超高分子量聚乙烯在骨科領域的應用及基礎研究進展

艾承沖(綜述) 蔣 佳 陳世益△(審校)

(1復旦大學運動醫學中心-華山醫院運動醫學與關節鏡外科 上海 200040;2復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室 上海 200433)

?

超高分子量聚乙烯在骨科領域的應用及基礎研究進展

艾承沖1,2(綜述) 蔣 佳1,2陳世益1,2△(審校)

(1復旦大學運動醫學中心-華山醫院運動醫學與關節鏡外科 上海 200040;2復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室 上海 200433)

超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)憑借其良好的拉伸強度、耐磨性、耐沖擊性、化學穩定性、低密度等特性在骨科人工關節假體、骨科縫線和人工韌帶等領域廣泛應用。臨床研究發現UHMWPE關節產品產生磨損顆粒所導致的骨質溶解是髖關節置換術后失敗的主要原因,為此許多研究致力于提高它的耐磨性以及改善它的生物相容性。本文對UHMWPE在骨科的臨床應用和基礎研究相關進展作一綜述。

超高分子量聚乙烯; 改性; 生物相容性

超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)是一種具有優異綜合性能的工程塑料。它具有良好的機械性能、抗沖擊性、耐磨性及化學穩定性,與骨科許多方面對材料的要求相契合,在骨科移植物方面得到了廣泛應用。本文將從人工關節假體、縫線和人工韌帶3個方面對UHMWPE在骨科領域的臨床應用和基礎研究進展作一綜述。

UHMWPE在骨科中的應用

人工關節假體中的應用 UHMWPE自1962年作為一種低磨損軸承關節假體材料在全髖關節置換術中應用至今,目前它仍是髖關節置換關節臼襯墊材料的最佳選擇之一[1]。早期使用的高分子聚乙烯是由乙烯氣體聚合形成的大分子碳鏈聚合物,醫用等級的聚乙烯一般采用20～40 kGy輻射劑量進行伽馬輻射滅菌。伽馬輻射滅菌法可以使分子鏈相互交聯,增加材料的耐磨性,但同時會導致自由基產生,滅菌后的材料暴露在空氣中或體內使用時自由基的氧化會使得材料的力學性能下降[2]。關節置換術后出現骨質溶解和磨損等問題一直促使研究者對該材料進行不斷改進。在20世紀90年代,通過由伽馬射線或電子束高劑量輻射所形成的第一代高交聯聚乙烯(highly cross-linked polyethylene,HXLPE)出現,使得UHMWPE耐磨性得到很大的改進。Kurtz等[1]收集了髖關節置換術后隨訪至少5年的病例,對股骨頭穿透率(femoral head penetration)進行加權平均分析,證實了HXLPE襯墊的股骨頭穿透率低于傳統的超高分子聚乙烯,并且發生骨質溶解的風險下降了87%。Glyn-Jones等[3]進行的雙盲前瞻性研究中,54個患者隨機分為UHMWPE組和HXLPE組,分別使用兩種關節襯墊進行手術,術后10年的放射立體照相測量分析證實了HXLPE比傳統UHMWPE耐磨性更佳。體外銷-盤式磨損試驗也證明HXLPE比傳統聚乙烯材料磨損率低[4]。另外,材料磨損產生的磨損顆粒與骨質溶解以及移植物松動緊密相關,而高交聯的UHMWPE產生的磨損顆粒數量較傳統UHMWPE少且顆粒體積較小,可能有利于減少骨質溶解的發生[5]。但輻射劑量增加使得產生的自由基的量也隨之增加,此外交聯的發生使得材料的抗疲勞性下降。為此又在第一代高交聯聚乙烯的制作工藝中引入了再融化和退火的熱處理方法以增加其抗氧化能力。輻射后熱處理可為自由基提供能量使其重組而有效減少自由基,但同時又各有弊端。退火處理后的UHMWPE仍有自由基殘留,臨床隨訪發現退火處理的HXLPE磨損率與第一代HXLPE相比無明顯差異,說明熱處理不會損害材料的耐磨性[6],但在術后回收的退火加工的UHMWPE材料的襯墊邊緣觀察到了氧化以及邊緣分層[7-8]。再融化處理會使UHMWPE結晶度下降導致材料的耐疲勞性下降,再融化處理的UHMWPE襯墊術后出現邊緣裂痕而要翻修的病例多有報道[1],說明再融化的方式未能徹底將氧化降解以及力學退化的問題同時解決。

連續輻射和退火循環工藝的采用以及將維生素E引入制作過程在改進材料的抗氧化性的同時保持了其良好的耐疲勞性和耐磨性,使得第二代高交聯聚乙烯應運而生[9]。維生素E是人體內有效的抗氧化劑,其主要作用是在細胞表面與自由基反應,破壞多不飽和脂肪酸的氧化反應鏈,以減少氧化引起的多不飽和脂肪酸的降解。聚乙烯的氧化反應與體內多不飽和脂肪酸的氧化反應機制類似,維生素E的介入可有效阻礙聚乙烯氧化反應的發生[10]。將維生素E引入了高分子聚乙烯的制作工藝中可增加材料的抗氧化性能。目前主要有兩種制作方法,一種是將維生素E與UHMWPE粉末在固結之前混合,參與輻射交聯發生的過程,這樣可防止聚合物氧化,但同時也減少了交聯的效率[11]。輻射劑量決定交聯密度從而影響到材料的耐磨性能,通過調節交聯中維生素E的添加濃度和輻射劑量,使得材料的耐磨性能與抗氧化能力兩者達到一個平衡點;另一種是在UHMWPE接受輻射之后再將維生素E擴散到材料中,該方法避免了對聚合物交聯的影響,且維生素E的添加量不再受制于交聯密度,但在加入維生素E之前的輻射和儲存過程中會有氧化反應發生,并且添加完成后需再通過均化作用這一步驟使材料獲得充分均勻的抗氧化性能。與融化處理的UHMWPE相比,添加維生素E的UHMWPE抗氧化性得到提升,耐磨性未受損且耐疲勞性得到改善[5,12]。Oral等[13]和Turner等[14]使用髖關節運動模擬力學實驗進行對比研究發現維生素E不會降低材料的耐磨性,通過模擬股骨頸對髖臼窩邊緣沖擊的疲勞試驗發現,維生素E擴散的第二代高交聯聚乙烯與傳統聚乙烯的耐疲勞性表現無明顯差別,可能是因為對輻射后的UHMWPE添加維生素E可避免熱處理所致的結晶度的下降。Jarrett等[15]通過力學實驗證實了維生素E擴散的第二代高交聯聚乙烯的疲勞強度優于單純的第二代高交聯聚乙烯,并且通過兔、犬動物試驗發現加入聚乙烯中的維生素E濃度并不會對假體周圍組織造成毒性反應或引起炎癥。小鼠顱骨模型試驗也證實了維生素E的加入不會加重骨質溶解以及引起炎性反應[16]。TNF-α、TL-1β、IL-6以及IL-8等炎性因子與無菌性骨質溶解現象以及破骨細胞成熟緊密相關[14],體外實驗發現維生素E混合后的UHMWPE磨損顆粒與人外周血單核細胞培養引起這些炎性因子分泌的量比傳統UHMWPE的磨損顆粒組分泌的量顯著減少[17]。目前尚無維生素E在關節假體應用中引起不良事件的報道。

骨科縫線中的應用 1979年荷蘭DSM公司通過凝膠紡絲法制備了高強度高彈性模量的超高分子聚乙烯纖維。目前,超高分子聚乙烯纖維的工業生產已經十分成熟,是世界三大高科技纖維(碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維)之一,也是世界上最堅韌的纖維。其憑借出色的力學性能、質量輕等優點逐漸被應用于骨科縫線。UHMWPE目前在半月板撕裂傷縫合、肩袖修復術、接骨術中都有應用,其作為縫線的力學優越性已在許多實驗中得到證實。Kenichi等[18]通過拔出試驗和比格犬接骨術模型術后組織學研究發現,術后6個月UHMWPE與軟鋼索兩組骨折愈合效果相似,且材料引起的組織反應包括周圍炎性反應和肉芽組織生成方面,UHMWPE組比軟鋼索組弱,顯示出UHMWPE在接骨術中的應用潛力。Dickman等[19]曾報道在脊柱融合術中使用UHMWPE纖維纜繩將金屬棒固定在骨上,其靜態極限抗拉強度、疲勞強度、耐磨性均優于鈦纜、鋼纜、鋼絲。另外,UHMWPE纖維纜繩可制成條帶狀,這有利于術中需要的捆綁固定效果,同時也可減少對骨的局部應力。Anderson等[20]用骨骼未成熟的豬膝關節制備脛骨髁間棘骨折模型,使用骨骺保護型方法進行骨折固定,對UHMWPE縫線/紐扣鋼板(ultra-high molecular weight polyethylene suture-suture button,UHMWPE/SB)、縫合錨定(sucture anchor)、PDS線/紐扣鋼板(polydioxanone suture-suture button,PDS/SB)和螺絲固定4種方法進行生物力學測試,發現UHMWPE縫線/紐扣鋼板組的最大破壞載荷、屈服載荷、蠕變優于PDS線/紐扣鋼板和螺絲固定且比縫合錨定獲得更穩定的效果。Onur等[21]使用體外牛內側半月板做前后垂直2 cm切口,再用不同的2號縫線水平縫合后做生物力學測試,4種縫線分別為單純UHMWPE、UHMWPE+聚酯、UHMWPE+PDS、單純聚酯,結果發現單純UHMWPE和UHMWPE+PDS最大破壞載荷高于UHMWPE+聚酯和單純聚酯。

人工韌帶中的應用 前交叉韌帶運動損傷是膝關節常見疾病,主要通過自體、異體肌腱移植和人工韌帶重建進行治療。由于自體及異體肌腱移植術后愈合時間長、取材部位損傷、疾病傳播、數量有限等原因,20世紀70年代起人工韌帶開始受到關注。但早期臨床隨訪結果發現人工韌帶移植物重建前交叉韌帶術后只有30%～60%的成功率,重建術后韌帶伸長、斷裂、骨道擴大、磨損顆粒產生及滑膜炎等并發癥的出現使得人工韌帶臨床應用效果及價值受到質疑,并在20世紀90年代逐漸被人們淘汰[22]。UHMWPE、聚酯、聚丙烯等都曾用作人工韌帶材料,除了材料的自身性能外人工韌帶的結構設計以及手術技術對術后結果也至關重要。20世紀70年代曾使用過UHMWPE材料制作的棒狀人工韌帶產品,Chen等[23]對38例平均年齡25.5歲的手術患者進行平均12～18個月的隨訪發現,30例患者依然有疼痛和關節不穩的情況,術后3～12個月就有6個患者出現韌帶假體斷裂,進一步力學研究也證明棒狀UHMWPE屈服強度、蠕變以及抗疲勞性能都不符合人體前交叉韌帶的力學要求。一項以UHMWPE纖維編織的人工韌帶為實驗組,骨-髕腱-骨自體移植物為對照組的術后14年的隨訪研究發現,兩組術后的主觀評分(Tegner評分和Lysholm評分)與客觀檢測(體格檢查和KT1000測量)無明顯差異,證明了UHMWPE纖維作為人工韌帶編織原料的可行性[24]。目前市場上的人工韌帶原材料以聚對苯二甲酸乙二醇酯多見,且近5年沒有相關文獻報導UHMWPE人工韌帶。近來有學者采用混合編織的方式將UHMWPE纖維出色的力學性用于人工韌帶的構建。Bach等[25]將UHMWPE線編織成網狀后包裹聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)凝膠纖維編織成的核心制備UHMWPE/PVA人工韌帶。PVA凝膠不可降解且具有良好的生物相容性,能夠在接觸面形成一層水膜起到潤滑作用以降低摩擦系數,UHMWPE網狀結構的加入彌補了PVA凝膠制成的纖維制備的人工韌帶的剛度、極限應變、抗疲勞性和伸長率上的缺陷。

UHMWPE在骨科應用中的基礎研究進展

膝關節、髖關節置換術后,UHMWPE材料所制作的襯墊與金屬或陶瓷配合端面磨損產生的數以億計的次微米的磨損顆粒會引起破骨細胞吸收骨質,導致假體周圍骨質溶解及假體松動[1,5],被視作關節置換失敗的一個主要原因。目前針對超高分子聚乙烯材料的基礎研究主要集中在材料耐磨性的提高和生物相容性的改善以減少溶骨兩方面。

目前有大量研究試圖通過改性以改善UHMWPE的耐磨性,針對關節置換材料改進所用到的改性方法有以下幾種。

填料充填形成復合材料 納米碳管、碳纖維、氧化鋁、石英、硅酸鈣、天然珊瑚顆粒、鈦粉等都曾用于制作超高分子聚乙烯復合材料并證實可以增強材料耐磨性[26-28]。用于關節假體的復合材料不僅要求耐磨性的增強,同時也對復合材料的生物相容性和力學性能要求較高。目前研究較多是多壁納米碳管/UHMWPE復合材料。多壁納米碳管具有限制UHMWPE老化降解的能力,實驗發現隨著加入的納米碳管濃度增加,復合材料中檢測到的自由基密度逐漸減小,證實了納米碳管具有自由基清除能力[29]。在力學性能方面,Kanagaraj等[30]用納米壓痕技術和微拉伸檢測對不同濃度多壁納米碳管的復合材料進行測試,發現復合材料的韌性、最大應力、屈服應力均得到增強,并且加入的多壁納米碳管的最佳濃度為2 wt%,超過此濃度后力學性能會出現下降。將多壁納米碳管、三氧化二鋁與UHMWPE一起制作復合材料,材料的親水性得到提高,與小鼠成纖維細胞培養后發現復合材料組的細胞增殖數量更多,進行細胞增殖數目和礦化測試后發現成纖維細胞的代謝活性與復合材料表面自由能的分散度有關[31]。

等離子處理 通過電化學沉積、物理氣相沉積等技術在材料表面制備硬質涂層或直接改變材料表面性能,可提高材料的抗磨損能力。Xie等[32]采用回旋共振微波等離子體結合化學氣相沉積(electron cyclotron resonance microwave plasma chemical vapor deposition,ECR-PECVD)技術在UHMWPE表面沉積富氫類金剛石(diamond-like carbon,DLC)薄膜,UHMWPE的硬度顯著提高。二氧化鋯是一種重要的陶瓷原料,它可有效增加材料的硬度并降低摩擦系數,使用脈沖等離子沉積(pulsed plasma deposition,PPD)技術在UHMWPE表面可形成黏附牢固的二氧化鋯薄膜并且材料的硬度顯著提高[33]。Marchiori等[34]利用有限元分析的方法,對0.5～5 μm厚度的二氧化鋯薄膜進行測試,發現薄膜的增厚可降低塑料基底所受的應力,在薄膜厚度為1 μm時,薄膜以及薄膜基底交界面會產生很高的應力,故應避免使用1 μm的厚度。冷常壓等離子處理(cold atmospheric plasma,CAP)可有效促進UHMWPE的交聯從而提高耐磨性[35]。Preedy等[36]將UHMWPE通過氦氣、氦氣/氧氣冷常壓等離子體處理后通過原子力顯微鏡進行觀察,發現材料表面粗糙密度比未處理的UHMWPE下降一半,并且改善了材料的親水性,有利于細胞黏附促進骨整合。

表面接枝改性 通過在材料表面接枝具有特定結構的官能團,實現材料表面潤濕性的改善或對細胞特異性選擇能力。Moro 等[37]采用紫外光照射接枝的方式在聚乙烯材料表面接枝仿細胞膜結構的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(polymer 2-methacryloyloxyethyl phosphoryl choline,PMPC) 仿生超潤滑膜,髖關節運動模擬實驗發現其磨損量及產生的磨損顆粒大小都有所下降,并且材料的親水性得到改善。紫外輻照接枝所得的PMPC膜厚度大約為0.4～6 μm,以Tris緩沖液作為潤滑劑,室溫、2.5 N負荷、滑行距離為4 mm條件下與凸面玻璃(曲率半徑25.9 mm,表面粗糙度0.2 nm)進行摩擦試驗,發現PMPC膜層可持續約9 h[38]。此種方法所得的潤滑膜的持久性是一個問題,當潤滑膜被磨損耗盡后,UHMWPE材料就會受到磨損。丙烯酸具有良好的親水性,它帶有的羧基團可使它與生物活性分子如生長因子、多肽等良好接觸。將UHMWPE粉末浸入丙烯酸甲醇溶液中經紫外輻照后形成丙烯酸接枝的UHMWPE,其親水性得到改善,磨損率隨著加入的丙烯酸比率的上升呈現先降后升的趨勢,當丙烯酸嫁接的比率為3.5%時所得材料的磨耗率最小。此種處理可使材料長期保持丙烯酸的潤滑性能,但材料的抗張強度卻降低[39]。與此類似方法接枝聚偏氟乙烯{[3-(methacryloylamino) propyl dimethyl 3-sulfopropyl] ammoniumhydroxide,MPDSAH},所得材料磨損率隨著MPDSAH接枝濃度的增加而減小,但MPDSAH大分子鏈的接枝會改變UHMWPE的分子鏈結構,實驗發現材料的摩擦系數下降的同時最大應力也出現下降并且極限伸長率變大[40-41]。

此外,通過織構化處理使得材料分子鏈重新排列可以實現力學的優化。織構化處理的方法有多種如冷擠壓、拉伸、壓縮等[42]。Kustandi等[43]采用納米壓印技術對UHMWPE 表面進行織構化處理后與陶瓷球進行往復磨損試驗,發現UHMWPE 的摩擦系數和磨損率均明顯小于未處理的UHMWPE。還有研究者嘗試使用其他抗氧化劑以避免維生素E加工過程中對UHMWPE分子交聯的影響。Fu等[44]使用天然的多酚類五倍子酸(gallic acid,GA)和十二烷基(dodecyl gallate,DG)代替維生素E作為抗氧化劑制得GA/UHMWPE和DG/UHMWPE,材料的抗氧化性優于維生素E/UHMWPE,并且多酚類的加入對UHMWPE的分子交聯幾乎沒有影響,所制得的材料的耐磨性也更高。

對于UHMWPE材料細胞相容性的研究,較早就有實驗發現成纖維細胞、成骨細胞難以在UHMWPE表面生長[45],UHMWPE縫線力學測試也證明了其力學性能出色但組織反應性較差[18,20]。生物材料的親水性和表面粗糙度對細胞黏附十分重要,通過改變材料的表面形貌可以改變材料的組織相容性。光子、離子以及電子束都可以對材料表面性能進行修飾,所使用的激光波長、脈沖頻率以及掃描速度等參數不同會產生不同的修飾效果。使用1064 nm、532 nm、355 nm 3個不同波長的激光對材料進行修飾,發現在532 nm和355 nm波長的激光輻照最有利于增加材料的親水性和表面粗糙度,也就最有利于細胞的生長黏附,但還未經細胞實驗證實[46]。另外,涂層也是骨科常用的材料表面修飾方法。Silva等[47]在UHMWPE表面進行鈦、鈦/羥基磷灰石涂層發現可以促進移植物-骨接觸面的成骨。Firouzi等[48]通過體外細胞培養和力學測試的方法發現尼龍涂層的UHMWPE纖維的抗蠕變能力、抗張強度高于單純UHMWPE纖維,而且涂層可增加UHMWPE的細胞相容性,并且骨質溶解過程中高表達的IL-6和TNFα水平降低了。除了增加材料的細胞親和性,也有研究者嘗試載藥的方式來防止溶骨發生。以阿侖磷酸鈉為代表的二磷酸鹽是臨床常用的預防骨質吸收的藥物,有學者將UHMWPE粉末與不同濃度的阿侖磷酸鈉溶液混合后通過風干和熱壓的方式制備UHMWPE-阿侖材料,分別將單純UHMWPE磨損顆粒和不同大小、不同阿侖磷酸鈉濃度的UHMWPE-阿侖磨損顆粒與成骨細胞共同培養,不添加任何磨損顆粒的培養組作為對照組,培養72 h后兩個實驗組的細胞數量和堿性磷酸酶活性均低于對照組,但UHMWPE-阿侖組的堿性磷酸酶活性高于單純UHMWPE組且隨著UHMWPE-阿侖磨損顆粒的增大ALP活性有增加趨勢[49]。但UHMWPE-阿侖(1.0 wt%)材料的抗張強度低于單純UHMWPE,此外以25% (體積百分比)牛血清作為潤滑劑,球-盤磨損實驗發現除了在負荷值為10 N時UHMWPE-阿侖(1.0 wt%)材料的摩擦系數都稍高于單純UHMWPE組[50]。

結語 UHMWPE是關節假體中襯墊材料的最佳選擇之一,但材料本身產生的磨損顆粒造成的骨質溶解和無菌性松動是造成手術失敗的主要原因,如何進一步改善其耐磨性能仍然存在困難,且是目前研究熱點。體外實驗已經證明填料充填進行形成復合材料、涂層、等離子處理等都能有效改善它的耐磨性,目前可通過建立更接近人體關節運動的關節模擬系統以及大型動物實驗模型觀察體內效果來獲取一個有效的改進方法,另外還需要從成本、生產可行性方面積極探索能應用于實際生產的改性方法。

縫線應用中,對于力學情況較為簡單,對耐磨性、耐疲勞性及拉力強度要求高的應用如接骨術、UHMWPE縫線的效果是值得肯定的,但對于半月板縫合、肩袖修補等力學情況較復雜的情況,如半月板受到的壓縮力、剪切力、圓周向的張應力,肩袖縫合中對于縫線伸長率、剛度要求較高的情況下,UHMWPE的縫合效果還有待于更接近自然關節運動的關節模擬系統或是人體大標本試驗進行驗證,同時也希望有相關臨床試驗結果的出現。

UHMWPE在人工韌帶中的應用在20世紀90年代就受到冷落,但其生產工藝上的改進以及各種致力于改善其細胞相容性促進成骨的改性方法的出現,其今后在運動醫學中的應用也值得期待。

[1] KURTZ SM,GAWEL HA,PATEL JD.History and systematic review of wear and osteolysis outcomes for first-generation highly crosslinked polyethylene [J].ClinOrthopRelatRes,2011,469(8):2262-2277.

[2] DUMBLETON JH,D′ANTONIO JA,MANLEY MT,etal.The basis for a second-generation highly cross-linked UHMWPE [J].ClinOrthopRelatRes,2006,453:265-271.

[3] GLYN-JONES S,THOMAS GE,GARFJELD-ROBERTS P,etal.The John Charnley Award:Highly crosslinked polyethylene in total hip arthroplasty decreases long-term wear:a double-blind randomized trial [J].ClinOrthopRelatRes,2015,473(2):432-438.

[4] BAYKAL D,SISKEY RS,HAIDER H,etal.Advances in tribological testing of artificial joint biomaterials using multidirectional pin-on-disk testers [J].JMechBehavBiomedMater,2014,31:117-134.

[5] BRACCO P,ORAL E.Vitamin E-stabilized UHMWPE for total joint implants:a review [J].ClinOrthopRelatRes,2011,469(8):2286-2293.

[6] D'ANTONIO JA,CAPELLO WN,RAMAKRISHNAN R.Second-generation annealed highly cross-linked polyethylene exhibits low wear [J].ClinOrthopRelatRes,2012,470(6):1696-1704.

[7] KURTZ SM,HOZACK WJ,PURTILL JJ,etal.2006 Otto Aufranc Award Paper:significance ofinvivodegradation for polyethylene in total hip arthroplasty [J].ClinOrthopRelatRes,2006,453:47-57.

[8] CURRIER BH,CURRIER JH,MAYOR MB,etal.Evaluation of oxidation and fatigue damage of retrieved crossfire polyethylene acetabular cups [J].JBoneJointSurgAm,2007,89(9):2023-2029.

[9] KURTZ SM,AUSTIN MS,AZZAM K,etal.Mechanical properties,oxidation,and clinical performance of retrieved highly cross-linked Crossfire liners after intermediate-term implantation [J].JArthroplasty,2010,25(4):614-623,e1-e2.

[10] ORAL E,MURATOGLU OK.Vitamin E diffused,highly crosslinked UHMWPE:a review [J].IntOrthop,2011,35(2):215-223.

[11] ORAL E,GREENBAUM ES,MALHI AS,etal.Characterization of irradiated blends of alpha-tocopherol and UHMWPE [J].Biomaterials,2005,26(33):6657-6663.

[12] DI PUCCIO F,MATTEI L.Biotribology of artificial hip joints [J].WorldJOrthop,2015,6(1):77-94.

[13] ORAL E,CHRISTENSEN SD,MALHI AS,etal.Wear resistance and mechanical properties of highly cross-linked,ultrahigh-molecular weight polyethylene doped with vitamin E [J].JArthroplasty,2006,21(4):580-591.

[14] TURNER A,OKUBO Y,TERAMURA S,etal.The antioxidant and non-antioxidant contributions of vitamin E in vitamin E blended ultra-high molecular weight polyethylene for total knee replacement [J].JMechBehavBiomedMater,2014,31:21-30.

[15] JARRETT BT,COFSKE J,ROSENBERG AE,etal.Invivobiological response to vitamin E and vitamin-E-doped polyethylene [J].JBoneJOintSurgAm,2010,92(16):2672-2681.

[16] HUANG CH,LU YC,CHANG TK,etal.Invivobiological response to highly cross-linked and vitamin e-doped polyethylene-a particle-Induced osteolysis animal study [J].JBiomedMaterResBApplBiomater,2016,104(3):561-567.

[17] BLADEN CL,TERAMURA S,RUSSELL SL,etal.Analysis of wear,wear particles,and reduced inflammatory potential of vitamin E ultrahigh-molecular-weight polyethylene for use in total joint replacement [J].JBiomedMaterResBApplBiomater,2013,101(3):458-466.

[18] OE K,JINGUSHI S,IIDA H,etal.Evaluation of the clinical performance of ultrahigh molecular weight polyethylene fiber cable using a dog osteosynthesis model [J].BiomedMaterEng,2013,23(5):329-338.

[19] DICKMAN CA,PAPADOPOULOS SM,CRAWFORD NR,etal.Comparative mechanical properties of spinal cable and wire fixation systems [J].Spine,1997,22(6):596-604.

[20] ANDERSON CN,NYMAN JS,MCCULLOUGH KA,etal.Biomechanical evaluation of physeal-sparing fixation methods in tibial eminence fractures [J].AmerJSportsMed,2013,41(7):1586-1594.

[21] HAPA O,AKSAHIN E,ERDURAN M,etal.The influence of suture material on the strength of horizontal mattress suture configuration for meniscus repair [J].Knee,2013,20(6):577-580.

[22] GUIDOIN MF,MAROIS Y,BEJUI J,etal.Analysis of retrieved polymer fiber based replacements for the ACL [J].Biomaterials,2000,21(23):2461-2474.

[23] CHEN EH,BLACK J.Materials design analysis of the prosthetic anterior cruciate ligament [J].JBiomedMaterialsRes,1980,14(5):567-586.

[24] PURCHASE R,MASON R,HSU V,etal.Fourteen-year prospective results of a high-density polyethylene prosthetic anterior cruciate ligament reconstruction [J].JLongTermEffMedImplants,2007,17(1):13-19.

[25] BACH JS,DETREZ F,CHERKAOUI M,etal.Hydrogel fibers for ACL prosthesis:design and mechanical evaluation of PVA and PVA/UHMWPE fiber constructs [J].JBiomech,2013,46(8):1463-1470.

[26] GE S,WANG S,HUANG X.Increasing the wear resistance of UHMWPE acetabular cups by adding natural biocompatible particles [J].Wear,2009,267(5-8):770-776.

[27] TAI Z,CHEN Y,AN Y,etal.Tribological behavior of UHMWPE reinforced with graphene oxide nanosheets [J].TribolLett,2012,46(1):55-63.

[28] PUERTOLAS JA,KURTZ SM.Evaluation of carbon nanotubes and graphene as reinforcements for UHMWPE-based composites in arthroplastic applications:A review [J].JMechBehavBiomedMater,2014,39:129-145.

[29] RAMA SREEKANTH PS,KANAGARAJ S.Restricting the ageing degradation of the mechanical properties of gamma irradiated UHMWPE using MWCNTs [J].JMechBehavBiomedMater,2013,21:57-66.

[30] RAMA SREEKANTH PS,KANAGARAJ S.Assessment of bulk and surface properties of medical grade UHMWPE based nanocomposites using Nanoindentation and microtensile testing [J].JMechBehavBiomedMater,2013,18:140-151.

[31] PATEL AK,BALANI K.Dispersion fraction enhances cellular growth of carbon nanotube and aluminum oxide reinforced ultrahigh molecular weight polyethylene biocomposites [J].MaterSciEngCMaterBiolAppl,2015,46:504-513.

[32] XIE D,LIU H,DENG X,etal.Deposition of a-C:H films on UHMWPE substrate and its wear-resistance [J].ApplSurfSci,2009,256(1):284-288.

[33] BIANCHI M,RUSSO A,LOPOMO N,etal.Pulsed plasma deposition of zirconia thin films on UHMWPE:proof of concept of a novel approach for joint prosthetic implants [J].JMaterChemB,2013,1(3):310-318.

[34] MARCHIORI G,LOPOMO N,BOI M,etal.Optimizing thickness of ceramic coatings on plastic components for orthopedic applications:A finite element analysis [J].MaterSciEngCMaterBiolAppl,2016,58:381-388.

[35] PERNI S,KONG MG,PROKOPOVICH P.Cold atmospheric pressure gas plasma enhances the wear performance of ultra-high molecular weight polyethylene [J].ActaBiomat,2012,8(3):1357-1365.

[36] PREEDY EC,BROUSSEAU E,EVANS SL,etal.Adhesive forces and surface properties of cold gas plasma treated UHMWPE [J].ColloidsSurfAPhysicochemEngAsp,2014,460:83-89.

[37] MORO T,KAWAGUCHI H,ISHIHARA K,etal.Wear resistance of artificial hip joints with poly (2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) grafted polyethylene:comparisons with the effect of polyethylene cross-linking and ceramic femoral heads [J].Biomaterials,2009,30(16):2995-3001.

[38] WANG N,TRUNFIO-SFARGHIU AM,PORTINHA D,etal.Nanomechanical and tribological characterization of the MPC phospholipid polymer photografted onto rough polyethylene implants [J].ColloidsSurfAPhysicochemEngAsp,2013,108:285-294.

[39] DENG Y,XIONG D,WANG K.Biotribological properties of UHMWPE grafted with AA under lubrication as artificial joint [J].JMaterSciMaterMed,2013,24(9):2085-2091.

[40] DENG Y,XIONG D,WANG K.The mechanical properties of the ultra high molecular weight polyethylene grafted with 3-dimethy (3-(N-methacryamido) propyl) ammonium propane sulfonate [J].JMechBehavBiomedMater,2014,35:18-26.

[41] DENG Y,XIONG D,SHAO S.Study on biotribological properties of UHMWPE grafted with MPDSAH [J].MaterSciEngCMaterBiolAppl,2013,33(3):1339-1343.

[42] ADDIEGO F,BUCHHEIT O,RUCH D,etal.Does texturing of UHMWPE increase strength and toughness?:a pilot study [J].ClinOrthopRelatRes,2011,469(8):2318-2326.

[43] KUSTANDI TS,CHOO JH,LOW HY,etal.Texturing of UHMWPE surface via NIL for low friction and wear properties [J].JPhysicsDApplPhy,2010,43(1):15301-15306.

[44] FU J,SHEN J,GAO G,etal.Natural polyphenol-stabilised highly crosslinked UHMWPE with high mechanical properties and low wear for joint implants [J].JMaterChemB,2013,1(37):4727-4735.

[45] HUNTER A,ARCHER CW,WALKER PS,etal.Attachment and proliferation of osteoblasts and fibroblasts on biomaterials for orthopaedic use [J].Biomaterials,1995,16(4):287-295.

[46] RIVEIRO A,SOTO R,DEL VAL J,etal.Laser surface modification of ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) for biomedical applications [J].ApplSurfSci,2014,302:236-242.

[47] SILVA MA,GOMES PS,VILA M,etal.New titanium and titanium/hydroxyapatite coatings on ultra-high-molecular-weight polyethylene-invitroosteoblastic performance [J].BiomedMater,2010,5(3):35014.

[48] FIROUZI D,YOUSSEF A,AMER M,etal.A new technique to improve the mechanical and biological performance of ultra high molecular weight polyethylene using a nylon coating [J].JMechBehavBiomedMater,2014,32:198-209.

[49] QU S,BAI Y,LIU X,etal.Study oninvitrorelease and cell response to alendronate sodium-loaded ultrahigh molecular weight polyethylene loaded with alendronate sodium wear particles to treat the particles-induced osteolysis [J].JBiomedMaterResA,2013,101(2):394-403.

[50] HUANG J,QU S,WANG J,etal.Reciprocating sliding wear behavior of alendronate sodium-loaded UHMWPE under different tribological conditions [J].MaterSciEngCMaterBioAppl,2013,33(5):3001-3009.

Application and research advance of ultra-high molecular weight polyethylene in orthopedics

AI Cheng-chong1,2, JIANG Jia1,2, CHEN Shi-yi1,2△

(1DepartmentofSportsMedicineandArthroscopicSurgery,HuashanHospital-SportsMedicineCenter,FudanUniversity,Shanghai200040,China;2StateKeyLaboratoryofMolecularEngineeringofPolymers,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Ultra-high molecular weight polyethylene(UHMWPE)is applied generally in orthopedics for its good tensile strength,wear resistance,impact resistance,chemical stability and low density.The application of UHMWPE mainly lies in joint prosthesis,orthopedic suture and artificial ligament .However,osteolysis triggered mainly by UHMWPE wear particles has been one of the major problems in total hip arthroplasty,a number of studies were carried out focusing on improve its wear resistence and biocompatibility in order to achieve better clinical performance.This article summarized the application and research advance of UHMWPE in orthopedics.

ultra-high molecular weight polyethylene; modification; biocompatibility

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2015AA033703);國家自然科學基金(81271958,81572108,81370052)

TQ325.1+2

B

10.3969/j.issn.1672-8467.2016.06.014

2016-01-21;編輯:王蔚)

△Corresponding author E-mail:cshiyi@163.com

*This work was supported by the National 863 Hi-tech Project (2015AA033703) and the National Natural Science Foundation of China (81271958,81572108,81370052).