综述：脊柱植入物磨损颗粒：产生、表征、生物学影响及未来展望

《iScience》：Spinal implant wear particles: Generation, characterization, biological impacts, and future considerations

本文全面综述了脊柱植入物磨损颗粒相关研究，探讨其产生、影响及未来方向，为相关研究提供参考。

　　

引言

腰痛（Low Back Pain，LBP）作为全球范围内导致残疾的主要原因之一，在 2020 年影响了超过 6.19 亿人，预计到 2050 年，随着人口增长和老龄化，这一数字将飙升至 8.43 亿。LBP 不仅给患者带来身体痛苦，还造成了巨大的经济负担，在欧洲，其年均医疗支出约占国内生产总值的 2%，美国 2016 年相关费用高达 1340 亿美元，澳大利亚每年直接医疗成本超 30 亿澳元 。

目前，脊柱植入物在 LBP 的治疗中发挥着关键作用，如全椎间盘置换（Total Disc Replacement，TDR）、脊柱融合笼、棒和螺钉等。然而，与膝关节和髋关节植入物相比，脊柱植入物磨损颗粒的研究相对较少。尽管过去认为脊柱运动有限，磨损颗粒不是临床相关问题，但近年来的研究表明，脊柱植入物磨损颗粒可引发炎症、诱导骨溶解和金属沉着病，甚至形成假肿瘤，与髋关节置换失败的情况类似。部分脊柱手术的翻修率在 10 年内超过 30%，且患者趋于年轻化，这使得对脊柱植入物磨损颗粒的研究变得尤为重要。

综述方法

本研究采用了两种方法。一是通过 PubMed 和 Web of Science 等权威数据库，对 2000 年至 2023 年的文献进行广泛检索，利用 “脊柱植入物”“磨损颗粒”“磨损碎屑” 等关键词，并查阅相关研究的参考文献，以获取更多相关信息。二是向 “AO 脊柱知识论坛退行性疾病” 的成员发放关于 “脊柱植入物磨损颗粒” 的调查问卷，该论坛成员为国际脊柱外科专家，调查旨在评估当前临床实践，并为预防、减少或最小化脊柱磨损颗粒的生物学影响提供策略建议 。

脊柱植入物的磨损产物

用于脊柱植入物的生物材料包括金属（钛、钴铬合金、不锈钢等）、聚合物（超高分子量聚乙烯（Ultra-High Molecular Weight Polyethylene，UHMWPE）、聚醚醚酮（Polyether Ether Ketone，PEEK））和陶瓷（氧化锆、氮化硅等）。在持续的多向应力和不同加载条件下，脊柱植入物会产生磨损颗粒并释放到周围组织中。其磨损机制与其他关节置换类似，主要包括磨蚀、粘着、表面疲劳和摩擦化学反应磨损等。例如，植入物接触表面的高压会导致粘着磨损，而表面刚度差异则引发磨蚀磨损 。

金属离子的释放也是一个重要问题，它主要源于金属脊柱植入物的腐蚀。腐蚀机制包括机械性的微动腐蚀、电化学的缝隙腐蚀、点蚀和电偶腐蚀等。研究发现，不同金属组成的植入物在腐蚀方面表现各异，如不锈钢植入物在螺钉 - 棒界面易发生点蚀和缝隙腐蚀，而钛基植入物的整体腐蚀率较低 。

脊柱植入物磨损颗粒：检索分析的启示

从检索分析中可知，脊柱植入物产生的磨损颗粒会引发适应性免疫反应和假体周围组织损伤。与脊柱植入物磨损颗粒相关的生物反应包括超敏反应、细胞毒性、遗传毒性、神经系统症状、炎症以及假肿瘤和骨溶解的形成。例如，在对 14 名接受脊柱植入的患者研究中发现，大量不锈钢颗粒的积累导致含有大量巨噬细胞的纤维组织形成，这可能是导致手术部位疼痛的原因 。

不同设计的脊柱植入物对磨损颗粒的数量、大小和形态有显著影响。如活动轴承植入物（如 Charite′ ）与固定轴承植入物（如 ProDisc-L ）相比，产生的 UHMWPE 磨损颗粒数量更多但形状更短。此外，植入物的灭菌过程也会影响磨损颗粒的产生，在惰性环境（如空气中）灭菌通常产生较少的磨损颗粒，而伽马灭菌则可能导致更高的边缘氧化或 UHMWPE 降解，产生更多磨损产物 。

脊柱磨损颗粒与宿主反应

磨损颗粒对脊柱植入物的成功应用构成了重大挑战，主要是因为它们引发的宿主生物反应和组织相互作用会导致长期并发症，如假体周围骨溶解导致的植入物无菌性松动。宿主对磨损碎屑的生物反应与材料类型、化学成分、颗粒大小、形状、体积和数量密切相关 。

在骨溶解的发病机制中，UHMWPE 磨损碎屑可引发巨噬细胞介导的免疫反应。当巨噬细胞吞噬磨损颗粒后，会释放促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子 - α（Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）和白细胞介素 1β（Interleukin 1β，IL-1β），这些细胞因子可刺激核因子 - κB（Nuclear Factor-κB，NF-κB）激活，进而促进破骨细胞生成和骨吸收。此外，磨损颗粒的大小也会影响生物反应，小于 0.15μm 的颗粒可被胞饮，0.15μm - 10μm 的颗粒可被吞噬，而大于 20μm 的颗粒则会形成多核巨细胞 。

磨损颗粒还会引发超敏反应，主要由金属 - 金属植入物的磨损颗粒和金属离子引起。金属离子与宿主蛋白结合形成抗原，诱导超敏反应，引发假肿瘤样反应。迟发型超敏反应（Type IV Hypersensitivity）是一种与磨损颗粒相关的复杂免疫反应，主要由 T 淋巴细胞（如 CD3⁺ 、CD4 ）、CD11c 巨噬细胞和树突状细胞介导 。

同时，磨损颗粒可通过多种机制诱导炎症，包括免疫细胞激活、细胞因子释放、补体激活、氧化应激等。例如，磨损颗粒可激活 NF-κB 和激活蛋白 1（Activator Protein 1，AP-1）等氧化还原敏感的转录因子，上调促炎细胞因子、趋化因子、黏附分子和酶的基因表达，从而导致炎症 。此外，磨损颗粒还具有遗传毒性，钴和铬颗粒及其离子可能致癌，可导致 DNA 损伤，影响细胞的正常功能 。磨损颗粒引发的疼痛也不容忽视，其诱导疼痛的机制与退变椎间盘的髓核细胞类似，通过释放特定的炎症细胞因子刺激神经和血管内皮生长因子（Nerve Growth Factor，NGF 和 Vascular Endothelial Growth Factor，VEGF），促进神经发生和血管生成，导致疼痛加剧 。

体外生物力学研究 - 磨损模拟

体外生物力学研究和磨损模拟是探索脊柱椎间盘置换新材料或新设计磨损特性的重要手段。目前，有两个国际标准用于建立 TDR 植入物的磨损模拟测试协议，即 ISO 18192 - 1 和 ASTM F2423 - 05。这两个标准在加载、运动学、样本大小等方面存在差异 。

研究发现，不同的加载和运动学模式对磨损率有显著影响。例如，使用 ASTM 协议进行磨损模拟时，磨损率比 ISO 协议高约 20 倍，这可能是因为 ASTM 协议中的单向运动在临床上不太相关，不能反映 TDR 的体内运动学。此外，金属 - 金属脊柱植入物的磨损率明显高于金属 - 金属髋关节植入物，且磨损颗粒的形状和大小也有所不同 。

PEEK 材料在脊柱植入物中的应用逐渐受到关注，其磨损性能的研究也在不断深入。不同的研究表明，PEEK 材料的磨损率和颗粒产生情况因植入物设计、增强材料和测试条件而异。例如，玻璃纤维增强的 PEEK 与 UHMWPE 相比，摩擦系数降低，磨损碎屑产生减少；而碳纤维增强的 PEEK 在某些情况下表现出更低的重量磨损率 。

脊柱磨损模拟与有限元研究

有限元研究是研究脊柱植入物生物力学行为及其与假体周围组织相互作用的有力工具，可预测不同加载场景、材料特性和设计配置下磨损颗粒的产生和分布。通过准确选择边界条件，有限元研究可模拟颈椎 TDR 的磨损情况，与体内观察结果相似 。

例如，研究发现陶瓷 - 陶瓷 TDR 中，较低的径向间隙可降低体积磨损；在考虑头部和脊柱运动范围的情况下，有限元研究揭示了无头部运动时，UHMWPE 基颈椎 TDR 的磨损率会显著增加 。有限元研究还可评估植入物的耐久性、稳定性和生物力学性能，为脊柱植入物的设计和优化提供重要参考 。

体内动物研究与脊柱磨损颗粒

早期的体内动物研究为了解脊柱衍生磨损颗粒的生物学影响提供了重要线索。如 2002 年的研究将实验室生成的聚烯烃橡胶颗粒植入大鼠和绵羊体内，发现其可引起局部组织反应，但无局部或全身毒性效应 。

后续研究利用兔模型发现，钛磨损颗粒会影响脊柱融合的机械稳定性，增加局部细胞因子水平、破骨细胞数量和细胞凋亡 。在山羊模型中，对钴铬钼合金植入物的研究发现，其周围组织中未检测到磨损颗粒，也未发现细胞凋亡 。然而，目前动物研究中使用的磨损颗粒往往与临床实际情况不符，限制了研究结果的临床相关性 。

脊柱磨损颗粒：分离与表征

准确分离和表征脊柱植入物磨损颗粒的形状、大小和化学性质对于理解磨损机制和生物反应至关重要，也有助于开发与体内产生的磨损颗粒特征相似的体外模型 。从假体周围组织中分离磨损颗粒具有挑战性，常用的组织消化和离心方法可能会改变颗粒的大小、形态和成分，导致颗粒损失。酶消化技术虽有前景，但成本较高且易受污染 。

目前，对金属 - 金属 TDR 周围的金属磨损颗粒的表征尚未开展，对金属 - 聚合物 TDR 和脊柱融合装置中体外聚合物颗粒的特征了解也有限。现有研究主要通过组织学染色和显微镜观察来表征磨损颗粒，近期虽有新的分离技术出现，但仍存在一些问题，如颗粒聚集、过滤困难等 。

脊柱外科医生的观点

通过对 “AO 脊柱知识论坛退行性疾病” 成员的调查发现，脊柱植入物磨损颗粒问题在脊柱外科领域逐渐受到关注。参与调查的 25 名外科医生中，40% 为神经外科医生，60% 为骨科医生，多数具有丰富经验，且 92% 在大学医院或学术中心工作 。

然而，医生对脊柱磨损颗粒及其并发症的认识存在差异，44% 的医生完全了解该问题，44% 的医生有一定了解，12% 的医生则完全不知道。检测方法也各不相同，术中可视化是最常用的方法（84%），其次是成像技术（60%）和组织学分析（36%） 。在临床影响方面，28% 的医生经常或偶尔遇到磨损颗粒问题，相关症状包括无菌性炎症（76%）、骨溶解（68%）和假肿瘤形成（52%）。管理策略主要集中在手术技术上，如彻底冲洗（84%）和仔细植入（76%） 。

此外，多数医生（88%）未参与过脊柱磨损颗粒研究，尽管 64% 表示有兴趣，但缺乏假体周围组织库资源（仅 1 名医生有访问权限）、患者保密问题（72%）、资金限制和数据收集工具不足等障碍限制了研究参与。医生们认为未来研究应重点关注磨损颗粒对临床结果的影响（96%）、磨损颗粒的患病率（76%）、管理指南（80%）和预防措施（76%），并支持建立专门的研究小组（88%）和共享登记系统（80%） 。

结论与未来方向

与其他骨科关节植入物相比，脊柱植入物磨损颗粒的系统研究相对较少，随着年轻 LBP 患者数量的增加，这一问题可能会引发更严重的健康问题，需要进一步研究 。

在宿主对磨损颗粒的反应方面，未来可利用其开发新的治疗方法和技术。例如，寻找新的生物标志物，结合成像技术（如正电子发射断层扫描成像（Positron Emission Tomography，PET））早期检测炎症和骨溶解，有助于及时发现植入物失败风险 。同时，利用计算机视觉和机器学习技术对磨损碎屑进行结构和形态分析，可提高分析效率和准确性 。

在治疗方面，针对磨损诱导的骨溶解，可探索新的治疗靶点和药物。如抑制 TNF-α 等关键分子的表达，可能为减少植入物失败风险提供治疗选择 。此外，针对脊柱特有的微血管化现象，开发针对新生血管形成的治疗方法，有望减轻退变椎间盘的疼痛，减少脊柱植入手术的需求 。

目前的体外实验和体内动物研究存在一定局限性，未来应加强临床研究，建立更符合临床实际的体外模型。通过研究患者生活方式、日常活动和脊柱稳定性对磨损颗粒产生的影响，优化植入物设计，提高患者治疗效果 。同时，深入研究磨损颗粒对脊髓的影响，评估其长期神经学后果，为预防和治疗相关并发症提供依据 。

脊柱外科医生应加强对磨损颗粒问题的认识，参与相关研究，推动标准化指南的制定。通过建立共享登记系统和专门研究小组，加强协作，克服研究中的障碍，最终改善脊柱手术患者的治疗效果 。