人工踝关节假体设计简介

发布日期:2018-12-07

  骨和骨之间的连接称为关节(joint),人体中关节数量非常多,如果不计算微动关节(如椎体间的连接)和不动关节,至少有78个关节,包括人体主要七大关节:肩关节、肘关节、桡腕关节、髋关节、膝关节、踝关节、颞下颌关节。因为各种不同的病症,如先天发育不良造成的关节畸形、自身免疫造成的风湿性关节炎、细菌感染造成的感染性关节炎、创伤性关节炎和骨性关节炎,需要进行大量的人工关节置换。关节置换假体产品种类繁多,几乎所有可动关节都有对应的产品(图1),包括最常见的人工髋关节、膝关节假体,以及人工肩关节、踝关节、肘关节、腕关节、颞下颌关节、跖趾关节、指间关节假体。

图1人工关节假体或修复产品(未展示常见的髋、膝等关节假体)

  踝关节有屈伸、内外旋、内外翻、前后位移和内外侧位移等5个活动自由度(图2),前2种为踝关节主要运动形式,后3种活动范围很小,与踝关节稳定性有密切关系(步行时背屈13°-17°,距屈6°-16°,内旋5°,外旋3°左右)。踝关节屈伸轴可自由改变的特点要求踝关节假体组件之间具备充分的活动度,这也是第一代踝关节假体产品失败,开发设计第二代活动平台踝关节假体的原因之一。

图2 踝关节运动

  踝关节的生理承重约为4倍体重(图3),在关节假体体外力学模拟试验时,一般会加载5倍体重的纵向载荷。踝关节在运动过程中可承受80% 体重的向后剪切力,所以一般踝关节假体固定柱位于距骨部件前部,并斜向后伸展。在体外的模拟实验中,为了验证在向后剪切力作用下植入的关节假体的防脱出性能,一般活动平台假体会在10°距屈角度下(该位置剪切力最大)进行内外旋、前后位移、内外侧位移稳定性力学试验。为了证明踝关节假体产品的安全有效性,还需考虑组件的疲劳性能、骨固定性能(多数骨水泥固定,极少数生物固定,如STAR)、涂层强度、关节面磨损性能、胫骨平台锁定性能、假体活动范围等方面的性能研究。

  大多数关节假体都采用金属(钴铬钼或钛合金)-塑料(UHMWPE或XLPE)-金属(钴铬钼或钛合金)三组件设计,陶瓷材料在最为成熟的髋关节假体中应用很多,负载极小的手足关节(掌指、指见、跖趾关节等)假体也采用硅胶和碳复合材料。从20世纪70年代至今,踝关节假体所使用的材料几乎没有变化——钴铬钼合金或钛合金金属部件与超高分子量聚乙烯部件(部分产品高交联聚乙烯)形成关节面。因为踝关节假体使用的材料有着悠久的临床植入历史,生物相容性试验并不是必需的,但必须进行生物相容性评价。

图3 踝关节受力

  第一代假体采用两组件形式,金属组件(不锈钢或钴铬钼合金)与塑料组件(UHMWPE 或XLPE)两种材料构成胫骨部件或距骨部件,如Mayo、Smith和NJ等(图4)。第一代踝关节假体因为采用两组件设计,除屈伸外,其他运动形式受限较大,导致固定界面产生过大的应力,另外,组件不能完全覆盖截骨面,且骨水泥主要固定在松质骨上,使得无菌性松动成为最常见的临床不良事件。针对该设计缺陷,第二代踝关节假体采用了3组件设计形式(增加了固定或活动的衬垫,fixed bearing or mobile bearing)以增加活动度,减少限制性。另外,第一代假体设计还有过多截骨量、组件与周围组织撞击等问题。

  第二代人工踝关节假体主要以STAR(Link)、B-P Mark I、Agility(Depuy)等关节假体为代表,其中使用STAR假体的患者具有比较正常的步态。B-P Mark I假体主要不良事件包含沉陷(发生最多)、衬垫半脱位。沉陷的原因是应力遮挡和血供破坏,距骨组件单列鱼鳍固定设计导致距骨近端应力遮挡,同时破坏距骨血供,导致距骨坏死。针对此设计缺陷,第三代踝关节产品B-P Mark Ⅱ将距骨组件由单列鱼鳍固定改为双列鱼鳍状固定,同时增加中间沟深度以防止衬垫脱位,B-P Mark Ⅲ(强生Mobility假体原型)将鱼鳍状改为两个平行的斜向后圆柱体,使得应力分布更均匀,同时避免破坏距骨血供。另外,踝关节假体植入手术工具的不断优化也缩短了医生的学习曲线。

图4 踝关节假体设计

  踝关节假体近年来发展迅速,在审评踝关节假体临床评价资料时,应持谨慎态度。如果申报产品或同品种产品没有中长期临床使用数据,建议进行条件性审批(实际上中国获批的Inbone踝关节假体和美国获批的STAR踝关节假体都为条件性审批),要求企业对参与临床试验的患者继续跟踪,并收集安全性数据(投诉和不良事件)和有效性数据(如Buechel-Pappas、VAS、SF-36、AOFAS等功能性评分,以及影像学终点等),直到获得长期临床数据(如10年)。这样的条件性审批是有意义的,例如Mayo踝关节假体的短期临床试验显示很高的假体存活率和患者满意度,Stauffer等人在平均1.9年随访期中发现假体93%的存活率,Lachiewlcz 等人在平均3年随访期中发现假体100%的存活率,然而长期临床试验结果却显示假体的存活率和满意度非常低,Kitaoka等人的研究显示Mayo踝关节假体5年、10年、15年的生存率分别为79%、65%和61%,他的另一份研究则显示36%(57/160)患者不得不提前取出植入的踝关节假体。

  参考信息:

  [1]FDA Official Website.https://www.fda.gov/

  [2]Stryker Official Website.https://www.stryker.com/us/en/portfolios/orthopaedics/trauma-and-extremities/elbow-hand-and-wrist.html

  [3]Corin Official Website.https://www.coringroup.com/

  [4]国家食品药品监督管理局官网http://samr.cfda.gov.cn/WS01/CL0001/.

  [5]Christopher E. Gross. et al. Design Rationale for Total Ankle Arthroplasty Systems: An Update. J Am Acad Orthop Surg,2018.

  [6] David I. Pedowitz, et al. Total Ankle Replacement: Where Do We Stand? University of Pennsylvania Orthopaedic Journal. 2010.05

  [7]Frederick F. Buechel, Michael J. Pappas. Principles of Human joint replacement. Springer. 2015.

  [8]Buechel, F.F, et al. Complications of 292 total ankle replacements. Presented at the Ninth Annual Meeting of the Foot and Ankle Society, San Francisco CA(1979).

  [9]Stauffer, R.N. ,Segal, N.M.et al. Total ankle arthroplasty: four years’ experience. Clin Orthop, 1981.

  [10]Kitaoka H.B. et al. Survivorship Analysis of the Mayo Total AnkleArthroplasty. The Journal of Bone and Joint Surgery, 1994.

  [11]Kitaoka HB, Patzer GL, et al. Clinical results of the Mayo total anklearthroplasty. J Bone Joint Surg Am,1996.

  (审评四部 滕颖影 刘斌 供稿)

来源:中国器审