人工掌指及指间关节假体的研究进展

Abstract

目的

总结人工掌指及指间关节假体的研究进展。

方法

查阅近年国内外有关人工掌指及指间关节假体的研究文献，并从解剖学研究、假体设计及材料发展三方面进行总结。

结果

人工掌指及指间关节置换术能即刻纠正手指畸形、缓解关节疼痛并改善功能。近五十年来，学者们对掌指及指间关节假体设计、假体材料、手术方式等方面进行了大量研究，目前临床应用的假体包括铰链式限制型假体、半限制型假体、非限制型假体 3 类，均有其优缺点，但远期疗效均不理想。

结论

目前人工掌指及指间关节假体尚未达到理想效果，临床需要更符合解剖结构、更具有生物相容性材料制备的假体。

手是人最重要的劳动器官，而掌指关节及近端指间关节是手部重要结构。对掌指及指间关节软骨损伤、关节僵硬而手术松解无效或关节功能无法恢复的患者，可选择关节融合术、趾跖关节游离移植术和人工指关节置换术治疗^[1]。关节融合术是目前最常用、操作相对简便、费用较低的治疗方式，但是关节功能丢失严重。趾跖关节游离移植术可最大程度保留关节活动度，术后供足功能也无明显影响^[2]，但存在对术者显微外科技术要求较高、手术创伤较大、多发关节病变不能同时行关节移植术等缺点。而人工关节置换术能避免上述不足，成为保留关节功能最具前景的治疗方法。

自 1959 年首次报道掌指关节置换术以来，掌指及指间关节置换已逐渐用于治疗各种原因导致的指关节慢性关节炎。但是掌指及指间关节有其特殊性，如关节体积较小，肌肉、肌腱等动力装置较多，屈伸、旋转等动作要求高，手部屈伸频率较高，置换后需承受较大牵引力等。因此虽然临床应用已 50 余年，但疗效仍不及负重大关节置换术。总体来说，掌指及指间关节假体的设计和临床实践仍处于探索阶段。现从解剖研究、关节假体设计以及材料研究三方面，对人工掌指及指间关节假体研究进展作一综述，为下一步研究提供参考。

1. 掌指及指间关节的解剖研究

手指屈曲及握捏时，掌指关节和指间关节承受的最大压力可达 200～300 N，并且可以在极短时间内达最大压力，接近单侧髋、膝关节等负重大关节所承受的压力^[3]。手部最重要的结构是掌指关节，单纯依靠掌指关节即可维持手部大部分功能活动。掌指关节为球窝、多轴关节，掌骨头为凸面，在近节指骨基底有 1 个曲率半径较大的凹面，通过两侧侧副韧带及关节囊维持关节稳定性。有学者将掌指关节看作双轴关节，包括 1 个屈伸轴、1 个运动轴（类似锥体轴）^[4]。由于掌指关节解剖结构复杂，关节置换除复制掌指关节屈伸功能外，还需复制关节几何形态及稳定性，这也是导致人工掌指关节置换远期疗效不佳的主要原因。

近端指间关节也是手指运动中的一个重要结构，在抓取较小或者形状不规则物体时发挥重要作用。近节指骨远侧为双髁状、其间有髁间凹陷，与中节指骨基底相连，同样靠两侧侧副韧带及关节囊维持关节稳定性。

2. 掌指及指间关节假体研究

20 世纪 50 年代，Brannon 和 Klein 尝试制作了金属铰链式掌指关节假体，并用于治疗掌指关节创伤性关节炎，早期结果满意，但后期出现了假体周围松动及骨折^[5]。之后，学者们设计了不同的掌指及指间关节假体，但大多数临床实践均失败。依据 Beevers 等^[6]的分类标准，掌指及指间关节假体包括铰链式限制型假体、半限制型假体、非限制型假体 3 类。

2.1. 铰链式限制型假体

由于缺少掌指关节生物力学及解剖学深入研究基础，Brannon 和 Klein 设计的金属铰链式掌指关节假体未考虑掌指关节复杂的动力装置。之后，Flatt^[7]提出了改进，假体由圆柱形铰链式金属结构组成，刚性金属部件由生产商装配一体，以提高防旋稳定性。但该假体用于临床后出现了大量失败病例，因为掌骨及近节指骨髓内应力较集中，假体周围骨折发生率较高，同时存在金属碎片沉积^[8-9]。学者们在 Flatt 设计假体基础上进行了再次改良，设计了第 2 代产品，例如 Griffith-Nicolle 假体、Schultz 假体、Steffee 假体等，但均因置换术后远期功能改善较差而失败^[10]。

随着聚合物人工假体材料的研制成功，为了降低假体刚度，将聚乙烯（polyethylene，PE）与超高分子 PE（ultra-high molecular weight-PE，UHMW-PE）用于制备假体。德国 LINK 公司生产的圣·乔治型关节假体，其近心端即采用 UHMW-PE 材料，远心端为钴-铬-钼合金材料；远心端可根据需要选择长短不一的假体，在置换同时对远端指间关节进行融合术，假体髓内部分通过骨水泥固定。我国贝朝涌等^[11]采用圣·乔治型关节假体对 11 例（16 指）掌指关节损伤患者进行关节置换，术后随访显示优良率为 88.9%，无早期并发症发生，但缺少远期随访结果。此外，因复制了大关节假体的装配原理，铰链式假体的稳定性过于依赖骨水泥，一旦发生假体周围骨折或者松动后则无法翻修，造成骨量丢失、关节功能丧失等后果。

2.2. 半限制型假体

第 2 类假体是以 Swanson 硅胶假体（Wright 公司，美国）为代表的半限制型假体。Swanson 硅胶假体设计原理是用具有弹性的硅胶作为动性间隔垫，以保持手指对线、填充关节空间。假体在体内通过关节囊、韧带、肌肉及肌腱系统构建平衡，维持稳定。假体柄未直接牢固固定于髓腔内，允许在髓腔内轻度移动，有效分散了应力，避免了假体中央部分应力集中，有利于骨质正常改建，同时也有利于假体铰链部分达到合适的旋转轴线，降低了假体周围骨折发生风险。Foliant^[12]对 Swanson 硅胶假体置换患者进行了长期随访，发现术后可能发生滑膜炎、骨质改变、淋巴结病、感染和假体断裂松动及移位，但大多数并发症发生率较低。但是有研究得出了相反结果，Olsen 等^[13]对 16 例类风湿性关节炎患者 60 个掌指关节行 Swanson 硅胶假体置换术，术后随访 5～10 年，结果仅 8 个掌指关节疼痛缓解、13 个关节发生假体破裂，因此他们认为该假体置换疗效差。Synnott 等^[14]报道了硅胶假体与骨接触界面存在侵蚀现象，且置换术后假体断裂发生率高；术后远期 Swanson 硅胶假体关节平均主动活动度仅为 30～40°，并存在硅胶假体磨损产生碎屑引起关节滑膜炎现象。Swanson^[15]对 148 例患者采用 Swanson 硅胶假体行近端指间关节置换术，术后患者指间关节平均活动度增加了 35°。然而，在一项样本量达 424 例的近端指间关节置换术临床研究中，Swanson 等^[16]发现患者指间关节平均活动度仅增加 10°，但疼痛缓解明显。之后，也有报道指间关节置换术后疼痛缓解明显^[17]。2013 年，Chan 等^[18]对 35 项研究进行了系统综述，发现在所有接受 Swanson 硅胶假体近端指间关节置换患者中，8% 假体发生下沉。有研究对采用 Swanson 硅胶假体行掌指关节置换患者进行了长达 14 年随访，结果显示该假体折断率为 63%^[19]。为此，学者们对 Swanson 硅胶假体进行改良，通过使用保护性金属垫圈包裹硅胶聚合体关节腔部分，避免硅胶假体直接与截骨端接触，有效减少了术后并发症的发生，但仍然不能解决硅胶老化断裂问题。

虽然 Swanson 硅胶假体置换存在较多并发症，但由于能立即缓解关节疼痛，改善手指功能，仍是目前临床应用最广泛的人工指关节假体。

2.3. 非限制型关节假体

由于上述两类假体存在较多远期并发症，临床均未大规模使用。随着掌指关节及指间关节解剖及生物力学研究的深入，学者们相继研发了与生理解剖相符、截骨量更小的非限制型关节假体、表面置换型关节假体。假体设计也由单轴逐渐改为多轴，2 个关节柄仅有凹凸滑动配合，没有机械连接配合结构，这种球臼配合结构更符合手指关节解剖结构，置换后能获得更大的关节活动度。

早期非限制型关节假体为陶瓷柄，采用更契合关节旋转中心的球臼设计，但因陶瓷柄存在应力问题被淘汰。随着关节材料的发展，学者们设计了更多非限制型关节假体，其中日本 Nakashima 公司生产的 Self-locking 假体为代表性假体。该假体由钛合金接头锚及 UHMW-PE 平台共同构成，接头锚的基部由锥形螺丝及与其连续的 2 根有弹性的脚部构成，可通过调整螺丝来调整尾部 2 根弹性脚的张合，使其与髓腔内侧面贴附；通过两侧接头锚的位置可以调控侧副韧带拉伸强度^[20]。但 Self-locking 假体因费用较高及医疗器械准入问题，目前尚未在临床大规模使用。

关节表面置换术可以最小限度截骨，以保护提供关节稳定性的侧副韧带。1979 年 Linscheid 和 Dobyns 设计了一种由钴-铬合金及高分子 PE 材料组成的假体，用于近端指间关节表面置换^[21]，假体组件表面为电热喷涂钛处理，以改善骨整合。Jennings 等^[22]应用钴-铬合金假体对 43 例患者行近端指间关节表面置换术，随访发现关节疼痛缓解良好，但近端指间关节活动度无改善。Daecke 等^[23]对 43 例患者 62 个近端指间关节采用肽聚乙烯和碳材质非限制型假体行关节表面置换术，术后随访 3 年，近端指间关节活动度有 2° 丢失。为改善表面置换术后关节活动度，Stoecklein 等^[24]采用掌侧入路以保护伸肌腱，术后允许患者早期活动，关节总活动度增加了 27°。应用肽聚乙烯和碳材质非限制型假体行关节表面置换术，术中可根据骨质情况使用或不使用骨水泥，使用骨水泥可明显降低术后假体松动及下沉比率，但会增加翻修难度。

另一种热解碳表面关节假体也可用于掌指关节及近端指间关节表面置换。Reissner 等^[25]对热解碳关节假体行近端指间关节置换患者进行 10 年随访，患者关节活动度从术前 36° 下降至 29°。但 Simpson-Whiten 等^[26]发现掌指关节表面置换术后，在平均 58.6 个月随访中，关节运动范围有 10° 改善。而 Nunley 等^[27]发现采用热解碳表面关节假体行表面置换术后，疼痛无明显缓解。由于应用热解碳关节假体行表面置换术后，关节运动改变小，骨整合不全，并发症发生率高，临床未大规模使用。非限制型关节假体因增加了关节屈伸及尺、桡偏活动度，所以对韧带、关节囊、肌腱要求比较高，如患者存在关节囊及韧带损伤、活动屈伸动力不平衡，置换后极易发生关节脱位。

3. 关节材料的发展

目前用于制备掌指及指间关节假体的材料有钴-铬-钼合金、钛合金、硅胶、PE、UHMW-PE、碳/碳复合材料等。虽然大量金属及合金材料用于制备关节假体，但临床应用后随时间推移，普遍存在假体周围松动、下沉或者折断等现象，究其原因是金属材料的弹性模量与人体骨差距较大，导致假体植入后，假体周围发生应力遮挡，骨严重弱化、吸收^[28]。钴-铬-钼合金强度比金属高，而弹性模量较低，具有更好的耐腐蚀性和耐磨性。临床研究发现，钴合金假体置换后患者血液、尿液、周围组织中钴离子浓度升高，可能会引起过敏反应，增加某些疾病发生率，所以临床应慎用^[29]。与钴合金相比，钛合金具有许多生物学优点，例如密度小、机械强度高、弹性模量低、生物相容性好、耐腐蚀性能优良，但有部分患者存在过敏现象，而且钛合金弹性模量仍高于人体骨，容易产生应力遮挡，存在远期置换失败风险。硅胶是目前临床上应用最早和最多的指关节假体材料，其弹性模量低于骨组织，可以进一步保护骨和软组织，但也存在较多缺点：① 易疲劳、折断，机械性寿命短，Swanson 硅胶假体 5 年内折断率高达 82%^[30]；② 生物相容性差，磨损颗粒可引起反应性滑膜炎、局部骨质囊性变和远端淋巴腺炎等，并且很难治愈。

随着材料科学的不断进步，出现了高温碳材料制备的假体，该材料为高强度石墨芯，其表面覆盖 0.42 mm 厚热解碳层。热解碳层是通过加热碳氢化合物气体形成，其与皮质骨弹性模量相似，且强度大、耐磨，是一种较好的植入物材料，热解碳基复合材料较适合制备关节假体^[31]。碳/碳复合材料存在表面易于磨损脱屑、断裂等缺点。UHMW-PE 具有耐磨、耐冲击、耐低温，不易黏附、不易吸水、密度较小等良好的生物相容性，但是其磨损碎屑可以通过细胞因子诱导骨溶解发生，是导致人工大关节假体松动的主要原因，可能用于掌指及指间关节假体也会产生碎屑性滑膜炎^[32-33]。

4. 总结及展望

符合关节解剖形态是增加关节活动度及稳定性的关键因素之一，然而由于各掌指及指间关节大小、形状各异，增加了假体设计难度。临床应用的 3 类掌指关节及指间关节假体各有优缺点。其中，铰链式限制型假体置换后关节稳定性能达到最大化，但由于其刚性结构特点，易出现应力遮挡，进而导致假体周围骨量减少，需要骨水泥固定等；而且一旦出现假体周围骨折，可能无法进行二期手术。Swanson 硅胶假体虽然是目前临床公认标准置换假体，但存在磨屑及疲劳断裂等问题尚未解决。非限制型关节假体虽然与正常手指关节解剖结构相符，但对周围关节囊、动力系统平衡等要求较高，同时假体松动及下沉率高，临床未大规模推广。

目前，掌指关节置换术未能像髋、膝关节置换术一样获得广泛应用，主要原因是长期疗效不确切、关节假体费用昂贵，但在减轻疼痛、矫正畸形和改善手部功能方面，仍是一种较好治疗手段。下一步研发重点为关节置换术后能够恢复关节屈伸、侧偏和旋转功能，并最大程度接近正常关节活动范围，力求关节的稳定与活动度之间的平衡；选择弹性模量与自然骨相近的材料，假体柄形状设计更符合髓腔解剖形状，提高假体骨长入能力，从而减少应力遮挡，降低假体松动及下沉率。

作者贡献：姚玲负责文献检索、文章撰写；李川负责文章设计、资料收集；李军负责文章审改。

利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。课题经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道。

Funding Statement

云南省科技计划项目重大科技专项（2018ZF008）

Yunnan Provincial Foundation for Science and Technology Research (2018ZF008)