执业护士护理论文指导：人体病变关节与人工关节的对比研究

摘要：人工关节的主要失效形式之一就是人工关节植入体内产生的无菌性松动，其主要原因是人工关节磨屑在人体内可诱发巨噬细胞分泌溶骨因子而造成骨溶解[1-4]。人工关节磨屑的生成、存留、吞噬是在一个封闭的生物系统中进行的，无法直接测试观察，为掌握关节假体在生物机体环境内的摩擦磨损规律及磨屑在其中的作用原理，提高其使用可靠性，研究人员常常通过人体关节模拟试验来考察关节假体的生物摩擦学行为，并制定了相关实验标准，来评价其摩擦学性能。然而研究表明，由于关节摩擦副运动过程及磨屑作用机理固有的复杂性，在人工关节模拟试验机上无法完全模拟人体置换关节的环境，尽管目前设计的人工关节试验机对材料磨损量的评价与实际工况下的磨损量趋于一致，但所得到的人工关节磨屑形态却差别很大[5-8]。由于人工关节磨屑是导致人工关节无菌性松动的重要原因，它的形态标示着人工关节在人体内的工作状态和磨损程度[9]，因此作为人工关节材料评价的重要内容之一，修订相关试验标准和参数，把人工关节磨屑的评价纳入到人工关节试验系统中去。本文从磨屑的粒度分布、轮廓形状、三维形貌及厚度等方面对植入人体后人工关节产生的超高分子量聚乙烯磨屑形态与实验室中利用髋关节试验机得到的超高分子量聚乙烯磨屑形态进行了对比研究，为人工关节模拟试验机的改进及人工关节材料评价方法的发展提供理论和实验依据。
1 实验方法
1.1 磨屑制备
人工关节模拟磨屑制备采用全髋关节模拟试验机，试验标准为（ISO14242-1:2002, IDT,Implant for surgery - Wear of total hip - joint prostheses - Part 1: Loading and displacementparameters for wear-testing machines and corresponding environmental conditions for test）。基于关节内窥镜，抽取三名髋关节置换超过一年的病人的关节液，进行人体人工关节磨屑的提取，由于人体关节液数量有限，在磨屑的提取过程中要特别注意不要让外来物质如灰尘等进入，所有试验器材在使用前要用生理盐水冲洗干净。
1.2 磨屑的分离
1.2.1 人工关节UHMWPE 模拟磨屑分离步骤
人工关节摩擦磨损试验的润滑液为小牛血清含量25％左右的溶液，血清是由血浆去除纤维蛋白而形成的，血清中含有各种血浆蛋白、多肽、脂肪、碳水化合物、生长因子、激素、无机物等，为了对磨屑的尺寸和形态进行准确的分析，必须对收集到的润滑液样品中的血清成分进行分离处理，以消除血清成分对磨屑观察的影响。超高分子量聚乙烯磨屑的分离步骤为：将包含磨屑的润滑液用5M 的氢氧化钾在60℃消化分解48h，进行皂化反应，除去脂类物质，期间可用超声波清洗器进行振荡搅拌；然后对溶液用氯仿:甲醇=2:1 在室温下萃取24h，然后以500 转/分钟的离心速度用80-1 型离心机离心10min，去除上面的清液以除去蛋白质，本过程至少进行三次，即获得包含超高分子量聚乙烯磨屑的溶液以备分析。
1.2.2 植入人体人工关节磨屑分离步骤
正常人体关节中的关节滑液主要成分是透明质酸及其盐，另外还包括一些蛋白质和脂肪等。对溶液用氯仿:甲醇=2:1 在室温下萃取24h，然后以500 转/分钟的离心速度用离心分离机离心10min，去除上面的清液以除去蛋白质，加入氯仿/甲醇进行进一步萃取，本过程至少进行三次；用去离子水稀释关节滑液，经超声波充分振荡搅拌并于室温下静置24h，然后以500 转/分钟的离心速度用离心分离机离心10min，去除上清液以除去透明质酸及其盐。该溶液中即包含人体关节磨屑，以备后需分析。
1.3 磨屑的粒度与形貌观测
利用全自动激光粒度分析仪测试磨屑的粒径分布；利用扫描电镜进行磨屑的二维形貌观测；利用MiaoXAM2.5X-50X 超高精度三维轮廓仪进行三维轮廓观测和厚度测试。
2 试验结果
2.1 磨屑粒度分布
2.1.1 人工关节UHMWPE 模拟磨屑粒度分布
为CoCrMo-UHMWPE 人工关节配副在全髋关节模拟试验机Ⅰ型经100 万转运转后所测得的超高分子量聚乙烯磨屑粒度分布。从图中看出，该试验条件下超高分子量聚乙烯磨屑粒径分布范围相当广泛，其中约98%的磨屑位于4~20μm 范围内，小磨屑积聚数量多，大磨屑积聚数量少，粒径大于50μm的磨屑非常少，不到磨屑总数的0.1%，基本上看不到200μm以上的磨屑存在。经测试，100 万转后磨屑平均粒径为7.54μm，中位径为6.89μm。
对运转100 万转后得到的人工关节润滑液采用低速定量滤纸（3μm）过滤后，在放大6.5万倍的透射电镜下发现存在大量粒径约在100nm 左右的小磨屑。综上所述，人工关节摩擦副在摩擦过程中产生的磨屑具有很宽的粒径分布范围，可测范围在100nm-200μm之间，大粒径磨屑数量较少，但所占体积比例较大；小粒径磨屑数量较多，所占体积比例较少。
2.1.2 植入人体人工关节磨屑的粒度分布
对植入人体关节磨屑进行的粒度测试结果。测试显示，与髋关节试验机上得到的人工关节模拟磨屑相比较，植入人体内的人工关节在运行过程中产生的磨屑粒度较小，所测粒度分布范围为0.117-53.26μm，大部分磨屑分布在0.5-5μm 之间，平均粒径为1.33μm，中位径为2.95μm。分析认为，施加于人工关节上的力虽然属于交变载荷，但力的过渡和变化比较平稳和有规律性，而人体病变关节不但要承受人正常行走时的交变载荷，而且还要承受人体跳跃、加速、磕碰等非正常状态下的冲击力，这些因素使得人体病变关节磨屑要比人工关节磨屑大，同时也为我们仿真人体关节的运动提出了新的挑战。
2.1.3 两种磨屑粒度对比分析
在粒度分布方面，对比髋关节模拟试验机产生的磨屑和植入人体后人工关节产生的UHMWPE 磨屑的粒度分布数据可以看到，髋关节模拟试验机产生的磨屑粒度较小，分布范围很宽，分布曲线形状呈现左倾分布态势；而关节试验机上得到的UHMWPE 磨屑粒径与植入人体后的人工关节的磨屑粒径相比较，两者分布范围基本一致，但大磨屑所占比重较大，因而导致关节试验机上得到的UHMWPE 磨屑平均粒径和中位径较大。造成这种差异的原因据分析有以下几点：一方面是植入人体后的人工关节除了本身支撑体重外，人工关节周围的肌肉也起到了支撑作用，并且这种支撑作用随着肌肉组织的长期适应性锻炼而得到加强，这样人工关节实际承受压力减轻，磨损减轻，磨屑粒径较小；另一方面人工关节在人体中所处环境可以看作一个密闭系统，根据液压原理，密闭系统在受到外界压力时具有缓冲作用，减少了外界的冲击和压力，所得磨屑粒径较小。转载自『壹佰医学论文网』