人工關節材料超高分子量聚乙烯的應用及其改性研究現狀

俞俊鐘

摘 要：現代醫療條件的飛速發展顯著提高了現代人的平均壽命，患有關節問題人們的數量正在逐漸增多，本文對目前關節置換現狀及需求、人工關節材料超高分子量聚乙烯在人工關節置換中的應用、面臨的問題及其改性研究現狀進行了綜合分析，以期為醫學界及科研工作者提供理論參考。

關鍵詞：人工關節材料 超高分子量聚乙烯 應用 改性

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（a）-0077-02

現代醫療條件的飛速發展顯著提高了現代人的平均壽命，患有關節問題人們的數量正在逐漸增多，為了解決關節患者的相關難題，科研工作者長期以來關注人工關節材料的研究工作，對人工關節置換材料的性能及壽命提出了更高的要求，目前高分子聚合物材料因其優良的力學性能、耐磨性能、抗腐蝕性能及對硬異物的嵌藏能力，更適用于人工關節材料的制備。超高分子量聚乙烯（以下簡稱UHMWPE）具有良好的生物相容性、化學穩定性、抗沖擊性、耐腐蝕性與耐磨性，是較為理想的醫用高分子材料[1]。

1 UHMWPE在人工關節置中的應用現狀

20世紀50年代，被稱為“現代髖關節置換之父”的英國John Charnlery設計了一系列的動物關節以及人類關節的摩擦磨損來研究人工關節置換。通過大量的實驗，John總結出自然關節具有較低的摩擦系數，因此其作用良好，這一特點是由于人體內軟骨組織利用其內部的水以及滑液來促進潤滑的特性決定的。當患者發生類似關節炎的關節疾病或其他原因導致關節受損時，軟骨即失去潤滑特性。隨后John又進行了大量的關節摩擦磨損實驗，并逐漸意識到體外合成的人工關節（如塑料、金屬、陶瓷等）不能完全依賴液體潤滑。此時，UHMWPE因其極低的摩擦系數進入John的視線。20世紀60年代初期，John提出了不同于僅使用金屬材料作為人工關節的新思路，其將金屬材料與UHMWPE共同使用，在過去的50余年的時間里，該組合被當作人工關節置換的金標準組合[2]。20世紀末，第一代UHMWPE應用于臨床。21世紀初，隨著資金的充足、技術的發展，美國對UHMWPE的研究取得了突破性進展，美國矯形外科協會（AOSS）將21世紀的前10年稱為“美國骨關節的10年”。

UHMWPE作為人工關節置換的襯底材料，經過50余年的發展，其臨床應用取得了重大成功。但是，其在應用期間，也產生了諸多問題。當人工關節假體植入人體后，UHMWPE材料須承受人體自身重量及人體運動產生的負荷，然而，UHMWPE是人工關節假體中最薄弱的部分，在長期的使用過程中會發生嚴重磨損和氧化，進而產生磨屑，并導致骨溶解產生無菌性松動，同時伴隨著其耐磨性能的降低，最后會使UHMWPE關節失效。此時，關節需重新置換，患者不僅面臨著痛苦，而且承擔著一定的風險，同時面臨著一定的經濟壓力。為了減輕病人的痛苦、降低風險、減小壓力，延長假肢在人體內使用壽命，就必須對UHMWPE進行改性研究。目前針對 UHMWPE常用的改性方法有表面改性、輻照改性以及填充改性。

2 UHMWPE的改性研究現狀

2.1 表面改性

UHMWPE表面改性技術是起源于20世紀末的一種改性技術，其原理是將UHMWPE放入化學試劑中并加熱熔融，或者是將不同的離子束注入到UHMWPE表面，以求改善其力學性能及耐磨性，從而提高其使用壽命。采用化學試劑和離子注入技術均明顯改善了UHMWPE的性能，提高了其力學性能和耐磨性，但是以上兩種改性方法對于UHMWPE性能的改善僅限于表面，其內部性能并未改善。同時，加熱熔融過程中具有毒性的化學試劑并未完全分解，其是否對人體有副作用以及其生物相容性仍有待進一步研究；熔融過程需要大量熱量，且反應時間長，并影響最終生成物的純度；離子束注入技術注入到UHMWPE的厚度有限（一般不超過10μm），不能保證長期正常使用。通過以上方法改性的材料在長期的摩擦磨損過程中極易失效，其缺點限制了UHMWPE在人工關節置換中的應用，因此UHMWPE的表面改性技術仍需進一步改進。

2.2 輻照改性

目前臨床上常用的輻照改性技術為使用γ射線或者電子束對UHMWPE進行輻照處理。輻照過程中，UHMWPE的線性分子鏈被高能粒子打斷并生成大量自由基，生成的自由基在UHMWPE內部非結晶區相互交聯成三維網狀結構。研究表明輻照改性處理可顯著提高UHMWPE的硬度等力學性能及耐磨性，同時輻照可以起到消毒殺菌的功能。雖然非結晶區的自由基能夠相互交聯，但是結晶區的自由基由于受到排列有序的分子鏈的影響，這些自由基不能相互交聯并將長期被限制在結晶區內。室溫下，此類殘留自由基至少可以穩定存在18年，植入人體后此類殘余自由基也可存在10年。殘留自由基緩慢移動至結晶區邊界，并與非結晶區內存在的氧氣發生氧化反應導致UHMWPE人工關節氧化降解。大量殘留自由基的存在會降低UHMWPE的抗氧化性，進而使其力學性能及耐磨性降低并最終致使人工關節失效。輻照后熱處理（熔融和退火）可以有效降低殘留自由基的濃度，熔融處理即輻照后將UHMWPE置于高于其熔點的溫度下處理，熔融處理基本可以清除殘留自由基，但會破壞晶體結構，從而導致其性能降低；退火處理是將UHMWPE置于低于其熔點的溫度下處理，退火處理基本可以有效降低殘留自由基濃度，但不能根本清除，因此UHMWPE輻照改性及其抗氧化性的提高須進一步研究。

2.3 填充改性

UHMWPE的填充改性是指將具有優異性能（抗氧化性、力學性能、耐磨性等）的材料填充到UHMWPE并以此來增強其性能的一種方法。填充物應具有增強UHMWPE力學性能及耐磨性的功能：如可增強UHMWPE力學性能、耐磨性及化學穩定性并可降低自由基濃度的碳納米管；可增強UHMWPE力學性能、耐磨性及抗氧化性的碳納米纖維、氧化石墨烯等，目前研究較為廣泛的是填充氧化石墨烯。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，是功能化的石墨烯，其具有石墨烯的大的比表面積及良好的力學性能。此外，與石墨烯不同的是，氧化石墨烯表面含有豐富的極性含氧官能團，使得其具有良好的分散性、親水性，同時保留了石墨烯的諸多優良特性，因此氧化石墨烯填充UHMWPE并結合輻照改性技術得到廣泛研究[2]。研究表明，填充氧化石墨烯與輻照技術共同使用可顯著提高UHMWPE的力學性能及耐磨性。此種方式改性的UHMWPE材料具有優異的性能，但是仍有待于臨床驗證。

3 結語

隨著人口老齡化及關節患者年輕化的趨勢愈加明顯，人工關節置換的需求會愈加強烈。UHMWPE人工關節材料經過50余年的發展取得了一定的成果，但仍有其局限性。面對社會經濟快速發展的新形勢、新需求，如何進一步提高UHMWPE人工關節材料的使用壽命以減輕患者痛苦、降低置換風險、減小經濟負擔，仍將是醫學界及科研工作者長期努力的目標。

參考文獻

[1] 黃國棟.輻照及老化對超高分子量聚乙烯/氧化石墨烯復合材料力學和摩擦學性能的影響及其微觀機理研究[D].江南大學，2017.

[2] 龐文超，倪自豐，陳國美，等.GO填充對UHMWPE復合材料的濕潤性及表面能影響[J].塑料工業，2015，43（9）：87-90.