，在鉭與組織植入物界面有完整的血管增長(zhǎng)。這種嵌組織通過組織學(xué)分析，有密集有序的膠原蛋白和明顯的血管生長(zhǎng)。多孔鉭植入物與組織附著強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果為：60.7，70.9，89.4 g / μm，這比傳統(tǒng)的燒結(jié)串珠多孔的涂料附著強(qiáng)度增加了 3～6 倍[6-7]。Co-Cr 合金植入物孔徑約 90 μm，＜400～600 μm。同樣，多孔鉭材料高的孔隙率能增加單位體積內(nèi)組織長(zhǎng)入量。多孔鉭的這種組織生長(zhǎng)特性對(duì)于上肢和下肢的關(guān)節(jié)成形術(shù)中肌腱和韌帶的附著具有廣泛的應(yīng)用前景。

3. 流體流動(dòng)特性：移植物的高滲透性被認(rèn)為是對(duì)骨傳導(dǎo)性有益的，因?yàn)樗试S血管自由行成，并且能夠使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)自由的流到移植物內(nèi)部[8]。Hui 等證明，高滲透性的移植物能夠增強(qiáng)移植物-骨接口處的骨愈合[9]。他們還發(fā)現(xiàn)，松質(zhì)骨內(nèi)血管化、成骨細(xì)胞和纖維組織形成所需的最小傳到閾值是 1.5×10-10m3. s-1Pa-1。

有學(xué)者認(rèn)為：多孔鉭植入物相對(duì)高孔隙率的流體流動(dòng)特性能增強(qiáng)多孔鉭移植物表面殘留物的運(yùn)輸。這種材料的許多優(yōu)點(diǎn)可能會(huì)相互抵消，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這種高滲透性的金屬植入物會(huì)產(chǎn)生由粒子介導(dǎo)的無菌性松動(dòng)。近日，Shimko 等已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多孔鉭支架植入物的固有滲透率的范圍是 2.1×10-10～4.8×10-10m2，這與松質(zhì)骨的滲透率類似。固有滲透率的概念對(duì)組織工程學(xué)有重要意義，可能在多孔鉭作為植入物的臨床應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

4. 軟骨傳導(dǎo)潛力：最近 Gordon 等[10]提出了軟骨傳導(dǎo)潛力的概念，即為軟骨的生長(zhǎng)提供支架。用 4 組成年狗的肱骨頭及膝關(guān)節(jié)軟骨，以確定多孔鉭支架能否起到支持其表面軟骨生長(zhǎng)的作用。對(duì)軟骨-多孔鉭片段( 由多孔鉭髖臼假體獲得 )進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，用 SDS-PAGE 計(jì)數(shù)定量計(jì)算軟骨-鉭片段冰凍切片中的 II 型膠原蛋白的含量。他們通過組織學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，植入后 4 周，多孔鉭孔表面和孔內(nèi)都出現(xiàn)了組織的生長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的樣本組中，出現(xiàn)了大量的類軟骨細(xì)胞，并且糖胺多糖染色陽性[10]。這些細(xì)胞外成分中含有 84.5% 的 II 型膠原蛋白，它類似于正常透明軟骨。經(jīng)過靜態(tài)培養(yǎng)的樣本組中，用 SDS-PAGE 技術(shù)在細(xì)胞外成分中檢測(cè)不到膠原蛋白[10]。

Mardones 等[11]對(duì)新近開發(fā)的用來修復(fù)軟骨損傷的多孔鉭-軟骨復(fù)合物進(jìn)行了評(píng)估。他們?cè)谶@些多孔鉭-軟骨復(fù)合物圓柱表面發(fā)現(xiàn)了類似于透明軟骨的成分，其底部有纖維樣成分長(zhǎng)入支架空隙中。對(duì)這種復(fù)合物的力學(xué)性能與正常兔股骨髁軟骨進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能與原始的股骨髁軟骨類似[11]。這些研究證明，多孔鉭在體外能與軟骨細(xì)胞形成類似軟骨物質(zhì)，證實(shí)了多孔鉭的軟骨傳導(dǎo)潛力。Mrosek 等[12]在建造了 10 只兔子的內(nèi)外側(cè)髁圓柱形骨軟骨缺損模型上填補(bǔ)多孔鉭-骨膜或聚己內(nèi)酯-骨膜兩種材料，組織學(xué)檢測(cè)觀察，聚己內(nèi)酯-骨膜效果優(yōu)于多孔鉭，但二者都能促進(jìn)軟骨下骨增長(zhǎng)。然而，這些基礎(chǔ)為今后的研究和確定這樣的多孔鉭軟骨復(fù)合物在關(guān)節(jié)置換中應(yīng)用提供了一種新的思路。

二、臨床應(yīng)用及前景

多孔鉭金屬自應(yīng)用于臨床以來，主要用于髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，股骨頭壞死等的治療中，且對(duì)髖、膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)損傷的治療取得了理想的效果[13-14]。但是隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，多孔鉭已經(jīng)開始向其它關(guān)節(jié)損傷治療延伸。

1. 關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用：多孔鉭在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用越來越廣泛。Meneghini 等[15]用油壓式試驗(yàn)比較傳統(tǒng)骨水泥型髖臼和新型多孔鉭金屬髖臼的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)多孔鉭髖臼杯展示出了更高的穩(wěn)定性。Nakashima 等[16]報(bào)道 79 例髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后 5 年結(jié)果，通過影像學(xué)檢查未發(fā)現(xiàn)植入物失敗以及松動(dòng)，隨訪效果優(yōu)良。Villanueva-Martínez 等[17]在對(duì) 21 例應(yīng)用多孔鉭錐進(jìn)行膝關(guān)節(jié)翻修的3 年隨訪中發(fā)現(xiàn)，多孔鉭錐能較好的彌補(bǔ)股骨、脛骨缺損，骨槽穩(wěn)定。而僅有 1 例由于感染嚴(yán)重而失敗。多孔鉭在關(guān)節(jié)置換中良好的臨床效果，使其在關(guān)節(jié)外科中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2. 椎間關(guān)節(jié)融合中的應(yīng)用：多孔鉭金屬特殊的結(jié)構(gòu)性能及適合組織長(zhǎng)入的特性，使其在脊柱外科中的應(yīng)用越來越多，并主要用于頸椎和腰椎融合裝置的研究。Sinclair等[18]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，比較多孔鉭和 PEEK2 不同材料制成的椎問融合器的融合效果，并應(yīng)用影像學(xué)及組織學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)[19-20]。對(duì) 25 只山羊進(jìn)行了單級(jí)頸椎間盤切除及融合術(shù)，并交替植入了多孔鉭及 PEEK 融合裝置，觀察 6、12 和 26 周。兩個(gè)裝置都包含一個(gè)中心孔( GH )、其中由自動(dòng)物自體髂骨獲得的自體骨組織填充。骨組織長(zhǎng)入植入物以及植入物表面的百分比，是植入物與宿主橋接的證據(jù)，這可以通過影像獲得。骨基質(zhì)附著率可以通過組織學(xué)染色的方法獲得。在所有觀察的時(shí)間點(diǎn)，植入多孔鉭融合器的動(dòng)物，植入物界面骨組織含量明顯高于植入 PEEK 融合器的動(dòng)物。在 6，12 周時(shí)，多孔鉭組的中心孔內(nèi)骨基質(zhì)附著率顯著高于 PEEK 組，在第 26 周時(shí)，兩組未見明顯差異。與 PEEK 植入物組相比，大量的植入多孔鉭的動(dòng)物已經(jīng)證明了自體骨與相鄰兩椎骨間的橋接更顯著。組織學(xué)染色表明，多孔鉭融合器比 PEEK 融合器更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗茱@著地促進(jìn)宿主骨基質(zhì)的附著。因此，Sinclair 等[18]得出結(jié)論，多孔鉭融合器比 PEEK 融合器在促進(jìn)骨組織長(zhǎng)入植入物以及植入物周圍的骨基質(zhì)附著方面更有優(yōu)勢(shì)，鉭的多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了宿主骨組織的長(zhǎng)入和植入物與骨組織的橋接，這有利于骨組織的長(zhǎng)期附著，使其在臨床應(yīng)用中具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。Meneghini 等[15]也對(duì) 50 例共 61 個(gè)節(jié)段進(jìn)行頸椎椎間融合手術(shù)。術(shù)中應(yīng)用多孔鉭椎間融合器加前路鋼板輔助固定，術(shù)后隨訪 2 年發(fā)現(xiàn)，椎間均達(dá)到良好的融合，且穩(wěn)定可靠。由于多孔鉭應(yīng)用于脊柱外科的時(shí)間尚短，積累的經(jīng)驗(yàn)和臨床資料相對(duì)來說較少，且缺乏大樣本的中遠(yuǎn)期隨訪報(bào)道，所以還有待于對(duì)多孔鉭的椎間融合效果進(jìn)一步地深入研究。

3. 踝關(guān)節(jié)融合中的應(yīng)用：隨著對(duì)多孔鉭研究的深入，其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性使其在踝關(guān)節(jié)疾病中的應(yīng)用開始被受關(guān)注。以往治療晚期踝關(guān)節(jié)疾病最常用的是踝關(guān)節(jié)融合術(shù)，須應(yīng)用多種內(nèi)、外固定技術(shù)。外固定是采用不同類型的外固定支架對(duì)矯正后的踝關(guān)節(jié)加壓固定，療效確切，外固定術(shù)一般適用于伴有廣泛軟組織損傷或其它因素導(dǎo)致內(nèi)固定效果不佳的患者；內(nèi)固定是采用不同類型的內(nèi)固定器材如螺釘、鋼板、髓內(nèi)釘?shù)扔枰怨潭?，是目前臨床主要的固定方式。Zwipp 等[21]采用 4 枚螺釘內(nèi)固定進(jìn)行踝關(guān)節(jié)融合術(shù)94 例，術(shù)后平均 6 年踝關(guān)節(jié)融合率可達(dá) 99%，其中，5%的患者發(fā)生傷口延遲愈合，3.2% 發(fā)生術(shù)后血腫，繼發(fā)性距下關(guān)節(jié)炎和距舟關(guān)節(jié)炎發(fā)生率分別為 17% 和 11%，分別有 30% 及 19% 的患者術(shù)前原有的距下關(guān)節(jié)和距舟關(guān)節(jié)炎出現(xiàn)進(jìn)展。Levent 等[22]報(bào)道應(yīng)用髓內(nèi)釘結(jié)合外固定的方法進(jìn)行踝關(guān)節(jié)融合，減少了外固定的時(shí)間，提高了患者的耐受力，同時(shí)減小了并發(fā)癥發(fā)生率。Ahmad 等[23]使用肱骨近端鎖定鋼板行踝關(guān)節(jié)融合術(shù)，由于鎖定鋼板能夠提供固定融合角度，并進(jìn)行多平面固定，因此取得了滿意的臨床效果。Frigg 等[24]回顧分析了應(yīng)用多孔鉭進(jìn)行踝關(guān)節(jié)融合 9 例，術(shù)后隨訪 2 年，9 例沒有發(fā)生并發(fā)癥。AOFAS評(píng)分在 2 年內(nèi)由術(shù)前的 32( 范圍 8～62 )增加到了 74( 范圍 37～100 )。這些觀察結(jié)果與報(bào)道過的鉭在脊柱融合以及TKAs 中的結(jié)果相一致。鉭的優(yōu)勢(shì)在于避免了取髂骨時(shí)造成的感染和其它并發(fā)癥。有報(bào)道稱，自體髂骨移植術(shù)后并發(fā)癥發(fā)病率為 15% 到 48%( 術(shù)后血腫、感染、感覺減退、增加術(shù)后疼痛、傷口裂開、外觀缺陷、長(zhǎng)期疼痛和工作生活不便等 )[25-27]，多孔鉭的這些優(yōu)勢(shì)決定了它在今后的踝關(guān)節(jié)損傷中將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

4. 腕關(guān)節(jié)融合中的應(yīng)用：腕關(guān)節(jié)融合被認(rèn)為是治療腕關(guān)節(jié)損傷的最終手段，其融合方法多種多樣。近年來利用部分腕骨融合術(shù)治療腕關(guān)節(jié)疾患的學(xué)者日益增多。部分腕關(guān)節(jié)融合術(shù)的應(yīng)用起始于 20 世紀(jì)初，該術(shù)既能減輕腕關(guān)節(jié)疼痛，又能獲得穩(wěn)定和一部分活動(dòng)度的優(yōu)點(diǎn)[28-29]。舟骨切除并四角融合是部分腕關(guān)節(jié)融合術(shù)的經(jīng)典術(shù)式，在四角融合術(shù)中常用的內(nèi)固定方法有克氏針，U 型針，herber 螺釘以及后來發(fā)展起來的 spider 鋼板和記憶合金[30]，但是隨之而來也產(chǎn)生了許多并發(fā)癥，如感染、固定不牢、骨不連、鋼板及螺釘斷裂等，這些都是困擾著臨床醫(yī)生的問題。隨著多孔鉭應(yīng)用于臨床，它的特性為腕關(guān)節(jié)融合的內(nèi)固定提供了新的機(jī)遇。Adams 等[31]制作了一個(gè)用多孔鉭進(jìn)行內(nèi)固定的四角融合術(shù)，對(duì)犬進(jìn)行腕關(guān)節(jié)融合。方法是在橈腕關(guān)節(jié)、尺腕關(guān)節(jié)和第 4 腕骨連接處做一個(gè)缺損，然后用多孔鉭柱壓合連接，并用克氏針固定。對(duì)照組不植入任何植入物，在第 4、8、12 周處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。組織學(xué)檢測(cè)顯示，在第 4 周時(shí)，骨組織開始長(zhǎng)入多孔鉭內(nèi)，力學(xué)檢測(cè)顯示隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，多空鉭與骨組織的穩(wěn)定程度增加。而對(duì)照組在任何時(shí)間點(diǎn)都沒有出現(xiàn)連接。多孔鉭內(nèi)植物在腕關(guān)節(jié)四角融合模型中的穩(wěn)定，表明了它能成為腕關(guān)節(jié)融合內(nèi)植物的一種新型材料。但是多孔鉭材料與傳統(tǒng)腕關(guān)節(jié)融合材料的性能對(duì)比，還有待進(jìn)行更深入地研究。

雖然鉭金屬及其合金材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是骨科關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用近年來取得了巨大進(jìn)步，并且取得了不錯(cuò)的短期臨床療效。但多孔鉭材料在理論上的優(yōu)勢(shì)仍有待于更充分的臨床證據(jù)和中長(zhǎng)期的臨床療效隨訪結(jié)果來證明。相信通過臨床醫(yī)務(wù)人員和工程師們的不懈努力，鉭金屬及其合金材料將在骨科領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

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( 本文編輯：李貴存 )

History and prospects of the application of porous tantalum in arthrodesis

ZHAO Yang, LI Liang, WANG Zhiqiang. Department of Orthopaedics, Hebei United University Affliated Hospital, Tangshan, Hebei, 063000, PRC

ObjectiveTo review the characteristics of metal porous tantalum and its application in arthrodesis.MethodsRecent literatures concerning the characteristics of porous tantalum and its application in arthrodesis were retrieved from China National Knowledge Internet( CNKI )and PubMed databases.ResultsPorous tantalum was a kind of metal with low elastic modulus, whose appearance was similar to that of cancellous bone. Recently, it had been widely applied in the orthopaedic feld, inluding hip replacement and knee replacement, spine surgery, bone graft substitutes and arthrodesis. Porous tantalum could be attached by a great quantity of bones and soft tissues quickly, with a high volumetric porosity of 70%-80%, good mechanical characteristics, biocompatibility and biological activity and excellent growth characteristics of bone and soft tissues. At present, satisfactory outcomes could be achieved in the clinical application of porous tantalum for hip and knee injuries. Furthermore, with the development of medicine, porous tantalum could be applied in the treatment of other joint injuries.ConclusionsGood mechanical stability and early surgical outcomes can be obtained by porous tantalum material in arthrodesis.

Arthrodesis; Bone substitute; Porous tantalum

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.05.011

R687.4

063000 唐山，河北聯(lián)合大學(xué)附屬醫(yī)院骨科

王志強(qiáng)，Email: wzhqde@163.com

2013-11-13 )