诚然，金属植入物与人体之电化学腐蚀，或磨损，与局部和全身反应有关，学界对此问题之报道，最早见于1973年BMJ上Coleman等报道金属全髋关节置换后血和尿中钴和铬水平的升高，而指出铬在体内聚集的长远效应亟待研究[2]。1990年对于钛合金材料（钛-6铝-4钒Ti-6Al-4V）阳极氧化的报道[3]。
总体而言，金属植入物对人体之影响，分为局部和全身两大类。局部为金属周围组织内显微级金属颗粒，激活巨噬细胞而引起骨吸收和炎症反应。全身反应报道不多，牵涉金属溶解，随血液循环，聚集于终末器官。
如是，本文拟从关节、脊柱和儿童三方面加以阐述。
所有类型的股骨头-髋臼衬垫组合的人工髋关节置换术后，血清金属离子水平升高，较早见于1991年的报道[4]。近年来学界逐步关注金属离子升高之局部和全身效应。研究表明：局部组织反应，假瘤形成，全身效应，及肝、肾金属沉积[5]，尤其是金属对金属全髋置换。
2004年，美国拉什大学的Urban等[5]，对30例全髋关节置换患者肝脾标本，其中初次和翻修各15例。他们发现：肝脏和/或脾脏的巨噬细胞中查见亚微米级金属颗粒，其中翻修患者11/15例，初次置换患者2/15例。巨噬细胞局部聚集，无明显毒性。肝脾中金属颗粒聚集之长远效应，不得而知。
图1 女性91岁。(A)患者逝世前12年，术前影像，不锈钢髋关节假体周围骨折，假体松动。(B)翻修重建后10.5年。(C)肝脏尸检切片，巨噬细胞聚集（箭头），内含微小不锈钢金属颗粒。BD：胆小管。H：肝细胞（HE染色，放大300倍）
图2 女性，79岁。(A)逝世前1.7年髋关节X线片。(B)脾脏白髓切片，巨噬细胞聚集（黑色箭头），内含微小钴-铬-镍-钨颗粒。白色箭头为脂质小滴（HE染色，放大200倍）。
2013年，美国拉什大学骨科的Levine等，于JBJS上发表了全髋关节置换术后10年血中金属离子之经典文章[6]，以高分辨扇形磁场电感耦合等离子体质谱法（HR-SF-ICP-MS）检测血中钴、铬和钛金属离子浓度，精度分别为0.04ng/mL，0.015ng/mL和0.2ng/mL。大关节置换后长期随访，血中钴、铬和钛金属离子浓度随时间（3年，5年，7年，8年，10年）而进行性增高，其中钛合金股骨柄之髋关节置换患者，10年时血钛浓度较术前增高18倍；其余两种材料的髋关节置换患者，血中钴、铬浓度增高近4倍。
模型研究中，钴和铬高浓度具有毒性，高水平钛潜在致癌[6]。然则，人体髋关节置换后血中金属离子升高的长远生理效应，尚不明确；金属离子产生毒性的正常上限，亦无统一标准。另一方面，人口的老龄化，关节置换患者数量亦增加。以是之故，这方面的研究亟待解决。
局部反应
1999年，美国加州大学的Wang等在Spine上报道了9例腰椎内固定融合而翻修的病例[11]，组织取样后进行检测发现：假关节病例的组织内钛含量最高（30.36微克/每克干组织），牢固融合病例的钛含量低（0.586微克/每克干组织）。光镜下检测到软组织内金属颗粒，透射电镜下证实含有金属颗粒和次级溶酶体的巨噬细胞。
图3 椎旁组织的低倍显微镜下观。胶原基质C为巨噬细胞层H浸润，右侧可见黑色金属碎屑（HE染色，放大25倍）。
图4 透射电镜：左图：椎旁组织，胶原基质C中巨噬细胞，胞核N周围有透明空泡，其中V有次级溶酶体（放大5000倍）；中图：高倍下（135000倍）电子致密颗粒，定量射线能谱分析为钛金属；右图：胶原基质中金属碎屑（箭头）（12000倍）。
全身反应
2003年，日本三重大学骨科Kasai等[7]，研究了46例脊柱钛合金材料植入物的患者血和头发中钛和铝离子浓度（以相对古老的检测方法：放射广谱法，单位ppb）。他们发现，术后5.1年时，近三分之一（16例）患者血或头发中钛和铝离子异常增高。
2008年，美国南伊利诺大学Richardson等[8]，于瑞典实验室以高分辨电感耦合等离子体质谱法（HR-ICP-MS）检测了30例钛合金内固定患者术后平均26月时血钛浓度，并与无金属内置物对照的13例患者加以对比，检测精度为0.25微克/L（ppm=1000ppb）。内固定为2组至4组钉棒系统，加或不加横连。结果发现：内固定患者（2.6微克/L，亦即2600ng/L）血钛浓度显著高于无内固定者（0.71微克/L，亦即710ng/L）。随内固定数量增多，血钛水平有所升高，椎间融合器与血钛水平显著升高有关（3.3 对 1.98微克/L）。
以上研究表明：脊柱钛合金内固定物降解之颗粒进入全身血液循环，平均钛金属水平与全髋关节置换患者体内金属水平相当。
颈椎人工椎间盘置入
2016年6月17日，Spine在线发表了圣路易斯骨科中心Gornet等的文章[1]，阐述了颈椎人工椎间盘置换后血清金属水平。
人工颈椎间盘为金属-对-金属的钛合金/钛陶瓷成分，采用的检测方法为HR-ICP-MS，时间点为术前，术后3月，6月，12月，24月，36月，60月，84月。检测精度为0.2 ng/mL。
术前及术后各时间点血清钛浓度分别为：0.10,1.22, 1.15, 1.27, 1.21, 1.46, 1.34, and 1.42 ng/mL，术后任何时间点的浓度均显著高于术前。
整体而言，颈椎人工椎间盘置换后，患者体内血钛浓度亦增高，水平较后路内固定物和人工髋关节（钛合金为主的股骨柄和髋臼）低。
儿童和青少年体内金属浓度升高
2013年，澳洲阿德莱德大学Cundy等进行的前瞻性队列研究[9]，纳入研究的对象为因脊柱侧弯或后凸行矫形的儿童和青少年，内固定为瑞士Synthes，成分为Ti6-Al7-Nb（6钛-7铝-铌），检测方法为HR-ICP-MS，精度分别为0.1，0.02和0.2 ppb（ng/L），时间点为术前，术后1周，1月，6月和12月。
该研究共检测32例患者，25例女性，平均年龄14.7岁（11.1-17.8岁），25例为青少年特发性脊柱侧弯。术后血钛和铌浓度明显高于术前，术后血钛浓度升高2.4倍，血铌浓度升高5.9倍。并于术后1周上升最快、最明显，维持至术后12月（图5）。
鉴于金属植入物要在儿童和青少年体内留存至少60年，血中高金属浓度的长远效应，虽不明确，但不容忽视。
儿童和青少年术后血金属水平与融合节段有关
2014年，澳洲研究团队对该前瞻性研究队列，又发布研究结果[10]，依据内固定特征和内置物表面积SA与血中金属水平进行了深入分析。
术后血金属水平的预测因素包括：手术后时间，手术入路（后路或前路），融合节段（平均11个节段），置钉数量，固定棒数量，总金属表面积，总暴露金属表面积和总金属-对-金属表面积。
总体而言，融合节段越多，植入内固定越多，血中金属（钛和铌）水平越高。
越来越多的研究表明：金属植入人体后引起局部和全身反应，血中金属离子的增高，器官的沉积，所引起的长远效应，血中金属离子的正常上限，都亟待界定。尤其对于儿童和青少年脊柱畸形患者，多节段内固定且终身留存。
从1973年BMJ上报道血尿中金属离子增高至今，近50年；人体中水占很大部分，儿童和青少年则更多，与金属之间的化学反应似乎不容忽视。
这些问题，亟待学界加以研究界定。
Gornet MF, Singh V, Schranck FW, Skipor AK, Jacobs JJ. Serum Metal Concentrationsin Subjects with Titanium Ceramic Composite Cervical Disc Replacements. Spine(Phila Pa 1976). 2016 Jun 17. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 27323223
Coleman RF, Herrington J, Scales JT. Concentration of wear productsin hair, blood, and urine after total hip replacement. BMJ 1973;1:527–9.
Cigada A, Cabrini M, Pedeferri P. Increasing of the corrosionresistance of the Ti6Al4V alloy by high thickness anodic oxidation. Int J ArtifOrgans 1990;13:585–7.
Jacobs JJ, Skipor AK, Black J, Urban R, Galante JO. Release and excretionof metal in patients who have a total hip-replacement component made oftitanium-base alloy. J Bone Joint Surg Am. 1991;73(10): 1475-86.
Urban RM, Tomlinson MJ, Hall DJ, Jacobs JJ. Accumulation in liverand spleen of metal particles generated at nonbearing surfaces in hiparthroplasty. J Arthroplasty. 2004; 19(8)(Suppl 3):94-101.
Levine BR, Hsu AR, Skipor AK, Hallab NJ, Paprosky WG, Galante JO,Jacobs JJ. Ten-year outcome of serum metal ion levels after primary total hiparthroplasty: a concise follow-up of a previous report*. J Bone Joint Surg Am.2013 Mar 20;95(6):512-8. doi: 10.2106/JBJS.L.00471. PubMed PMID: 23515985;PubMed Central PMCID: PMC3748974.
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Cundy TP, Antoniou G,Sutherland LM, Freeman BJ, Cundy PJ. Serum titanium, niobium, and aluminumlevels after instrumented spinal arthrodesis in children. Spine (Phila Pa1976). 2013 Apr 1;38(7):564-70. doi: 10.1097/BRS.0b013e3182741961. PubMed PMID:22996267.
Cundy TP, Cundy WJ, AntoniouG, Sutherland LM, Freeman BJ, Cundy PJ. Serum titanium, niobium and aluminiumlevels two years following instrumented spinal fusion in children: does implantsurface area predict serum metal ion levels? Eur Spine J. 2014Nov;23(11):2393-2400. PubMed PMID: 24659389.
Wang JC, Yu WD, Sandhu HS,Betts F, Bhuta S, Delamarter RB. Metal debris from titanium spinal implants.Spine (Phila Pa 1976). 1999 May 1;24(9):899-903. PubMedPMID: 10327512.
本文来源：“脊柱甘露语林”微信平台（jzglyl）
作 者：王海强 张军
