骨溶解：關節置換的「隱形殺手」

骨溶解是關節置換中長期存在的一個問題，最早由 Charnley 提出。他在觀察 Teflon（PTFE）髖臼假體生存壽命表現時發現髖臼假體周圍會出現乾酪樣壞死和無菌竇道形成。而後聚乙烯作為表面耐磨係數較高的一種界面開始取代 Teflon 成為假體置換的一線材料。

早期學者在假體置入後發現，假體周圍容易出現骨溶解，他們將之歸咎為骨水泥反應，因此引入「水泥病」這一概念，但後來非骨水泥型假體的臨床應用並沒有解決這一問題，經過大量的臨床觀察發現，可能是顆粒而非骨水泥造成了假體周圍的骨溶解，所以又引入了「磨損顆粒病」這一概念。

對初次全膝關節置換術（TKA）而言，其失敗的最常見原因是無菌性鬆動，而骨溶解是無菌性鬆動最突出的生物學表現，骨溶解可能會被視為全膝關節置換術失敗的最常見的原因。

為進一步闡述骨溶解的原因，來自美國南伊利諾伊大學醫學院的 Theodore J. Gilbert 等對此進行了文獻回顧，文章近期發表在 JBJS 雜誌上。

骨溶解的機制

1. 生物學機制

假體磨損產生的碎片會引發巨噬細胞細胞因子的級聯反應，如白細胞介素-1（IL-1β）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α），引起破骨細胞骨吸收，並最終導致骨溶解。Howie 研究顯示，磨損顆粒被巨噬細胞吞噬引起不同的反應取決於顆粒的大小，小於 5 mm 的顆粒會引起強烈的單核巨噬細胞反應，而較大顆粒則可能引起巨噬細胞反應。

另一個潛在的溶骨性機制是產生膠原酶和前列腺素 E2 的膜的形成。Goldring 曾報道過，全髖關節置換術後，在骨-骨水泥界面將會形成一個產生膠原酶和前列腺素 E2 的滑膜樣膜。由於假體周圍支持骨的缺失往往導致運動時在骨-假體界面產生異常應力和力的異常分布，可能導致假體周圍骨折和植入物過早的失效。

2. 機械性過程

根據磨損的位置和類型，在人工膝關節內的碎片顆粒可能包括聚乙烯，骨水泥，或金屬。常見的磨損碎片的產生位置包括脛骨-股骨關節表面，脛骨植入物的後表面（背面磨損），和植入物-骨界面。雖然磨損可以發生在所有的這些位置，但絕大多數的磨損顆粒是由聚乙烯形成的。

聚乙烯襯墊在多種活動下可出現磨損，磨損顆粒粘附與骨表面，可導致骨表面溶解，侵蝕。假體周圍組織液高滲狀態也會增加周圍炎症因子滲出，使得假體顆粒進入關節腔周圍，誘導骨細胞死亡，形成骨溶解。

圖 1 膝關節正位片

圖 2 為膝關節側位片，圖 1、2 可以看到脛骨和股骨發生骨溶解

潛在的危險因素

1. 患者相關危險因素

初次全膝關節置換術（TKA）後磨損顆粒和骨溶解的患者相關危險因素包括患者的年齡和性別。一項研究表明：患者年齡每降低一歲由於磨損所致的假體失效率將會增加 5%。TKA 術後假體的磨損相關失效的風險，男性是女性的 2.8 倍。一項研究表明，小於六十歲的患者比六十歲以上患者活動量增加 30%，男性的活動量比女性增加 28%，這些都會增加假體失效的風險。

2. 假體材料的類型

另一個與 TKA 術後發生骨溶解相關的因素是植入脛骨的聚乙烯材料的類型。三種用於全膝關節置換術的假體材料包括：常規（非交聯聚乙烯）聚乙烯，超高分子量聚乙烯（UHMWPE），和高度交聯聚乙烯（HXLPE）。

傳統的聚乙烯可以通過加工或壓縮成型製造，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是分子量為 2 至 600 萬單位的聚乙烯材料，而 HXLPE 是由超高分子量聚乙烯通過 γ 輻射，打破碳氫長鏈，在非晶相內形成交聯。交聯賦予聚合物耐磨性的增加，同時也降低其拉伸強度和對疲勞裂紋擴展的抗性。

然而，輻射會形成自由基並引發聚合物的降解，這種氧化會導致假體早期的機械性失效，產生聚乙烯磨損顆粒和潛在的骨溶解。當聚乙烯假體在空氣中用 γ 輻射消毒時將會產生更多的自由基。因此，現在已經用氣態氧化乙烯或在惰性氣體中使用 γ 輻射進行消毒，這兩種方法都會產生更少的自由基。目前，第二代的 HXLPE 含有維生素 E，這種抗氧化劑將會減少殘留的自由基。

研究發現與傳統的聚乙烯和交聯聚乙烯材料相比，膝關節置換術中 HXLPE 的體外磨損率和碎片生產情況更具優勢，其磨損率更低。而與這種優勢相衝突的是，HXLPE 磨損顆粒被認為更具有生物活性，產生更強烈的 TNF-α反應。另一個材料的選擇就是金屬假體的類型，一項研究表明鈦鋁釩比鈷鉻在釋放 IL-1β、TNF-α和 IL-6 方面具有更大的免疫效應。

與假體設計相關的背面磨損

假體背面的磨損是由於脛骨平台和聚乙烯襯墊之間在生理負荷下的微動。背面磨損也發生在彈性和塑性變形的過程中，往往在薄的聚乙烯假體植入時可以看到，因此建議植入的聚乙烯假體的最小厚度為 8 mm。儘管曾有研究報道，關節表面是聚乙烯碎片的主要來源，但最近的研究表明，假體背面磨損量與關節表面磨損的碎片量相當 ，關節表面的運動減少時，假體背面磨損增加。

TKA 術後骨溶解的診斷和監測

TKA 術後準確診斷和監測骨溶解的進展至關重要，如果能早期診斷的話，就可以通過 TKA 術後微創翻修解決問題。但由於缺乏疾病早期的癥狀以及影像學檢查的低靈敏度，實現這一目標仍有難度。當發現聚乙烯磨損時，骨溶解可能也已經發生並導致假體鬆動，目前有四種成像技術用於檢查聚乙烯假體的磨損以及骨溶解：X 線、CT、MRI 以及斷層合成技術。

研究表明，在評價大的溶骨性病變時可選擇 CT 和 MRI，這有助於術前 TKA 翻修計劃的制定。同時，斷層合成技術有作為早期發現小的溶骨性病變的篩查工具的潛力。針對較大的溶骨性病變，X 線的效果不如 CT 和 MRI，但由於其價格便宜，因此更常被作為篩查工具。

另一個有助於診斷溶骨性病變的潛在工具是生物標誌物，像 CTX-1（I 型膠原羧基末端肽），骨保護素（OPG）、組織蛋白酶 K 等，可以通過評估代謝過程來進行診斷。一個診斷骨溶解的可靠的生物標誌物將會提高患者的治療效果，避免患者直到出現大量骨丟失才會有癥狀表現的情況發生，但生物標誌物與骨溶解的關係還有待進一步研究。

骨溶解的治療

1. 手術治療

人工膝關節周圍骨溶解的手術治療往往取決於病灶的大小，現有的關於修復初次 TKA 術後骨溶解的治療方式包括：金屬假體的植入，使用骨移植物以及骨水泥。骨水泥可用於填充小的（≤ 10 mm）孤立的關節面缺損，但由於其聚合過程是放熱的，可能會引起周圍骨和血管組織的熱壞死，導致無菌性鬆動從而限制了它的應用。

金屬假體和骨移植物常常會用於直徑＞10 mm 的骨缺損，對於年輕患者，經常會使用骨移植物治療以保護骨組織，然而對於年紀較大平時活動不多的患者金屬假體往往更合適。最新出現的 3D 列印技術可以作為一種潛在的替代治療方式，早期的體外實驗表明，其有助於改善生物力學和水泥的成骨性能。

圖 3為骨移植的相關器械和材料

圖 4 為脛骨骨丟失的程度和範圍

圖 5 為填充骨移植物後的脛骨

圖 6為假體最後的擺放位置

圖 7為 TKA 翻修術後的前後位 X 線片

藥物治療

目前，美國食品藥品監督管理機構並沒有專門批准可以用於防止假體周圍骨溶解的藥物。而一個潛在的可以治療骨溶解的藥物是抗炎劑 N-（2-羥丙基）甲基丙烯醯胺的共聚物（HPMA）地塞米松（p-dex）。每個月的注射治療表明其可以防止磨損導致的骨溶解同時不會發生激素的副作用。

總之，雖然改善膝關節假體的材料可以降低骨溶解發生的風險，骨溶解仍然是 TKA 術後失敗的主要原因。儘管確切的機制還不清楚，但對主要的炎症因子和一般的生物學過程都進行了相關研究。

雖然 CT 和 MRI 並不能早期檢測骨溶解，但最近的研究表明，斷層合成技術是一種潛在的早期篩查工具，生物標誌物和影像學技術的結合將會有助於更早開始溶骨性病變的微創治療。

來源：OsteolysisComplicatingTotal Knee Arthroplasty.JBJS Rev.2016 Jul 5;4(7)