俞俊鐘
摘 要:現(xiàn)代醫(yī)療條件的飛速發(fā)展顯著提高了現(xiàn)代人的平均壽命,患有關(guān)節(jié)問題人們的數(shù)量正在逐漸增多,本文對目前關(guān)節(jié)置換現(xiàn)狀及需求、人工關(guān)節(jié)材料超高分子量聚乙烯在人工關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用、面臨的問題及其改性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合分析,以期為醫(yī)學(xué)界及科研工作者提供理論參考。
關(guān)鍵詞:人工關(guān)節(jié)材料 超高分子量聚乙烯 應(yīng)用 改性
中圖分類號:R318 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2018)10(a)-0077-02
現(xiàn)代醫(yī)療條件的飛速發(fā)展顯著提高了現(xiàn)代人的平均壽命,患有關(guān)節(jié)問題人們的數(shù)量正在逐漸增多,為了解決關(guān)節(jié)患者的相關(guān)難題,科研工作者長期以來關(guān)注人工關(guān)節(jié)材料的研究工作,對人工關(guān)節(jié)置換材料的性能及壽命提出了更高的要求,目前高分子聚合物材料因其優(yōu)良的力學(xué)性能、耐磨性能、抗腐蝕性能及對硬異物的嵌藏能力,更適用于人工關(guān)節(jié)材料的制備。超高分子量聚乙烯(以下簡稱UHMWPE)具有良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗沖擊性、耐腐蝕性與耐磨性,是較為理想的醫(yī)用高分子材料[1]。
1 UHMWPE在人工關(guān)節(jié)置中的應(yīng)用現(xiàn)狀
20世紀(jì)50年代,被稱為“現(xiàn)代髖關(guān)節(jié)置換之父”的英國John Charnlery設(shè)計了一系列的動物關(guān)節(jié)以及人類關(guān)節(jié)的摩擦磨損來研究人工關(guān)節(jié)置換。通過大量的實(shí)驗(yàn),John總結(jié)出自然關(guān)節(jié)具有較低的摩擦系數(shù),因此其作用良好,這一特點(diǎn)是由于人體內(nèi)軟骨組織利用其內(nèi)部的水以及滑液來促進(jìn)潤滑的特性決定的。當(dāng)患者發(fā)生類似關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)疾病或其他原因?qū)е玛P(guān)節(jié)受損時,軟骨即失去潤滑特性。隨后John又進(jìn)行了大量的關(guān)節(jié)摩擦磨損實(shí)驗(yàn),并逐漸意識到體外合成的人工關(guān)節(jié)(如塑料、金屬、陶瓷等)不能完全依賴液體潤滑。此時,UHMWPE因其極低的摩擦系數(shù)進(jìn)入John的視線。20世紀(jì)60年代初期,John提出了不同于僅使用金屬材料作為人工關(guān)節(jié)的新思路,其將金屬材料與UHMWPE共同使用,在過去的50余年的時間里,該組合被當(dāng)作人工關(guān)節(jié)置換的金標(biāo)準(zhǔn)組合[2]。20世紀(jì)末,第一代UHMWPE應(yīng)用于臨床。21世紀(jì)初,隨著資金的充足、技術(shù)的發(fā)展,美國對UHMWPE的研究取得了突破性進(jìn)展,美國矯形外科協(xié)會(AOSS)將21世紀(jì)的前10年稱為“美國骨關(guān)節(jié)的10年”。
UHMWPE作為人工關(guān)節(jié)置換的襯底材料,經(jīng)過50余年的發(fā)展,其臨床應(yīng)用取得了重大成功。但是,其在應(yīng)用期間,也產(chǎn)生了諸多問題。當(dāng)人工關(guān)節(jié)假體植入人體后,UHMWPE材料須承受人體自身重量及人體運(yùn)動產(chǎn)生的負(fù)荷,然而,UHMWPE是人工關(guān)節(jié)假體中最薄弱的部分,在長期的使用過程中會發(fā)生嚴(yán)重磨損和氧化,進(jìn)而產(chǎn)生磨屑,并導(dǎo)致骨溶解產(chǎn)生無菌性松動,同時伴隨著其耐磨性能的降低,最后會使UHMWPE關(guān)節(jié)失效。此時,關(guān)節(jié)需重新置換,患者不僅面臨著痛苦,而且承擔(dān)著一定的風(fēng)險,同時面臨著一定的經(jīng)濟(jì)壓力。為了減輕病人的痛苦、降低風(fēng)險、減小壓力,延長假肢在人體內(nèi)使用壽命,就必須對UHMWPE進(jìn)行改性研究。目前針對 UHMWPE常用的改性方法有表面改性、輻照改性以及填充改性。
2 UHMWPE的改性研究現(xiàn)狀
2.1 表面改性
UHMWPE表面改性技術(shù)是起源于20世紀(jì)末的一種改性技術(shù),其原理是將UHMWPE放入化學(xué)試劑中并加熱熔融,或者是將不同的離子束注入到UHMWPE表面,以求改善其力學(xué)性能及耐磨性,從而提高其使用壽命。采用化學(xué)試劑和離子注入技術(shù)均明顯改善了UHMWPE的性能,提高了其力學(xué)性能和耐磨性,但是以上兩種改性方法對于UHMWPE性能的改善僅限于表面,其內(nèi)部性能并未改善。同時,加熱熔融過程中具有毒性的化學(xué)試劑并未完全分解,其是否對人體有副作用以及其生物相容性仍有待進(jìn)一步研究;熔融過程需要大量熱量,且反應(yīng)時間長,并影響最終生成物的純度;離子束注入技術(shù)注入到UHMWPE的厚度有限(一般不超過10μm),不能保證長期正常使用。通過以上方法改性的材料在長期的摩擦磨損過程中極易失效,其缺點(diǎn)限制了UHMWPE在人工關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用,因此UHMWPE的表面改性技術(shù)仍需進(jìn)一步改進(jìn)。
2.2 輻照改性
目前臨床上常用的輻照改性技術(shù)為使用γ射線或者電子束對UHMWPE進(jìn)行輻照處理。輻照過程中,UHMWPE的線性分子鏈被高能粒子打斷并生成大量自由基,生成的自由基在UHMWPE內(nèi)部非結(jié)晶區(qū)相互交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。研究表明輻照改性處理可顯著提高UHMWPE的硬度等力學(xué)性能及耐磨性,同時輻照可以起到消毒殺菌的功能。雖然非結(jié)晶區(qū)的自由基能夠相互交聯(lián),但是結(jié)晶區(qū)的自由基由于受到排列有序的分子鏈的影響,這些自由基不能相互交聯(lián)并將長期被限制在結(jié)晶區(qū)內(nèi)。室溫下,此類殘留自由基至少可以穩(wěn)定存在18年,植入人體后此類殘余自由基也可存在10年。殘留自由基緩慢移動至結(jié)晶區(qū)邊界,并與非結(jié)晶區(qū)內(nèi)存在的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致UHMWPE人工關(guān)節(jié)氧化降解。大量殘留自由基的存在會降低UHMWPE的抗氧化性,進(jìn)而使其力學(xué)性能及耐磨性降低并最終致使人工關(guān)節(jié)失效。輻照后熱處理(熔融和退火)可以有效降低殘留自由基的濃度,熔融處理即輻照后將UHMWPE置于高于其熔點(diǎn)的溫度下處理,熔融處理基本可以清除殘留自由基,但會破壞晶體結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致其性能降低;退火處理是將UHMWPE置于低于其熔點(diǎn)的溫度下處理,退火處理基本可以有效降低殘留自由基濃度,但不能根本清除,因此UHMWPE輻照改性及其抗氧化性的提高須進(jìn)一步研究。
2.3 填充改性
UHMWPE的填充改性是指將具有優(yōu)異性能(抗氧化性、力學(xué)性能、耐磨性等)的材料填充到UHMWPE并以此來增強(qiáng)其性能的一種方法。填充物應(yīng)具有增強(qiáng)UHMWPE力學(xué)性能及耐磨性的功能:如可增強(qiáng)UHMWPE力學(xué)性能、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性并可降低自由基濃度的碳納米管;可增強(qiáng)UHMWPE力學(xué)性能、耐磨性及抗氧化性的碳納米纖維、氧化石墨烯等,目前研究較為廣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積及良好的力學(xué)性能。此外,與石墨烯不同的是,氧化石墨烯表面含有豐富的極性含氧官能團(tuán),使得其具有良好的分散性、親水性,同時保留了石墨烯的諸多優(yōu)良特性,因此氧化石墨烯填充UHMWPE并結(jié)合輻照改性技術(shù)得到廣泛研究[2]。研究表明,填充氧化石墨烯與輻照技術(shù)共同使用可顯著提高UHMWPE的力學(xué)性能及耐磨性。此種方式改性的UHMWPE材料具有優(yōu)異的性能,但是仍有待于臨床驗(yàn)證。
3 結(jié)語
隨著人口老齡化及關(guān)節(jié)患者年輕化的趨勢愈加明顯,人工關(guān)節(jié)置換的需求會愈加強(qiáng)烈。UHMWPE人工關(guān)節(jié)材料經(jīng)過50余年的發(fā)展取得了一定的成果,但仍有其局限性。面對社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的新形勢、新需求,如何進(jìn)一步提高UHMWPE人工關(guān)節(jié)材料的使用壽命以減輕患者痛苦、降低置換風(fēng)險、減小經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),仍將是醫(yī)學(xué)界及科研工作者長期努力的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃國棟.輻照及老化對超高分子量聚乙烯/氧化石墨烯復(fù)合材料力學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響及其微觀機(jī)理研究[D].江南大學(xué),2017.
[2] 龐文超,倪自豐,陳國美,等.GO填充對UHMWPE復(fù)合材料的濕潤性及表面能影響[J].塑料工業(yè),2015,43(9):87-90.