人工关节材料超高分子量聚乙烯的应用及其改性研究现状

俞俊钟

摘 要：现代医疗条件的飞速发展显著提高了现代人的平均寿命，患有关节问题人们的数量正在逐渐增多，本文对目前关节置换现状及需求、人工关节材料超高分子量聚乙烯在人工关节置换中的应用、面临的问题及其改性研究现状进行了综合分析，以期为医学界及科研工作者提供理论参考。

关键词：人工关节材料 超高分子量聚乙烯 应用 改性

中图分类号：R318 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（a）-0077-02

现代医疗条件的飞速发展显著提高了现代人的平均寿命，患有关节问题人们的数量正在逐渐增多，为了解决关节患者的相关难题，科研工作者长期以来关注人工关节材料的研究工作，对人工关节置换材料的性能及寿命提出了更高的要求，目前高分子聚合物材料因其优良的力学性能、耐磨性能、抗腐蚀性能及对硬异物的嵌藏能力，更适用于人工关节材料的制备。超高分子量聚乙烯（以下简称UHMWPE）具有良好的生物相容性、化学稳定性、抗冲击性、耐腐蚀性与耐磨性，是较为理想的医用高分子材料[1]。

1 UHMWPE在人工关节置中的应用现状

20世纪50年代，被称为“现代髋关节置换之父”的英国John Charnlery设计了一系列的动物关节以及人类关节的摩擦磨损来研究人工关节置换。通过大量的实验，John总结出自然关节具有较低的摩擦系数，因此其作用良好，这一特点是由于人体内软骨组织利用其内部的水以及滑液来促进润滑的特性决定的。当患者发生类似关节炎的关节疾病或其他原因导致关节受损时，软骨即失去润滑特性。随后John又进行了大量的关节摩擦磨损实验，并逐渐意识到体外合成的人工关节（如塑料、金属、陶瓷等）不能完全依赖液体润滑。此时，UHMWPE因其极低的摩擦系数进入John的视线。20世纪60年代初期，John提出了不同于仅使用金属材料作为人工关节的新思路，其将金属材料与UHMWPE共同使用，在过去的50余年的时间里，该组合被当作人工关节置换的金标准组合[2]。20世纪末，第一代UHMWPE应用于临床。21世纪初，随着资金的充足、技术的发展，美国对UHMWPE的研究取得了突破性进展，美国矫形外科协会（AOSS）将21世纪的前10年称为“美国骨关节的10年”。

UHMWPE作为人工关节置换的衬底材料，经过50余年的发展，其临床应用取得了重大成功。但是，其在应用期间，也产生了诸多问题。当人工关节假体植入人体后，UHMWPE材料须承受人体自身重量及人体运动产生的负荷，然而，UHMWPE是人工关节假体中最薄弱的部分，在长期的使用过程中会发生严重磨损和氧化，进而产生磨屑，并导致骨溶解产生无菌性松动，同时伴随着其耐磨性能的降低，最后会使UHMWPE关节失效。此时，关节需重新置换，患者不仅面临着痛苦，而且承担着一定的风险，同时面临着一定的经济压力。为了减轻病人的痛苦、降低风险、减小压力，延长假肢在人体内使用寿命，就必须对UHMWPE进行改性研究。目前针对 UHMWPE常用的改性方法有表面改性、辐照改性以及填充改性。

2 UHMWPE的改性研究现状

2.1 表面改性

UHMWPE表面改性技术是起源于20世纪末的一种改性技术，其原理是将UHMWPE放入化学试剂中并加热熔融，或者是将不同的离子束注入到UHMWPE表面，以求改善其力学性能及耐磨性，从而提高其使用寿命。采用化学试剂和离子注入技术均明显改善了UHMWPE的性能，提高了其力学性能和耐磨性，但是以上两种改性方法对于UHMWPE性能的改善仅限于表面，其内部性能并未改善。同时，加热熔融过程中具有毒性的化学试剂并未完全分解，其是否對人体有副作用以及其生物相容性仍有待进一步研究；熔融过程需要大量热量，且反应时间长，并影响最终生成物的纯度；离子束注入技术注入到UHMWPE的厚度有限（一般不超过10μm），不能保证长期正常使用。通过以上方法改性的材料在长期的摩擦磨损过程中极易失效，其缺点限制了UHMWPE在人工关节置换中的应用，因此UHMWPE的表面改性技术仍需进一步改进。

2.2 辐照改性

目前临床上常用的辐照改性技术为使用γ射线或者电子束对UHMWPE进行辐照处理。辐照过程中，UHMWPE的线性分子链被高能粒子打断并生成大量自由基，生成的自由基在UHMWPE内部非结晶区相互交联成三维网状结构。研究表明辐照改性处理可显著提高UHMWPE的硬度等力学性能及耐磨性，同时辐照可以起到消毒杀菌的功能。虽然非结晶区的自由基能够相互交联，但是结晶区的自由基由于受到排列有序的分子链的影响，这些自由基不能相互交联并将长期被限制在结晶区内。室温下，此类残留自由基至少可以稳定存在18年，植入人体后此类残余自由基也可存在10年。残留自由基缓慢移动至结晶区边界，并与非结晶区内存在的氧气发生氧化反应导致UHMWPE人工关节氧化降解。大量残留自由基的存在会降低UHMWPE的抗氧化性，进而使其力学性能及耐磨性降低并最终致使人工关节失效。辐照后热处理（熔融和退火）可以有效降低残留自由基的浓度，熔融处理即辐照后将UHMWPE置于高于其熔点的温度下处理，熔融处理基本可以清除残留自由基，但会破坏晶体结构，从而导致其性能降低；退火处理是将UHMWPE置于低于其熔点的温度下处理，退火处理基本可以有效降低残留自由基浓度，但不能根本清除，因此UHMWPE辐照改性及其抗氧化性的提高须进一步研究。

2.3 填充改性

UHMWPE的填充改性是指将具有优异性能（抗氧化性、力学性能、耐磨性等）的材料填充到UHMWPE并以此来增强其性能的一种方法。填充物应具有增强UHMWPE力学性能及耐磨性的功能：如可增强UHMWPE力学性能、耐磨性及化学稳定性并可降低自由基浓度的碳纳米管；可增强UHMWPE力学性能、耐磨性及抗氧化性的碳纳米纤维、氧化石墨烯等，目前研究较为广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积及良好的力学性能。此外，与石墨烯不同的是，氧化石墨烯表面含有丰富的极性含氧官能团，使得其具有良好的分散性、亲水性，同时保留了石墨烯的诸多优良特性，因此氧化石墨烯填充UHMWPE并结合辐照改性技术得到广泛研究[2]。研究表明，填充氧化石墨烯与辐照技术共同使用可显著提高UHMWPE的力学性能及耐磨性。此种方式改性的UHMWPE材料具有优异的性能，但是仍有待于临床验证。

3 结语

随着人口老龄化及关节患者年轻化的趋势愈加明显，人工关节置换的需求会愈加强烈。UHMWPE人工关节材料经过50余年的发展取得了一定的成果，但仍有其局限性。面对社会经济快速发展的新形势、新需求，如何进一步提高UHMWPE人工关节材料的使用寿命以减轻患者痛苦、降低置换风险、减小经济负担，仍将是医学界及科研工作者长期努力的目标。

参考文献

[1] 黄国栋.辐照及老化对超高分子量聚乙烯/氧化石墨烯复合材料力学和摩擦学性能的影响及其微观机理研究[D].江南大学，2017.

[2] 庞文超，倪自丰，陈国美，等.GO填充对UHMWPE复合材料的湿润性及表面能影响[J].塑料工业，2015，43（9）：87-90.