UHMWPE人工關節的成形與性能

1962 年Charnley 首次將UHMWPE 應用于人工關節，目前UHMWPE 主要應用于髖關節中的髖臼部件及膝關節等的襯墊材料，并通常與鈷鉻合金組成關節配副應用于人體。

髖關節由關節頭和關節窩組成，用于連接股骨頭和骨盆的關節窩。全髖關節置換術包括3 個部分:
①用UHMWPE關節窩置換髖關節窩( 髖臼) ;
②用金屬關節頭置換碎裂的股骨頭;
③用金屬桿插入股骨干來增加人工關節的穩定性。

髖關節窩( 髖臼) 本身通常為UHMWPE 半球構成，可直接植入骨盆。UHMWPE 作為髖關節窩( 髖臼) 材料已超過30 年歷史，但任何一種材料均有使用壽命，UHMWPE關節植入人體后也面臨著失效危險。

股骨球形頭和髖關節窩之間的固定應力可能導致塑料材料發生磨損或撕裂，嚴重的情況可能導致10 ～ 20 年之后進行髖關節修復手術。

圖2 人工膝關節置換示意圖

人工全膝關節包括股骨假體、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。

對于UHMWPE 人工膝關節而言，它同樣面臨著髖關節的磨損問題，隨著在人體內使用時間的延長，脛骨和大腿骨元件可能磨穿，導致關節松脫。

UHMWPE 關節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100 kGy 時達到平穩值。

UHMWPE人工關節的抗氧化

輻照交聯雖然大幅度提高了UHMWPE 關節植入體的耐磨性能，然而，一些輻照產生的自由基會被困于UHMWPE 的晶區之中，因為晶區的分子鏈是規整的排入晶格，幾乎不具有運動性。

隨著時間的推移，被困在晶區的自由基將會與氧發生一系列的氧化降解反應，引起關節植入體力學性能惡化并最終導致其氧化脆裂。

圖4 所示為UHMWPE 脛關節部件的氧化降解脆斷情況

由于UHMWPE 流動性不好，通常采用壓制燒結成形。壓制燒結成形使得UHMWPE 在高溫下停留時間過長，而可能發生氧化降解，斷鏈反應，生成雙鍵、自由基等。

因此，消除輻照交聯后殘留的及加工成形中產生的自由基，成為繼提高關節植入體耐磨性能的另一關鍵任務。研究發現，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。

UHMWPE人工關節的自增強

人們注意到，隨著青年骨科患者日益增多，對UHMWPE 關節植入體的力學性能要求更加嚴格，因此，提高UHMWPE 關節植入體的力學性能是一項非常

迫切而重要的研究課題。

基于生物相容性以及與UHMWPE 界面相容性的考慮，人們想到采用自增強的方法，提高關節植入體的力學性能。

研究發現，利用流動性較好的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，施加剪切流動場( 通過一種改進的注塑機———振動注塑成形) ，誘導自增強結構形成。

通過在共混體系的LMWPE 相區中，調控互鎖shish-kebab 結構，從而達到增強人工關節植入體力學性能的目的。

通過輻照交聯、熱處理及抗氧劑的加入，有效改善了UHMWPE 的耐磨性能，通過調控加工外場( 流動場)誘導自增強結構的形成，大幅度提高了植入體的力學強度。

盡管UHMWPE 人工關節植入體的綜合性能已得到較為顯著的提高，但目前，隨世界人口的老齡化、高能損傷的增多以及飲食、環境等因素對機體的影響，人工關節的需求量與日俱增，潛在市場巨大。

近年大量臨床研究表明，人工關節置換術后假體無菌性的松動、力學強度不足等，仍是人工關節置換術亟待解決的問題，需要更多的學者投入到此項工作中來。

同時，研究并開發出兼備良好生物相容性、抗疲勞、抗磨損以及高強度的新型材料，也是人工關節材料發展的新方向。

參考文獻：徐玲,黃妍斐,徐家壯,何本祥,李忠明.超高分子量聚乙烯人工關節研究進展[J].中國材料進展

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