UHMWPE人工關(guān)節(jié)的成形與性能

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。

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增加人工關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

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 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)的磨損問題，隨著在人體內(nèi)使用時(shí)間的延長，脛骨和大腿骨元件可能磨穿，導(dǎo)致關(guān)節(jié)松脫。

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100 kGy 時(shí)達(dá)到平穩(wěn)值。

UHMWPE人工關(guān)節(jié)的抗氧化

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)動性。

隨著時(shí)間的推移，被困在晶區(qū)的自由基將會與氧發(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

由于UHMWPE 流動性不好，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)間過長，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。

UHMWPE人工關(guān)節(jié)的自增強(qiáng)

人們注意到，隨著青年骨科患者日益增多，對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。

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(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(jìn)的注塑機(jī)———振動注塑成形) ，誘導(dǎo)自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形成。

通過在共混體系的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。

通過輻照交聯(lián)、熱處理及抗氧劑的加入，有效改善了UHMWPE 的耐磨性能，通過調(diào)控加工外場( 流動場)誘導(dǎo)自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的形成，大幅度提高了植入體的力學(xué)強(qiáng)度。

盡管UHMWPE 人工關(guān)節(jié)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(huán)境等因素對機(jī)體的影響，人工關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)置換術(shù)后假體無菌性的松動、力學(xué)強(qiáng)度不足等，仍是人工關(guān)節(jié)置換術(shù)亟待解決的問題，需要更多的學(xué)者投入到此項(xiàng)工作中來。

同時(shí)，研究并開發(fā)出兼?zhèn)淞己蒙锵嗳菪浴⒖蛊凇⒖鼓p以及高強(qiáng)度的新型材料，也是人工關(guān)節(jié)材料發(fā)展的新方向。

參考文獻(xiàn)：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(guān)節(jié)研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展

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