人工关节材料颗粒对体外培养滑膜细胞生长特性的影响
作者：蔡谞 王继芳 卢世璧 黄靖香 顾峥
单位：蔡谞 王继芳 卢世璧 黄靖香(解放军总医院骨科，北京 100853)；顾峥(解放军总医院病理科)
关键词：人工关节；磨损颗粒；滑膜细胞；体外研究
军医进修学院学报000401 [摘要] 目的：探讨不同材料人工关节磨损颗粒对界面细胞生长特性的影响。方法：以体外培养正常人髋关节滑膜细胞系为模型，分别加入 0.5 和 1.5 mg/ml(W/V)的Ti合金(Ti-6A1-4V)、CoCr合金和UHMWPE颗粒，观察滑膜细胞的生长曲线和倍增时间及其对颗粒的毒性反应。结果：与空白对照相比，UHMWPE颗粒对细胞生长有促进作用，倍增时间24.9 h(空白对照为 25.3 h)；Ti合金颗粒早期抑制细胞生长，第 4 天开始细胞数量持续增长，倍增时间为 32.7 h；CoCr合金颗粒表现为细胞毒性作用，至第8天细胞全部死亡，其毒性作用与颗粒浓度有关。结论：不同的人工关节材料颗粒对体外培养滑膜细胞的作用不同，其表现与之在松动人工关节界膜组织中的反应相似。
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中图号：R318.17 文献标识码：A
文章编号：1005-1139(2000)04-0241-04
Effect of particulate materials of prostheses on growth characteristics of synoviocytes in vitro
CAI Xu, WANG Ji-fang, LU Shi-bi, HUANG Jin-xiang, GU Zhent
(Department of Orthopaedics, PLA General Hospital, Beijing 100853, China)
Abstract] Objective:To study the effect of different kinds of wear particles of prostheses on growth characteristics of cells at bone-implant interface.Methods:Ti-6Al-4V, CoCr alloy and UHMWPE particles suspension at a concentration of 0.5 and 1.5 mg/ml(W/V) was separately added into synoviocyte system of normal human hip joint in vitro. The growth curves and doubling time of synoviocytes were compared and toxicity reaction of cells to particles was observed.Results:UHMWPE particles could accelerate the growth of synoviocytes. The doubling time was 24.9 hours versus 25.3 hours of control. Ti-6Al-4V particles inhibited cell growth at the early stage, but the amount of cells began to increase continuously since the fourth day with a doubling time of 32.7 hours. CoCr particles showed a toxicity effect on cells with relation to particle concentration. The cells died out at the eighth day in the group of 1.5mg/ml. Conclusion:Particles of different material have different effects on synoviocytes. This appearance has some similarity with the reaction in the interface membrane around aseptically loosened prostheses.
, 百拇医药
Key words：prostheses; wear particles; synoviocyte; in vitro
组织学研究表明，无菌性松动人工关节周围界膜组织中存在多种磨损颗粒并伴有大量巨噬细胞(MΦ)浸润和成纤维细胞增生，亦可出现透明变性的无结构区，提示磨损颗粒在引起慢性异物炎症反应的同时可能对骨一假体界面组织细胞的生长或坏死具有重要作用，但不同材料的磨损颗粒在该生物学反应中的作用并不完全一致[1，2]。本实验通过观察Ti合金、CoCr合金和UHMWPE三种颗粒分别对体外培养滑膜细胞生长特性的影响，对其在界面的作用进行讨论。
1 材料和方法
1.1 细胞准备 取第 18 代正常人髋关节滑膜细胞系细胞，0.25%胰酶消化，用PRMI1640 培养液吹打制成细胞悬液，并反复稀释调整细胞浓度，以约1×104/ml的终浓度传至普通培养瓶 63 瓶，每瓶 4 ml；传含盖玻片条青霉素瓶 84 瓶，每瓶 1 ml，置 5% CO2 恒温孵箱内继续培养。
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1.2 人工关节材料颗粒及其悬液制备 Ti合金(Ti-6Al-4V)和CoCr合金颗粒均由美国Zimmer公司提供，平均直径分别为 3.21 μm和 5.38 μm。UHMWPE颗粒为德国Hoechst公司产品，光镜下测量，颗粒大小在 12～100 μm之间，其中长径(88.6364±5.1539)μm，短径(65.6250±4.0463)μm(x±s)。日立S-800扫描电镜下观察三种颗粒的外形。
精确称取三种颗粒各 0.5 和 1.5 mg，每种颗粒加Hank液 1 ml，分别配成两种浓度(W/V)的颗粒悬液，置于-20℃保存备用，使用前高温高压消毒并充分震荡混匀。
1.3 方法
1.3.1 分组 传至普通培养瓶的细胞随机分为 3 组，各组于传代后第二天先分别随机取出 3 瓶，行细胞计数。同时各组在无菌条件下于培养瓶内分别加入 1.5 mg/ml三种颗粒悬液 200 μl，混均后继续培养。此后每天每组各随机取出 3 瓶，轻摇使死亡细胞浮起后，弃培养液，作细胞计数，取均值分别绘制生长曲线并计算倍增时间。
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1.3.2 步骤 传至含盖玻片条青霉素瓶的细胞随机分为 7 组，每组 12 瓶，其中 1 组作空白对照，余 6 组在传代后第二天无菌操作下分别加入 0.5 和 1.5 mg/ml的三种颗粒悬液 50 μl，混均后继续培养。各组于处理后 1 h 、2 h、6 h、12 h、24 h、48 h分别随机抽出 2 瓶，将瓶内盖玻片条取出。其中一片用 10% 中性甲醛固定 48 h，普通 HE 染色，作组织学观察；另一片立即用台盼蓝染色 2 min，在蒸馏水中漂洗 2 次后镜检，取 10 个视野分别计 100 个细胞中的着色细胞数，求均值得出各处理组在不同时点的死亡细胞数， t检验作统计学处理。
2 结 果
2.1 滑膜细胞生长特性 体外培养的滑膜细胞在分别加入三种人工关节材料颗粒后表现出不同的生长特性(图 1)。
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图1 空白对照及加入三种人工关节材料颗粒后的滑膜细胞生长曲线
2.1.1 UHMWPE颗粒浮于液面，细胞生长不仅未受影响，反略强于空白对照组，倍增时间为 24.9 h，而后者为 25.3 h。
2.1.2 金属颗粒加入后沉淀，与贴壁细胞直接接触，于第 2 天开始出现细胞总数下降，较多死亡细胞脱落并将与之粘附或被吞噬的颗粒带起。Ti合金颗粒组细胞倍增时间为 32.7 h。CoCr合金颗粒组活细胞数持续减少，至第 8 天细胞计数降为 0。
2.2 组织学观察及死亡细胞计数
2.2.1 Ti合金颗粒组 Ti合金颗粒均匀散布于培养瓶底并粘附在细胞表面，固缩死亡细胞数量少，并在各时间点相对保持稳定，占细胞总数的 2% 左右。大部分细胞未表现出明显的形态异常，颗粒与活细胞能达到共存，不同浓度未表现明显差别。
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2.2.2 CoCr合金颗粒组 加入 1.5 mg/ml的CoCr合金颗粒悬液后，滑膜细胞表现为一个逐步死亡的过程。1 h：颗粒均匀散布于瓶底，部分粘附于细胞表面，细胞形态及分布无明显变化，个别细胞呈皱缩死亡表现，死亡细胞计数(4.9890±0.6778)%(x±s，下同)。2 h：部分区域细胞形态变得细小，细胞突起减少，皱缩死亡细胞数[(17.3090±1.7087)%]增加。死亡细胞呈圆形，无胞突，边缘如囊泡状突起，胞核浓聚，表面附着较多颗粒。细胞网格状连接生长形式有中断趋势(图 2)。6 h：上述变化区域增多，皱缩死亡细胞 数[(24.3690±2.1184)%]进一步增加，细胞网状布局尚可辨认。12 h：活细胞数明显减少，生长格局已被破坏，大量细胞皱缩死亡[(37.8020±1.6292)%](图 3)。24 h：死亡细胞[(60.3060±2.1253)%]及颗粒与残存活细胞一起呈散在而紊乱的簇状分布，活细胞大都质量差，无分裂生长迹象。48 h：仅存少量细胞簇及散在细胞，死[(75.5250±2.2771)%]、活细胞均屈指可数，活细胞质次，形态不正常。
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图2 加入 1.5 mg/ml的CoCr合金颗粒悬液后 2 h
部分滑膜细胞的形态变细，胞突减少，细胞网格状生长形式有中断趋势 (HE×20)
图3 加入 1.5 mg/ml的CoCr合金颗粒悬液后 12 h
大量滑膜细胞皱缩死亡，生长格局已破坏 (HE×20)加入 0.5 mg/ml的CoCr合金颗粒悬液后滑膜细胞死亡的数量明显较少，细胞生存时间延长并可增殖，48 h死亡细胞计数为(17.3190±1.2039)%，与加入 1.5 mg/ml颗粒悬液后 2 h的死亡细胞数一致(P>0.05)。
2.2.3 UHMWPE颗粒组 滑膜细胞生长旺盛，超过空白对照组，死亡细胞少见。两种颗粒浓度对细胞生长特性的影响无明显差别。
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3 讨 论
植入体内的人工关节在使用过程中由于各部件之间的磨损及其它理化因素的影响，可产生大量微小的颗粒物质，并通过多种途径散布于骨-假体界面组织中。根据人工关节材料和固定方式的不同，目前常见的磨损颗粒主要有金属(Ti合金和CoCr合金等)颗粒、超高分子聚乙烯(UHMWPE)颗粒和骨水泥(PMMA)颗粒等。研究表明，它们在人工关节无菌性松动过程中起重要作用，但不同颗粒对界面细胞的生物学效应存在差异[1，2]。本实验以正常人髋关节滑膜细胞系为模型对此进行了研究。结果表明，不同性质的人工关节材料颗粒对体外培养滑膜细胞生长特性的影响不同。
3.1 Ti合金颗粒 Haynes等[3]发现，即使在高颗粒浓度时Ti合金颗粒也仅表现出很小的毒性，并可增加巨噬细胞(MΦ)释放PGE2、IL-1、IL-6和TNF-α，同时显著刺激成纤维细胞摄取3H-胸腺嘧啶，使之表现出胞膜皱折和伪足伸展等典型的激活状态[4]，因此认为Ti合金颗粒属低毒金属颗粒。本实验中Ti合金颗粒最初对细胞生长有暂时的影响，但细胞仍表现出活跃生长的趋势。不论滑膜细胞对颗粒刺激的其它生物学行为如何，总体上二者有很好的生物相容性，对滑膜细胞的生长特性影响不大，并从一个侧面提示Ti合金颗粒对组织细胞的毒性很小。组织学观察亦表明，松动钛合金假体周围界膜组织中即使存在大量Ti合金磨损颗粒，也较少出现组织坏死，而以纤维组织增生为主[6]，与本体外实验结果相符。
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3.2 CoCr合金颗粒 本实验中CoCr合金颗粒在与Ti合金颗粒近似的浓度下对体外培养滑膜细胞的毒性作用是显而易见的，不论是生长曲线变化还是组织学表现均反映出细胞死亡增加和活细胞总数减少的逐步衰退过程。其他作者的研究[3]表明，单纯的Co金属颗粒，即使最低的颗粒浓度也会导致细胞3H-胸腺嘧啶摄入显著减少，并使细胞皱缩、死亡，而CoCr合金颗粒可在将MΦ致死前诱导其释放多种炎性介质。Rae等[6]还发现，CoCrMo合金中Co离子对组织细胞的毒性最大，其原因可能是Co离子能和氨基酸(如组氨酸)及蛋白质形成各种可溶性复合物，使Co在生物溶媒中的溶解度较高。他们认为，细胞外液中金属离子的浓度可能并非最主要的毒性因素，而微小颗粒被MΦ吞噬后，在胞内低pH环境中溶解释放出Co离子或将胞内生物分子吸附在其表面而使酶系统失活可能是其发挥毒性作用导致细胞死亡的直接原因，这与使用可阻止MΦ吞噬体内pH值下降的药物能减低CoCr合金颗粒毒性的观点[3]相一致。故不能被吞噬的CoCr颗粒毒性相对较低，正如动物实验显示对大块CoCr合金有相对较好的耐受性[7]。本实验所采用的CoCr合金颗粒均为可吞噬的微小颗粒，亦可观察到滑膜细胞中巨噬细胞样细胞(Macrophage-like cells, MCs)的吞噬现象，因此MCs中毒死亡后释放出的Co离子是否使其在细胞外液中的浓度蓄积而导致滑膜细胞的连锁中毒消亡过程有待进一步证实。
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由于CoCr合金较Ti合金耐磨，组织学观察也已表明界膜中CoCr合金颗粒明显较少[8]，故其毒性作用在骨-假体界面组织中可能并不占主要作用。
3.3 UHMWPE颗粒 本实验使用的UHMWPE颗粒均为巨大颗粒，径长在 12～200 μm之间，而且由于其比重轻而浮于培养基液面，不与贴壁细胞发生直接接触，故不存在对滑膜细胞的直接接触刺激或被MCs吞噬的可能。观察表明，加入UHMWPE颗粒后滑膜细胞活跃增殖，生长旺盛，甚至超过空白对照组细胞。可见UHMWPE颗粒不仅未对其构成毒性作用，而且还可能通过某种非接触性激活机制，刺激了细胞的增殖[9，10]。Murry等[11]的研究也表明，聚乙烯颗粒不存在因毒性造成的培养细胞形态改变，但他们仍强调其被吞噬是造成MΦ激活并刺激骨吸收和纤维组织增生等生物学效应的原因。总之UHMWPE颗粒可能在骨-假体界面骨溶解和纤维组织增生过程中起着尤为重要的作用。
, 百拇医药 综上，尽管不同材料磨损颗粒对细胞生长特性的影响有所不同，但由于人工关节骨-假体界面往往同时存在两种以上颗粒，因此其不良生物学效应可得到协同加强，从而通过骨质溶解、组织坏死和纤维增生等多种机制破坏假体与骨界面的结合和稳定，最终导致人工关节的松动。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39800161)
作者简介：蔡 谞(1966-)，男，上海市人，1989年第一军医大学毕业，1997年军医进修学院博士毕业，解放军总医院骨科副主任医师、副教授，从事骨关节病和人工关节方面的研究；发表论文15篇。电话：(010)66937100
[参考文献]
[1]Howie DW. Tissue response in relation to type of wear particles around failed hip arthroplasties [J]. J Arthroplasty, 1990,5(4):337348.
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[3]Haynes DR, Rogers SD, Hay S， et al. The differences in toxicity and release of boneresorbing mediators induced by titanium and cobaltchromiumalloy wear particles[J]. J Bone Joint Surg(Am),1993,75(6):825834.
[4]Maloney WJ, Smith RL, Castro F， et al. Fibroblast response to metallic debris in vitro: enzyme induction, cell proliferation, and toxicity[J]. J Bone Joint Surg(Am), 1993,75(6):835844.
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[5]Pizzoferrato A, Ciapetti G, Savarino L， et al. Results of the histological grading on 100 cases of hip prosthesis failure[J]. Biomaterials, 1988,9(4):314318.
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[7]Goodman SB, Fornasier VL, Lee J， et al. The effects of bulk versus particulate titanium and cobalt chrome alloy implanted into ribbit tibia[J]. J Biomed Mat Res, 1990,24(11):15391549.
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[9]蔡谞，王继芳，胡永成，等人工关节磨损颗粒激活骨假体界面巨噬细胞生物学机制探讨[J]. 中华外科杂志，1999，37(1)：5356.
[10]蔡谞，王继芳，胡永成，等磨损颗粒对滑膜细胞系胞间通讯的影响及其在人工关节无菌性松动中的意义[J]. 中华外科杂志，1999，37(7)：406408.
[11]Murray DW, Rushton N. Macrophages stimulate bone resorption when they phagocytose particles[J]. J Bone Joint Surg(Br), 1990,72(6):988992.
收稿日期：2000-06-03； 修回日期：2000-07-17, 百拇医药
单位：蔡谞 王继芳 卢世璧 黄靖香(解放军总医院骨科，北京 100853)；顾峥(解放军总医院病理科)
关键词：人工关节；磨损颗粒；滑膜细胞；体外研究
军医进修学院学报000401 [摘要] 目的：探讨不同材料人工关节磨损颗粒对界面细胞生长特性的影响。方法：以体外培养正常人髋关节滑膜细胞系为模型，分别加入 0.5 和 1.5 mg/ml(W/V)的Ti合金(Ti-6A1-4V)、CoCr合金和UHMWPE颗粒，观察滑膜细胞的生长曲线和倍增时间及其对颗粒的毒性反应。结果：与空白对照相比，UHMWPE颗粒对细胞生长有促进作用，倍增时间24.9 h(空白对照为 25.3 h)；Ti合金颗粒早期抑制细胞生长，第 4 天开始细胞数量持续增长，倍增时间为 32.7 h；CoCr合金颗粒表现为细胞毒性作用，至第8天细胞全部死亡，其毒性作用与颗粒浓度有关。结论：不同的人工关节材料颗粒对体外培养滑膜细胞的作用不同，其表现与之在松动人工关节界膜组织中的反应相似。
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中图号：R318.17 文献标识码：A
文章编号：1005-1139(2000)04-0241-04
Effect of particulate materials of prostheses on growth characteristics of synoviocytes in vitro
CAI Xu, WANG Ji-fang, LU Shi-bi, HUANG Jin-xiang, GU Zhent
(Department of Orthopaedics, PLA General Hospital, Beijing 100853, China)
Abstract] Objective:To study the effect of different kinds of wear particles of prostheses on growth characteristics of cells at bone-implant interface.Methods:Ti-6Al-4V, CoCr alloy and UHMWPE particles suspension at a concentration of 0.5 and 1.5 mg/ml(W/V) was separately added into synoviocyte system of normal human hip joint in vitro. The growth curves and doubling time of synoviocytes were compared and toxicity reaction of cells to particles was observed.Results:UHMWPE particles could accelerate the growth of synoviocytes. The doubling time was 24.9 hours versus 25.3 hours of control. Ti-6Al-4V particles inhibited cell growth at the early stage, but the amount of cells began to increase continuously since the fourth day with a doubling time of 32.7 hours. CoCr particles showed a toxicity effect on cells with relation to particle concentration. The cells died out at the eighth day in the group of 1.5mg/ml. Conclusion:Particles of different material have different effects on synoviocytes. This appearance has some similarity with the reaction in the interface membrane around aseptically loosened prostheses.
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Key words：prostheses; wear particles; synoviocyte; in vitro
组织学研究表明，无菌性松动人工关节周围界膜组织中存在多种磨损颗粒并伴有大量巨噬细胞(MΦ)浸润和成纤维细胞增生，亦可出现透明变性的无结构区，提示磨损颗粒在引起慢性异物炎症反应的同时可能对骨一假体界面组织细胞的生长或坏死具有重要作用，但不同材料的磨损颗粒在该生物学反应中的作用并不完全一致[1，2]。本实验通过观察Ti合金、CoCr合金和UHMWPE三种颗粒分别对体外培养滑膜细胞生长特性的影响，对其在界面的作用进行讨论。
1 材料和方法
1.1 细胞准备 取第 18 代正常人髋关节滑膜细胞系细胞，0.25%胰酶消化，用PRMI1640 培养液吹打制成细胞悬液，并反复稀释调整细胞浓度，以约1×104/ml的终浓度传至普通培养瓶 63 瓶，每瓶 4 ml；传含盖玻片条青霉素瓶 84 瓶，每瓶 1 ml，置 5% CO2 恒温孵箱内继续培养。
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1.2 人工关节材料颗粒及其悬液制备 Ti合金(Ti-6Al-4V)和CoCr合金颗粒均由美国Zimmer公司提供，平均直径分别为 3.21 μm和 5.38 μm。UHMWPE颗粒为德国Hoechst公司产品，光镜下测量，颗粒大小在 12～100 μm之间，其中长径(88.6364±5.1539)μm，短径(65.6250±4.0463)μm(x±s)。日立S-800扫描电镜下观察三种颗粒的外形。
精确称取三种颗粒各 0.5 和 1.5 mg，每种颗粒加Hank液 1 ml，分别配成两种浓度(W/V)的颗粒悬液，置于-20℃保存备用，使用前高温高压消毒并充分震荡混匀。
1.3 方法
1.3.1 分组 传至普通培养瓶的细胞随机分为 3 组，各组于传代后第二天先分别随机取出 3 瓶，行细胞计数。同时各组在无菌条件下于培养瓶内分别加入 1.5 mg/ml三种颗粒悬液 200 μl，混均后继续培养。此后每天每组各随机取出 3 瓶，轻摇使死亡细胞浮起后，弃培养液，作细胞计数，取均值分别绘制生长曲线并计算倍增时间。
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1.3.2 步骤 传至含盖玻片条青霉素瓶的细胞随机分为 7 组，每组 12 瓶，其中 1 组作空白对照，余 6 组在传代后第二天无菌操作下分别加入 0.5 和 1.5 mg/ml的三种颗粒悬液 50 μl，混均后继续培养。各组于处理后 1 h 、2 h、6 h、12 h、24 h、48 h分别随机抽出 2 瓶，将瓶内盖玻片条取出。其中一片用 10% 中性甲醛固定 48 h，普通 HE 染色，作组织学观察；另一片立即用台盼蓝染色 2 min，在蒸馏水中漂洗 2 次后镜检，取 10 个视野分别计 100 个细胞中的着色细胞数，求均值得出各处理组在不同时点的死亡细胞数， t检验作统计学处理。
2 结 果
2.1 滑膜细胞生长特性 体外培养的滑膜细胞在分别加入三种人工关节材料颗粒后表现出不同的生长特性(图 1)。
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图1 空白对照及加入三种人工关节材料颗粒后的滑膜细胞生长曲线
2.1.1 UHMWPE颗粒浮于液面，细胞生长不仅未受影响，反略强于空白对照组，倍增时间为 24.9 h，而后者为 25.3 h。
2.1.2 金属颗粒加入后沉淀，与贴壁细胞直接接触，于第 2 天开始出现细胞总数下降，较多死亡细胞脱落并将与之粘附或被吞噬的颗粒带起。Ti合金颗粒组细胞倍增时间为 32.7 h。CoCr合金颗粒组活细胞数持续减少，至第 8 天细胞计数降为 0。
2.2 组织学观察及死亡细胞计数
2.2.1 Ti合金颗粒组 Ti合金颗粒均匀散布于培养瓶底并粘附在细胞表面，固缩死亡细胞数量少，并在各时间点相对保持稳定，占细胞总数的 2% 左右。大部分细胞未表现出明显的形态异常，颗粒与活细胞能达到共存，不同浓度未表现明显差别。
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2.2.2 CoCr合金颗粒组 加入 1.5 mg/ml的CoCr合金颗粒悬液后，滑膜细胞表现为一个逐步死亡的过程。1 h：颗粒均匀散布于瓶底，部分粘附于细胞表面，细胞形态及分布无明显变化，个别细胞呈皱缩死亡表现，死亡细胞计数(4.9890±0.6778)%(x±s，下同)。2 h：部分区域细胞形态变得细小，细胞突起减少，皱缩死亡细胞数[(17.3090±1.7087)%]增加。死亡细胞呈圆形，无胞突，边缘如囊泡状突起，胞核浓聚，表面附着较多颗粒。细胞网格状连接生长形式有中断趋势(图 2)。6 h：上述变化区域增多，皱缩死亡细胞 数[(24.3690±2.1184)%]进一步增加，细胞网状布局尚可辨认。12 h：活细胞数明显减少，生长格局已被破坏，大量细胞皱缩死亡[(37.8020±1.6292)%](图 3)。24 h：死亡细胞[(60.3060±2.1253)%]及颗粒与残存活细胞一起呈散在而紊乱的簇状分布，活细胞大都质量差，无分裂生长迹象。48 h：仅存少量细胞簇及散在细胞，死[(75.5250±2.2771)%]、活细胞均屈指可数，活细胞质次，形态不正常。
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图2 加入 1.5 mg/ml的CoCr合金颗粒悬液后 2 h
部分滑膜细胞的形态变细，胞突减少，细胞网格状生长形式有中断趋势 (HE×20)
图3 加入 1.5 mg/ml的CoCr合金颗粒悬液后 12 h
大量滑膜细胞皱缩死亡，生长格局已破坏 (HE×20)加入 0.5 mg/ml的CoCr合金颗粒悬液后滑膜细胞死亡的数量明显较少，细胞生存时间延长并可增殖，48 h死亡细胞计数为(17.3190±1.2039)%，与加入 1.5 mg/ml颗粒悬液后 2 h的死亡细胞数一致(P>0.05)。
2.2.3 UHMWPE颗粒组 滑膜细胞生长旺盛，超过空白对照组，死亡细胞少见。两种颗粒浓度对细胞生长特性的影响无明显差别。
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3 讨 论
植入体内的人工关节在使用过程中由于各部件之间的磨损及其它理化因素的影响，可产生大量微小的颗粒物质，并通过多种途径散布于骨-假体界面组织中。根据人工关节材料和固定方式的不同，目前常见的磨损颗粒主要有金属(Ti合金和CoCr合金等)颗粒、超高分子聚乙烯(UHMWPE)颗粒和骨水泥(PMMA)颗粒等。研究表明，它们在人工关节无菌性松动过程中起重要作用，但不同颗粒对界面细胞的生物学效应存在差异[1，2]。本实验以正常人髋关节滑膜细胞系为模型对此进行了研究。结果表明，不同性质的人工关节材料颗粒对体外培养滑膜细胞生长特性的影响不同。
3.1 Ti合金颗粒 Haynes等[3]发现，即使在高颗粒浓度时Ti合金颗粒也仅表现出很小的毒性，并可增加巨噬细胞(MΦ)释放PGE2、IL-1、IL-6和TNF-α，同时显著刺激成纤维细胞摄取3H-胸腺嘧啶，使之表现出胞膜皱折和伪足伸展等典型的激活状态[4]，因此认为Ti合金颗粒属低毒金属颗粒。本实验中Ti合金颗粒最初对细胞生长有暂时的影响，但细胞仍表现出活跃生长的趋势。不论滑膜细胞对颗粒刺激的其它生物学行为如何，总体上二者有很好的生物相容性，对滑膜细胞的生长特性影响不大，并从一个侧面提示Ti合金颗粒对组织细胞的毒性很小。组织学观察亦表明，松动钛合金假体周围界膜组织中即使存在大量Ti合金磨损颗粒，也较少出现组织坏死，而以纤维组织增生为主[6]，与本体外实验结果相符。
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3.2 CoCr合金颗粒 本实验中CoCr合金颗粒在与Ti合金颗粒近似的浓度下对体外培养滑膜细胞的毒性作用是显而易见的，不论是生长曲线变化还是组织学表现均反映出细胞死亡增加和活细胞总数减少的逐步衰退过程。其他作者的研究[3]表明，单纯的Co金属颗粒，即使最低的颗粒浓度也会导致细胞3H-胸腺嘧啶摄入显著减少，并使细胞皱缩、死亡，而CoCr合金颗粒可在将MΦ致死前诱导其释放多种炎性介质。Rae等[6]还发现，CoCrMo合金中Co离子对组织细胞的毒性最大，其原因可能是Co离子能和氨基酸(如组氨酸)及蛋白质形成各种可溶性复合物，使Co在生物溶媒中的溶解度较高。他们认为，细胞外液中金属离子的浓度可能并非最主要的毒性因素，而微小颗粒被MΦ吞噬后，在胞内低pH环境中溶解释放出Co离子或将胞内生物分子吸附在其表面而使酶系统失活可能是其发挥毒性作用导致细胞死亡的直接原因，这与使用可阻止MΦ吞噬体内pH值下降的药物能减低CoCr合金颗粒毒性的观点[3]相一致。故不能被吞噬的CoCr颗粒毒性相对较低，正如动物实验显示对大块CoCr合金有相对较好的耐受性[7]。本实验所采用的CoCr合金颗粒均为可吞噬的微小颗粒，亦可观察到滑膜细胞中巨噬细胞样细胞(Macrophage-like cells, MCs)的吞噬现象，因此MCs中毒死亡后释放出的Co离子是否使其在细胞外液中的浓度蓄积而导致滑膜细胞的连锁中毒消亡过程有待进一步证实。
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由于CoCr合金较Ti合金耐磨，组织学观察也已表明界膜中CoCr合金颗粒明显较少[8]，故其毒性作用在骨-假体界面组织中可能并不占主要作用。
3.3 UHMWPE颗粒 本实验使用的UHMWPE颗粒均为巨大颗粒，径长在 12～200 μm之间，而且由于其比重轻而浮于培养基液面，不与贴壁细胞发生直接接触，故不存在对滑膜细胞的直接接触刺激或被MCs吞噬的可能。观察表明，加入UHMWPE颗粒后滑膜细胞活跃增殖，生长旺盛，甚至超过空白对照组细胞。可见UHMWPE颗粒不仅未对其构成毒性作用，而且还可能通过某种非接触性激活机制，刺激了细胞的增殖[9，10]。Murry等[11]的研究也表明，聚乙烯颗粒不存在因毒性造成的培养细胞形态改变，但他们仍强调其被吞噬是造成MΦ激活并刺激骨吸收和纤维组织增生等生物学效应的原因。总之UHMWPE颗粒可能在骨-假体界面骨溶解和纤维组织增生过程中起着尤为重要的作用。
, 百拇医药 综上，尽管不同材料磨损颗粒对细胞生长特性的影响有所不同，但由于人工关节骨-假体界面往往同时存在两种以上颗粒，因此其不良生物学效应可得到协同加强，从而通过骨质溶解、组织坏死和纤维增生等多种机制破坏假体与骨界面的结合和稳定，最终导致人工关节的松动。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39800161)
作者简介：蔡 谞(1966-)，男，上海市人，1989年第一军医大学毕业，1997年军医进修学院博士毕业，解放军总医院骨科副主任医师、副教授，从事骨关节病和人工关节方面的研究；发表论文15篇。电话：(010)66937100
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收稿日期：2000-06-03； 修回日期：2000-07-17, 百拇医药