人工踝關節(jié)假體設計簡介

骨和骨之間的連接稱為關節(jié)（joint），人體中關節(jié)數(shù)量非常多，如果不計算微動關節(jié)（如椎體間的連接）和不動關節(jié)，至少有78個關節(jié)，包括人體主要七大關節(jié)：肩關節(jié)、肘關節(jié)、橈腕關節(jié)、髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)、顳下頜關節(jié)。因為各種不同的病癥，如先天發(fā)育不良造成的關節(jié)畸形、自身免疫造成的風濕性關節(jié)炎、細菌感染造成的感染性關節(jié)炎、創(chuàng)傷性關節(jié)炎和骨性關節(jié)炎，需要進行大量的人工關節(jié)置換。關節(jié)置換假體產品種類繁多，幾乎所有可動關節(jié)都有對應的產品（圖1），包括常見的人工髖關節(jié)、膝關節(jié)假體，以及人工肩關節(jié)、踝關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)、顳下頜關節(jié)、跖趾關節(jié)、指間關節(jié)假體。

圖1人工關節(jié)假體或修復產品（未展示常見的髖、膝等關節(jié)假體）

踝關節(jié)有屈伸、內外旋、內外翻、前后位移和內外側位移等5個活動自由度（圖2），前2種為踝關節(jié)主要運動形式，后3種活動范圍很小，與踝關節(jié)穩(wěn)定性有密切關系（步行時背屈13°-17°，距屈6°-16°，內旋5°，外旋3°左右）。踝關節(jié)屈伸軸可自由改變的特點要求踝關節(jié)假體組件之間具備充分的活動度，這也是代踝關節(jié)假體產品失敗，開發(fā)設計第二代活動平臺踝關節(jié)假體的原因之一。

圖2 踝關節(jié)運動

踝關節(jié)的生理承重約為4倍體重（圖3），在關節(jié)假體體外力學模擬試驗時，一般會加載5倍體重的縱向載荷。踝關節(jié)在運動過程中可承受80% 體重的向后剪切力，所以一般踝關節(jié)假體固定柱位于距骨部件前部，并斜向后伸展。在體外的模擬實驗中，為了驗證在向后剪切力作用下植入的關節(jié)假體的防脫出性能，一般活動平臺假體會在10°距屈角度下（該位置剪切力大）進行內外旋、前后位移、內外側位移穩(wěn)定性力學試驗。為了證明踝關節(jié)假體產品的安全有效性，還需考慮組件的疲勞性能、骨固定性能（多數(shù)骨水泥固定，極少數(shù)生物固定，如STAR）、涂層強度、關節(jié)面磨損性能、脛骨平臺鎖定性能、假體活動范圍等方面的性能研究。

大多數(shù)關節(jié)假體都采用金屬（鈷鉻鉬或鈦合金）-塑料（UHMWPE或XLPE）-金屬（鈷鉻鉬或鈦合金）三組件設計，陶瓷材料在為成熟的髖關節(jié)假體中應用很多，負載極小的手足關節(jié)（掌指、指見、跖趾關節(jié)等）假體也采用硅膠和碳復合材料。從20世紀70年代至今，踝關節(jié)假體所使用的材料幾乎沒有變化——鈷鉻鉬合金或鈦合金金屬部件與超高分子量聚乙烯部件（部分產品高交聯(lián)聚乙烯）形成關節(jié)面。因為踝關節(jié)假體使用的材料有著悠久的臨床植入歷史，生物相容性試驗并不是必需的，但必須進行生物相容性評價。

圖3 踝關節(jié)受力

代假體采用兩組件形式，金屬組件（不銹鋼或鈷鉻鉬合金）與塑料組件（UHMWPE 或XLPE）兩種材料構成脛骨部件或距骨部件，如Mayo、Smith和NJ等（圖4）。代踝關節(jié)假體因為采用兩組件設計，除屈伸外，其他運動形式受限較大，導致固定界面產生過大的應力，另外，組件不能完全覆蓋截骨面，且骨水泥主要固定在松質骨上，使得無菌性松動成為常見的臨床不良事件。針對該設計缺陷，第二代踝關節(jié)假體采用了3組件設計形式（增加了固定或活動的襯墊，fixed bearing or mobile bearing）以增加活動度，減少限制性。另外，代假體設計還有過多截骨量、組件與周圍組織撞擊等問題。

第二代人工踝關節(jié)假體主要以STAR（li[x]nk）、B-P Mark I、Agility（Depuy）等關節(jié)假體為代表，其中使用STAR假體的患者具有比較正常的步態(tài)。B-P Mark I假體主要不良事件包含沉陷（發(fā)生多）、襯墊半脫位。沉陷的原因是應力遮擋和血供破壞，距骨組件單列魚鰭固定設計導致距骨近端應力遮擋，同時破壞距骨血供，導致距骨壞死。針對此設計缺陷，第三代踝關節(jié)產品B-P Mark Ⅱ將距骨組件由單列魚鰭固定改為雙列魚鰭狀固定，同時增加中間溝深度以防止襯墊脫位，B-P Mark Ⅲ（強生Mobility假體原型）將魚鰭狀改為兩個平行的斜向后圓柱體，使得應力分布更均勻，同時避免破壞距骨血供。另外，踝關節(jié)假體植入手術工具的不斷優(yōu)化也縮短了醫(yī)生的學習曲線。

圖4 踝關節(jié)假體設計

踝關節(jié)假體近年來發(fā)展迅速，在審評踝關節(jié)假體臨床評價資料時，應持謹慎態(tài)度。如果申報產品或同品種產品沒有中長期臨床使用數(shù)據(jù)，建議進行條件性審批（實際上中國獲批的Inbone踝關節(jié)假體和美國獲批的STAR踝關節(jié)假體都為條件性審批），要求企業(yè)對參與臨床試驗的患者繼續(xù)跟蹤，并收集安全性數(shù)據(jù)（投訴和不良事件）和有效性數(shù)據(jù)（如Buechel-Pappas、VAS、SF-36、AOFAS等功能性評分，以及影像學終點等），直到獲得長期臨床數(shù)據(jù)（如10年）。這樣的條件性審批是有意義的，例如Mayo踝關節(jié)假體的短期臨床試驗顯示很高的假體存活率和患者滿意度，Stauffer等人在平均1.9年隨訪期中發(fā)現(xiàn)假體93%的存活率，Lachiewlcz 等人在平均3年隨訪期中發(fā)現(xiàn)假體的存活率，然而長期臨床試驗結果卻顯示假體的存活率和滿意度非常低，Kitaoka等人的研究顯示Mayo踝關節(jié)假體5年、10年、15年的生存率分別為79%、65%和61%，他的另一份研究則顯示36%（57/160）患者不得不提前取出植入的踝關節(jié)假體。

參考信息：

[1]FDA Official Website.https://www.fda.gov/

[2]Stryker Official Website.https://www.stryker.com/us/en/portfolios/orthopaedics/trauma-and-extremities/elbow-hand-and-wrist.html

[3]Corin Official Website.https://www.coringroup.com/

[4]國家食品藥品監(jiān)督管理局官網(wǎng)http://samr.cfda.gov.cn/WS01/CL0001/.

[5]Christopher E. Gross. et al. Design Rationale for Total Ankle Arthroplasty Systems: An Update. J Am Acad Orthop Surg,2018.

[6] David I. Pedowitz, et al. Total Ankle Replacement: Where Do We Stand? University of Pennsylvania Orthopaedic Journal. 2010.05

[7]Frederick F. Buechel, Michael J. Pappas. Principles of Human joint replacement. Springer. 2015.

[8]Buechel, F.F, et al. Complications of 292 total ankle replacements. Presented at the Ninth Annual Meeting of the Foot and Ankle Society, San Francisco CA(1979).

[9]Stauffer, R.N. ,Segal, N.M.et al. Total ankle arthroplasty: four years’ experience. Clin Orthop, 1981.

[10]Kitaoka H.B. et al. Survivorship Analysis of the Mayo Total AnkleArthroplasty. The Journal of Bone and Joint Surgery, 1994.

[11]Kitaoka HB, Patzer GL, et al. Clinical results of the Mayo total anklearthroplasty. J Bone Joint Surg Am,1996.

（審評四部 滕穎影 劉斌 供稿）