超高分子量聚乙烯人工植入體的改性

超高分子量聚乙烯人工植入體的改性

1超高分子量聚乙烯材料特性概述關(guān)節(jié)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是20世紀(jì)骨科研究領(lǐng)域最重要的成就之一。他對(duì)許多關(guān)節(jié)疾病（骨關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)炎等）患者沒(méi)有疼痛。人工全關(guān)節(jié)置換術(shù)是目前臨床治療嚴(yán)重關(guān)節(jié)損傷和關(guān)節(jié)壞死的最佳治療方案,主要包括全髖關(guān)節(jié)置換和全膝關(guān)節(jié)置換。據(jù)報(bào)道,在歐洲,每年有80萬(wàn)例患者需要進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換,在美國(guó),每年約有55萬(wàn)人接受人工關(guān)節(jié)置換,而實(shí)際需要置換人工關(guān)節(jié)的病例數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該數(shù)字,并以每年7%~8%的趨勢(shì)遞增。在我國(guó),需要進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換的約有3000萬(wàn)人。由于人體關(guān)節(jié)功能復(fù)雜,特別是具有多個(gè)方向的活動(dòng)能力,且承受一定的壓、拉、折、屈等負(fù)荷,因此,對(duì)人工關(guān)節(jié)材料的性能要求很高,如物理機(jī)械性能良好、化學(xué)穩(wěn)定性高、生物相容性好等。超高分子量聚乙烯(UltrahighMelecularWeightPolyethylene,UHMWPE)是一種相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò)150萬(wàn)的工程塑料,擁有一種復(fù)合結(jié)構(gòu),高度有序的片晶鑲嵌在無(wú)規(guī)的無(wú)定形區(qū)中,其高的分子鏈纏結(jié)密度、適度的結(jié)晶度、極高的分子量及復(fù)合結(jié)構(gòu)賦予超高分子量聚乙烯獨(dú)特性能,如具有其它工程塑料無(wú)可比擬的抗沖擊性(是聚碳酸酯的2倍、ABS的5倍、聚甲醛的15倍)、耐磨損性(是鋼鐵的8~9倍)、低摩擦系數(shù)(和聚四氟乙烯相當(dāng))、耐化學(xué)腐蝕性、耐低溫性、耐應(yīng)力開(kāi)裂、低吸水率、生物相容性及自身潤(rùn)滑性等性能,被認(rèn)為是“令人驚異的塑料”,它成功被用于全關(guān)節(jié)替換材料已有超過(guò)50年的歷史,是目前最重要的人工關(guān)節(jié)用高分子材料。臨床研究表明,基于UHMWPE的人工關(guān)節(jié)植入體有效工作年限為10~15年。決定UHMWPE關(guān)節(jié)植入體使用壽命的主要性能因素包括耐磨性、氧化穩(wěn)定性和力學(xué)性能等。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年的潛心研究,在提高UHMWPE人工關(guān)節(jié)的耐磨性、氧化穩(wěn)定性及力學(xué)性能方面取得了很大進(jìn)展。為了改善UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的耐磨性,研究人員進(jìn)行了各種探索與嘗試,其中最具代表性的是美國(guó)麻省理工大學(xué)和哈佛醫(yī)學(xué)院附屬麻省總醫(yī)院的研究人員,將UHMWPE關(guān)節(jié)進(jìn)行輻照交聯(lián),大幅度提高其耐磨性,如磨損速率從未經(jīng)輻照交聯(lián)的9.8±0.7mg/m3降低到交聯(lián)后的0.1±0.1mg/m3。隨后,熱處理及抗氧劑的添加,顯著提高了UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的抗氧化性能。同時(shí),通過(guò)施加剪切流動(dòng)場(chǎng)誘導(dǎo)自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的生成,能很大程度上增強(qiáng)UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的力學(xué)性能。本文主要綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于UHMWPE人工關(guān)節(jié)植入體改性的研究進(jìn)展。2uhmwpe人工膝關(guān)節(jié)的特點(diǎn)1962年Charnley首次將UHMWPE應(yīng)用于人工關(guān)節(jié),目前UHMWPE主要應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)中的髖臼部件及膝關(guān)節(jié)等的襯墊材料,并通常與鈷鉻合金組成關(guān)節(jié)配副應(yīng)用于人體。圖1為全髖關(guān)節(jié)置換的基本組件、組裝好的全髖關(guān)節(jié)示意圖及置換后在人體內(nèi)的X光圖片。髖關(guān)節(jié)由關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)窩組成,用于連接股骨頭和骨盆的關(guān)節(jié)窩。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)包括3個(gè)部分:①用UHMWPE關(guān)節(jié)窩置換髖關(guān)節(jié)窩(髖臼);②用金屬關(guān)節(jié)頭置換碎裂的股骨頭;③用金屬桿插入股骨干來(lái)增加人工關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。通常連接股骨的金屬桿為鈷鉻合金或鈦合金材料制成,插入髖關(guān)節(jié)窩(髖臼)的股骨頂端的球狀物則由鈷鉻合金或是精制氧化鋁陶瓷材料制成,髖關(guān)節(jié)窩(髖臼)本身通常為UHMWPE半球構(gòu)成,可直接植入骨盆。UHMWPE作為髖關(guān)節(jié)窩(髖臼)材料已超過(guò)30年歷史,但任何一種材料均有使用壽命,UHMWPE關(guān)節(jié)植入人體后也面臨著失效危險(xiǎn)。股骨球形頭和髖關(guān)節(jié)窩之間的固定應(yīng)力可能導(dǎo)致塑料材料發(fā)生磨損或撕裂,嚴(yán)重的情況可能導(dǎo)致10~20年之后進(jìn)行髖關(guān)節(jié)修復(fù)手術(shù)。圖2為人工膝關(guān)節(jié)置換示意圖。人工全膝關(guān)節(jié)包括股骨假體、脛骨假體和髕骨假體,由金屬制成的股骨髁、脛骨托及UHMWPE制成的脛骨墊和髕骨假體幾部分組成。對(duì)于UHMWPE人工膝關(guān)節(jié)而言,它同樣面臨著髖關(guān)節(jié)的磨損問(wèn)題,隨著在人體內(nèi)使用時(shí)間的延長(zhǎng),脛骨和大腿骨元件可能磨穿,導(dǎo)致關(guān)節(jié)松脫。此外,磨損的UHMWPE顆粒還可能在關(guān)節(jié)部位引起炎癥,最后引起骨頭磨損,同樣造成關(guān)節(jié)松開(kāi)。類似UHMWPE人工髖關(guān)節(jié),UHMWPE人工膝關(guān)節(jié)也必須能夠承受日常來(lái)自運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)負(fù)荷所帶來(lái)的應(yīng)力作用,對(duì)UHMWPE植入體強(qiáng)度要求非常高。UHMWPE人工關(guān)節(jié)植入體,在全關(guān)節(jié)置換中充當(dāng)著舉足輕重的角色,植入人體后在使用過(guò)程中也面臨著各種失效的風(fēng)險(xiǎn),為了延長(zhǎng)UHMWPE人工關(guān)節(jié)的使用壽命,迫切需要提高UHMWPE人工關(guān)節(jié)的性能。UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的使用性能與其成形方式密切相關(guān)。眾所周知,UHMWPE由于其相對(duì)分子質(zhì)量極高,分子鏈長(zhǎng)且呈線性亂纏型分布,熔體特性與普通PE等一般熱塑性塑料截然不同,其熔體流動(dòng)性極差、熔體臨界剪切速率低易破裂、加工過(guò)程中不易進(jìn)料,成形溫度范圍窄、易氧化降解,給成形加工帶來(lái)極大困難。目前UHMWPE人工關(guān)節(jié)植入體主要采用壓制燒結(jié)成形。此成形過(guò)程面臨一些問(wèn)題,首先,壓制燒結(jié)成形使得UHMWPE在高溫下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而氧化降解,發(fā)生斷鏈反應(yīng),形成含雙鍵、自由基等對(duì)人體有潛在危害的物質(zhì),并導(dǎo)致制品力學(xué)性能下降;其次,由于UHMWPE顆粒的擴(kuò)散系數(shù)極小,因此,在壓制成形過(guò)程中顆粒間的界面不能完全消除,這種界面間的不完全熔融引起的結(jié)構(gòu)缺陷將導(dǎo)致關(guān)節(jié)植入體在劇烈的運(yùn)動(dòng)下斷裂等。表1為普通壓制燒結(jié)成形UHMWPE(GUR1050)的物理性能,可以看到對(duì)UHMWPE壓制燒結(jié)成形并沒(méi)有將UHMWPE的優(yōu)異性能充分發(fā)揮出來(lái),其拉伸強(qiáng)度還有很大的提升空間。因此,對(duì)UHMWPE材料開(kāi)展研究,提高UHMWPE關(guān)節(jié)植入體綜合性能,對(duì)于延長(zhǎng)關(guān)節(jié)使用壽命,減輕患者痛苦具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。3輻照處理工藝被廣泛用來(lái)緩解關(guān)節(jié)疼痛和改善關(guān)節(jié)功能的全關(guān)節(jié)置換術(shù),雖然是最為有效和成熟的手術(shù)之一,但由于UHMWPE人工關(guān)節(jié)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,承受較大載荷以及與不銹鋼、鈦合金、陶瓷等硬質(zhì)材料相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng),容易因磨損而引起諸多問(wèn)題:①UHMWPE的硬度和耐磨損性能相對(duì)較低,長(zhǎng)期使用過(guò)程中發(fā)生蠕變而使置換關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大磨損,進(jìn)而影響置換關(guān)節(jié)的裝配性;②磨損產(chǎn)生的磨屑聚積并誘發(fā)軟組織產(chǎn)生一系列不良的生物學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致假體周圍發(fā)生骨溶解,使固定良好的假體松動(dòng),大大縮短了人工關(guān)節(jié)植入體的使用壽命。臨床研究表明,植入人體中的人工關(guān)節(jié)使用10~15年后會(huì)因磨損而逐漸失效,近30%的患者10年內(nèi)需要進(jìn)行翻修手術(shù)。因此,延長(zhǎng)人工關(guān)節(jié)植入體的使用壽命,避免患者二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用,迫切需要解決人工關(guān)節(jié)材料耐磨方面存在的問(wèn)題。為了有效提高關(guān)節(jié)植入體的耐磨性,許多研究者經(jīng)過(guò)不斷探索發(fā)現(xiàn),利用輻照交聯(lián)方法效果顯著。對(duì)UHMWPE的輻照交聯(lián),是將UHMWPE暴露在高劑量的γ射線或電子束輻射中,輻射會(huì)引起UHMWPE分子鏈分解形成C和H自由基,然后通過(guò)不同分子鏈上的自由基再結(jié)合形成交聯(lián)點(diǎn),這些交聯(lián)點(diǎn)會(huì)減弱分子鏈的運(yùn)動(dòng)從而提高UHMWPE植入體的耐磨性能。眾多學(xué)者對(duì)輻照交聯(lián)后UHMWPE植入體的耐磨性能進(jìn)行了深入研究,交聯(lián)的UHMWPE植入體早在1998年已投入臨床使用,且顯示出優(yōu)異的耐磨性能。Muratoglu和McKellop等通過(guò)盤(pán)-銷實(shí)驗(yàn)(POD)對(duì)電子束交聯(lián)UHMWPE植入體的耐磨性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的磨損速率隨著輻照劑量的提高而迅速下降,在輻照劑量為100kGy時(shí)達(dá)到平穩(wěn)值,如圖3所示。Muratoglu等隨后研究了γ射線輻照交聯(lián)UHMWPE植入體的耐磨性能,通過(guò)在關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)上將輻照交聯(lián)UHMWPE試樣與直接燒結(jié)成形而未經(jīng)任何處理的試樣進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)輻照交聯(lián)試樣的耐磨性能,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未經(jīng)任何處理的對(duì)比樣。4uhmwpe氧化脆裂原理輻照交聯(lián)雖然大幅度提高了UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的耐磨性能,然而,一些輻照產(chǎn)生的自由基會(huì)被困于UHMWPE的晶區(qū)之中,因?yàn)榫^(qū)的分子鏈?zhǔn)且?guī)整的排入晶格,幾乎不具有運(yùn)動(dòng)性,隨著時(shí)間的推移,被困在晶區(qū)的自由基將會(huì)與氧發(fā)生一系列的氧化降解反應(yīng),引起關(guān)節(jié)植入體力學(xué)性能惡化并最終導(dǎo)致其氧化脆裂。圖4所示為UHMWPE脛關(guān)節(jié)部件的氧化降解脆斷情況。前述由于UHMWPE流動(dòng)性不好,通常采用壓制燒結(jié)成形。壓制燒結(jié)成形使得UHMWPE在高溫下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),而可能發(fā)生氧化降解,斷鏈反應(yīng),生成雙鍵、自由基等。因此,消除輻照交聯(lián)后殘留的及加工成形中產(chǎn)生的自由基,成為繼提高關(guān)節(jié)植入體耐磨性能的另一關(guān)鍵任務(wù)。研究發(fā)現(xiàn),有效消除自由基的方法主要有兩種,分別是熱處理和加入抗氧劑。4.1共存材料的氧化處理基于輻照交聯(lián)殘余自由基及UHMWPE熔體加工成形過(guò)程中可能產(chǎn)生的氧化問(wèn)題,研究發(fā)現(xiàn),對(duì)輻照交聯(lián)UHMWPE進(jìn)行熱處理,能在有效提高UHMWPE關(guān)節(jié)植入體耐磨性能的基礎(chǔ)上,顯著減少或消除殘留自由基。熱處理又分為兩種實(shí)施方式:一種是熔點(diǎn)以上熔融熱處理。是將溫度升高到交聯(lián)UHMWPE的熔點(diǎn)以上,將晶區(qū)熔融,使得殘留自由基有機(jī)會(huì)進(jìn)行再結(jié)合,當(dāng)晶區(qū)重結(jié)晶時(shí),殘留自由基將會(huì)被消除;另一種是在交聯(lián)UHMWPE熔點(diǎn)以下進(jìn)行熱處理。這在某種程度上也能有效減少交聯(lián)后殘留自由基的含量,但不能像熔融處理一樣消除自由基,關(guān)節(jié)植入體在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中依然面臨著氧化降解的危險(xiǎn)。據(jù)報(bào)道,輻照交聯(lián)并退火處理的UHMWPE關(guān)節(jié)植入活體,使用一段時(shí)間后將會(huì)被氧化,仍面臨著手術(shù)修復(fù)。Wannomae等分別對(duì)比研究了輻照交聯(lián)退火處理UHMWPE試樣、輻照交聯(lián)熔融處理UHMWPE試樣及對(duì)比樣的抗氧化性能,3種試樣在相同條件下經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)氧化處理128周,對(duì)距試樣表面不同距離的氧化指數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,輻照交聯(lián)熔融處理UHMWPE試樣,每個(gè)區(qū)域的氧化指數(shù)幾乎接近于0,即基本沒(méi)被氧化,而其他兩種試樣的氧化指數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輻照交聯(lián)熔融處理試樣,如圖5所示。隨后對(duì)3種氧化處理后的試樣進(jìn)行SEM觀察(見(jiàn)圖6)?？梢钥闯?常規(guī)UHMWPE(見(jiàn)6a)和輻射照并退火處理的UHMWPE(圖6b)出現(xiàn)白色帶狀物,這是由于高的氧化指數(shù)引起的脆性區(qū)域。輻照并熔融處理的UHMWPE(圖6c)沒(méi)有出現(xiàn)白色帶狀物,這是因?yàn)槠湓嚇泳哂休^低氧化指數(shù)。研究均表明熔融熱處理有利于提高UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的抗氧化性能。4.2輻照積極作用機(jī)理研究進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在輻照交聯(lián)的UHMWPE關(guān)節(jié)植入體中加入抗氧劑,如維生素E(VE)、受組胺光穩(wěn)定劑(HALS)、沒(méi)食子酸等,能有效捕捉加工中形成及輻照交聯(lián)后殘留的自由基,顯著地改善UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的抗氧化性能。Lerf等研究了輻照交聯(lián)UHMWPE關(guān)節(jié)植入體中,加入不同含量VE的抗氧化性能,將對(duì)比樣和不同VE含量的試樣于50℃在過(guò)氧化氫水溶液中進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn),并計(jì)算了試樣表面的最大氧化指數(shù),發(fā)現(xiàn)隨著VE含量增加,最大氧化指數(shù)的值最小,即VE的加入能顯著改善UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的抗氧化性能,如圖7所示。Gijsman等研究了HALS對(duì)輻照交聯(lián)UHMWPE關(guān)節(jié)植入體抗氧化性能的作用,分別制備了不同含量抗氧劑的試樣,并與對(duì)比樣一起在常溫下經(jīng)過(guò)為時(shí)6周的氧化,測(cè)試了各個(gè)試樣的羰基指數(shù),發(fā)現(xiàn)加入了HALS的試樣其羰基含量最低,低于加入了VE的試樣及對(duì)比樣(圖8)。這充分說(shuō)明HALS也能明顯提高UHMWPE人工關(guān)節(jié)植入體的抗氧化性能。其他抗氧劑對(duì)UHMWPE關(guān)節(jié)植入體氧化性能的影響也在進(jìn)一步研究中。5uhmwpe的力學(xué)性能研究如前所述,輻照交聯(lián)是通過(guò)在分子鏈上形成交聯(lián)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的,它改變了分子鏈結(jié)構(gòu),也影響了UHMWPE植入體的宏觀性能。許多學(xué)者對(duì)輻照交聯(lián)UHMWPE進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)果表明,高劑量的輻照會(huì)對(duì)UHMWPE植入體的力學(xué)性能(強(qiáng)度、模量、韌性)有不利影響[27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37]。人們注意到,隨著青年骨科患者日益增多,對(duì)UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的力學(xué)性能要求更加嚴(yán)格,因此,提高UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的力學(xué)性能是一項(xiàng)非常迫切而重要的研究課題?；谏锵嗳菪砸约芭cUHMWPE界面相容性的考慮,本研究小組提出采用自增強(qiáng)的方法,提高關(guān)節(jié)植入體的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn),利用流動(dòng)性較好的LMWPE改善UHMWPE的加工性,然后,在具有良好加工性的UHMWPE/LMWPE共混體系中,施加剪切流動(dòng)場(chǎng)(通過(guò)一種改進(jìn)的注塑機(jī)———振動(dòng)注塑成形),誘導(dǎo)自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形成。通過(guò)在共混體系的LMWPE相區(qū)中,調(diào)控互鎖shish-kebab結(jié)構(gòu),從而達(dá)到增強(qiáng)人工關(guān)節(jié)植入體力學(xué)性能的目的。值得一提的是,在UHMWPE與LMWPE熔體共混之前,我們通過(guò)溶液共混的方法,在LMWPE中加入了極少量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%)長(zhǎng)鏈UHMWPE分子,它可以作為shish結(jié)構(gòu)形成的前驅(qū)體,有助于形成更多的互鎖shish-kebab自增強(qiáng)結(jié)構(gòu),從而能更有效提高關(guān)節(jié)植入體綜合性能。自增強(qiáng)UHMWPE人工關(guān)節(jié)材料的成形過(guò)程如圖9所示。該方法中,UHMWPE的最大含量可達(dá)40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),獲得的自增強(qiáng)注塑制品的拉伸強(qiáng)度為78.4MPa,遠(yuǎn)高于對(duì)比樣壓縮模塑成形(CM)UHMWPE制品(27.6MPa);沖擊強(qiáng)度和楊氏模量也大幅度提高,并且,耐磨性和抗疲勞性達(dá)到很大程度保持。通過(guò)結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),振動(dòng)注塑制品(OscillationInjectionMolding,OSIM)中的LMWPE相形成了大量互鎖shish-kebab自增強(qiáng)結(jié)構(gòu),而壓縮模塑制品中只有UHMWPE無(wú)規(guī)排列的片晶存在(圖10)。為了進(jìn)一步提高共混物中UHMWPE的含量,最大限度保持UHMWPE優(yōu)異的性能,我們利用微交聯(lián)的方法,將共混體系中UHMWPE的相對(duì)含量提高到了50%,采用上述方法進(jìn)行成形,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)注塑成形的微交聯(lián)制品(xUPE)的力學(xué)性能再次得到了增強(qiáng)。xUPE的拉伸強(qiáng)度提高到81.2MPa,增長(zhǎng)幅度為194.2%,楊氏模量提高了58.4%,沖擊性能、耐磨性能及抗疲勞性能也得到了相應(yīng)提高。此方法使UHMWPE的優(yōu)異性能得到了進(jìn)一步保留,有效改善了UHMWPE關(guān)節(jié)植入體的綜合性能。經(jīng)過(guò)不斷的探索,本實(shí)驗(yàn)找到一種分子量極低的低分子量聚乙烯(ULMWPE),它可以作為UHMWPE的流動(dòng)改性劑。研究發(fā)現(xiàn),利用這種流動(dòng)改性劑,可以使共混體系中UHMWPE的相對(duì)含量達(dá)到90%,如此高的含量更有利于保持UHMWPE獨(dú)特的優(yōu)異性能。圖11和圖12分別為振動(dòng)注塑制品(MP-UHPE)和壓縮模塑成型制品(CM-UHPE)的力學(xué)性能和耐磨性能的比較圖,振動(dòng)注塑制品(MP-UHPE)的沖擊強(qiáng)度,從29.6kJ/m2提高到90.6kJ/m2,提高幅度為206.1%;拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別從30.8MPa和421.2MPa提高到65.5M