Table of Contents

Хирургия замены бедра, или полная ортопедическая операция тазобедренного сустава (ТГА), является одной из самых успешных и изменяющих жизнь ортопедических процедур, восстанавливающих подвижность и облегчающих боль для миллионов пациентов во всем мире. Долгосрочный успех имплантата тазобедренного сустава в значительной степени зависит от поверхности подшипника - интерфейса, где головка бедра сочленяется против ацетабулярного вкладыша. Два выдающихся варианта подшипника - артикуляции металл-на-металле (МОМ) и керамика-на-керамическом (КОК) шарнирах. Понимание их трибологических свойств - наука о трении, смазке и износе - имеет важное значение для хирургов и пациентов, чтобы принимать обоснованные решения, которые оптимизируют долговечность имплантата и минимизируют осложнения. Эта статья обеспечивает авторитетное, углубленное изучение трибологии подшипников МОМ и КОК, расширение их механизмов, клинические результаты, преимущества, недостатки и развивающийся ландшафт технологии имплантата тазобедренного сустава.

Что такое трибология и почему она важна при имплантации бедер?

Трибология, полученная из греческого слова tribos , означающего «резка», является междисциплинарной наукой, которая изучает трение, износ и смазку между взаимодействующими поверхностями в относительном движении. В контексте имплантатов бедра трибология фокусируется на подшипниковой паре — бедренной голове и ацетабулярном вкладыше — поскольку они сочленяются через миллионы циклов каждый год. Имплантат бедра подвергается примерно от 1 до 2 миллионов циклов нагрузки ежегодно, в зависимости от уровня активности пациента, что делает трибологическую производительность критическим определяющим фактором выживания имплантата.

Основная цель трибологической оптимизации в имплантатах бедра — минимизация образования износа. Носить частицы, независимо от их состава, может вызвать воспалительный ответ инородного тела, который приводит к остеолизу (резорбции костей), ослаблению имплантата и возможному сбою. Кроме того, трение должно быть низким для сохранения смазочной пленки и уменьшения крутящего момента на интерфейсе имплантата-косточки. Взаимодействие между подшипниковыми материалами, смазкой (синовиальной жидкостью) и шероховатостью поверхности регулирует скорость износа и реактивность биологической среды. Понимая эти принципы, клиницисты могут выбирать подшипники, которые обеспечивают лучший баланс износостойкости, биосовместимости и механической надежности для каждого пациента.

Ключевые трибологические параметры в имплантатах тазобедренного сустава включают коэффициент трения, шероховатость поверхности, смачиваемость и формирование режима смазки жидкой пленки. Хорошо смазанный подшипник работает в граничном или смешанном режиме смазки, где тонкая жидкая пленка разделяет поверхности. Материалы с высокой смачиваемостью и низкой шероховатостью поверхности способствуют лучшей смазке и более низкому износу. Недавние достижения в вычислительной трибологии позволили исследователям моделировать эти явления с высокой точностью, что позволяет проектировать подшипники с субмикрометровыми допусками.

Металлические подшипники: обещания и подводные камни

Подшипники металл-на-металле (MoM) были вновь введены в 1990-х годах в качестве альтернативы обычным подшипникам из полиэтилена, особенно для молодых, активных пациентов, которым требовалась высокая долговечность и большие размеры головы для снижения риска дислокации. Эти подшипники обычно используют сплавы кобальта-хрома-молибдена (CoCrMo) как для бедренной головы, так и для ацетабулярной чашки. Трибологическое поведение подшипников MoM принципиально отличается от металл-на-полиэтилена из-за самополизирующегося, низкоизносного характера металл-металлического интерфейса.

Как подшипники МОМ работают тройственно

В хорошо функционирующем подшипнике MoM тонкая жидкая пленка синовиальной жидкости частично разделяет две металлические поверхности, создавая смешанный режим смазки. Поверхностная шероховатость современных подшипников MoM чрезвычайно низкая (Ra < 0,05 мкм), а высокая твердость сплавов CoCrMo сопротивляется абразивному износу. Поверхности подшипников подвергаются процессу, известному как «встраивание», где первоначальные аспермии изношены, что приводит к полированной поверхности с низким трением. После фазы постельного белья, которая обычно длится 1-2 миллиона циклов, скорость износа резко падает примерно до 1-5 мкм3 в год.

Низкий объемный износ подшипников MoM по сравнению с обычным полиэтиленом изначально был объявлен основным преимуществом. Однако образующийся износостойкий мусор преимущественно представляет собой металлические частицы нанометрового размера, которые имеют высокое соотношение площади поверхности к объему и являются биологически активными. Эти частицы могут растворяться в ионах металлов, включая кобальт и хром, которые попадают в кровоток и могут накапливаться в местных тканях и отдаленных органах. Биологический ответ на металлический мусор может проявляться как металлоз, неблагоприятные местные тканевые реакции (ALTRs) и асептические лимфоцитарные поражения, связанные с васкулитом (ALVAL), приводящие к боли, псевдоопухоли и мышечный некроз.

Преимущества подшипников MoM

  • Высокая износостойкость: После постельного белья подшипники MoM демонстрируют чрезвычайно низкие линейные скорости износа, потенциально длительностью 20–30 лет и более в оптимальных условиях.
  • Большие диаметры головы : конструкции металлических элементов позволяют увеличить бедренные головы (от 36 мм до 48 мм и более), что значительно увеличивает расстояние прыжка и снижает риск дислокации — основная проблема у пациентов с высоким риском.
  • Долговечность у активных пациентов: Высокая твердость и прочность сплавов CoCrMo делают подшипники MoM подходящими для молодых людей с высоким спросом, которые придают имплантату большую нагрузку.
  • Нет риска керамических трещин : В отличие от керамических подшипников, металлические компоненты пластичны и не разрушаются катастрофически, предлагая запас прочности с точки зрения механической целостности.

Недостатки подшипников MoM

  • Высвобождение ионов металлов: В организм высвобождаются ионы кобальта и хрома, с потенциальными системными эффектами, включая нейротоксичность, кардиомиопатию и дисфункцию щитовидной железы. Долгосрочное воздействие остается проблемой, особенно у пациентов с почечной недостаточностью.
  • Металлоз и ALTRs: Накопление металлического мусора в перипротезных тканях может вызвать местное воспаление, образование псевдоопухоли и остеолиз, часто требуя хирургического пересмотра. Частота ALTRs была зарегистрирована как высокая до 5-10% в некоторых моделях MoM при 10-летнем наблюдении.
  • Регуляторное и клиническое снижение: Из-за высоких темпов пересмотра и проблем безопасности несколько конструкций MoM были выведены с рынка. Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) выпустило несколько сообщений о безопасности, а использование подшипников MoM большого диаметра резко сократилось с 2010 года.
  • Чувствительность конструкции имплантата : Подшипники MoM очень чувствительны к позиционированию имплантата. Субоптимальные углы наклона ацетабулярной чашки (выше 50°) могут привести к нагрузке на край и ускоренному износу, резко увеличивая уровни ионов металлов.

Клинические результаты и извлеченные уроки

Данные реестра из Австралийской ортопедической ассоциации (National Orthopaedic Association National Joint Replacement Registry) и Национального объединенного реестра (National Joint Registry for England and Wales) последовательно показывают более высокие показатели пересмотра подшипников MoM по сравнению с керамическими и сильно сшитыми полиэтиленовыми альтернативами. 10-летняя частота пересмотра подшипников MoM составляет примерно 12-15% для больших головок по сравнению с 3-5% для керамических на керамических. Эти результаты привели к сдвигу парадигмы от повторных поверхностей MoM и общей артропластии тазобедренного сустава большого диаметра. Тем не менее, подшипники MoM малого диаметра (28 мм или менее) продолжают использоваться в определенных нишевых приложениях с приемлемыми результатами, особенно при достижении оптимального позиционирования.

Керамические на керамических подшипников: эталон для жестко на жесткой трибологии

Керамические на керамические (CoC) подшипники появились в качестве альтернативы для решения проблем износа мусора и высвобождения ионов, связанных с металлическими подшипниками. Используя ультратвердую керамику, такую как глинозем (Al2O3) или глинозем с закалкой цирконии (ZTA, например, Biolox® Delta), подшипники CoC предлагают самые низкие показатели износа любой подшипниковой пары, используемой в артропластике тазобедренного сустава. Трибологические свойства керамики - чрезвычайная твердость, высокая влажность и химическая инертность - делают их привлекательным вариантом для молодых, активных пациентов, которые хотят долгой выживаемости имплантата с минимальной биологической реакцией.

Как подшипники CoC работают тройственно

Керамические на керамические подшипники достигают уникального режима смазки, известного как «смазка жидкой пленкой», где непрерывная тонкая пленка синовиальной жидкости разделяет две поверхности в течение большей части цикла походки. Этому способствует превосходная смачиваемость керамических поверхностей (углы контакта ниже 20 °), что способствует распространению жидкости и образованию пленки. Шероховатость поверхности современных керамических головок исключительно низкая (Ra < 0,01 мкм), а твердость глинозема составляет примерно 2000 HV (твердость Виккерса), что более чем вдвое превышает твердость сплавов CoCrMo. Это комбинирует, чтобы дать чрезвычайно низкие коэффициенты трения и объемные скорости износа менее 0,1 мм3 в год - порядокы ниже, чем любой другой материал подшипника.

Изнашивающий мусор из подшипников CoC состоит в основном из нанометровых или микрометровых керамических частиц, которые обычно считаются биологически инертными по сравнению с металлическим или полиэтиленовым мусором. Эти частицы часто встраиваются в синовиальную ткань, не вызывая сильного воспалительного ответа. Однако трибологическая производительность подшипников CoC критически зависит от качества изготовления, сферичности и отделки поверхности. Изнашивание третьего тела из частиц костного цемента или металлического мусора может значительно увеличить шероховатость поверхности и ускорить износ.

Преимущества подшипников CoC

  • Крайне низкие показатели износа: Подшипники CoC последовательно демонстрируют самый низкий линейный и объемный износ любой подшипниковой пары, при этом некоторые исследования сообщают о износе в 4000 раз ниже, чем у обычного полиэтилена.
  • Минимальная биологическая реактивность: Керамический мусор относительно инертен и не вызывает такой же остеолитический каскад, как полиэтилен или металлический мусор. Частота остеолиза чрезвычайно низка в подшипниках CoC с правильным расположением.
  • Никакого высвобождения ионов металлов : Керамика не разъедает и не высвобождает ионы металлов, устраняя риски токсичности металлов, металлоза и ALTR. Это делает подшипники CoC особенно подходящими для пациентов с аллергией на металлы или почечными нарушениями.
  • Отличная биосовместимость: глинозем и ZTA имеют долгую историю безопасного использования в ортопедии и демонстрируют стабильную биологическую интеграцию.
  • Низкое трение: Низкий коэффициент трения уменьшает крутящий момент, приложенный к интерфейсу имплантат-косточка, потенциально снижая риск асептического ослабления.

Недостатки подшипников CoC

  • Риск керамических переломов: Хотя в современном производстве редко встречается — с частотой менее 0,02% для дельты Biolox — керамические компоненты могут катастрофически разрушаться при высокой травме или неправильном расположении.
  • Скрип: Скрипящий звук является уникальным осложнением подшипников CoC, происходящим примерно в 1–5% случаев. Он связан с нагрузкой на ребра, микросепарацией и потерей смазки пленки жидкостью, что приводит к вибрации скольжения керамических поверхностей. Хотя редко требует пересмотра, скрежет может вызвать недовольство пациента.
  • Более высокая стоимость: подшипники CoC, как правило, дороже, чем альтернативы металл-полиэтилен или МОМ, которые могут влиять на выбор имплантатов в системах здравоохранения с ограниченными затратами.
  • Струйный износ: В случаях микросепарации (когда голова подвывихается во время фазы качения походки), локализованная область ускоренного износа, известная как полосовой износ, может возникать на керамической голове, производя более крупные частицы мусора и потенциально увеличивая скорость износа.
  • Ограниченные варианты пересмотра: Если керамический компонент ломается или выходит из строя, пересмотр может потребовать удаления хорошо фиксированных керамических фрагментов, и хирург должен часто конвертировать в другую подшипниковую пару (например, керамику на полиэтилене), чтобы избежать дальнейших осложнений.

Современные керамические материалы: дельта биолокса и за ее пределами

Введение Biolox Delta (композит с закаленной цирконией) в начале 2000-х годов значительно улучшило прочность переломов керамических подшипников. Biolox Delta содержит примерно 25% цирконии, 75% глинозема и небольшое количество оксида хрома и оксида стронция, что дает материал с твердостью глинозема и прочность циркония. Прочность переломов Biolox Delta составляет примерно 8,5 МПа·м1/2, что почти вдвое больше, чем у чистой глинозема. Это снизило риск переломов до менее 0,02% в клинической серии. Систематический обзор 2017 года Lombardi et al. подтвердил, что современные подшипники CoC имеют чрезвычайно низкие показатели износа и скорости пересмотра, сопоставимые с показателями сильно сшитых полиэтиленовых подшипников при среднесрочном наблюдении.

Сравнительный анализ: MoM против CoC Bearings

При сравнении подшипников MoM и CoC необходимо учитывать несколько ключевых трибологических и клинических параметров. В следующем резюме выделены наиболее важные различия.

Характеристики ношения и отрубей

Подшипники CoC производят на порядок меньше частиц износа, чем подшипники MoM. Годовой объемный износ CoC обычно ниже 0,1 мм3, тогда как подшипники MoM дают 1-5 мм3 в год после постельного белья. Более важно, биологическая активность обломков сильно отличается. Обломки металлов реактивны, способствуют высвобождению воспалительных цитокинов и могут вызывать остеолиз даже при низких объемах. Керамический мусор в значительной степени инертен. Это различие является основной причиной, по которой подшипники CoC предпочитают у пациентов с высоким уровнем активности или более длительной продолжительностью жизни.

Трение и смазка

Подшипники CoC последовательно демонстрируют более низкий коэффициент трения (0,02-0,05) по сравнению с подшипниками MoM (0,10-0,15) при моделируемой физиологической нагрузке. Высокая смазываемость и смазка жидкой пленкой керамики приводят к снижению фрикционного крутящего момента, что может снизить нагрузку на интерфейс костной имплантации. Подшипники MoM работают в основном в граничной или смешанной смазке, с периодами прямого металло-металлического контакта во время цикла походки, увеличивая износ.

Риск дислокации

Оба типа подшипников позволяют использовать большие размеры головы, что снижает риск вывиха. Однако историческое принятие головок большого диаметра было наиболее заметным с подшипниками MoM. Сегодня подшипники CoC доступны в больших размерах (32-40 мм) и, в сочетании с современными конструкциями чашек и липовых лайнеров, предлагают сопоставимые скорости вывиха с MoM. Кроме того, отсутствие проблем с металлическим мусором в CoC позволяет более агрессивный выбор размера головы, не беспокоясь о высвобождении ионов.

Ставки выживаемости и пересмотра

Данные реестра последовательно показывают более низкую выживаемость подшипников MoM по сравнению с подшипниками CoC. 10-летняя выживаемость первичного THA MoM составляет примерно 85-90% в современных сериях, тогда как подшипники CoC достигают 95-98% выживаемости в то же время. Число, необходимое для лечения, чтобы предотвратить один пересмотр, выбирая CoC по сравнению с MoM, оценивается в пределах от 10 до 20 у пациентов в возрасте до 65 лет. Для пациентов старше 75 лет преимущество CoC менее выражено из-за более низких уровней активности и конкурирующей смертности.

Эффективность затрат

Подшипники CoC имеют более высокую авансовую стоимость (приблизительно на 500-1000 долларов США за имплантат, чем MoM). Однако, учитывая более низкие показатели ревизии и избегание осложнений, связанных с токсичностью металлов, несколько экономических анализов в области здравоохранения обнаружили, что CoC является экономически эффективным в более молодых группах пациентов, когда моделируется на протяжении 20-летнего горизонта. Подшипники MoM, несмотря на их более низкую первоначальную стоимость, несут значительные затраты на мониторинг ионов, наблюдение за визуализацией и хирургию пересмотра для ALTR.

Клинические результаты и долгосрочная эффективность

Долгосрочные исследования подшипников CoC продемонстрировали отличную долговечность, при этом частота износа настолько низкая, что их часто невозможно обнаружить с помощью обычного радиостереометрического анализа (RSA). В исследовании 2015 года Vendittoli et al. сообщили о средней линейной скорости износа 0,002 мм / год для подшипников CoC в течение 10 лет, без случаев остеолиза. Напротив, подшипники MoM в том же исследовании показали обнаруживаемый износ 0,03 мм / год после постельного белья и 7% случаев неблагоприятных реакций мягких тканей.

Шведский регистр аортопластики и Австралийский реестр сообщают о значительно более высоком риске пересмотра для MoM по сравнению с CoC после корректировки для возраста, пола и дизайна имплантата. Риск пересмотра для MoM в два-три раза выше, чем для CoC в 10 лет. Важно отметить, что опыт хирурга и точность позиционирования компонентов оказывают сдерживающее влияние на эти результаты. Подшипники MoM особенно неумолимы в отношении неправильного расположения, при этом загрузка края вызывает до 20-кратного увеличения износа. Подшипники CoC также выигрывают от точного позиционирования, но чувствительность менее выражена.

Выбор пациента и совместное принятие решений

Выбор между подшипниками MoM и CoC должен быть индивидуализирован на основе факторов пациента, опыта хирурга и доступности имплантатов.

Молодые, активные пациенты

Для пациентов в возрасте до 60 лет с высоким уровнем активности (например, спортсменов, ручных рабочих) подшипники CoC являются предпочтительным вариантом из-за их низкой скорости износа, биосовместимости и долгосрочных данных о выживаемости. Теоретический риск керамических переломов (теперь чрезвычайно низкий) перевешивается избеганием токсичности ионов металлов и остеолиза. Пациенты с чувствительностью к металлу или историей аллергических реакций должны быть направлены на альтернативы CoC или керамики на полиэтилене.

Пожилые пациенты с низким спросом

У пациентов старше 75 лет с ограниченной активностью подшипники MoM все еще могут рассматриваться, особенно если для стабильности и затрат первостепенное значение имеет большой размер головы. Однако даже в этой популяции необходимость пожизненного мониторинга ионов и риск ALTR делают MoM менее привлекательным, чем современные высокосшитые полиэтиленовые подшипники, которые обеспечивают отличную износостойкость и отсутствие высвобождения ионов металлов. CoC остается безопасным вариантом в любой возрастной группе, но дополнительные затраты могут быть не оправданы у очень пожилых пациентов.

Пациенты с почечными нарушениями

Поскольку клиренс ионов металла зависит от функции почек, подшипники MoM относительно противопоказаны пациентам с хроническим заболеванием почек (стадия 3 или хуже). Подшипники CoC являются самым безопасным вариантом в этом сценарии, поскольку они не производят системной нагрузки на ионы металлов.

Пациенты с ранее невыполненной МОМ

Пациенты, которые уже испытали неисправный имплантат бедра MoM из-за ALTR или металлоза, должны получить подшипник CoC или керамический на полиэтилене в хирургии пересмотра. Помещение другого подшипника MoM подвергнет пациента тем же рискам. Керамические подшипники предлагают чистый, биологически инертный интерфейс, который минимизирует риск рецидива.

Будущие направления в технологии хип-подшипников

Исследования трибологии подшипников продолжают развиваться, с несколькими многообещающими инновациями на горизонте. Подшипники керамики на металле (CoM) пытаются объединить низкий износ керамики с твердостью металла, но ранние результаты показали увеличение высвобождения ионов металла из-за взаимодействия керамической аспертичности с поверхностью металла. Оксиний (окисленный цирконий) является еще одним гибридным материалом, который предлагает керамико-подобную поверхность на металлической подложке, но его использование ограничено керамическими на полиэтиленовых артикуляциях, а не твердыми парами.

Продвинутые поверхностные покрытия, такие как алмазоподобный углерод (DLC) или титановый нитрид (TiN), были исследованы для улучшения трибологических характеристик металлических подшипников. Однако клинические данные о бедренных головках с покрытием DLC показали смешанные результаты, с некоторыми сообщениями о расслоении покрытия и повышенном износе. Будущее может заключаться в разработке композитных керамических материалов с еще более высокой прочностью и более низкой скоростью износа, а также улучшенных производственных процессах, которые устраняют микродефекты. Также исследуется использование аддитивного производства (3D-печать) для пользовательских керамических имплантатов, которые могут позволить для конкретных пациентов геометрии подшипников, которые оптимизируют смазку и стабильность.

Кроме того, подходы биомиметической смазки, такие как включение гиалуроновой кислоты или других граничных смазочных материалов в поверхность имплантата, изучаются для улучшения образования жидкой пленки и уменьшения трения даже в маргинальных условиях.Эти технологии могут в конечном итоге размыть различие между твердо-на-твердых и мягко-на-твердых подшипников, предлагая новое поколение имплантатов, которые сочетают низкий износ, биологическую инертность и механическую надежность.

Заключение

Трибологические свойства металлических и керамических подшипников на керамике в корне влияют на клинические результаты общей артропластии тазобедренного сустава. Подшипники MoM, предлагая высокую начальную износостойкость и большие размеры головы, обременены высвобождением ионов металлов, неблагоприятными тканевыми реакциями и более высокими показателями пересмотра, что приводит к их снижению в обычном использовании. Подшипники CoC с их чрезвычайно низким износом, инертным мусором и отличной биосовместимостью представляют собой золотой стандарт для твердой артикуляции у молодых, активных пациентов. Риск керамических переломов был резко снижен с современными материалами, а явление скрипа, хотя и заметно, редко влияет на выживаемость имплантатов.

Для большинства пациентов, проходящих ТГК сегодня, керамические (или керамические) подшипники на основе высокоперекрестных полиэтиленовых соединений обеспечивают наилучший баланс прочности, безопасности и долгосрочной функции. Подшипники на основе металла занимают узкую нишу у молодых пациентов с особыми требованиями и доступом к экспертной хирургической технике и бдительному наблюдению. По мере продвижения трибологических исследований новые материалы и поверхностные технологии будут продолжать улучшать производительность и долговечность имплантатов тазобедренного сустава, в конечном итоге повышая качество жизни миллионов пациентов во всем мире.

Для дальнейшего чтения о переносимости трибологии и клинических исходах, проконсультируйтесь с библиотекой обучения пациентов Американской академии ортопедических хирургов (AAOS) или просмотрите обзор семинального 2015 года от Massin et al. по трибологии общей артропластии тазобедренного сустава.