翻修全膝关节置换术股骨假体中CoCrMo/Ti-6Al-4V模块连接处取出物的腐蚀损伤

《Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials》：Corrosion Damage in Retrieved CoCrMo/Ti-6Al-4V Modular Junctions in Femoral Revision Total Knee Components

　　

模块化在翻修全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）中应用广泛；然而，与全髋关节置换术（total hip arthroplasty, THA）相比，这些假体模块连接处的腐蚀机制研究尚不充分。本取出物研究分析了带有凸台（boss）的钴铬钼（cobalt chromium molybdenum, CoCrMo）合金股骨假体组件与钛铝钒（titanium aluminum vanadium, Ti-6Al-4V）合金柄组件之间模块连接处的腐蚀损伤。研究假设TKA中存在与THA相似的腐蚀模式，包括机械辅助腐蚀和非机械驱动腐蚀。收集的植入物采用Goldberg腐蚀评分、数字光学显微镜（digital optical microscopy, DOM）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和能量色散X射线光谱学（energy-dispersive x-ray spectroscopy, EDS）进行检查。分析的腐蚀模式包括：蚀刻、点蚀、碳化物相邻区域的晶间（相间）腐蚀，以及CoCrMo合金上的微动磨痕伴钛转移。Ti-6Al-4V合金表现出塑性变形、机械辅助缝隙腐蚀（mechanically assisted crevice corrosion, MACC）和富钛铬钼氧化物。这些发现表明TKA连接处可能经历与THA相似的腐蚀过程，有必要进行进一步的临床研究。

模块化设计在关节置换领域具有悠久历史，广泛应用于全髋关节置换术（THA）中，包括髋臼内衬和头颈锥度连接等结构，以实现最佳髋关节生物力学性能、靶向组件翻修、下肢长度精细调节以及偏心距调整。模块锥度连接作为一种锥形锁合结构，虽为临床带来诸多便利，但也与假体翻修及中重度微动缝隙腐蚀风险密切相关。腐蚀降解产物可引发局部不良组织反应，尤其是与CoCrMo合金相关的无菌性淋巴细胞为主导的血管炎相关病变，已成为临床关注焦点。

在THA领域，Gilbert等首次全面描述了模块锥度连接处的多种腐蚀模式，包括蚀刻、选择性溶解、点蚀、晶界腐蚀、微动腐蚀以及界面处厚Ti-Cr-Mo氧化层的形成，这些均属于机械辅助缝隙腐蚀范畴，既见于Ti-6Al-4V/CoCrMo异种合金组合，也见于同种合金组合。尽管存在电偶腐蚀的可能性，但主要腐蚀机制源于钝化氧化膜的机械破坏及快速再钝化过程中的电化学反应，即摩擦腐蚀过程。然而，膝关节股骨模块锥度连接处是否呈现与髋关节相似的腐蚀损伤模式，此前尚不明确。

TKA同样采用模块化设计以实现稳定性、固定性和对线调整，尤其在翻修假体中更为常见。随着人口老龄化及年轻患者需求增加，翻修及再翻修手术数量持续上升。尽管TKA模块化应用日益普及，但针对这些连接处腐蚀及其相关不良局部组织反应的取出物研究相对匮乏。在翻修TKA中，模块化股骨柄（通常为Ti-6Al-4V材质）通过凸台结构（圆柱形锥孔，柄部锥体插入其中）实现连接。鉴于既往固定失败、骨缺损及软组织不足等因素，绝大多数翻修TKA需在股骨远端髓腔内植入柄部。近期研究表明，75%的模块化股骨膝关节组件呈现轻至重度腐蚀，伴微动腐蚀和不良局部组织反应，因此系统研究凸台连接处腐蚀模式及其严重程度具有重要临床意义。

本研究旨在利用数字光学显微镜、扫描电子显微镜等冶金学技术，系统记录铸造CoCrMo合金股骨组件与Ti-6Al-4V合金柄部锥度连接处的腐蚀类型及严重程度，并通过能量色散X射线光谱学进行表面表征及化学分析。研究团队从逾百例翻修膝关节植入物中选取八对CoCrMo合金股骨膝关节组件及Ti-6Al-4V合金股骨柄，采用Goldberg评分法评估腐蚀程度（本研究中多数植入物评分为4分，即重度腐蚀），研究假设膝关节组件模块连接处的腐蚀模式与髋关节置换相似。

本研究主要关键技术方法包括：样本来源于Drexel大学植入物研究核心机构的机构审查委员会豁免取出物项目，选取八例Zimmer Biomet公司制造的模块化股骨翻修膝关节组件（铸造CoCrMo合金凸台与Ti-6Al-4V合金柄部组合），均为Goldberg评分4分的重度腐蚀植入物；对CoCrMo凸台进行横截面及纵截面切割，经系列砂纸抛光、氧化铝悬浮液精细抛光后，采用电化学蚀刻法（0.8 V vs. Ag/AgCl，PBS中5分钟）揭示微观结构；对Ti-6Al-4V柄部进行截面制备及系列抛光；所有样本均运用数字光学显微镜、扫描电子显微镜（背散射及二次电子成像）进行形貌观察，并采用能量色散X射线光谱学进行定点及面分布化学分析。

**研究结果**

**CoCrMo合金凸台**：八例样本肉眼观察腐蚀程度相似。数字光学显微镜和扫描电子显微镜检查识别出四种主要腐蚀模式：蚀刻、伴Ti-Cr-Mo富集氧化物碎屑的点蚀、碳化物相邻区域的晶间（或相间）腐蚀，以及微动腐蚀伴钛转移。六分之八的组件达到Goldberg评分4分。腐蚀自近端（锥度接触区）向远端（非接触区）方向分布，在Ti-6Al-4V柄部锥度接触区及下方缝隙区均可见腐蚀。

**CoCrMo蚀刻**：横截面凸台显示后侧及前侧均存在降解。蚀刻表面主要位于近端靠近凸台边缘区域。背散射扫描电子显微镜图像揭示柱状枝晶结构及树状微观结构，显示铸造CoCrMo合金特征及氧化碎屑（深灰色区域）的积累，其呈现开裂形貌。枝晶间碳化物显示腐蚀迹象，部分碳化物溶解伴暗色外缘及多裂纹氧化物。能量色散X射线光谱学点分析及面分布显示，枝晶蚀刻表面沉积物由21.9% Mo、17.7% Cr、14.2% Ti和32.2% O组成，为Ti-Cr-Mo氧化物，其中Ti来源于Ti-6Al-4V膝关节柄部锥体表面转移。碳化物周边暗色边缘的局部腐蚀区域经能量色散X射线光谱学面分布证实富含Si、Ti和O。

**CoCrMo点蚀伴富钼氧化物碎屑**：凸台远端开放空间（螺钉固定区域，未与Ti柄连接，无微动作用）可见多个圆形暗色氧化碎屑斑点（直径小于1 mm）。扫描电子显微镜显示严重点蚀区域，孔径范围从不足5 μm至30 μm，大孔由相邻小孔扩展融合而成，充满腐蚀产物。能量色散X射线光谱学面分布显示腐蚀产物富含Mo和O；能谱分析证实产物含28.7% O和25.1% Mo，Co和Cr含量低，为富Mo氧化物碎屑。该区域几乎不含Ti、Al或V，且点蚀与碳化物无关。

**CoCrMo碳化物晶间腐蚀**：抛光截面揭示了底层微观结构与模块连接表面之间的关系。靠近模块锥度自由表面的碳化物周边溶解更明显，呈暗色并充满降解产物。腐蚀从锥度表面穿透至下方合金约15 μm深处，腐蚀产物穿透达10 μm。距腐蚀表面不同深度的腐蚀程度存在差异：近表面处（C1）晶间腐蚀较深处（C2）更为严重，间隙填充16.2% Cr、11.7% Mo、11.8% Ti和25.9% O的Ti-Cr-Mo氧化物碎屑。Ti自Ti-6Al-4V膝关节柄转移并沿腐蚀碳化物边界迁移至次表面合金，Co和Cr溶解流失。近锥度处间隙含3.8% Si。

**CoCrMo微动及钛转移**：锥度接触区可见微动腐蚀损伤证据。由于微动磨痕尺寸小于10 μm，数字光学显微镜难以观察。扫描电子显微镜显示一致性取向的垂直微动磨痕，伴腐蚀产物；部分区域氧化碎屑丰富，经能谱分析为含28.4% Cr、9.6% Mo、10.6% Ti和27.9% O的Ti-Cr-Mo氧化物。

**Ti-6Al-4V柄部塑性变形及微动**：模块锥度内可见黑色、沿循环加载方向延伸的细小垂直微动磨痕。高倍放大显示磨痕紧密排列，提示多个相似高度微凸体随时间推移与CoCrMo对磨面接触降解。

**Ti-6Al-4V机械辅助缝隙腐蚀**：匹配二次电子像及背散射电子像显示机械辅助缝隙腐蚀特征：加工脊呈塑性变形伴碎屑充填；背散射成像下可见沿垂直方向拉长的椭圆形特征。高倍下配对图像表征缝隙腐蚀攻击：加工线不可见，提示初始钛合金界面降解致次表面合金腐蚀；凹坑状凹陷开始相互连接， revealing底层晶粒结构包括魏氏组织特征；底部散落细屑，背散射对比度与基体Ti-6Al-4V匹配，提示氧化物碎屑堆积少。部分区域缝隙腐蚀更显坑状，伴部分保留的加工线及斜向细白线。高倍下坑底呈α+β微观结构。

**Ti-6Al-4V氧化物**：取出物部分区域光学呈暗色，扫描电子显微镜下呈暗对比度。背散射电子显微图显示钛合金柄上方覆盖氧化物碎屑，具干裂湖床外观。部分区域氧化物对比度更暗，能量色散X射线光谱学表征为表面钴染色。化学组成主要为Cr（36%）、O（29%）和Ti（16%），少量Mo（8%）。染色区域Co重量百分比升高（3.4%至7%）。能谱验证Cr、O、Ti、Mo为主要成分。此外，锥形Ti-6Al-4V柄界面存在嵌入式氧化物：原始表面塑性变形伴深灰色区域散布，不同对比度氧化物成分相似（均为Ti-Cr-Mo氧化物），但暗色氧化物Cr和Mo增加、Ti和O减少。

**讨论与结论**

研究人员在讨论部分系统分析了本研究发现的临床意义及机制。研究关注的焦点在于TKA模块连接处腐蚀模式与THA的相似性及特殊性。首先，研究人员指出，与髋关节置换一样，TKA中的机械损伤模式主要见于锥度接触区域。基于Goldberg评分，大多数植入物评为4分（超过10%锥度表面覆盖黑色碎屑、点蚀或严重微动磨痕）。两种合金共有的损伤模式包括：CoCrMo内孔的蚀刻，以及沿大多数接触界面加载方向的微动腐蚀伴塑性变形和材料（氧化物碎屑）转移。Ti-Cr-Mo氧化物（11% Ti）作为CoCrMo内孔锥度微动区域的优势氧化物碎屑，提示Ti在微动过程中从局部微凸体接触处离解。类似地，Ti-6Al-4V柄部嵌入塑性变形脊内的Ti-Cr-Mo氧化物暗示Cr和Mo从CoCrMo凸台转移。这些结果表明体内微动腐蚀严重足以导致材料氧化、混合及向对侧表面转移，产生细颗粒或离子释放。

值得注意的是，两种表面氧化物化学组成均缺乏Co，此特征亦见于取出髋关节假体，提示Co主要以离子形式释放。高浓度Co离子在缝隙溶液中对合金后续氧化行为的作用尚不明确，但可能改变表面氧化物性质或提供加速蚀刻和晶间腐蚀等腐蚀过程的反应途径。Co离子可通过增加巨噬细胞氧化应激导致线粒体功能障碍，引发假体周围组织炎症反应。研究人员特别强调，所有观察到的机械辅助缝隙腐蚀碎屑并非"金属"或金属碎屑，而是相关阳离子的混合氧化物（Co除外，其以离子形式存在），因此"金属颗粒"或"金属碎屑"等术语的使用不够科学精确。

金属离子和金属氧化物磨损颗粒释放可能导致与髋关节置换类似的临床问题，包括以无菌性坏死和滑膜组织白细胞浸润为特征的不良局部组织反应、不良局部组织反应、骨溶解或假性肿瘤等。目前材料转移的利弊尚存争议。

广泛蚀刻的表面在模块连接处呈现柱状枝晶结构，表明存在化学侵蚀性环境。此类蚀刻攻击在髋关节假体头颈锥度区域已有报道。目前尚无实验室测试能复制取出物中观察到的腐蚀损伤类型和严重程度。简单溶液变化（如低pH）不足以诱导观察到的损伤，体内其他未知溶液成分对两种合金的侵蚀性攻击起重要作用，可能包括金属氧化物降解产物和/或金属离子对钝化氧化膜的影响，以及可显著改变合金耐蚀性的炎症物质（如活性氧物质）引入。缝隙溶液因标准缝隙腐蚀概念而呈酸性，由微动及缝隙内 elevated 金属和氯离子存在下的氧化还原反应促进。蚀刻表面在近端边缘最明显，提示初始渗入连接处的溶液可能更酸性，或外部溶液的运输交换对过程至关重要。

远端开放空间的点蚀（覆盖25% Mo的富Mo氧化物）是仅由溶液化学变化产生的非机械相互作用新发现。Mo可能在锥度连接处微动腐蚀过程中溶解并迁移至远端开放空间后氧化。电化学腐蚀中，Mo在蛋白质（如白蛋白）存在时可优先释放，但高浓度Mo的来源及在凹坑中积累的机制尚未阐明，是否蚀刻先于富Mo氧化物生成、磨损颗粒迁移是否诱发点蚀、氧化物碎屑是否诱导或加速点蚀攻击等问题仍有待解决。

碳化物-合金界面的晶间（或相间）腐蚀及Ti/Si降解产物向此间隙的穿透是本研究的新发现。晶间溶解显示腐蚀从锥度表面穿透至下方15 μm深处。铸造CoCrMo合金凝固过程中，碳化物在枝晶间区域析出形成富Cr或富Mo块状碳化物，碳化物附近合金区域Cr和Mo depleted。由于Cr含量低，通常起防腐蚀作用的钝化氧化膜（Cr₂O₃）在周边易弱化，使该区域更易受腐蚀攻击；Mo depleted同样影响局部耐腐蚀性。因此，越靠近锥度连接处腐蚀越严重，Ti/Si氧化物转移至溶解区域形成Ti-Cr-Mo氧化物。

研究局限性包括：未将腐蚀与临床结局关联；Goldberg评分系统存在局限（10%阈值定义重度腐蚀，且相同评分不指示相同腐蚀机制）；未尝试关联凸台与柄部的空间腐蚀分布；样本量小且来自单一制造商限制了结果普适性。

**研究结论**：模块化已用于TKA，尤其翻修手术。研究人员收集CoCrMo合金凸台和Ti-6Al-4V合金柄配对样本，采用数字光学显微镜、扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱学表征其体内腐蚀模式及腐蚀程度，记录了与THA相似的腐蚀类型，包括蚀刻、点蚀、碳化物相邻晶间腐蚀、塑性变形、微动腐蚀、机械辅助缝隙腐蚀和氧化物生成。内孔中不与锥体接触区域的点蚀是新发现， demonstrates Mo-rich氧化物在凹坑内沉淀。伴有Ti/Si氧化物穿透的晶间腐蚀亦属首次描述。总之，TKA腐蚀机制在很大程度上与取出THA锥度的观察结果相似。