人工关节置换术后假体腐蚀现象
作者：翁习生 邱贵兴
单位：100730中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院骨科
关键词：
中华骨科杂志000417
人工关节置换术后,置入体内的假体可因生物学、生物力学及电化学方面的原因导致结构完整性的破坏或释放降解产物[1-8]，这种现象称为腐蚀。它可进一步引起宿主组织的不良反应，最终导致假体置入失败。因此，了解有关腐蚀的现象及机制，对于预防腐蚀、延长假体寿命有重要的临床意义。
一、常见的腐蚀及腐蚀机制
骨科置入假体常见的腐蚀包括电化学溶解、磨损或二者兼有。电化学溶解包括整体腐蚀(破坏整个置入物的表面)及局部腐蚀，后者又称为裂隙腐蚀或点状腐蚀。电化学和机械力学过程(如应力疲劳及磨损)可相互作用从而引起假体置入失败和加速金属颗粒及金属离子的释放[8]。
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金属材料在体内的腐蚀，通常取决于以下两种因素，即化学驱动力与动力屏障。前者决定在特定状态下腐蚀能否发生。当金属置入体内后，由于金属正、负电荷的分离有助于形成双层电膜，并在金属-溶液交界面形成电势能。电势能可以用来衡量金属活性或金属氧化驱动力的大小，溶液中金属电势能负值越大，金属就越活跃[8]。骨科常用的金属材料大多具有较大的负值电势能，说明这些金属在体内易腐蚀。而后者即动力屏障是通过物理机制防止金属离子进入溶液(体液)和体液中的阳离子进入金属及电子在金属-体液界面的移位。金属表面形成氧化膜是借助动力屏障防止腐蚀的最常见的形式。
两种不同金属在电解质溶液中相遇，两者之间存在电势差，导致电子由较活跃一方流向较稳定一方，此过程称为电流腐蚀；从而使活跃的金属被氧化(阳极化)，而稳定金属得到相对保护(阴极化)。在骨科临床实践中，经常见到两种不同金属在电解质溶液中相遇。例如，用不锈钢环扎钢丝固定钴或钛合金的股骨柄，钴合金的股骨头与钛合金的股骨柄相接及钛合金的螺钉与不锈钢钢板接触等。实践证明，临床上应尽量避免两种不同金属的接触。但由于氧化膜的生成，改变了腐蚀反应的动力学过程，使得两种金属混合在一起时，并不一定产生加速的电流腐蚀。静止状态时，两种金属之间若无相对运动就不存在加速腐蚀，如钴与钛组成的电偶。但不锈钢与钴或钛同时存在时，不稳定的不锈钢易受到腐蚀，故应避免同时使用[8]。
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二、骨科置入假体中存在的腐蚀
关节假体各组成部分之间的锥形连接(如股骨柄颈部与头部)发生的腐蚀越来越受到人们的重视。这种金属-金属间锥形接触的关节假体的使用日益普遍，由于裂隙效应、应力效应与活动效应，可导致假体锥形连接处的严重腐蚀[9-11]。Gilbert等[12]报告148例全髋关节置换术，有10%～35%的病例在假体的头颈连接处发生中重度的腐蚀。这些腐蚀发生在钛合金的股骨柄与钴合金的股骨头之间及钛合金的股骨柄与钴合金的股骨头的关节组合中。有学者认为这种腐蚀是头颈交界锥形连接处的应力、运动及几何形状的裂隙共同作用的结果[8]。金属之间相对运动产生的应力会导致金属表面氧化膜的断裂与磨损，后者又引起金属表面的电势能负值增大及氧化膜不断的断裂与再氧化，导致裂隙中溶液化学性质的改变，这些改变会使裂隙溶液中氧缺失及pH值降低[12]。这正是裂隙腐蚀发生的条件，这一过程的最终结果是氧化膜及其动力屏障效应的破坏和锥形连接处腐蚀增加。
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钴合金假体的头颈连接处可发生严重而广泛的腐蚀，钛合金的腐蚀现象也有报告[13]。钴合金的腐蚀过程包括颗粒间腐蚀、点状腐蚀、钴的选择性溶解及高价钴微粒(氧化物、氯化物或磷化物)的形成。产生于头颈锥形连接处的腐蚀产物可进入假体周围组织及髋臼的负重面[14]。Jacobs与Gilbert等[7,15]报告3例钴合金假体柄颈处发生的广泛的颗粒间腐蚀，从而使假体颈发生疲劳性断裂。
引起头颈连接处的相对运动及氧化膜磨损的重要原因是呈锥形的颈(凸面)与呈凹面的头之间的角度不匹配[8]。这种不匹配产生并引起连接处的机械稳定性下降，即使正常步态产生的负荷也会超过头颈连接处的承受力，造成金属表面断裂。
由此可见，应力与运动联合效应、金属氧化物-溶液界面的电化学效应及金属表面形成的氧化膜的机械完整性，是影响置入物后期稳定性及寿命的非常重要的因素。
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三、局部组织对置入假体的反应
置入物周围组织可对关节假体产生的聚乙烯及骨水泥碎屑发生不同程度的异物反应。置入体内的金属是否会释放金属物质还没有明确的组织学证据，但在由多种金属组成的合金置入物周围组织中，与腐蚀产物直接相关的加速腐蚀和局部的组织反应的确存在[14]。
(一)钴-铬-钼合金
有人[7,14]通过对尸检或翻修手术中的钴合金全髋关节假体研究，分析了固体腐蚀产物向置入物周围组织移行的过程。无论是钴-铬合金、钴-钛合金，还是钴-陶瓷假体，其头颈连接处的腐蚀产物成分相差不大。用电子微探针能量发散X线分析法测定腐蚀产物的主要成分为富含水的铬磷化物(磷化铬)，这些物质存在于头颈连接处、假体周围的界膜内以及骨质的溶解缺损处。有关细胞对磷化铬颗粒反应的体外研究证实，它是强大的巨噬细胞激活物，可激发器官培养基中的骨吸收[16]。
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在有些病例聚乙烯髋臼内衬的负重面上发现有磷化铬颗粒，提示这些颗粒参与了假体磨损，并增加了聚乙烯碎屑产物[14]。腐蚀产物颗粒大小不等，直径小的可到微米以下，大的可达500μm。在光镜下，这些颗粒在外观上呈板状，浅黄或绿色，半透明，通常不被HE染色，稍大的微粒游离于纤维化或坏死区域内，或与异物巨细胞有关。大多数颗粒直径小于5μm，并存在于巨噬细胞中。在染色切片中，这些颗粒在细胞中表现为粒状；偏振光显微镜下，为双折射。不染色切片在扫描电镜下观察，颗粒在电子散射背景影像中发亮，这是由于含有较多铬原子的缘故。
Mathiesen等[11]报告9例使用非骨水泥钴-铬合金全髋关节置换的病例，其中4例因金属毒性引发了假体周围组织广泛坏死，并在头颈连接处有黑色腐蚀产物沉淀。在翻修手术前，X线片可见腐蚀产物阴影。组织切片显示有不同程度的组织细胞与异物巨细胞增生及淋巴细胞、浆细胞浸润。
Jacobs等[5]报告1例非骨水泥全膝关节置换术患者，假体周围组织内的磨损与腐蚀颗粒产物，引发了不寻常的异物反应。患者的右膝发现一瘤样肿物，伴同侧腹股沟淋巴结肿大。X线片显示髌骨金属托损坏，游离的金属碎屑及胫骨近端固定螺钉周围的骨溶解。淋巴结与肿块的组织学表现为与钴合金有关的肉瘤样非干酪样肉芽肿。
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(二)钛合金
虽然钛合金对腐蚀有明显的抵抗能力，但仍有报告，在钛合金置入物周围组织中的金属碎屑会引发组织脱色。Agins等[1]报告9例因无菌性松动或感染而行翻修手术的钛合金全髋关节假体，其周围组织中有明显的组织细胞、淋巴浆细胞、异物巨细胞及大量的金属、聚乙烯和骨水泥碎屑。所有病例的髋关节都发生了局灶性坏死。用原子吸收光谱法对石蜡包埋的组织切片进行研究，显示其颗粒中的钛、铝、钒的比例与合金相似，说明金属碎屑是来源于头或柄的磨损颗粒，而非沉淀溶解产物。
Black等[2]报告1例骨水泥钛-超高分子聚乙烯全髋关节置换术失败病例，其失败的主要原因是钛合金股骨头的过度磨损，而髋臼及股骨柄均无松动。与Agins等人的发现截然不同的是该病例关节假囊中的组织反应表现为含细小金属碎屑的组织细胞，而缺乏淋巴浆细胞、巨噬细胞或坏死组织。用电子显微镜微探针技术分析该微粒，提示其中钛、铝、钒的比例与钛合金的比例类似。
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Willert等[17]曾报告了一种裂隙腐蚀的独特现象，他实施了28例由钛合金制成的Muller全髋关节置换术，髋臼及股骨柄均用骨水泥固定。这些病例在术后平均26个月时，多数因疼痛而行翻修术。在股骨柄和骨水泥的界面，发现腐蚀产物为紫色、黑色或白色沉淀物，称为氧化钛或钛氢氧化物。在假体周围组织内的腐蚀产物颗粒为高度双折射、半透明、呈圆形或直角斑块。较小的颗粒存在于巨噬细胞和巨细胞中，偶尔可形成细胞肉芽肿。
钛合金假体周围组织中颗粒的元素组成与假体的元素组成相同，说明这些颗粒是磨损产物，而不是腐蚀沉淀物。后者见于不锈钢和钴合金假体周围组织中。但这些细小的磨损碎屑为电化学溶解提供了广阔的表面区域，而电化学溶解同样是导致局部细胞反应及体内钛离子浓度升高的主要原因[4]。
四、远离与全身效应
(一)人体全关节的研究
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腐蚀与磨损产生的金属降解产物在全身及局部的存在已在动物实验模型和临床中得到证实。Sunderman等[18]报告，全膝关节置换术后6～12周，血清与尿中的钴浓度升高，并发现一侧假体松动患者的血钴、尿钴浓度显著升高。还有1例患者血清和尿中的铬浓度也有升高，并在术后很快出现一过性血、尿镍浓度升高。但所有患者均未出现金属中毒，而且所测定的血、尿金属水平在可接受的范围内。
Michel等[19]在对10例行钴合金全膝关节置换术患者进行的前瞻性研究中发现,术后90d血清和全血中钴水平升高了2倍。在另一个回顾性研究中，9例行钴合金全膝关节或全髋关节置换的患者中，有4例在术后1～15个月内血清钴水平均明显高于对照组。上述病例中，假体都未发生松动，血清铬水平也未增高。
Jacobs等[4]在一个回顾性研究中发现，21例钛合金全髋关节置换术后假体松动患者的血清钛浓度比21例对照组升高了近2倍，两组间尿钛与尿铝浓度及血铝浓度差异无显著性意义，钒的浓度最低。由于个体间及同一个体不同时间内金属离子含量的差异，Jacobs等进行了一个前瞻性研究，测定75例患者术前及术后固定的间隔时间内血清金属元素的水平，在这一研究中每个患者均成为自身对照。钛合金假体功能良好的患者，术后36个月时体内钛浓度升高了3倍；钴合金假体功能良好的患者，术后血和尿中铬水平分别升高了5倍和8倍。铬的降解产物主要来源于头颈连接处，而不是由钴合金柄的溶解产生[8]。
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另外对15例常规使用聚乙烯关节面和含氮离子的钛合金非骨水泥全膝关节置换的患者进行了前瞻性研究。血清样本一直取至术后60个月，结果显示，在所有研究间隔，钛水平升高了2～5倍，而这些患者的临床效果均良好，无明显的X线可见的并发症[8]。
(二)尸体研究
Michel等[19]报告2例钴合金全髋关节置换病例的尸检研究结果。1具标本显示心、肝、脾钴浓度显著升高，另一具显示淋巴结组织与心脏内钴水平升高。Case等[3]报告13具体内有置入物的尸体研究结果。其中5具髋部有不锈钢动力螺钉，4具为不锈钢全髋关节置换，3具为钴合金半髋关节假体，1具为不锈钢与钛合金组成的全膝关节假体。结果在置入物局部和远处的淋巴结内、脾、肝和骨髓中，用光镜和电镜均可观察到来源于金属置入物的金属;而且在存在假体松动磨损现象的尸体内，金属水平最高。
Jacobs等[8]对8具曾行钛合金全髋关节假体置换的尸体的置入物周围及远处组织的金属水平进行了测定，并将远处组织内金属水平与5具无置入物的尸体体内的金属水平进行比较。在对照组中，钛、铝、钒在关节囊和脾中的浓度低于可测的最低限，而肝、肺组织内的金属可以测到，但相差不大；在有置入物的尸体中，钛、铝、钒在关节囊中的水平增高，而且与对照组相比，脾中的钛浓度显著升高。此外，他还对1例行全髋关节置换的患者做了有关金属离子释放的前瞻性研究,并在其死后进行了尸检，因此这例患者生前、死后的血清金属浓度及远离组织的金属浓度都有记录。结果发现置入物周围组织中钛、铝、钒浓度明显升高，脾中钛浓度也有升高，但在3年的研究期间，血清中钛、铝的浓度正常。尽管血清中金属浓度没有升高，但金属的沉积仍可发生在假体功能良好的局部或远离假体的器官内。
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Jacobs等[8]的尸检研究显示，来自关节假体的金属微粒可转移至肝、脾。一些特殊的腐蚀产物还可转运到假体局部或主动脉周围的淋巴结。这些分散颗粒的存在，与体内置入物的多少、松动假体的翻修以及初次置换的关节假体在体内存在时间的长短有关。
五、未来发展方向
虽然既往使用的易磨损假体已被现代抗磨损的超级合金假体所取代，但金属置入物的腐蚀仍是骨科临床应关注的问题。有理由相信，改进假体制造工艺,提高假体组成部分(头颈连接处)的耐受性,良好地表面处理技术及选择适当的材料，可降低腐蚀的发生率，避免不良的临床后果。最近由Maurer等[20]进行的一项研究显示硝酸化可减轻钛合金假体的磨损腐蚀。
参考文献
1，Agins HJ, Alcock NW, Bansal M, et al. Metallic wear in failed titanium alloy total hip replacement: a histological and quantitative analysis. J Bone Joint Surg (Am), 1988, 70: 347- 356.
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2，Black J, Sherk H, Bonini J, et al. Metallosis associated with a stable titanium- alloy femoral component in total hip replacement: a case report. J Bone Joint Surg(Am), 1990, 72:126- 130.
3，Case CP, Langkamer VG, James C, et al. Widespread dissemination of metal debris from implants. J Bone Joint Surg (Br), 1994, 76:701- 712.
4，Jacobs JJ, Skipor AK, Black J, et al. Release and excretion of metal in patients who have a total hip replacement component made of titanium base alloy. J Bone Joint Surg(Am), 1991,73:1475- 1486.
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5，Jacobs JJ, Urban RM, Wall J, et al. Unusual foreign- body reaction to a failed total knee replacement:simulation of a sarcoma clinically and a sarcoid histologically: a case report. J Bone Joint Surg(Am), 1995, 77: 444- 451.
6，Jacobs JJ, Skipor AK, Doorn PF, et al. Cobalt and chromium concentrations in patients with metal on metal total hip replacements. Clin Orthop, 1996, (329 Suppl): 256- 263.
7，Jacobs JJ, Urban RM, Gilbert JL, et al. Local and distant products from modularity. Clin Orthop, 1995, (319): 94- 105.
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8，Jacobs JJ, Gilbert JL, Urban RM. Corrosion of metal orthopaedic implants. J Bone Joint Surg(Am), 1998, 80: 268- 282.
9，Collier JP, Surprenant VA, Jensen RE, et al. Corrosion at the interface of cobalt- alloy heads on titanium alloy stems. Clin Orthop, 1991, (271): 305- 312.
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11，Mathiesen EB, Lindgren JU, Blomgren GG, et al. Corrosion of modular hip prostheses. J Bone Joint Surg (Br), 1991, 73: 569- 575.
12，Gilbert JL, Buckley CA, Jacobs JJ. In vivo corrosion of modular hip prosthesis components in mixed and similar metal combinations: the effect of crevice, stress, motion and alloy coupling. J Biomed Mater Res,1993, 27: 1533- 1544.
13，Gilbert JL, Smith SM, Lautenschlager EP. Scanning electrochemical microscopy of metallic biomaterials: reaction rate and ion release imaging modes. J Biomed Mater Res, 1993, 27: 1357- 1366.
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14，Urban RM, Jacobs JJ, Gilbert JL, et al. Migration of corrosion products from modular hip prostheses: particle microanalyses and histopathological findings. J Bone Joint Surg(Am), 1994, 76: 1345- 1359.
15，Gilbert JL, Buckley CA, Jacobs JJ, et al. Intergranular corrosion fatigue failure of cobalt alloy femoral stems: a failure analysis of two implants. J Bone Joint Surg(Am), 1994, 76: 110- 115.
16，Lee SH, Brennan FR, Jacobs JJ, et al. Human monocyte / macrophage response to cobalt chromium corrosion products and titanium particles in patients with total joint replacements. J Orthop Res, 1997, 15: 40- 49.
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17，Willert HG, Broback LG, Buchhorn GH, et al. Crevice corrosion of cemented titanium alloy stems in total hip replacements. Clin Orthop, 1996, (333): 51- 75.
18，Sunderman FW Jr, Hopfer SM, Swift T, et al. Cobalt, chromium, and nickel concentrations in body fluids of patients with porous- coated knee or hip prostheses. J Orthop Res, 1989, 7: 307- 315.
19，Michel R, Nolte M, Reich M, et al. Systemic effects of implanted prostheses made of cobalt chromium alloys. Arch Orthop Trauma Surg, 1991, 110: 61- 74.
20，Maurer AM, Brown SA, Payer JH, et al. Reduction of fretting corrosion of Ti- 6Al-4V by various surface treatment. J Orthop Res, 1993, 11: 865- 873.
(收稿日期:1998-11-27), 百拇医药
单位：100730中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院骨科
关键词：
中华骨科杂志000417
人工关节置换术后,置入体内的假体可因生物学、生物力学及电化学方面的原因导致结构完整性的破坏或释放降解产物[1-8]，这种现象称为腐蚀。它可进一步引起宿主组织的不良反应，最终导致假体置入失败。因此，了解有关腐蚀的现象及机制，对于预防腐蚀、延长假体寿命有重要的临床意义。
一、常见的腐蚀及腐蚀机制
骨科置入假体常见的腐蚀包括电化学溶解、磨损或二者兼有。电化学溶解包括整体腐蚀(破坏整个置入物的表面)及局部腐蚀，后者又称为裂隙腐蚀或点状腐蚀。电化学和机械力学过程(如应力疲劳及磨损)可相互作用从而引起假体置入失败和加速金属颗粒及金属离子的释放[8]。
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金属材料在体内的腐蚀，通常取决于以下两种因素，即化学驱动力与动力屏障。前者决定在特定状态下腐蚀能否发生。当金属置入体内后，由于金属正、负电荷的分离有助于形成双层电膜，并在金属-溶液交界面形成电势能。电势能可以用来衡量金属活性或金属氧化驱动力的大小，溶液中金属电势能负值越大，金属就越活跃[8]。骨科常用的金属材料大多具有较大的负值电势能，说明这些金属在体内易腐蚀。而后者即动力屏障是通过物理机制防止金属离子进入溶液(体液)和体液中的阳离子进入金属及电子在金属-体液界面的移位。金属表面形成氧化膜是借助动力屏障防止腐蚀的最常见的形式。
两种不同金属在电解质溶液中相遇，两者之间存在电势差，导致电子由较活跃一方流向较稳定一方，此过程称为电流腐蚀；从而使活跃的金属被氧化(阳极化)，而稳定金属得到相对保护(阴极化)。在骨科临床实践中，经常见到两种不同金属在电解质溶液中相遇。例如，用不锈钢环扎钢丝固定钴或钛合金的股骨柄，钴合金的股骨头与钛合金的股骨柄相接及钛合金的螺钉与不锈钢钢板接触等。实践证明，临床上应尽量避免两种不同金属的接触。但由于氧化膜的生成，改变了腐蚀反应的动力学过程，使得两种金属混合在一起时，并不一定产生加速的电流腐蚀。静止状态时，两种金属之间若无相对运动就不存在加速腐蚀，如钴与钛组成的电偶。但不锈钢与钴或钛同时存在时，不稳定的不锈钢易受到腐蚀，故应避免同时使用[8]。
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二、骨科置入假体中存在的腐蚀
关节假体各组成部分之间的锥形连接(如股骨柄颈部与头部)发生的腐蚀越来越受到人们的重视。这种金属-金属间锥形接触的关节假体的使用日益普遍，由于裂隙效应、应力效应与活动效应，可导致假体锥形连接处的严重腐蚀[9-11]。Gilbert等[12]报告148例全髋关节置换术，有10%～35%的病例在假体的头颈连接处发生中重度的腐蚀。这些腐蚀发生在钛合金的股骨柄与钴合金的股骨头之间及钛合金的股骨柄与钴合金的股骨头的关节组合中。有学者认为这种腐蚀是头颈交界锥形连接处的应力、运动及几何形状的裂隙共同作用的结果[8]。金属之间相对运动产生的应力会导致金属表面氧化膜的断裂与磨损，后者又引起金属表面的电势能负值增大及氧化膜不断的断裂与再氧化，导致裂隙中溶液化学性质的改变，这些改变会使裂隙溶液中氧缺失及pH值降低[12]。这正是裂隙腐蚀发生的条件，这一过程的最终结果是氧化膜及其动力屏障效应的破坏和锥形连接处腐蚀增加。
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钴合金假体的头颈连接处可发生严重而广泛的腐蚀，钛合金的腐蚀现象也有报告[13]。钴合金的腐蚀过程包括颗粒间腐蚀、点状腐蚀、钴的选择性溶解及高价钴微粒(氧化物、氯化物或磷化物)的形成。产生于头颈锥形连接处的腐蚀产物可进入假体周围组织及髋臼的负重面[14]。Jacobs与Gilbert等[7,15]报告3例钴合金假体柄颈处发生的广泛的颗粒间腐蚀，从而使假体颈发生疲劳性断裂。
引起头颈连接处的相对运动及氧化膜磨损的重要原因是呈锥形的颈(凸面)与呈凹面的头之间的角度不匹配[8]。这种不匹配产生并引起连接处的机械稳定性下降，即使正常步态产生的负荷也会超过头颈连接处的承受力，造成金属表面断裂。
由此可见，应力与运动联合效应、金属氧化物-溶液界面的电化学效应及金属表面形成的氧化膜的机械完整性，是影响置入物后期稳定性及寿命的非常重要的因素。
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三、局部组织对置入假体的反应
置入物周围组织可对关节假体产生的聚乙烯及骨水泥碎屑发生不同程度的异物反应。置入体内的金属是否会释放金属物质还没有明确的组织学证据，但在由多种金属组成的合金置入物周围组织中，与腐蚀产物直接相关的加速腐蚀和局部的组织反应的确存在[14]。
(一)钴-铬-钼合金
有人[7,14]通过对尸检或翻修手术中的钴合金全髋关节假体研究，分析了固体腐蚀产物向置入物周围组织移行的过程。无论是钴-铬合金、钴-钛合金，还是钴-陶瓷假体，其头颈连接处的腐蚀产物成分相差不大。用电子微探针能量发散X线分析法测定腐蚀产物的主要成分为富含水的铬磷化物(磷化铬)，这些物质存在于头颈连接处、假体周围的界膜内以及骨质的溶解缺损处。有关细胞对磷化铬颗粒反应的体外研究证实，它是强大的巨噬细胞激活物，可激发器官培养基中的骨吸收[16]。
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在有些病例聚乙烯髋臼内衬的负重面上发现有磷化铬颗粒，提示这些颗粒参与了假体磨损，并增加了聚乙烯碎屑产物[14]。腐蚀产物颗粒大小不等，直径小的可到微米以下，大的可达500μm。在光镜下，这些颗粒在外观上呈板状，浅黄或绿色，半透明，通常不被HE染色，稍大的微粒游离于纤维化或坏死区域内，或与异物巨细胞有关。大多数颗粒直径小于5μm，并存在于巨噬细胞中。在染色切片中，这些颗粒在细胞中表现为粒状；偏振光显微镜下，为双折射。不染色切片在扫描电镜下观察，颗粒在电子散射背景影像中发亮，这是由于含有较多铬原子的缘故。
Mathiesen等[11]报告9例使用非骨水泥钴-铬合金全髋关节置换的病例，其中4例因金属毒性引发了假体周围组织广泛坏死，并在头颈连接处有黑色腐蚀产物沉淀。在翻修手术前，X线片可见腐蚀产物阴影。组织切片显示有不同程度的组织细胞与异物巨细胞增生及淋巴细胞、浆细胞浸润。
Jacobs等[5]报告1例非骨水泥全膝关节置换术患者，假体周围组织内的磨损与腐蚀颗粒产物，引发了不寻常的异物反应。患者的右膝发现一瘤样肿物，伴同侧腹股沟淋巴结肿大。X线片显示髌骨金属托损坏，游离的金属碎屑及胫骨近端固定螺钉周围的骨溶解。淋巴结与肿块的组织学表现为与钴合金有关的肉瘤样非干酪样肉芽肿。
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(二)钛合金
虽然钛合金对腐蚀有明显的抵抗能力，但仍有报告，在钛合金置入物周围组织中的金属碎屑会引发组织脱色。Agins等[1]报告9例因无菌性松动或感染而行翻修手术的钛合金全髋关节假体，其周围组织中有明显的组织细胞、淋巴浆细胞、异物巨细胞及大量的金属、聚乙烯和骨水泥碎屑。所有病例的髋关节都发生了局灶性坏死。用原子吸收光谱法对石蜡包埋的组织切片进行研究，显示其颗粒中的钛、铝、钒的比例与合金相似，说明金属碎屑是来源于头或柄的磨损颗粒，而非沉淀溶解产物。
Black等[2]报告1例骨水泥钛-超高分子聚乙烯全髋关节置换术失败病例，其失败的主要原因是钛合金股骨头的过度磨损，而髋臼及股骨柄均无松动。与Agins等人的发现截然不同的是该病例关节假囊中的组织反应表现为含细小金属碎屑的组织细胞，而缺乏淋巴浆细胞、巨噬细胞或坏死组织。用电子显微镜微探针技术分析该微粒，提示其中钛、铝、钒的比例与钛合金的比例类似。
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Willert等[17]曾报告了一种裂隙腐蚀的独特现象，他实施了28例由钛合金制成的Muller全髋关节置换术，髋臼及股骨柄均用骨水泥固定。这些病例在术后平均26个月时，多数因疼痛而行翻修术。在股骨柄和骨水泥的界面，发现腐蚀产物为紫色、黑色或白色沉淀物，称为氧化钛或钛氢氧化物。在假体周围组织内的腐蚀产物颗粒为高度双折射、半透明、呈圆形或直角斑块。较小的颗粒存在于巨噬细胞和巨细胞中，偶尔可形成细胞肉芽肿。
钛合金假体周围组织中颗粒的元素组成与假体的元素组成相同，说明这些颗粒是磨损产物，而不是腐蚀沉淀物。后者见于不锈钢和钴合金假体周围组织中。但这些细小的磨损碎屑为电化学溶解提供了广阔的表面区域，而电化学溶解同样是导致局部细胞反应及体内钛离子浓度升高的主要原因[4]。
四、远离与全身效应
(一)人体全关节的研究
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腐蚀与磨损产生的金属降解产物在全身及局部的存在已在动物实验模型和临床中得到证实。Sunderman等[18]报告，全膝关节置换术后6～12周，血清与尿中的钴浓度升高，并发现一侧假体松动患者的血钴、尿钴浓度显著升高。还有1例患者血清和尿中的铬浓度也有升高，并在术后很快出现一过性血、尿镍浓度升高。但所有患者均未出现金属中毒，而且所测定的血、尿金属水平在可接受的范围内。
Michel等[19]在对10例行钴合金全膝关节置换术患者进行的前瞻性研究中发现,术后90d血清和全血中钴水平升高了2倍。在另一个回顾性研究中，9例行钴合金全膝关节或全髋关节置换的患者中，有4例在术后1～15个月内血清钴水平均明显高于对照组。上述病例中，假体都未发生松动，血清铬水平也未增高。
Jacobs等[4]在一个回顾性研究中发现，21例钛合金全髋关节置换术后假体松动患者的血清钛浓度比21例对照组升高了近2倍，两组间尿钛与尿铝浓度及血铝浓度差异无显著性意义，钒的浓度最低。由于个体间及同一个体不同时间内金属离子含量的差异，Jacobs等进行了一个前瞻性研究，测定75例患者术前及术后固定的间隔时间内血清金属元素的水平，在这一研究中每个患者均成为自身对照。钛合金假体功能良好的患者，术后36个月时体内钛浓度升高了3倍；钴合金假体功能良好的患者，术后血和尿中铬水平分别升高了5倍和8倍。铬的降解产物主要来源于头颈连接处，而不是由钴合金柄的溶解产生[8]。
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另外对15例常规使用聚乙烯关节面和含氮离子的钛合金非骨水泥全膝关节置换的患者进行了前瞻性研究。血清样本一直取至术后60个月，结果显示，在所有研究间隔，钛水平升高了2～5倍，而这些患者的临床效果均良好，无明显的X线可见的并发症[8]。
(二)尸体研究
Michel等[19]报告2例钴合金全髋关节置换病例的尸检研究结果。1具标本显示心、肝、脾钴浓度显著升高，另一具显示淋巴结组织与心脏内钴水平升高。Case等[3]报告13具体内有置入物的尸体研究结果。其中5具髋部有不锈钢动力螺钉，4具为不锈钢全髋关节置换，3具为钴合金半髋关节假体，1具为不锈钢与钛合金组成的全膝关节假体。结果在置入物局部和远处的淋巴结内、脾、肝和骨髓中，用光镜和电镜均可观察到来源于金属置入物的金属;而且在存在假体松动磨损现象的尸体内，金属水平最高。
Jacobs等[8]对8具曾行钛合金全髋关节假体置换的尸体的置入物周围及远处组织的金属水平进行了测定，并将远处组织内金属水平与5具无置入物的尸体体内的金属水平进行比较。在对照组中，钛、铝、钒在关节囊和脾中的浓度低于可测的最低限，而肝、肺组织内的金属可以测到，但相差不大；在有置入物的尸体中，钛、铝、钒在关节囊中的水平增高，而且与对照组相比，脾中的钛浓度显著升高。此外，他还对1例行全髋关节置换的患者做了有关金属离子释放的前瞻性研究,并在其死后进行了尸检，因此这例患者生前、死后的血清金属浓度及远离组织的金属浓度都有记录。结果发现置入物周围组织中钛、铝、钒浓度明显升高，脾中钛浓度也有升高，但在3年的研究期间，血清中钛、铝的浓度正常。尽管血清中金属浓度没有升高，但金属的沉积仍可发生在假体功能良好的局部或远离假体的器官内。
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Jacobs等[8]的尸检研究显示，来自关节假体的金属微粒可转移至肝、脾。一些特殊的腐蚀产物还可转运到假体局部或主动脉周围的淋巴结。这些分散颗粒的存在，与体内置入物的多少、松动假体的翻修以及初次置换的关节假体在体内存在时间的长短有关。
五、未来发展方向
虽然既往使用的易磨损假体已被现代抗磨损的超级合金假体所取代，但金属置入物的腐蚀仍是骨科临床应关注的问题。有理由相信，改进假体制造工艺,提高假体组成部分(头颈连接处)的耐受性,良好地表面处理技术及选择适当的材料，可降低腐蚀的发生率，避免不良的临床后果。最近由Maurer等[20]进行的一项研究显示硝酸化可减轻钛合金假体的磨损腐蚀。
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(收稿日期:1998-11-27), 百拇医药