人工颞下颌关节材料的研究进展

2017-6-12 10:06  来源:中国口腔颌面外科杂志
作者:王烨欣 张善勇 郑吉驷 阅读量:1479

    早在1840年,Carnochan将小木块植入1例关节强直的患者,用以防止术后复发。随后,Risdon、Eggers等用金箔和钽材料取代病变的髁突。1965年,Christensen设计了第一个全人工颞下颌关节假体,包括铸造钴铬钼合金的下颌支和关节窝,以及PMMA材质的髁突。随后,Sonnenburg改进并设计了由高压聚合的聚乙烯制成的关节窝及钛合金制成的髁突头组成的全人工颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)。随着CT及3-D打印技术在医学领域的发展,“TMJ Concepts”公司通过对患者术前CT进行数字化重建后打印头模,与手术医师商议并确定个性化假体的设计,加工后用于临床。

    1989年,“The TMJ Concepts”公司设计了纯钛制成的关节窝,并以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为关节窝内衬,钴铬钼合金制成的髁突及由钛合金制成的下颌支的全人工关节,并于1999年被美国FDA认证通过。1995年,邦美(Biomet)集团设计了钴铬钼合金制成的髁突和下颌支(髁突表面包被钛金属)及UHMWPE制成的关节窝组成的全人工关节。人工关节材料的发展经历了金箔、钽、不锈钢、钴铬合金、钛合金、聚乙烯、超高分子量聚乙烯等,人工关节窝与髁突的对接也由金属-金属对接渐渐发展为非金属-金属对接。由于全人工关节各部分功能不一,所使用的材料也不一致。现就将其发展及优缺点分述如下。

    1.金属材料人工关节
    1.1不锈钢
    早期关节窝植入物经历了金箔、钽箔、不锈钢等阶段的发展。由于不锈钢具有易加工性和足够的强度,加之技术水平、认知水平的局限性,不锈钢作为假体植入材料在当时是个不错的选择。但研究表明,在模拟生理环境中,不锈钢易发生缝隙腐蚀、摩擦腐蚀、疲劳腐蚀等问题,且由于强度太高,会造成邻近骨的严重骨吸收。而TMJ区是一个反复负载力量的区域,周围包绕软硬组织及体液。故不锈钢最终因易磨损性、电化学腐蚀性及应力遮挡等严重问题而逐渐被钴铬合金、钛合金等材料所取代。
    1.2钴铬合金
    以钴为基础的合金强度高于不锈钢,具有更好的耐磨性和耐腐蚀性,同时具有较低的缺口敏感性。缺口敏感性表示金属材料(现在也包括塑料合金及高分子聚合材料如PBT、PBT/PC合金)由于存在缺口所引起的局部应力集中,导致其名义“强度”降低的程度。临床研究表明,在钴铬合金表面制备金属珠或纤维网状结构,可利于自体骨长入,从而增加植入物的稳定性。
    钴铬合金因其优良的耐磨性、耐腐蚀性及较低的缺口敏感性,在人工关节及髋关节、膝关节置换术中得到广泛应用。而在钴铬合金为主的金属-金属对接的髋关节置换术临床随访显示,最高可在体内存在20年之久。钴铬合金的高耐磨性使其成为人工髋关节及人工TMJ“头”的部分,由于其能够承受反复的运动摩擦以及一定的强度,在全人工TMJ置换术中成为髁突的理想材料。钴铬合金的高耐磨性、高硬度也成为其弊端。在人工关节置换术中,由于其高弹性模量,钴铬合金假体会产生明显的应力遮挡,导致周围骨质溶解。然而,研究表明,磨损产生的纳米碎屑及小颗粒分子会产生细胞毒性,造成实验中纤维母细胞DNA损伤,其中纳米碎屑造成的损伤更大。
    另外,钴铬合金长期植入人体后,会释放金属离子,特别是铬离子,具有潜在的细胞毒性、致癌性和过敏反应。临床研究发现,使用含钴铬合金假体的全髋关节置换患者,其血液中的钴离子和铬离子水平增高,术后出现一系列神经症状,临床上应该慎用。
    1.3钛合金
    相比于钴铬合金,钛合金具有更好的生物相容性,且弹性模量只有钴铬合金的一半,能更好地分散应力,从而对假体邻近骨的应力遮挡作用更小。Bobyn等利用硬度不同的钴铬合金及钛合金材料对8只实验犬进行全髋关节置换术,术后经大量量化的数据分析显示:3例钴铬合金制成的假体在应力集中处发生严重骨吸收;而钛合金制成的假体在8只实验犬中未出现严重骨吸收,表明硬度较低的钛合金产生的应力遮挡更小。近年来,以钛为基础的合金有了很大进步,在医学领域得到广泛应用。最初用于临床的钛主要为纯钛,而后出现了更高强度和加工性能更好的Ti-6Al(铝)-4V(钒)。但毛元青等的研究表明,破骨细胞吞噬Ti-6Al(铝)-4V(钒)颗粒后,形态和功能发生改变,骨吸收功能增强。
    同时,这类合金含有Al和V元素,这2类元素具有毒性,会导致人体脏器损伤。为了避免V(钒)毒性,α+β型医用钛合金和新型β医用钛合金逐步替代了Ti-6Al(铝)-4V(钒),2种钛合金的弹性模量与骨骼较为接近。虽然钛金属的弹性模量与人骨骼最为接近,但弹性模型仍是人骨骼的4~10倍,易导致植入物周围骨严重弱化,产生“应力遮挡”,最终导致置换失败。钛金属的耐磨性差,在反复受力的情况下易发生金属疲劳而断裂,故钛金属不适于关节对接面的制作。基于其具有密度小,与人骨骼密度相近,弹性模量较低、生物相容性良好、抗腐蚀性优良、机械强度较高等特性,现临床上多用于颧弓固位及下颌固位柄的制作。随着数字化技术在医学领域的发展,3-D打印技术给传统钛合金的加工工艺带来了机遇和挑战,其对钛金属的性能影响越来越得到关注。
    1.3.1钛金属的加工工艺
    传统钛金属的加工工艺主要为铸造或锻造工艺,其最大不足在于高性能复杂结构件的制作方面。相对于传统的减材制造技术,3-D打印技术也称为增材制造技术,其最大优点是可以兼顾复杂形状结构精密成形和高性能制造,且增材制造的力学性能一般远高于铸件,而与锻件相当。张庆福等对钛合金3-D打印出的个体化下颌骨植入体的设计、制作及临床应用进行了探讨,结果表明:钛合金3-D打印出的个体化下颌骨植入体力学性能优良,重量轻,制作精度高,临床疗效满意。叶堃等对3-D打印的钛合金个体化骨盆假体的生物力学进行有限元分析,显示3-D打印钛合金骨盆假体可满足生物力学要求。
    1.3.2钛金属的表面改性处理
    传统的假体表面处理技术有多种,早期有钛珠烧结、钛粉喷涂、金属丝编织等,但存在许多问题,最大缺点是孔径不均一,孔隙率不足,不利于骨长入。目前,钛金属表面的处理方法有离子注入、等离子喷涂、电泳沉积、激光脉冲沉积、涂覆-烧结等,其中对等离子喷涂研究最多。羟基磷灰石(HA)与人骨骼的无机质成分一致,能与宿主骨产生较好的骨结合,故临床上常在钛合金表面制备HA涂层,以引导骨长入其粗糙的表面微孔中,从而形成生物自锁固定与机械咬合固定,促进假体的稳定性。等离子喷涂技术也存在某些问题,如涂层不均匀,制备过程中易使HA涂层产生裂纹,高温易使HA涂层分解进而影响其生物学性能。郑玉琼等利用等离子喷涂技术,在钛基底上制备了多孔钛涂层,与MC3T3细胞共培养,结果表明,制备的多孔钛涂层具有优良的生物活性。与传统的喷涂技术不同,利用3-D打印技术对金属基进行表面处理具有更多优势。电子束熔融(electron beam melting,EBM)技术是3-D打印技术的重要内容,采用EBM技术可以获得理想的骨生长界面,而且EBM技术所制造的表面多孔层为一次成型生成。
    研究表明,EBM制备的钛合金多孔表层具有三维连通的孔隙结构和优越的生物特性,可以促进细胞的贴附生长,诱导干细胞的骨分化;增加金属生物材料与细胞的结合力,大大提高金属假体的骨结合能力,从而获得良好的机械学性能。程文俊等对3-D打印的钛合金骨小梁金属臼杯行全髋关节置换术进行短期效果评估,随访6个月,结果显示:3-D打印的钛合金骨小梁金属臼杯的初始稳定性好,早期骨长入良好,短期疗效满意。
    研究表明,钛合金表面的离子氮化和离子碳化处理,能改善其耐磨性。于乾乾等研究了Ti-6Al-4V合金氮离子注入后在人工体液中的耐蚀耐磨性能,结果表明:Ti-6Al-4V合金氮离子注入后的摩擦系数明显降低,磨损率减少。刘瑶等研究了C离子注入医用纯钛后性能的改善,结果表明:注入层硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性均有提高。当钛和其他材料如超高分子量聚乙烯相对滑动时,这些改善的性能相当重要。
    2.高分子材料人工关节
    2.1聚氟乙烯
    1972年,Kent等设计了一种由钴铬制造的下颌支假体,在髁突头上包被一层四氟乙烯多聚物,期待利用其多孔性来促进软、硬组织的内向生长,实现更稳定的固位。20世纪80~90年代初期,Proplast-Teflon假体被美国FDA认证通过并应用于临床,然而科学家更多在试管内进行该材料的性能测试,缺乏摩擦实验及动物实验。最终,被广泛应用于Proplast假体、VKITeflon关节窝假体等假体的材料氟化乙烯丙烯聚合物(FEP)因生物相容性差,磨损产生微粒导致严重并发症,造成多例人工关节置换术失败,最终被美国FDA召回。
    2.2聚乙烯及超高分子量聚乙烯
    20世纪80年代初,研究者设计了由高压聚合的聚乙烯制成的关节窝及钛合金制成的髁突头组成的人工关节。高压聚合的聚乙烯的低弹性模量使其具有一定的减震作用,有效缓冲了人工假体间的冲击。此后,又采用了性能更好的超高分子量聚乙烯,具有抗冲击性、耐磨损性、低摩擦系数、耐化学腐蚀性、耐低温性、耐应力开裂、低吸水率、生物相容性及自身润滑性等性能,被认为是“令人惊异的塑料”。但长期的随访显示,聚乙烯或超高分子量聚乙烯制成的假体晚期磨耗明显,分解的微粒造成人工关节松动、脱位。
    如何提高UHMWPE关节植入体的耐磨性,从而提高使用寿命,成为研究的热点。研究表明,复合增强法和表面处理法能有效提高高分子材料的抗磨损性能,辐射交联可以大幅度提高UHMWPE的耐磨性,热处理及添加氧化剂可提高UHMWPE的抗氧化性能。目前有2种方法可制备UHMWPE,分别是化学交联和辐射交联,在全髋关节假体磨耗实验中可持续500万次循环,具有良好的耐磨性和疲劳强度。然而,交联在提高UHMWPE耐磨性的同时,降低了其疲劳强度、拉伸强度等物理性质。因此,如何在耐磨性和其余优良性能中找到平衡,有待于进一步研究。
    3.生物陶瓷人工关节
    考虑到金属-金属及金属-高分子材料间磨损产生的微粒造成的严重并发症,有学者提出使用陶瓷材料。陶瓷材料强度高,耐磨性好,化学稳定性和耐腐蚀性强,临床上也得以应用。2002年,VanLoon等设计了钛合金制成的关节窝及颧弓固位部,并以陶瓷材料作为人工关节窝内衬,钛合金制作固位柄,陶瓷制作髁突。动物实验显示,人工关节磨耗率低,并成功用于1例临床患者,术后未发现明显的不良反应。但其缺点也很明显,如硬度大,脆性大,弹性模量很高,抗拉及抗弯强度低等,在使用过程中容易出现脆性断裂和骨损伤。针对生物陶瓷脆性大这一缺点,现代生产中利用无尘化处理、热均衡加压、激光蚀刻等新技术,能够对生物陶瓷进行改性处理,从而改善其物理特性。近年来,在国外生物陶瓷髋臼被研制并广泛用于临床。但出于对其脆性大、容易破裂的担忧,生物陶瓷在人工TMJ中的发展较慢。
    王慧明等2000年探讨了生物陶瓷人工髁突用于颞下颌关节置换的实验研究,结果显示,单纯的生物陶瓷材料不宜直接作为髁突的置换材料,还有望通过现代组织工程技术,在其表面诱导生成一定厚度的软骨或纤维组织,以降低人工髁突表面硬度并阻止陶瓷颗粒的弥散。随着生物材料的不断发展,基于陶瓷材料的高耐磨性、高硬度,国内外正在研究、利用喷涂技术或烧结技术在金属外表面涂上一层硬化层,以提高其耐磨性,并借此形成骨性结合,从而增加固定效果,防止松动、脱离。曹明君等通过生物学试验和临床初步应用,表明在金属假体表面等离子喷涂一定厚度的氧化铝或氧化锆陶瓷粉,能有效增强假体和活组织的矿物性嵌锁作用。
    4.复合材料人工关节
    为了解决单一材料的局限性并发挥其性能优势,复合材料的研究成为一个趋势。羟基磷灰石粉末与聚丙烯醇粉末混合制成的复合材料,弥补了生物陶瓷粉末可降解性差的问题,又拥有比聚合物材料更好的生物相容性和更强的机械性能。目前处于研究阶段的复合材料包括羟基磷灰石/金属生物复合材料、羟基磷灰石/惰性陶瓷生物复合材料、碳纤维增强高分子基生物复合材料、碳-碳生物复合材料。但复合材料的研究均不够完善,尚处于实验研究中,临床远期疗效尚无法预测。
    5.人工关节假体材料的展望
    材料发展对人工TMJ的发展起着推动作用,尽管当前用于关节假体制作的材料选择上已成熟,但仍存在许多问题,如金属过敏、高分子材料的异物巨细胞反应、生物陶瓷的易破碎等。目前还没有一种绝对完美的材料。提高植入材料的耐磨性、耐腐蚀性、生物相容性等优良性能,从而提高植入假体在人体中的使用寿命,是未来重点研究的课题之一,如可在假体表面喷涂材料及微孔处理;利用生物可降解材料;材料表面改性处理;复合材料的制作等都不失为一条可探索之路。同时,3-D打印技术在人工关节假体的应用越来越广泛,并取得了不错的临床效果。基于3-D打印技术特殊的加工工艺,如何利用其特殊的加工工艺,改善假体材料的性能,有待进一步研究。

编辑: 陆美凤

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