高交叉結合的聚乙烯（Highly Cross-linked Polyethylene）在人工膝關節的應用

台大醫院骨科   林 晉醫師

自從John Charnley先生所發明的超高分子量聚乙烯（Ultrahigh-Molecular-Weight-Polyethylene: UHMWPE）問世以來，UHMWPE已經成為人工髖關節(total hip arthroplasty: THA)和人工膝關節(Total knee arthroplasty: TKA)關節承受面(articular surface)的首選。現在也有相當多的研究，致力於UHMWPE特性的改良，嘗試將UHMWPE承受磨損的特性最大化。不幸地，並非所有研究皆能成功的收場。一些在結構，組成的元素或一些加工技術上改變的研究皆不幸失敗了。儘管有這麼多的研究，聚乙烯的磨損持續為人工膝關節長期失敗的首要原因。臨床上，磨損造成的併發症多爲生物力學與生物學的相互作用，這種作用會受到磨損後殘骸(debris)的體積，殘骸的大小與形狀，後續的生物活性，與不同病人的影響。另外一項造成聚乙烯磨損的大原因，就是年齡。眾所皆知，越年輕與活動力越好的病人，可能會有早期發作的聚乙烯磨損與嚴重的骨蝕(osteolysis)與關節鬆動(圖一A)。  

 在THA與TKA間，磨損的機制與產生的粒子(particle)殘骸的不同，目前已經有相當完整的記載。在TKA關節的特性上，包括滾動、滑動、與旋轉，導致比相合(congruent)的THA產生更多的斑蝕(pitting)，分層(delamination)反應甚至疲勞破壞 (圖一B)。其中，分層會造成相當嚴重的臨床併發症，因為分層可能會造成幾何上的改變，對植入物的荷重分佈產生不良的影響，可能會造成植入物破裂、分離，最終導致植入失敗。粒子殘骸最主要是來自聚乙烯的磨損，這會促成臨床上有骨蝕的表現。

粒子誘發性骨蝕是由於UHMWPE粒子殘骸所造成，這個小的粒子會促使炎性細胞激素(cytokines)的釋放，造成蝕骨細胞(osteoclast)受到刺激與造骨細胞(osteoblast)的抑制，最小的粒子會導致最大的次發性巨嗜細胞吞噬反應。大量的骨蝕可能會引起相當嚴重的骨質流失，產生的骨頭缺陷可能會使得翻修(revision)手術變得更難進行。因此，我們必須提昇聚乙烯的承受能力，目標在於提高嵌入物(insert)的耐磨性，降低粒子殘骸的數量，而因降低粒子誘發性骨蝕的發生率與數量。

 在許多有關於THA的文獻記載，如果使用伽馬射線(γ-ray)進行消毒，這會導致聚乙烯的交叉結合(cross linking) (圖二)；這樣子的交叉結合，因為在抗磨損方面有很大的改進，所以在未來有很不錯的前景。當用伽馬射線進行消毒時，如果有氧氣的存在，會誘導自由基的產生；而當這些自由基跟氧結合，會隨著時間造成聚乙烯的氧化性降解，也因為這些反應，現今的製造商在進行消毒時，都會在無氧的環境裡使用伽馬射線。消毒後，在無氧的環境裡加熱聚乙烯至接近或超過熔點，可以改善黏著性磨損與氧化穩定性。然而，加熱穩定也可能會使材料的晶體性下降，這樣可能會降低包括強度與抗疲勞性的機械性質；許多作者在之前便已記錄了這些改變，並且相信當抵抗破裂的能力一旦降低，將會使人們在選擇使用高度交叉結合聚乙烯時有所顧忌。

 在髖關節模擬研究以及活體放射立體照相測量分析中，聚乙烯的交叉作用與加熱穩定可以提昇髖臼的抗磨性。這些報告也促發許多針對交叉作用在TKA是否也有益處的研究。近期，實驗室數據顯示出在TKA模擬中，標準聚乙烯與高度交叉聚乙烯的比較，有94%與43%的磨損速率，有鑒於這項新數據，在TKA中，高度交叉作用的聚乙烯對抗磨損的特性包括抵抗分層，也有正面的影響。而自由基的減少也可以降低氧化作用，同時降低任何相關疲勞失效的發生率。目前許多研究者結合來自TKA的臨床研究與活體磨損的數據，使高度交叉作用在TKA的使用上更具其合理性。

 有些作者認為高度交叉聚乙烯會減少破壞韌性，但一般來說疲勞強度比降伏強度重要，也有證據顯示在體外疲勞測試，高度交叉作用聚乙烯的TKA可以維持二十年以上的壽命，同時臨床研究也顯然高度交叉作用聚乙烯TKA的中期追蹤結果和傳統TKA一樣安全，但高度交叉作用聚乙烯TKA可以提供耐受更長磨耗的能力，因此，目前來說高度交叉作用聚乙烯TKA仍是臨床上一個值得的選擇。

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圖一 (A) 骨蝕(箭頭)與關節鬆動(星號)，(B)磨損，分層與破裂(crack)

圖二 （A）UHMWPE，（B） Crosslink PE，綠色鍵節代表三度空間之交叉結合鍵。