UHMWPE人工关节的成形与性能

      1962 年Charnley 首次将UHMWPE 应用于人工关节，目前UHMWPE 主要应用于髋关节中的髋臼部件及膝关节等的衬垫材料，并通常与钴铬合金组成关节配副应用于人体。

      髋关节由关节头和关节窝组成，用于连接股骨头和骨盆的关节窝。全髋关节置换术包括3 个部分:
     ①用UHMWPE关节窝置换髋关节窝( 髋臼) ;
     ②用金属关节头置换碎裂的股骨头;
     ③用金属杆插入股骨干来增加人工关节的稳定性。

     髋关节窝( 髋臼) 本身通常为UHMWPE 半球构成，可直接植入骨盆。UHMWPE 作为髋关节窝( 髋臼) 材料已超过30 年历史，但任何一种材料均有使用寿命，UHMWPE关节植入人体后也面临着失效危险。

     股骨球形头和髋关节窝之间的固定应力可能导致塑料材料发生磨损或撕裂，严重的情况可能导致10 ～ 20 年之后进行髋关节修复手术。

                                                     图2 人工膝关节置换示意图

      人工全膝关节包括股骨假体、胫骨假体和髌骨假体，由金属制成的股骨髁、胫骨托及UHMWPE 制成的胫骨垫和髌骨假体几部分组成。

      对于UHMWPE 人工膝关节而言，它同样面临着髋关节的磨损问题，随着在人体内使用时间的延长，胫骨和大腿骨元件可能磨穿，导致关节松脱。

      UHMWPE 关节植入体的磨损速率随着辐照剂量的提高而迅速下降，在辐照剂量为100 kGy 时达到平稳值。

UHMWPE人工关节的抗氧化

      辐照交联虽然大幅度提高了UHMWPE 关节植入体的耐磨性能，然而，一些辐照产生的自由基会被困于UHMWPE 的晶区之中，因为晶区的分子链是规整的排入晶格，几乎不具有运动性。

      随着时间的推移，被困在晶区的自由基将会与氧发生一系列的氧化降解反应，引起关节植入体力学性能恶化并最终导致其氧化脆裂。

图4 所示为UHMWPE 胫关节部件的氧化降解脆断情况

      由于UHMWPE 流动性不好，通常采用压制烧结成形。压制烧结成形使得UHMWPE 在高温下停留时间过长，而可能发生氧化降解，断链反应，生成双键、自由基等。

      因此，消除辐照交联后残留的及加工成形中产生的自由基，成为继提高关节植入体耐磨性能的另一关键任务。研究发现，有效消除自由基的方法主要有两种，分别是热处理和加入抗氧剂。

UHMWPE人工关节的自增强

      人们注意到，随着青年骨科患者日益增多，对UHMWPE 关节植入体的力学性能要求更加严格，因此，提高UHMWPE 关节植入体的力学性能是一项非常

迫切而重要的研究课题。

       基于生物相容性以及与UHMWPE 界面相容性的考虑，人们想到采用自增强的方法，提高关节植入体的力学性能。

       研究发现，利用流动性较好的LMWPE 改善UHMWPE 的加工性，然后，在具有良好加工性的UHMWPE / LMWPE共混体系中，施加剪切流动场( 通过一种改进的注塑机———振动注塑成形) ，诱导自增强结构形成。

       通过在共混体系的LMWPE 相区中，调控互锁shish-kebab 结构，从而达到增强人工关节植入体力学性能的目的。

       通过辐照交联、热处理及抗氧剂的加入，有效改善了UHMWPE 的耐磨性能，通过调控加工外场( 流动场)诱导自增强结构的形成，大幅度提高了植入体的力学强度。

      尽管UHMWPE 人工关节植入体的综合性能已得到较为显著的提高，但目前，随世界人口的老龄化、高能损伤的增多以及饮食、环境等因素对机体的影响，人工关节的需求量与日俱增，潜在市场巨大。

      近年大量临床研究表明，人工关节置换术后假体无菌性的松动、力学强度不足等，仍是人工关节置换术亟待解决的问题，需要更多的学者投入到此项工作中来。

      同时，研究并开发出兼备良好生物相容性、抗疲劳、抗磨损以及高强度的新型材料，也是人工关节材料发展的新方向。