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全髋关节置换术明显提高了病人的生活质量, 并长期保持了关节功能。随着骨水泥固定全髋关节置换术的应用, 在70 年代, 首先发现了假体无菌性松动现象。以后不断提高骨水泥应用技术, 至二、三代技术, 早期无菌性松动率得到了明显降低, 但是问题并未完全解决, 已成为骨水泥固定全髋关节置换术最为严重的长期并发症。同时, 在70 年代初也开展了生物学固定假体的研制, 试图通过骨的直接长入, 取得更满意的固定效果。1987 年, Jones 等[1 ]提出了“骨水泥病”的概念,详细分析了“骨水泥病”发生的可能因素, 也认为生物学固定是解决无菌性松动的一个有效方法。此后, 经历了两代生物学固定假体的研制和应用, 加深了对骨组织长入和假体稳定性的认识。但是, 部分调查结果显示, 其无菌性松动率明显高于骨水泥固定全髋关节置换术, 且发生时间早, 伴有明显的骨溶解[2～ 4 ]。
无菌性松动在临床上最早表现为X 线片上的假体周围透明带( radio lucent zone ) 和骨溶解(o steo lysis) [5 ]。全髋关节置换翻修术中发现了与X 线表现相对应的界膜( interfacialmembrane) 和侵蚀性肉芽肿(aggressive granuloma) , 从中又发现了大量微粒物质的存在。进而对微粒的产生, 微粒诱发的组织反应, 以及所导致的临床结果都进行了系统研究。
一、界膜和侵蚀性肉芽肿
1975 年, Charnley 首先发现假体周围界膜的存在,目前, 普遍认为界膜是骨对骨水泥或假体的一种组织反应[1, 6 ]。将骨水泥团块放于骨髓腔内, 在其表面就形成一薄层的纤维组织, 在微动的骨再生室(bone har2vest chamber) 内获得的也是纤维组织, 而不是骨组织。因此Goodman 等[7, 8 ]认为微动和异物是产生纤维组织的原因。有关界膜的组织学报道差异不大, L ennox等[6 ]观察了不同界膜的组织学, 骨水泥界膜由大量的巨噬细胞和巨细胞组成, 并有肉芽的形成, 生物学固定界膜为疏松结缔组织, 血管丰富, 有大量巨噬细胞。Ho riko sh i 等[4 ]认为, 两种界膜无明显差别, 均由纤维组织基质和大量巨噬细胞组成, 也见巨细胞。Goodman等[9 ]观察到骨水泥界膜由组织细胞和巨噬细胞组成, 膜的骨水泥面为一层滑膜组织。Kim 等[10 ]和Santavirta 等[11 ]报道, 骨水泥界膜由致密结缔组织组成, 同时伴随慢性炎症反应。Ch iba[12 ]发现, 生物学固定界膜为非特异性慢性炎症反应, 包括巨噬细胞、成纤维细胞和血管组织, 有骨溶解的以巨噬细胞为主, 无骨溶解的以成纤维细胞为主。
利用免疫组化和组织培养技术, 发现界膜中含有诸多骨吸收因子。Goodman 等[9 ]报道, 松动后的界膜与未松动的界膜比较, 含有较高的PGE2 (前列腺素E2) ,胶原酶无明显差别, 在界膜中未发现IL - 1 (白介素-1)。Kim 等[10 ]报道, 界膜中均含有较高的PGE2、IL - 1和胶原酶。Ho riko sh i 等[4 ]报道, 界膜中含有较高的蛋白酶、IL - 1、TN F (肿瘤坏死因子) 和PGE2。Ch iba等[12 ]发现, 界膜中含有较高的IL - 1、IL - 6 (白介素-6) 和TN F。Santavirta 等[13 ]报道, 界膜中含有较高的胶原酶。M urray 等[14 ]认为, 界膜中PGE2 的骨吸收作用仅占2% , 重要的是细胞因子和胶原酶。原位杂交表明, 巨噬细胞表达IL - 1、IL - 6、TGF- B(转化生长因子- B) 和PDGF (血小板衍生生长因子) [15 ]。
1976 年, Harris 等[2 ]首先报道了侵蚀性肉芽肿, 这种组织存在于任何形式固定的全髋关节置换术后, 包括固定良好的和松动的股骨内。Santavirta 等[11 ]发现,肉芽肿由组织良好的结缔组织组成, 包括成纤维细胞和组织细胞- 单核细胞(h ist iocyt ic2monocyt ic) 反应带, 血管丰富, 随处可见绒毛样结构, 认为侵蚀性肉芽肿与界膜最明显的差别是缺乏激活的成纤维细胞, 其功能是在巨噬细胞清除异物后, 分泌胶原, 重建细胞外基质。Santavirta 等[13, 16 ]报道, 肉芽肿存在于骨水泥和非骨水泥固定的全髋关节置换术后, 其组织形式一致,并可产生胶原酶。
巨噬细胞激活后, 可释放100 多种因子, 其中既有骨吸收激活因子, 也有骨吸收抑制因子, 正常状态下,这两类因子平衡, 在某些特定条件下, 巨噬细胞被激
活, 释放骨吸收因子, 产生骨溶解[17 ] , 由此可见, 上述IL - 1、IL - 6、TN F、胶原酶、PGE2、TGF- B和PDGF的出现, 是导致无菌性松动的最终原因。
二、微粒物质
翻修术中获得的界膜和侵蚀性肉芽肿中均有大量的微粒物质。Ch iba 等[12 ]报道, 非骨水泥固定界膜中聚乙烯微粒明显高于金属微粒, 直径不到1Lm, 平均0. 6～ 0. 7Lm。Jasty 等[3 ]发现, 肉芽肿中巨噬细胞吞噬大量聚乙烯微粒, 也有小量金属微粒。Ho riko sh i 等[4 ]报道,界膜中巨噬细胞和成纤维细胞吞噬大量聚乙烯微粒,
直径小于5Lm。Goodman 等[9 ]报道, 界膜中组织细胞和巨噬细胞含有大量骨水泥和聚乙烯微粒。Am stutz 等[18 ]提出, 由于材料的性能, 关节面以及界面的活动, 都会不同程度地产生磨损微粒。Harry等[19 ]详细分析了假体的磨损机制, 并将之分为4 种模式, 明确提出原始关节面之间磨损是产生微粒的主要形式, 在体外模拟磨损实验中, 观察得到4 种聚乙烯磨损微粒, (1) 颗粒(granules) : 圆形光滑, 直径0. 1～ 1. 0Lm; (2) 珠(beads) : 圆形, 但表面粗糙, 直径1～ 10Lm;(3) 纤丝(fibrils) : 长达4Lm, 宽小于0. 25Lm; (4) 碎片( sh reds) : 长约11Lm, 宽1～ 10Lm。其中颗粒占95% ,且主要为直径小于0. 2Lm 的颗粒。从界膜中得到的微粒也以颗粒为主, 占75% , 直径0. 2～ 0. 8Lm。Huo 等[20 ]在12 个翻修术中, 发现所有界膜中均含有骨水泥颗粒, 11 个界膜中含有聚乙烯微粒, 仅4 例界膜含有金属颗粒, 并认为骨水泥技术不佳是导致界面微动、产生微粒的主要原因。Jasty 等[3 ]认为, 在非骨水泥固定的全髋关节置换术中, 关节面磨损产生大量聚乙烯颗粒, 是引起松动的主要原因。另外, 金属微粒可介入关节面之间, 发生3 体磨损(3 - body abrasivew ear) , 增加聚乙烯微粒的产生, 并可能加强聚乙烯微粒的生物学活性, 而其本身的生物学活性可能更大。
Goodman[7 ]将不同微粒置于骨再生室内, 骨水泥、聚乙烯微粒伴随异物反应, 钴- 铬合金微粒伴随异物和慢性炎症反应, 将骨水泥微粒置于骨髓腔内, 形成了血管丰富的由组织细胞和巨细胞组成的异物反应组织, 与翻修术中获得的界膜相同[8 ]。Huo 等[20 ]观察到,肉芽肿中微粒含量明显高于界膜中含量。由此说明,微粒的数量越多, 组织反应越剧烈, 骨吸收作用越强。同时也说明不同的微粒以及数量的不同, 导致了同一组织发生了不同的组织学和生物学改变。
在上述研究的基础上, Goodman[7 ]提出了微动理论和微粒理论。认为这两种机制具有协同作用, 即存在一个恶性循环: 由于微动和关节磨擦, 必然产生微粒,不同微粒激活由于微动或异物反应所形成的界面组织, 产生骨吸收因子, 使骨溶解, 最终导致松动。目前,尚无明确的解决无菌性松动的手段, 增加固定的稳定性, 提高材料的耐磨性, 以及抗骨吸收因子药物的应用, 均有可能成为解决无菌性松动的有效方法。
参 考 文 献
1 Jones LC, Hungerpo rd DS. Cement disease. Clin O rthop,1987, 225: 192.
2 TanzerM , HarrisWH,M aloneyWJ , et al. The p rogressionof femo ral co rtical o steo lysis in association w ith to tal h iparth rop lasty w ithout cement. J Bone Jo int Surg (Am ) ,1992, 74: 404.
3 JastyM ,Bragdon C, J iranek W , et al. Etio logy of o steo ly2sis around po rous2coated cementless to tal h ip arth rop las2ties. Clin O rthop, 1994, 308: 111.
4 Ho riko sh iM ,M acaulay W , Boo th RE, et al. Comparisionof interface membranes obtained from failed cemented andcementless h ip and knee p ro stheses. Clin O rthop, 1994,309: 69.
5 Gruen TA , M cN eice GM , Am stutz HC. “Modes offailure”of cemented stem2type femo ral components. ClinO rthop, 1979, 141: 17.
6 L ennox DW , Schofield BH, M cDonald A F, et al. A h is2to logic comparision of asep tic loo sening of cemented,p ress2fit, and bio logic ingrow th p ro stheses. Clin O rthop,1987, 225: 171.
7 Goodman SB. The effects of m icromo tion and particulatematerials on tissue differentiation. Bone chamber studiesin rabbits. A cta O rthop cand, 1994, 65 (Supp l) : 258.
8 Goodmen SB, Fo rnasier VL , Kei J. The effects of bulkversus particulated po lymethylmethacrylate on bone. ClinO rthop, 1988, 232: 255.
9 Goodman SB, Ch in RC, Ch iou SS, et al. A clinical2patho logic2biochem ical study of the membrne surroundingloo sened and nonloo sened to tal h ip arth rop lasties. ClinO rthop, 1989, 244: 182.
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11 Santavirta S, Konttinen YT,Bergro th V , et al. A ggressivegranulomatous lesions associated w ith h ip arth rop lasty. JBone Jo int Surg (Am) , 1990, 72: 252.
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20 Huo MH, Salvati EA , L ieberman JR, et al. M etallic debrisinfemo ral endo steo lysis in failed cemented to tal h iparth rop lasties. Clin O rthop, 1992, 276: 157
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