[word格式] 磨损颗粒特征与髋假体生物性松动
磨损颗粒特征与髋假体生物性松动
中国骨与关节损伤杂志2006年1月第21卷第1期
用上粗下细的非骨水泥股骨假体;如股骨髓腔呈柱状则多采
用骨水泥股骨假体.此外,选择金属与金属,陶瓷与陶瓷的
假体
可以有效降低磨损颗粒,减少骨溶解,延缓假体松
动的发生.
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(收稿:2005—07—30)
磨损颗粒特征与髋假体生物性松动
范红先综述戴闽审校
人工髋关节的机械磨损可产生大量磨损颗粒(WearDe.
bris).这些磨损颗粒被吞噬细胞(Macrophages)吞噬后可诱
导吞噬细胞死亡.尽管这种死亡的确切机制尚不是十分清
楚.目前认为可能是磨损颗粒诱导了吞噬细胞的凋亡
(Apoptosis),大量研究均证实吞噬细胞吞噬磨损颗粒后可
随之释放出大量炎性介质.其中主要的有肿瘤坏死因子一a
(TNF—a),白介素一l0(1L,l8),白介素一6(IL一6)和
前列腺素E(PGE)等.这些炎性介质可激活破骨细胞.
南禺大:第一附属医院骨二科江西省南f5巾3311006
综述?’
造成假体周围骨溶解,最终导致假体的生物性松动,假体失
败0J.越来越多的研究表明.诸多磨损颗粒的特征可影响吞
噬细胞释放炎性介质,本文就这些影响因素作一综述.
1磨损颗粒大小的影响
1.1一般资料界膜中磨损颗粒大小的研究根据Mcke1.
1op等4J对磨损机制的分型,I型磨损是髋关节假体磨损的
主要形式.翻修取出假体可见负重面光滑l5J,其产生的颗粒
直径小而数量大:?I型磨损可加快人工关节材料的磨损速
?
78?
度,翻修取出假体可见明显擦痕,其产生的颗粒直径大而数
量相对较少.由于磨损机制的不同,相应产生的磨损颗粒的
形态也不同.因此,界膜中磨损颗粒的大小,报道不一.
amstutz等[]报道,界膜中聚乙烯(Polyethylene,PE)的直
径分布为0.1,10m;而Hatton等一报道,陶瓷对陶瓷配
伍,体外髋关节模拟器产生的磨损颗粒却呈现出双极分布的
特点:5,20nm和0.2,l0n1.
产生以上差异的原因有很多,除了假体设计,磨损机制
等的影响外,翻修手术距离初装人工髋关节的时问也是其原
因之一.A.P.D.Elfick等j研究发现.聚乙烯磨损的早期为
磨合期(Bedding—inPeriod),体积磨损量较大,颗粒直径多
在2,5m并可出现100m直径的磨损颗粒;而后期为成
熟期(MaturePeriod),磨损颗粒直径多在0.3,0.8nm,不
再出现100#m直径的磨损颗粒.成熟期的磨损量明显小于磨
合期.
除此之外,磨损颗粒的大小不同程度上还受检测方法的
影响.A.P.D.Elfick等l8认为,扫描电镜(SEM)在检测时
需经过过滤,喷金(非金属材料)等步骤,在此过程中可能
污染其它颗粒.值得注意的是SEM是在二维平面上测量的,
由于磨损颗粒多数不呈
的球形,这就存在长径和短径,
在不同的观察角度上就必然存在测量误差.另一方面,过滤
网的孑L径过大,较小的颗粒可能被滤过而未被观察到,孔径
过小则大小颗粒混合而难以选择合适的放大倍数进行观察;
另一种检测方法是激光粒度
(1aserdiffractionparticles
analysis,LDPA),这种方法的优点是可以检测出各种直径颗
粒的大小及所占比例,但由于磨损颗粒的直径越小,发生团
聚的可能性就越大,即LDPA检出的颗粒可能是二次粒径.
可见,目前尚缺乏一种重复性好的检测微粒大小的手段.界
膜中磨损颗粒大小的真实情况还有待进一步研究.
1.2磨损颗粒大小对细胞因子产生的影响一般认为,直
径在10m以下的磨损颗粒可被吞噬细胞吞噬,产生溶骨性
介质;而直径大于10m的颗粒则不能被吞噬细胞所吞噬.
只能被多核异物巨噬细胞所包裹,因此,后者产生的炎性介
质明显少于前者.EfrakYK等l9J将直径为0.5/,m和1.5
m的氧化铝陶瓷磨损颗粒分别和人类单核细胞共培养,结
果0.5Fn直径颗粒组的IL一1a,IL1口和TNF—a的含量
均高于1.5m直径颗粒组,提示磨损颗粒的大小是影响界
膜产生与骨溶解有关的细胞因子的因素之一.Green等”J认
为0.3,10”m的PE磨损颗粒具有最强的生物活性.
2磨损颗粒形态的影响
S—Y.Yang等…的体外实验结果表明.呈纤丝状的PE
磨损颗粒诱导产生的IL—l8和TNFa的含量明显高于呈球
形的PE颗粒.A.P.D.Elfick等l8】研究发现.假体头的表面
粗糙度越高,磨损颗粒越不呈球形而呈片状.提示人工股骨
头的表面摩擦系数越大或有擦痕,不仅可加重髋臼的磨损,
其磨损产生的磨损颗粒(大小在生物活性范围内)对假体使
用寿命的威胁也显然更大
3磨损颗粒浓度的影响
CHINESEjoURNALOFBONEANDJOINTINJURYVo1.21.No.1.Jan.20
{)6
Hatton等【7J采用不同浓度的氧化铝陶瓷磨损颗粒(磨损
颗粒体积:吞噬细胞=1m:1,10m:1.100m:1和500
m:1)与人类外周血单核细胞共培养,结果前两组的细胞因
子含量与对照组无差别,而500/*m:1组的细胞因子含量明
显高于对照组.提示磨损颗粒的浓度是影D向吞噬细胞产生假
体生物性松动相关炎性介质的因素之一.T.R.Green等ll叫和
J.H.Ingrain等llIj的体外研究结果均证实了这一观点.
4磨损颗粒材料的影响
4.1高分子聚乙烯大量研究表明,不同材料的磨损颗粒
诱导吞噬细胞产生溶骨性介质的能力是不同的.聚乙烯是目
前制造髋臼或髋臼内衬的主要材料,其磨损颗粒已被公认为
引起假体无菌性松动的重要因素.然而,不同分子量和交联
程度的聚乙烯具有不同的生物活性.通常使用的超高分子聚
乙稀(Ultra—highMolecularWeightPolythylene,UHMWPE)
主要有两种,一种是GUR1120,另一种是GUR415HP,前
者多在欧洲使用,而后者多在美国使用.两中材料的区别在
于前者的分子量(4.4×106gmol)小于后者(7.3×106
gmol)[tz].J.H.Ingram等[“]研究发现,分子量较小的
GUR1120磨损率大于分子量较大的GUR415HP.体外磨损
模拟实验显示,分子量较小的GUR1120磨损产生的颗粒直
径多在1.0,10m,而分子量较大的GUR415HP磨损产生
的颗粒直径多在0.1,1.0m,即分子量大的GUR415HP
体积磨损小且磨损颗粒的直径也小,而分子量小的GUR
1120则正相反.GUR415HP的磨损颗粒在浓度为1”m/吞
噬细胞时就能诱导产生大量的TNF—a,而GUR1120的颗
粒浓度需达到10m3/g-噬细胞,测出的TNF—a才能高于
阴性对照组.T.R.Green等?0j报道吞噬细胞的可吞噬范围为
0.3,10tin1,在此范围内的磨损颗粒最具生物活性.因此,
J.H.Ingram等lllj认为GUR1120的生物活性相对较低.J.
H.Ingram等【llJ同时发现,高交联聚乙烯磨损颗粒的浓度在
0.1111/吞噬细胞就能诱导产生大量的TNF—a.而普通聚
乙烯磨损颗粒的浓度需达到10m/吞噬细胞(或以上)才
能诱导吞噬细胞产生相同浓度的TNF—a,因此认为,高交
联聚乙烯的磨损颗粒较普通聚乙烯磨损颗粒具有更强的生物
活性.
4.2钛和陶瓷钛和陶瓷也是目前用于制造人工髋关节的
主要材料.H.Warashina等it3]研究发现,钛和PE的磨损颗
粒诱导产生的IL一6和IL—l8均明显高于对照组.而氧化铝
陶瓷和氧化锆陶瓷的磨损颗粒诱导产生的IL一6和IL—l8均
低于对照组.D.Granchi等l141研究也发现氧化铝陶瓷的磨损
颗粒诱导产生的IL一6,TNF—a和粒一巨噬细胞集落刺激
因子(GM—CSF)均低于聚乙烯磨损颗粒,提示氧化铝陶瓷
和氧化锆陶瓷的磨损颗粒具有较低的生物活性.
4.3骨水泥E.Ingham等分别将纯骨水泥,含9.2%
lnn1直径的硫酸钡,含10%10tim直径的硫酸钡,含10%l
un1直径的硫酸钡,含15.6%10/*m直径的氧化锆,含20%
10m直径的磷酸三钙和含30%10/1m直径的磷酸三钙等7
种骨水泥磨损颗粒与人类U937单核细胞共培养.然后测定
中国骨与关节损伤杂志2006年1月第2l卷第l期
上清液中IL一18,IL一6和TNF—a的含量,结果显示,骨水泥
磨损颗粒能诱导吞噬细胞产生IL一1p,IL一6和TNF—a等炎
性细胞因子;含硫酸钡和氧化锆的骨水泥比纯骨水泥具有更
强的诱导吞噬细胞产生IL一1口,IL一6和TNF—a等炎性细
胞因子的活性,但并未发现骨水泥添加剂的比例和颗粒直径
对炎性细胞因子的产生有影响.
5压力的影响
McEVOY等1在磨损颗粒与人类单核细胞共培养的同
时给予周期性压力,结果发现,周期性压力和磨损颗粒在诱
导吞噬细胞产生炎性细胞因子(IL一18,IL一6和TNF—a)
方面具有正协同作用,同时还发现,压力本身也能诱导吞噬
细胞产生以上细胞因子.这表明,假体周围由于微动,磨损
产生的间隙在关节活动时不仅具有泵吸作用,将磨损颗粒泵
人间隙内,使磨损颗粒在局部聚集,有利于界膜中的吞噬细
胞吞噬磨损颗粒,产生炎性介质,另一方面,泵吸本身产生
的周期性压力也诱导了吞噬细胞产生炎性介质,两者共同作
用的结果导致了假体的生物性松动.
6内毒素的影响
用于体外研究的磨损颗粒由于各种原因可能沾染上内毒
素(Endotoxin).研究表明,内毒素可以明显增强吞噬细胞
对磨损颗粒的反应.为了去除内毒素,很多作者提出了不同
的方法.Hitchins等l17]提出将磨损颗粒在室温下浸泡于70%
乙醇中48h,然后用磷酸缓冲液(PBS)冲洗;EfratY—K
等_9报道,将陶瓷磨损颗粒在200?下干烤1h,并辐照
(8000tad)75rain,经检测能去除内毒素;D.R.Cho等_I别建
议将磨损颗粒浸泡在70%的乙醇中24h,然后离心,去除上
清液,如此重复三遍,再加入1%醋酸中煮沸3h.随后将磨
损颗粒用磷酸缓冲液洗涤三遍,再高压灭菌1h,最后在
175?下干烤3h,他们认为这样可彻底清除内毒素.目前较
为公认的去除内毒素的方法是在250?(或以上)干烤3h
以上.但人工髋关节的制造材料大多不能耐受此高温,尤其
是高分子聚乙烯因其熔点仅为135?,而辐照又将改变高
分子聚乙烯的理化性能.至于内毒素的定量检测和内毒素增
强吞噬细胞作用的深入研究目前尚较少,国内对此的认识尤
显不足.由此可见.有效去除磨损颗粒表面内毒素的方法和
内毒素增强骨溶解的机制等还有待进一步研究.
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