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1、具体来说，新的轴承表面正在寻求使磨损产生的碎片的数量和其对身体的影响都显着减少。金属对金属轴承的利息已重新推动与当代传统的人工髋关节置换和重新引入水面安置型元件使用时，通过鼓励中期业绩为金属对金属系统是目前唯一可行的解决方案。这些置换的解决方案都是针对更年轻，更活跃的患者更要优化性能，因为这些组件是相当长的时间段内，潜在的30-40岁的原位的可能性增加。本文的目的是审查的金属对金属轴承的发展，检查其性能可优化的方法，要考虑与其他现有的解决方案相比的优点和缺点，并最终以突出的潜力未来的解决方案，减少磨损。2轴承表面史更换髋关节首次在大量使用，在20世纪40年代末。然而，有现代设备的外观设计是典型

2、的在英国的麦基在20世纪50年代中期开发的组件。这些包括一个大直径（35-40毫米）的头从钴铬合金，阐明从相同的材料制成（图1）对一个类似大小的髋臼杯，股骨柄。随后戒指（约1962年）和穆勒（1965年）类似设备。介绍了很少或根本没有测试这些组件，当然没什么，模拟其性能置换关节。这些设备往往遭受高初始故障率，并拒绝其使用。然而，长期结果的审查表明，一个幸存的部件的磨损率很低（小于8毫米/年），经过10-20年1。这提示重新从20世纪80年代后期开始的兴趣。 *图。1麦基-法拉假肢。（四道森提供的图片，利兹大学，英国）在硬对硬的轴承表面的早期工作的同时，约翰查恩利开发低摩擦力矩的原则，在地方与丙

3、烯酸骨水泥固定，更换髋关节。科学，决心和偶然的结合导致了临床试验，阐明在1962年对不锈钢的高密度聚乙烯查恩利。最初使用22毫米的不锈钢头，这样的组合，成为轴承表面产生磨屑量很低的基准。这种轴承的表面，从20世纪60年代后期进入低磨损率，例如报告，由格里菲斯等一般普遍使用。2。这个基本原则上的改进，包括头稍微直径较大（28-32毫米），钴铬合金制成的，引进陶瓷元首，和更先进的聚乙烯称为超高分子量聚乙烯。然而，这种设计仍基本上保持不变，直到20世纪90年代初时，长期的问题成为这种轴承表面组合明显。这些措施包括溶骨性反应引起聚乙烯磨屑3，-辐照聚乙烯氧化的易感性4，粗糙股骨头5，6的效果。这导致到

4、更难股骨头（陶瓷）和新的高度交联聚乙烯的发展。到2000年，有越来越相信，这些先进的聚乙烯将最大限度地减少磨屑的不利影响，但不会解决问题的完全替代的解决办法，寻求。如上所述，后与第一代的金属对金属设备的早期故障率较高，尚存的部分有长期成功的一个比较高的水平。这导致了新的兴趣，从20世纪80年代起，推出重新设计的金属对金属钴铬合金制造的轴承表面与更传统的髋臼和股骨组件。这些都产生了一些令人鼓舞的成果。例如，瓦格纳，瓦格纳7回顾了5年随访的78例患者的系列。有三个版本的所有无关的磨损。有没有金属的证据，并没有明显的骨溶解X线。Jacobs等，最近类似的短期至中期业绩报告。8和Lombardi等。9

5、。sieber等人。10对118的分析检索报告的第二代金属对金属植入物。线性每年磨损发现是25毫米，在第一年后的第三年下降到5毫米，同样分为头和杯之间。与会者指出进一步的联合运动，使划痕磨损的金属对金属关节的自抛光能力。陶瓷对陶瓷元件也有类似的*历史。他们首先介绍了Boutin等11在20世纪70年代，在1988年报告的临床结果令人失望。然而，更令人鼓舞的成果报道Mittelmeier和Heisel12，这有助于重新建立的概念。更多*最近Bizotet人13报道组在平均7.8年的随访了234例陶瓷对陶瓷元件。有11个没有相关穿的修订。射线分析表明，无骨溶解的迹象，结论也达到由Pignatti等

6、。14123陶瓷对陶瓷元件的审查。这些结果导致这些所谓的“替代”或“硬对硬”轴承的使用越来越广泛。semlitsch和Willert15提供的临床数据。他们指出，在减少磨损，聚乙烯对陶瓷与金属阐述。他们还发现，可以通过使用两种金属对金属和陶瓷对陶瓷轴承方面取得更大的减少了临床磨损率，如图所示。2。*图。2临床磨损率与各轴承表面的审查。（后Semlitsch和Willert15）3，金属对金属轴承当代问题 3.1生物问题 尽管令人鼓舞的成果，仍然存在着与金属对金属轴承的关注。这些磨屑的长期效果。聚乙烯碎片的溶骨作用是众所周知的，但硬对硬轴承碎片的长期影响目前还不太清楚。磨损颗粒小得多比聚乙烯（通

7、常小于0.1-10毫米范围内）（10-60纳米），并已估计，作为一个后果，而有磨损量显着减少，有可能是的粒子数增加1000倍16.碎片，或更具体地说成金属离子的碎片击穿的影响，潜在的有害影响，首先强调黑17表示，“孤立的临床观察不良致癌物质，代谢，免疫和细菌的影响支持全身的影响，特别是与免疫反应和金属超载和成藏条件的相关存在。尽管这种关系的证据的广泛搜查，最显着的由Paavolainen等。18，已使用40年后发现没有链接。willert等人。19最近报道一组患者有早期手术后的疼痛。病理检查结果表明：一些金属粒子，但可能的淋巴细胞为主的免疫反应一致。因为这些问题，它仍然是审慎的，以尽量减少金属

8、对金属轴承产生的磨屑量。3.2理论金属对金属轴承性能的关键，是润滑理论，确定了三个润滑制度。1边界润滑。出现这种情况“滑”坚持运动的表面，其中有直接的粗糙接触化学分子。在人体的边界润滑油的例子是磷脂和糖蛋白。2流体膜润滑。条件是中间人的流体分离运动的表面。在体内的流体润滑剂的一个例子是滑液。3混合润滑。部分支持负载的接触边界润滑剂组合（粗暴技巧），并在流体膜分离一些发达国家的压力，但不是所有的，相互作用的表面粗糙。理想的情况下，硬对硬的轴承工作，充分流体膜润滑是必需的，但髋关节，使用的工程材料，润滑油的变量属性的服务周期，使这个非常困难的。然而，满意的临床表现髋关节轴承表面的证据Clarke等

9、报道。20，从髋关节置换金等人提出的适应润滑理论。21，道森等人的计算。22在混合政权的运作，而不是在一个连续的流体膜润滑制度。液膜的全部好处，但鼓励关键生产参数优化。适应的润滑理论，提出由金等。21髋关节确定其磨损的影响因素。这项工作表明，将采用大直径的组件，它有一个小的股骨头和髋臼杯之间的径向间隙减少磨损。组件应该尽可能顺利，这意味着组件应该是，因为更难表面硬尽可能更容易达到和保持在人体表面非常光滑，。股骨头直径磨损之间的反比关系，一见钟情赔率是查恩利提出的原则，与低摩擦关节置换术23和利弗莫尔等临床观察。24和卡博等25，这表明，体积磨损股骨头直径成正比。对于这种明显对立的解释是，所有的

10、聚乙烯轴承磨损相关的滑行距离，增加股骨头直径增加在边界润滑政权运作。相反，如果正确设计，硬对硬的轴承，有可能运行在混合和流体膜润滑制度，其中头部直径增加导致增加滑动速度，这有助于润滑，从而降低磨损。有趣的是，这种状况是正确的预测26在1969年由查恩利等。3.3材料材料的影响目前还不清楚，如上所述，有一些争议，关于他们的作用。所有的金属对金属的关节是钴铬钼合金。据报道，早在1996年由施特莱歇尔等。27，这些合金具有较高的碳含量比那些归类为低碳合金。现在人们普遍接受的是这种情况。它也被报道，考利等人28，与高碳合金，有粗块状碳化物组成的微观结构与其他条件相比取得了卓越的抗磨性能。这是由于更好的

11、耐磨性。有人进一步提出McMinn29，使用热处理高碳合金是在一些表面*更换部件的早期失效。相反陈等人30没有发现铸造和锻造高碳材料之间的差异。此外，Bowsher等。31发现铸铸造及热处理材料之间没有区别。道森等人。32报道髋关节模拟研究，比较了几个高碳钴铬钼合金产生极端的微观结构与各种生产线使用的36毫米的组件的磨损性能。从上述块状碳化物精细分散的小碳化物在锻造条件铸态变化的微观结构。无显着性差异被发现之间的任何这些条件的，由图所示。3。从模拟器研究的结论为金属对金属轴承制造具有重要意义，特别是材料的选择不被磨损性能，而是取决于其他因素，如易于制造和非磨损有关的福利。因此，例如，它使得从锻

12、造吧，这个物质条件，贷款本身的大批量精密制造，利用现代计算机技术，数控中间直径的金属股骨头感（28-36毫米）。相反股骨头表面置换型元件部分所需的错综复杂的内部几何本身到铸路线。烧结附加固定的珠子或网格的使用自然会导致要么股骨头或髋臼的单件部件铸造和热处理材料。另一方面模块化髋臼上的固定部分是独立的轴承表面。在此配置中，前者通常是伪造的（可能是热处理取决于固定方法）。后者将有利于锻造栏，便于制造。3条形图显示材料的磨损（直径36毫米的组件;高碳合金（0.23-0.27）;间隙，123-126毫米）的效果。（后道森等人32）。3.4优化设计金属对金属轴承相关的理论已经过测试，在髋关节模拟器和Ch

13、an等报道。30，斯科尔斯等。33，道森等。22，他们表示，金属对金属的设计性能可优化。结果发现，减少股骨和髋臼之间的间隙减少磨损产生的碎片数量，图。4。注意到一个显着减少（P =0.05），大直径（54毫米）时间隙从287减少到107毫米。一个中等直径（36毫米）组件（从143毫米到105毫米）的间隙适度调低也产生了磨损率显着减少（P =0.05）。由Smith等人先前的研究。34通过测量股骨和髋臼之间的压降由液膜分离组件的装载周期的百分比确定。这表明，与36毫米的组件在间隙比较小的差异导致不分离（170毫米）或整个加载周期分离（130毫米）。已表示担忧，降低通关限制液体夹带，并最终导致润滑

14、剂不足。虽然组件扣押在早期的设计报道1，这些都是短期attri分配费用负间隙，造成赤道面接触，具有较高的摩擦扭矩和高耐磨的失败。晚失败归因于长期的磨损过程尚未见报道。有没有证据支持在现代，适当设计的组件，这些关切。相反，克拉克等。20，有60-80毫米的径向间隙28毫米的轴承配合使用常规髋关节置换性能报告时指出，离子水平低时相比，大直径（48毫米）被称为组件在250-300毫米的范围内。这一结果与润滑理论是完全一致的。然而，法拉和Schmidt35报道在增加磨损间隙时下降到30毫米。这被认为是制造业中的几何误差，润滑理论分析，而不是造成。他们还报告扣押组件有负间隙。但这需要考虑设计间隙时的一个

15、因素是杯灵活性。这已详细讨论金等。这本书在其他地方36报道，在非常薄的杯子，针锋相对挤压高达100毫米，可观察到，当杯implanted.This显然是不低间隙要尽量减少磨损和妥协必须达到使股骨头和髋臼之间的最小间隙总是杯最大的灵活性，显着高于。道森等直径的影响进行了检查。22，其结果列于图。5.At小直径（16和22毫米），以增加轴承的表面直径磨损加剧。这表明，这些组件在穿随滑动距离的增加在边界润滑政权运作。在直径较大（28，36和54.5毫米），磨损率随直径增加，清楚地表明，这些组件在混合和流体膜润滑制度。它还表明，这种性能的改善继续直径明显比那些被普遍用于全髋关节置换。然而，这种直径与表

16、面置换植入物，设计理念正在越来越多地使用年轻患者普遍。令人鼓舞的是，这些组件不仅有减少的可能性保护骨，大范围的运动，并脱位37的临床优势，而且，如果正确的设计，有潜力的磨损率最低。如图表面置换设备的一个例子。6。金属对金属部件的磨损是由两个不同的阶段。相对高耐磨的“磨合”阶段，持续（0.5-2）_106周期，其次是“稳定状态”阶段时，磨损率是相对恒定的，要低得多10，28，38。图7从数据得出早些时候报道19，表明优化金属对金属部件的磨损特性的影响最被褥在第一阶段标记。图7（a）表明，磨损率降低时，轴承表面直径都在磨合阶段增加（0-2）_106周期在稳态阶段（2-5）_106周期。图7（b）显

17、示，减少的间隙中最显着的效果运行阶段。这是胡锦涛等原因。39，以更大的渗透，因此有必要制定一个组件有一个较大的间隙给定的接触面积更大的体积磨损。道森进行全面检讨，在各种髋关节模拟器报道的稳态磨损40这表明，理论薄膜厚度仅独立，表面粗糙度小的变化，是一个金属的长期表现良好的预测金属轴承。一个小于12纳米的薄膜厚度产生的磨损率相对较高。一个磨损率急剧下降，发生范围在12-20纳米，随着薄膜厚度有小磨损率进一步影响。表面粗糙度的影响是众所周知的，并已Chan等报道。30得出的结论是，在与润滑理论，表面粗糙度增加磨损率较高。然而，最近研究人员往往忽视的影响表面粗糙度，因为金属对金属部件10自抛光能力。

18、有证据表明，低于一定的限度，粗糙度不会影响磨损率40，表面光洁度上的限制，是由于金属本身的性质。 金属对金属部件有良好的临床效果，但仍有超过长期暴露于金属离子水平升高的担忧。髋关节模拟器的研究已经证明，可以显着减少磨损和金属离子的水平，如果设计的优化利用，减少股骨头和髋臼杯，但测量金属离子含量的临床研究之间的间隙较大的1米组件仍需要验证这些实验室研究。 可以看到从上面的讨论，金属对金属的组合作为轴承表面提供了一个具有吸引力的选择。然而，继续关注其使用权证的低磨损的轴承夫妇的其他解决方案的审查。4条形图显示运行磨损（2_106cycles）（一）36毫米及（b）直径54毫米的头间隙的效果。（后道

19、森等人22）。5图表显示对磨损的影响直径：曲线，16毫米，N= 5，CD53-70毫米;曲线b，22.225毫米，N =5和CD46-66毫米;曲线c28毫米，N= 4，CD55-70毫米;曲线d，36毫米，N= 3，Cd76-78毫米;曲线E，54.5毫米，N=4，CD83-129毫米。图。6典型的表面置换的组成部分。（1DePuy公司国际有限公司提供的图片）7条形图，体积磨损率的运行阶段（0-2）_106周期和稳态阶段（2-5）_106次：（一）直径28mm的效果，有间隙（N =4）62毫米，36毫米，配合间隙77毫米（N = 3）;54.5毫米，间隙108毫米（4例）;（二）影响间隙54

20、毫米，间隙276毫米（N = 3）;间隙为108毫米，54.5毫米（N =4）。4目前的替代方案 4.1聚乙烯对金属和陶瓷股骨头聚乙烯对金属或陶瓷股骨头已超过过去40年2，23-25使用最广泛的轴承组合。更高的要求和更活跃的患者，与预期寿命延长，导致失败的水平的提高，由于聚乙烯磨屑诱发骨溶解41。加速磨损和磨损在传统聚乙烯轴承的伽马射线照射在空气中的杂物引起的溶骨已与聚乙烯的氧化老化和粗糙和损害股骨头。42，一个大于磨损率增加了两倍，发现氧老化后5年的保质期较长的货架寿命，而被发现导致磨损进一步增加43。还发现氧化产生的磨损颗粒较小，更多的反应43，44。股骨头的损害5发现工作与氧化作用，增加

21、穿43。自卸车*等。45量化的检索查恩利髋关节假体系列，寿命10-20年，发现损坏的股骨头假体的聚乙烯磨损率从40至80立方毫米，每年周期倍增。这是通过模拟器测试，在空气中聚乙烯伽玛灭菌，这表明增加了三倍46在磨损与划伤的金属头支持。与此相反，氧化铝陶瓷股骨头已发现耐刮伤和损伤在体外和体内47，48。在过去10年来，一直注重改善聚乙烯材料，IT抗氧化，并通过故意交联，也可以通过更广泛使用的陶瓷股骨头。已被证明在惰性气氛中消毒和聚乙烯在无氧的环境中，更抗氧化和磨损。这种材料的伽马射线照射4穆拉德在真空包装箔的一个例子，GVF的GUR1020聚乙烯，已被证明有一个35万立方米每106次，对金属股骨

22、头和25mm3的每106次的磨损率，对氧化铝陶瓷股骨头在髋关节模拟器元首49，50与50mm3的每106材料的伽马射线照射和空气中的储存周期。有意交联聚乙烯（基于一个更高的分子量树脂GUR1050），报告McKellop等。51与中等水平交叉连接5MRad的产生磨损减少80。磨损减少95以上，基本上是零磨损，在高交联聚乙烯，（10穆拉德）报道由Muratoglu等。52。几乎为零的磨损和表面加工的保留，标志着高度交联聚乙烯在这些早期的模拟器研究发现52一直没有找到代表临床表现有限的磨损率和表面加工痕迹的损失已在检索中发现布拉德福德等人。53。一个更近的高度交联聚乙烯髋模拟器研究与低，生理有关，

23、血清蛋白水平，更高的负载与ISO标准一致，报告对各种辐射水平的影响54。增加暴露在辐射的磨损减少，但即使在10MRad展出并有限磨损率高达9mm3的每106次，加工痕迹和尺寸28毫米的轴承临床检索的线性贯穿一致的损失，如图所示。8。这些临床和现实的实验室磨损率应与金属对金属轴承22报道相同直径的组件值1.6mm3的每106次。然而，聚乙烯和金属磨屑的生物反应是相当不同的。聚乙烯碎片产生的炎症反应41，它的确已显示最近，较高的分子量和交联聚乙烯磨屑较小，更多的反应比传统的低分子量GUR1020聚乙烯碎片55。相比之下，金属磨损颗粒产生的炎症反应56非常低的水平。然而，担忧依然存在金属粒子的细胞毒

24、性，如果他们在高浓度的积累57，并为在少数病人的过敏反应的可能性19。重要的是要注意的小纳米金属颗粒很容易运远离假体和整个身体散发。由于有一个对规模较大的股骨头，36毫米或更大的举动，有人担心，这将进一步加大改善润滑和减少金属对金属轴承的磨损对比聚乙烯轴承磨损，。另一项值得关注的是，降低聚乙烯的厚度大直径组件可能导致削弱整体构造。8走势显示各级伽马射线照射GUR1050超高分子量聚乙烯的磨损和蠕变的影响。（高尔文等54）。 4.2陶瓷陶瓷轴承氧化铝陶瓷对陶瓷轴承具有广泛的临床历史。同时MittelmeierAutophor特别假体（，Plochingen，德国赛琅泰克公司）和其他由同一制造商生

25、产的陶瓷，陶瓷轴承有20多年的临床经验。虽然在这期间，已经有很大的变化，在设计和材料，并与固定11的问题，整体与轴承表面的临床经验已经好58，59。实验室髋关节模拟器已进行60-64在标准条件下Nevelos和同事的研究表明磨损率极低，氧化铝陶瓷对陶瓷轴承，低0.01-0.1每立方毫米106次。这些磨损率可以比金属对金属髋关节十倍较低，由图所示。9，超过一百倍比聚乙烯低。然而，这些标准的模拟器测试没有复制的磨损率，磨损机理，临床上检索发现磨屑模式。陶瓷对陶瓷髋关节在两个不同类型的外植体的研究表明磨损率较高，每年62，头部特征的磁条上磨痕62，63，双峰碎片0.5-1立方毫米的顺序纳米和微米大小

26、的磨损颗粒分布64。已被引入一个新的模拟方法，其中包括微分离的头部和杯，这杯脚跟罢工和头部上的磁条磨损的形成62RIM头接触。微分离模拟器测试产生类似的磨损率，磨损机制，并检索假肢62，65，66发现磨屑。氧化铝陶瓷磨屑已被认为是高度生物相容性67，产生一个比交联聚乙烯溶骨性细胞因子水平较低，小于金属碎片杀伤57。这使得氧化铝的氧化铝陶瓷轴承夫妇与尺寸范围在28-36毫米的有吸引力的选择。直径较大的元件，在理论上应进一步减少磨损，不用于临床，因为相称杯厚度减少决定的限制。然而，人们仍然有关脆性断裂的陶瓷元件，在植入髋臼插入小打小闹。这一点，连同一般的设计约束，限制他们目前在许多国家使用。最近一

27、个新的氧化铝基复合材料，即氧化锆增韧氧化铝，已经研制成功。增加韧性微分离条件68下较低的骨折风险，设计更灵活，最重要的是减少磨损。9平均体积磨损的金属对金属，陶瓷，陶瓷，金属陶瓷轴承夫妇后5_106周期中髋关节模拟器。（后Nevelos等60和小木桶张开等。70）5未来的替代方案 尽管由上述讨论的技术提供了显着改善，但仍然关注与聚乙烯（交联聚乙烯）的磨损，金属碎片，随后潜在的金属离子释放（金属对金属），陶瓷内衬骨折（陶瓷陶瓷）。因此，除了这些当前的替代方案，它似乎适当的检讨一些金属对金属轴承的未来潜在的替代品。5.1金属陶瓷轴承 陶瓷的脆性性质是这样，内衬可以是组件设计师尽了最大努力，以尽量减

28、少风险，尽管偶尔骨折。通常情况下，陶瓷内衬可能断裂在手术，通过不正确的插入到髋臼金属外壳，或者通过重载组件的高冲击力的创伤手术后。最近对这个问题的审查陶瓷轴承由Hannouche等的。69五班轮骨折率超过了3300植入了人工全髋关节置换术的大型系列报道。他们得出结论，“陶瓷断裂，虽然极大的关注，必须使用高度不良的材料磨损获得增益的角度考虑。目前在骨科，柔软的聚乙烯总是用不同的困难，金属或陶瓷股骨头。这是常见的工程实践往往以避免地方可能作为轴承表面的组合，如材料的使用，有利于与差分硬度使用不同的材料是一致的。然而，硬对硬，如金属或金属陶瓷，陶瓷轴承作为类似像上的轴承。陶瓷金属衔接提供了一个数量级顺序硬度差的组合，同时使用，可以完成非常严格的制造公差的材料也保持在流体膜润滑关节。小木桶张开等人。70研究了磨损性能和碎片一种新型假肢差硬度形态结合氧化铝陶瓷股骨头和高碳钴铬钼合金髋臼衬垫，金属对金属关节在生理解剖髋关节的比较模拟器。结果表明，陶瓷金属配对被发现有磨损率约百倍以上的金属对金属配对较低。陶瓷金属配对的磨损率，如图所示。9，很少穿元件表面上检测到的每106约0.01mm3的周期在测试期间被发现。最初的寝具时期，这是传统的金属对金属部件的特点是在陶瓷金属测试缺席。金属对金属关节的磨损率较高，一直持续到稳定状态1.23_0.5立方毫米，每106次的磨损率。从两个关