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生醫材料(五):人工膝關節知多少

膝關節疾病包括退化性、類風濕性關節炎以及外傷導致的關節病變。在非手術方式的藥物治療後無法減少疼痛與關節受限時,使用人工膝關節置換治療嚴重關節病變,已經是相當成功的手術技術。此技術是以生醫材料取代關節磨損部分,矯正關節變形。病患可顯著地減少疼痛,恢復關節活動與生活品質
 
 
 
膝關節疾病包括退化性、類風濕性關節炎以及外傷導致的關節病變。在非手術方式的藥物治療後無法減少疼痛與關節受限時,使用人工膝關節置換治療嚴重關節病變,已經是相當成功的手術技術。此技術是以生醫材料取代關節磨損部分,矯正關節變形。病患可顯著地減少疼痛,恢復關節活動與生活品質。但人造材料磨損、破裂,仍可能導致元件損壞,需再次置換。近幾年,工程技術及材料科學不斷進步,新盈設計方向已經朝向減少材料磨耗以及恢復正常關節活動發展。

以生物力學角度而言,置換人工膝關節主要目的是矯正嚴重的膝關節變形,恢復正常關節角度使受力均勻分佈。因此樣式以功能性為考量,可分為後十字韌帶保留型及後十字韌帶取代型設計。前者為病患韌帶功能良好時選用,後者則是以機構設計來取代韌帶功能,穩定膝關節。對於臨床骨科醫師而言,置換韌帶取代型設計可直接矯正骨頭變形,不需多考量韌帶功能,使用頻率高。

根據2013年《The Journal of arthroplasty 》期刊報導,置換不同設計的臨床併發症發生率沒有顯著差異,而置換取代型設計後關節彎曲活動度表現有較滿意的結果。但同在2013年的《The Journal of arthroplasty》期刊中亦有報導認為,影響術後表現,重要因素是元件植入位置正確性及良好的軟組織平衡,對於手術技術成熟的醫師,選用不同設計於術後疼痛、活動度與功能表現都有相近臨床結果。

人體膝關節受力大,材質除需有生物相容性外,更需有足夠的機械強度、抗腐蝕性、耐磨耗以及易與骨頭介面結合的多項特性。全人工膝關節組成元件有四個部分,金屬部分運用於股骨元件和脛骨元件,塑膠部分則使用於脛骨襯墊與髕骨襯墊。常見金屬材料為鈷鉻鉬合金與鈦合金等材料。優點為可提供足夠機械強度,穩固與股骨和脛骨切除面結合。脛骨襯墊和髕骨襯墊方面,常見為超高分子量聚乙烯。

此材料已運用於人工關節超過30餘年,具有良好化學惰性、較高抗衝擊能力以及潤滑性等,效果顯著。然而,膝關節活動複雜,關節面承受很大的壓力和剪應力,磨損破壞而產生的細小磨屑也會刺激骨細胞發炎,誘發骨質流逝引起無菌性的元件鬆脫。因此,透過改良製程,以加碼射線照射使微結構產生交聯的高交聯聚乙烯。

根據2014年Abdelgaied的研究結果指出,高交聯聚乙烯能提高材料抗磨耗,但不同劑量的交聯度會影響機械性質表現。

較新的關節樣式設計著重於恢復正常關節活動範圍,有些則強調可高度彎曲度的設計。另外,低侵入式手術單髁人工膝關節,近幾年也開始熱門,主要的優點是以微創手術方式,置換單側磨損關節,軟硬組織破壞少,且住院時間及活動度恢復時間都有良好表現。根據統計,置換人工膝關節人口以女性居多,因此,新穎設計也提出專為女性族群設計的關節元件。

材質方面,人工關節極需解決的是材料磨損問題。高交聯聚乙烯於歐美國家,已經普遍運用在人工關節襯墊。而高交聯過程產生自由基的問題,也有技術突破改善,以維他命E減少自由基產生穩定材質。於2012年的The 《Journal of arthroplasty》期刊報導證明,此新材料可提高抗磨耗,降低交聯後機械性質改變的問題。

另外,生醫陶瓷過去較少運用在膝關節元件。近期在《Journal of orthopaedic research》期刊已有陶瓷塗佈技術使用在股骨元件之報導。此技術關鍵係在金屬表面塗佈一層將近5微米厚度的氧化鋯陶瓷,理論上擁有和陶瓷一樣的表面抗磨耗特性,也降低元件發生破裂危險。另外,近期亦發展出多孔性金屬科技,可增加元件與骨頭結合強度。此新材料可製作成不同型態外型,彌補骨缺損大的再次置換手術。

根據2014年《The Journal of arthroplasty》期刊之臨床報告顯示,此新穎材料平均追蹤33個月後,病患再次手術後膝關節功能良好,沒有元件鬆動或不良併發症,但長期成功率仍需進一步追蹤探討。

面對琳瑯滿目的人工膝關節樣式時,何種適用?應是許多病患煩惱的問題!。其實影響置換成功率和使用時間,不僅和產品有關,也與術前病症嚴重度、手術植入技術良莠,術後復健相關。當然,手術後使用狀況更是影響人工膝關節使用時間的關鍵。對於年輕、活動能力較大的病患,可依據病狀嚴重度、經濟能力與活動需求,與臨床醫師討論選擇符合您的關節產品。而活動需求量較低的年長病患,即便是健保給付的關節設計,在良好植入技術和術後保養前提下,也能有效的減少疼痛,獲得良好的生活品質。(本文由科技部補助「健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

責任編輯:林永昇|弘光科技大學化妝品應用系暨化妝品科技研究所
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