江輝 流小舟 趙建寧

非骨水泥固定假體以其相對低的遠(yuǎn)期松動率正在人工關(guān)節(jié)外科中得到廣泛的運用。要獲得滿意的骨長入除了要求金屬假體周圍良好的骨質(zhì)，還要假體骨間的緊密接觸以及一定的骨生長時間。然而許多關(guān)節(jié)置換術(shù)患者骨床的骨質(zhì)量都有不同程度的降低，這在返修手術(shù)患者中更為顯著[1]。即使是初次置換術(shù)，擴髓的過程都可伴隨骨的丟失，這都影響了新生骨的形成。人工關(guān)節(jié)假體的生物學(xué)固定是以骨長入假體表面孔隙為基礎(chǔ)形成的骨與假體之間的結(jié)合，從而降低機械性松動的發(fā)生率[2]。許多研究著眼于改良假體表面來提高骨長入，比如羥基磷灰石涂層 (Hydroxyapatite,HA)較鈷鉻鉬合金微粒涂層能顯著提高金屬植入體周圍的新生骨量。而HA涂層只能起到一種骨傳導(dǎo)作用，在體內(nèi)必將降解，且如果不能保持 HA吸收和骨長入的同步，將影響假體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致關(guān)節(jié)松動。還有報道稱羥基磷灰石涂層能阻塞微孔，反而影響骨長入，并且骨長入平均需6周左右的時間無法滿足早期負(fù)重。如何提高假體周圍的骨長入能力是目前關(guān)注的焦點，也是本綜述需要重點闡明的內(nèi)容。

1 假體外界面骨長入及骨整合

眾多研究對生物固定型人工關(guān)節(jié)假體-骨界面的骨整合進行了探討，各種不斷改進的多孔表面技術(shù)以及羥基磷灰石涂層等均已被證實在優(yōu)化界面成骨并生長進入假體表面而達到兩者結(jié)合方面是有益的[3]，而且人們已對人工髖關(guān)節(jié)股骨柄假體近端表面處理及其與股骨近端髓腔骨床骨整合的重要性達成了共識[4]。蔡谞等人[2]在犬多孔中空股骨柄假體表面處理上沿用了這些成熟的技術(shù)，采用近端1/2羥基磷灰石涂層處理。他們的研究結(jié)果表明，在假體近端早期機械固定可靠，避免微動的情況下，實心和中空假體近端與骨界面的橫截面骨性結(jié)合率在術(shù)后8個月均可達到40%以上。在多孔中空假體，由于其腔室內(nèi)植入的自體松質(zhì)骨尤其是載有重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(rhBMP-2)復(fù)合物具有成骨誘導(dǎo)作用，并有可能通過孔洞緩釋rhBMP-2進入假體-骨界面間隙，從而抑制了競爭性的成纖維細(xì)胞增生，使界面基于促進間充質(zhì)細(xì)胞向骨組織分化的骨質(zhì)早期再生修復(fù)過程更快、成骨量更大，這也與前期研究結(jié)果一致[5]，因此早期假體表面骨結(jié)合率相對更高。盡管隨著時間的延長，假體-骨界面的骨性結(jié)合率差異不再明顯，但是該誘導(dǎo)成骨的時限特點對于假體在髓腔內(nèi)盡早減少或消除其與骨床之間殘留的間隙并達到界面的骨整合和持續(xù)穩(wěn)定具有重要作用。另外，與植入長骨干骺端研究非負(fù)荷狀態(tài)下中空假體內(nèi)骨形成的 BHC(骨收集室，bone harvest chamber)等有所不同，其所采用的動物模型直接模擬了人股骨柄假體在體負(fù)重狀態(tài)下界面的成骨特性，增加了假體一骨界面剪切力和股骨近端應(yīng)力遮擋等因素的影響，進一步證實了假體中的空腔部分作為一個為內(nèi)、外源性成骨因子提供緩釋場所，在促進應(yīng)力狀態(tài)下界面骨長入和骨整合足有意義的，目前這方面的研究報道并不多見[6]。但是由于現(xiàn)有實驗技術(shù)的局限性，中空假體整個表面的骨結(jié)合率與實心假體的區(qū)別尚待進一步探討。

有研究認(rèn)為，假體一骨界面骨質(zhì)的再生修復(fù)是成骨因子誘導(dǎo)下由骨髓和骨內(nèi)膜的間充質(zhì)細(xì)胞或纖維組織向骨組織分化的結(jié)果[7]，因此該研究也不排除腔室內(nèi)間充質(zhì)細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)分化成骨或者界面骨長入與之同時并存的可能性，尤其是在中空部分載有rhBMP-2的復(fù)合物時，即所謂假體內(nèi)成骨[8]。對于植入自體松質(zhì)骨的中空假體，可能是誘導(dǎo)成骨、引導(dǎo)成骨、腔室內(nèi)外骨質(zhì)通過孔洞再愈合以及骨形態(tài)改建的綜合過程，其后期結(jié)果與裝載 rhBMP-2緩釋體組相接近。假體腔室內(nèi)成骨并與其周圍骨床的連接，實際上使股骨柄假體近端的中空部分完全包埋于骨質(zhì)中，形成一種實心假體不能達到的骨-假體相對“一體化”結(jié)構(gòu)。這樣除了可以獲得良好的假體外表面骨結(jié)合外，內(nèi)、外骨質(zhì)通過孔洞形成的骨橋可進一步將假體鎖定，即增加了假體的穩(wěn)定性和界面抗剪切的承載能力，又有可能進一步消除有效關(guān)節(jié)間隙[9]，從而減少磨損顆粒向遠(yuǎn)端擴散的途徑。另外，也有可能將假體承載的應(yīng)力通過這種結(jié)合傳導(dǎo)至周圍骨質(zhì)，從而減少或消除假體周圍股骨近端的應(yīng)力遮擋，這一點有待進一步研究證實。

2 骨形態(tài)發(fā)生蛋白對人工關(guān)節(jié)骨長入的影響

生物型人工關(guān)節(jié)主要依靠假體周圍的骨長入和骨貼附生長達到持久穩(wěn)定。但金屬表面的骨長入能力通常較低，Engh等[10]報道即使多孔表面假體，其骨長入的總量也不足 10%。假體與骨的暫時固定主要是依靠纖維組織而不是骨組織。應(yīng)用骨生長誘導(dǎo)劑提高假體周圍骨長入能力是解決此問題的重要途徑。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)為轉(zhuǎn)化生長因子2(transforming growth factor2,TGF2)家族成員，其無種族特異性的誘導(dǎo)骨發(fā)生的機理早被闡明[11]。當(dāng)骨組織完整時，BMP處于休眠狀態(tài)，骨組織損傷時迅速出現(xiàn)量的增加和活性的增強，通過誘導(dǎo)骨基質(zhì)內(nèi)未分化的間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為軟骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞,繼而鈣鹽沉積而形成新骨。故現(xiàn)已被廣泛用于骨折不愈合的治療，椎體融合等，但其在人工關(guān)節(jié)中應(yīng)用不多，主要在關(guān)節(jié)返修手術(shù)中作為骨替代物運用于假體周圍的骨缺損區(qū)，顯著提高骨長入率[12]。在初次的關(guān)節(jié)置換中，BMP對假體穩(wěn)定性的研究還都停留在實驗階段，Esenwein[13]在HA包被的鈦植入物周圍放入BMP-2后，組織學(xué)證實在假體周圍的間隙內(nèi)有大量新骨形成，而無結(jié)締組織膜。達到了更好的骨整合性，并且經(jīng)過生物力學(xué)的測定其拔出強度明顯提高。張煜等[1]研究結(jié)果表明：骨形態(tài)發(fā)生蛋白能提高植入體周圍的新生骨長入，這種作用在植入早期更為明顯。骨形態(tài)發(fā)生蛋白使界面的骨性結(jié)合在早期就達較高水平，縮短了骨結(jié)合時間。這不僅可以減少患者的術(shù)后臥床時間，降低假體周圍產(chǎn)生纖維組織層的可能,而且減少早期的磨損微粒進入“有效關(guān)節(jié)間隙”，避免微粒誘導(dǎo)的生物性溶骨作用，防止晚期松動發(fā)生。

3 多孔涂層假體對骨長入的影響研究

由于人們對骨水泥固定假體后期較高松動率的擔(dān)憂，近年來對多孔層假體的應(yīng)用日益受到重視。部分患者良好的臨床效果使人們看到了生物學(xué)機制固定假體的前景。目前國外不少研究機構(gòu)發(fā)表了有關(guān)翻修出的多孔涂層假體界面骨長入的研究報道[14]，探討了促進骨長入的條件，為此不斷地完善手術(shù)操作及假體設(shè)計。在大量動物實驗證實有骨長入金屬微孔基礎(chǔ)上，20世紀(jì)70年代人們開始將多孔涂層假體應(yīng)用于人類，以期通過骨長入涂層內(nèi)生物學(xué)固定大道穩(wěn)定假體的目的。隨后國外率先對翻修出的或經(jīng)尸體獲取的多孔涂層假體骨長入研究，取得了一定的經(jīng)驗。但由于國內(nèi)關(guān)節(jié)置換起步較晚，植入體內(nèi)的多孔涂層假體不易獲得及制作假體標(biāo)本的設(shè)備不足，極少見到該方面的報道。假體材料性質(zhì)及涂層界面設(shè)計也影響骨長入。張亞東等人[15]研究鈦合金涂層內(nèi)骨長入多于微孔鈷合金涂層，也有研究認(rèn)為這是鈦的良好相容性使骨與假體間有間接的化學(xué)鏈接出現(xiàn)骨整合促進骨長入。加之鈦良好的彈性模量，鈦合金假體的應(yīng)用日益普及。同是鈷合金假體，由于微孔涂層孔徑在350～550 m，孔隙率45%，珍珠層面孔徑在1000 m，孔隙率在50%而出現(xiàn)骨長入差異。目前一般認(rèn)為孔徑在100～400 m才利于骨長入涂層錨瞄合假體。

4 阿侖膦酸鈉對假體周圍骨長入的促進作用

由磨損顆粒引起的破骨細(xì)胞性骨吸收可能是人工關(guān)節(jié)假體周圍骨溶解的主要發(fā)病機制。二磷酸鹽是目前較為有效的骨吸收抑制劑之一，其主要作用是抑制破骨細(xì)胞性骨吸收，以往的研究已經(jīng)證實阿侖膦酸鈉可抑制顆粒磨損誘導(dǎo)的人工關(guān)節(jié)假體周圍骨溶解[16]，近來研究又表明阿侖膦酸鈉可能具有促進成骨作用。李宏斌等人[17]研究的實驗組假體柄周圍纖維界膜薄且稀少，新生骨與假體界面多為直接接觸，有些部位新生骨與假體界面完全整合，看不到明顯界膜。形態(tài)計量學(xué)檢測證實，假體與周圍骨的結(jié)合明顯優(yōu)于對照組。Giuliani[18]報道在對鼠和人骨髓進行培養(yǎng)時，磷酸鹽可刺激成骨細(xì)胞前體增生及礦化結(jié)節(jié)的形成。GangoitiMV[19]研究表明各種二磷酸鹽均可誘導(dǎo)鼠顱骨成骨細(xì)胞增生。Tipton DA[20]的研究表明，含氮二磷酸鹽可以促進成骨細(xì)胞表達I型膠原、堿性磷酸酶等成骨細(xì)胞特異性標(biāo)記物，這些標(biāo)記物的增加表明成骨細(xì)胞在含氮二磷酸鹽作用后其成骨能力明顯增加。近來Bellido T[21]通過體外培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，阿侖膦酸鈉可促進成骨細(xì)胞的分化與成熟，且在細(xì)胞培養(yǎng)液中檢測到促進成骨的BMP-2及與成骨相關(guān)的I型膠原和骨鈣素均明顯增高。Koch FP[22]研究還發(fā)現(xiàn)阿侖膦酸鈉可以抑制骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞的凋亡。因此，李宏斌實驗中實驗組與對照組假體周圍界膜問的這種差別可能與阿侖膦酸鈉促進成骨的作用有關(guān)。

5 材料孔隙結(jié)構(gòu)對骨長入的影響

當(dāng)材料微觀結(jié)構(gòu)處于納米級時，主要影響的是材料的生物相容性，因為此時機體和材料發(fā)生反應(yīng)主要在蛋白質(zhì)水平。當(dāng)材料微觀結(jié)構(gòu)處于微米水平時,主要影響的是細(xì)胞行為，包括細(xì)胞黏附到材料表面的方式、細(xì)胞排列的朝向等。早期植入物表面是光滑的，只能被纖維組織包裹，后來人們發(fā)現(xiàn)粗糙表面可以促進骨與材料的緊密接觸。粗糙表面促進血小板附著和纖維蛋白塊的粘連[23]，為早期骨形成提供初始的穩(wěn)定環(huán)境。細(xì)胞必須黏附才能延展，延展刺激細(xì)胞增值。粗糙性抑止細(xì)胞延展,促使細(xì)胞向分化的方向發(fā)展。增值和分化是相對拮抗的。Tina Mygind等人的研究[24]印證了這種關(guān)系。他們將人間充質(zhì)干細(xì)胞置于多孔 HA支架中培養(yǎng)，一種孔隙直徑200 m，另一種為500 m。其結(jié)果表明，前者有利于細(xì)胞分化，而后者有利于細(xì)胞增值。在設(shè)計材料時應(yīng)盡量達到平衡，即提供足夠粗糙的表面讓細(xì)胞黏附，又讓細(xì)胞在整個材料內(nèi)部延展、增值?？傊牧峡紫督Y(jié)構(gòu)對骨長入有巨大的影響。雖然有大量的文獻集中在這一問題上,也達成了一些共識，但離問題的解決還有距離。主要有這么幾點[25-26]：一是不同的動物模型之間很難進行比較，二是體外實驗的結(jié)果不能反映體內(nèi)的情況。三是很多實驗引入了干細(xì)胞和 BMP。這些實驗都說明了特定的問題，但也帶來了干擾因素。針對具體的要求，設(shè)計具體的實驗，找到具體的孔隙結(jié)構(gòu)，也許是未來工作要注意的。

[1]徐美濤，查振剛.人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后股骨假體周圍骨量丟失的研究進展[J].中國矯形外科雜志，2010，18(24)：2052-2055.

[2]蔡谞，王達文，樊宇平，等.中空多孔股骨柄假體骨長入方式的在體實驗研究[J].中華骨科雜志，2008，28(12)：1040-1045.

[3]Vasilis Zampelis,Magnus Tagil,Lars Lidgren,et a1.The effect of a biphasic injectable bone substitute on the interface strength in a rabbit knee prosthesis model[J].Journal of Orthopaedic Surgery and Research,2013,8:25.

[4]Stefan Kinkel,Jan Dennis Graage,Jan Philippe Kretzer,et a1.Influence of stem design on the primary stability of megaprostheses of the proximal femur[J].International Orthopaedics,2013,37(10):1877-1883.

[5]王弘毅，郝平，王晉申，等.rhBMP-2在兔橈骨遠(yuǎn)端骨缺損模型中成骨效應(yīng)研究[J].國際骨科學(xué)雜志，2013，34(5)：362-367.

[6]Takaaki Tanaka,Kenichiro Hamada,Kazuya Oshima,eta1.Anew strategy to remove broken femoral mega-prostheses with hollow trephine reamers[J].European Journal of Orthopaedic Surgery&Traumatology,2013,23(3):357-360.

[7]Mark Young,Michael R.Doran.Mesenchymal Stem Cell Therapies for Bone and Tendon Conditions[J].Mesenchymal Stem Cell Therapy,Stem Cell Biology and Regenerative Medicine,2013,117-144

[8]Jae Hyup Lee,Mi Young Ryu,Hae-Ri Baek,et a1.Effects of porous beta-tricalcium phosphate-based ceramics used as an E.coliderived rhBMP-2 carrier for bone regeneration[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2013,24(9):2117-2127.

[9]李曉淼，沈奕，王偉力，等.骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、骨形態(tài)發(fā)生蛋白和骨發(fā)生潛力與髖關(guān)節(jié)置換后假體的穩(wěn)定性[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2011，15(52)：9746-9749.

[10]Engh CA,Hopper RH,Huynh C,et al.A prospective,randomized study of cross-linked and non-cross-linked polyethylene for total hip arthroplasty at 10-year follow-up.[J].J Arthroplasty,2012,27(8 Suppl):2-7.

[11]Yan Y,Tang D,Chen M,et al.Axin2 controls bone remodeling through the beta-catenin-BMP signaling pathway in adult mice[J].J Cell Sci,2009,122(19):3566-3578.

[12]Song T.S,David J.J,Willem M.H,et al.Overactive bone morphogenetic protein signaling in heterotopic ossification and Duchenne muscular dystrophy[J].Cellular and Molecular Life Sciences,2013,70(3):407-423.

[13]Esenwein SA,Esenwein S,Herr G,et al.Osteogenetic activity of BMP232 coated titanium specimens of different surface texture at the ort hotopic implant bed of giant rabbits[J].Chirurg,2001,72:1360-1368.

[14]Kerem Canbora,Ozkan Kose,Atilla Polat,et al.Management of Vancouver type B2 and B3 femoral periprosthetic fractures using an uncemented extensively porous-coated long femoral stem prosthesis[J].European Journal of Orthopaedic Surgery&Traumatology,2013,23(5):545-552

[15]張亞東，齊進，楊慶銘.多孔涂層假體的標(biāo)本制作及骨長入觀察[J].寧夏醫(yī)學(xué)雜志，2000，22(9)：516-516-517.

[16]Wei-Ping Ji,Xiao-Ling Wang,Miao-Qun Ma,et al.Prevention of early bone loss around the prosthesis by administration of anti-osteoporotic agents and influences of collared and non-collared femoral stem prostheses on early periprosthetic bone loss[J].European Journal of Orthopaedic Surgery&Traumatology,2013,23(5):565-571.

[17]李宏斌 ，朱振安，王曉慶，等.阿侖膦酸鈉對人工關(guān)節(jié)假體周圍骨長入的影響[J].臨床骨科雜志，2006，9(2)：167-169.

[18]Giuliani N.Mechanisms Involved in Osteoblast Suppression in Multiple Myeloma[J].Myeloma Bone Disease,Current Clinical Oncology 2010,231-242.

[19]Gangoiti MV,Cortizo AM,Arnol V,et al.Opposing effects of bisphosphonates and advanced glycation end-products on osteoblastic cells[J].Eur J Pharmacol,2008,14(3):140-147.

[20]Tipton DA,Seshul BA,Dabbous MKh.Effect of bisphosphonates on human gingival fibroblast production of mediators of osteoclastogenesis:RANKL,osteoprotegerin and interleukin-6[J].Periodontal Res,2011,46(1):39-47.

[21]Bellido T,Plotkin LI.Novel actions of bisphosphonates in bone:preservation of osteoblast and osteocyte viability[J].Bone,2011,49(1):50-55.

[22]Koch FP,Yekta SS,Merkel C,et al.The impact of bisphosphonates on the osteoblast proliferation and Collagen gene expression in vitro[J].Head Face Med,2010,9(6):12.

[23]Vinod Kumar,Bipul Tripathi,Anchal Srivastava,et al.Nanocomposites as Bone Implant Material[J]Springer Handbook of Nanomaterials,2013:941-976

[24]Mygind T,Stiehler M,Baatrup A,et al.Mesenchymal stem cell ingrowth and differentiation on coralline hydroxyapatite scaffolds[J].Biomaterials,2007,28(6):1036-1047.

[25]Gry Hulsart-Billstrm,Sonya Piskounova,Lars Gedda,et a1.Morphological differences in BMP-2-induced ectopic bone between solid and crushed hyaluronan hydrogel templates[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2013,24(5):1201-1209.

26]Jia Jiang,WeiHao,Yu ZhuoLi,et al.Hydroxyapatite/regenerated silk fibroin scaffold-enhanced osteoinductivity and osteoconductivity of bone marrow-derived mesenchymal stromal cells[J].Biotechnology Letters,2013,35(4):657-661.