黃秀玲

上海大學機電工程與自動化學院，國家藥品監(jiān)督管理局無源植入器械質(zhì)量評價重點實驗室

王軍

上海大學機電工程與自動化學院，國家藥品監(jiān)督管理局無源植入器械質(zhì)量評價重點實驗室

董雙鵬＊

天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，國家藥品監(jiān)督管理局無源植入器械質(zhì)量評價重點實驗室

馬金竹

天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，國家藥品監(jiān)督管理局無源植入器械質(zhì)量評價重點實驗室

張述

天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，國家藥品監(jiān)督管理局無源植入器械質(zhì)量評價重點實驗室

華子愷＊

上海大學機電工程與自動化學院，國家藥品監(jiān)督管理局無源植入器械質(zhì)量評價重點實驗室

人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（total hip arthroplasty，THA）是一種治療慢性關(guān)節(jié)炎的有效手段，其可以減輕患者的關(guān)節(jié)疼痛、改善患者的活動能力并提高其生活質(zhì)量[1-2]。髖關(guān)節(jié)具有多個方向的活動能力，如屈伸、內(nèi)外旋等，其功能復雜，需承受一定的壓、拉、折、屈等負荷。因此，對人工髖關(guān)節(jié)材料的性能要求很高，如物理機械性能良好、化學穩(wěn)定性高、生物相容性良好等。

1962年，John Charnley首次將超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE） 作為關(guān)節(jié)面材料應用于全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中[3]。UHMWPE 是一種性能優(yōu)良的生物醫(yī)用材料，其具有化學惰性、良好的生物相容性、摩擦學性能等。然而，UHMWPE 受環(huán)境影響較大，在存儲或者植入人體過程中，該材料會發(fā)生老化，而老化作用會使得UHMWPE 的材料力學、化學以及耐磨等性能降低[4-7]，同時UHMWPE 的氧化降解已被發(fā)現(xiàn)是導致全髖關(guān)節(jié)置換中磨損量上升的重要原因[8]。因此，本文旨在通過結(jié)合UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)老化的相關(guān)研究，探討體外老化試驗方法以及老化作用對人工髖關(guān)節(jié)磨損性能的影響，以期為后續(xù)研究體外加速老化方法提供參考與借鑒。

1 老化方法的研究現(xiàn)狀

UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)從上市到使用過程中，都可能會受到外部環(huán)境因素的影響，發(fā)生老化作用，從而導致對產(chǎn)品的磨損性能等產(chǎn)生影響。老化作用一般主要發(fā)生在兩個過程中，一是存儲過程，由于人工髖關(guān)節(jié)上市后可能不會立即投入使用，因此會存儲一定時間，存儲環(huán)境一般為空氣，而當產(chǎn)品長時間與空氣接觸，UHMWPE 材料會發(fā)生老化作用，稱為貨架老化。二是使用過程，當人工髖關(guān)節(jié)植入人體后，UHMWPE 材料暴露于含有氧氣、水等物質(zhì)的滑膜液中，亦會發(fā)生老化作用[4,9]，稱為實時老化。

為研究老化作用 對UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)磨損性能的影響，研究者們通過設計體外老化方法來模擬上述老化過程。目前，體外模擬UHMWPE 老化的方法主要包括貨架老化、實時老化和加速老化[10]。

1.1 貨架老化

貨架老化一般在常溫常壓條件下進行，不同研究中對老化時間的制定策略有所不同。本文對不同研究中所采用的貨架老化策略進行了舉例，見表1。

表1 不同研究中采用的貨架老化策略

1.2 實時老化

Wannomae 等[15]在體外模擬體內(nèi)實時老化過程，研究實時老化對高交聯(lián)UHMWPE 氧化和磨損性能的影響，老化過程在57L 的蒸餾水浴中進行，溫度保持在40℃，老化時間分別持續(xù)58、95、128 周。為了確保體外環(huán)境的穩(wěn)定性和準確性，Wannomae 等定期對蒸餾水浴的氧氣濃度和溫度等指標進行測量，確保環(huán)境的穩(wěn)定性；同時還抽吸了8 名接受初次全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者的髖關(guān)節(jié)滑膜液，并將蒸餾水浴與滑膜液中的氧氣濃度進行比較，確保環(huán)境的準確性。

1.3 加速老化

加速老化是指在高溫和高壓氧的條件下加速UHMWPE 的氧化過程[16]。在UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)存儲和植入人體過程中，UHMWPE 的老化作用可能要經(jīng)歷數(shù)月或數(shù)年才會產(chǎn)生導致?lián)p害機械性能的變化，因此，研究人員通常采用加速老化的方法，即在一個相對短的時間周期內(nèi)（如數(shù)周）進行老化研究。為了規(guī)范研究人員的加速老化實驗，增強實驗結(jié)論間的可比性，美國材料與試驗協(xié)會（American Society for Testing and Materials，ASTM） 提出了ASTM F2003《空氣中γ 射線輻射后的超高分子量聚乙烯加速老化的標準》（Standard Practice for Accelerated Aging of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene after Gamma Irradiation in Air），該方法老化過程條件為：溫度70℃且恒定，5 個純氧大氣壓，老化周期為336±1h（2 周）。此外，還有其他研究者建立了自己的加速老化方法，本文對不同研究中所采用的加速老化策略進行了總結(jié)，詳見表2。

表2 不同研究中采用的加速老化策略

2 老化作用對人工髖關(guān)節(jié)磨損性能影響的研究現(xiàn)狀

2.1 老化作用影響UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)性能的評價方法

UHMWPE 的老化會導致其部分性能降低，如力學性能、磨損性能等。因此，研究人員通過一系列標準測試方法來獲得老化后UHMWPE 材料的本征參數(shù)、力學性能及磨損性能，從而評價老化作用對UHMWPE材料性能的影響。參考美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）制定的骨科植入物UHMWPE 的表征指導原則，本文總結(jié)了UHMWPE相關(guān)性能及評價方法，見表3。

表3 UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)相關(guān)性能測試方法[28]

續(xù)表

2.2 老化作用對UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)磨損性能影響的研究現(xiàn)狀

2.2.1 老化作用對UHMWPE 材料性能的影響

Lee 等[13]研究了貨架老化對UHMWPE 材料性能的影響，完成了交聯(lián)度和氧化指數(shù)的測定，如圖1所示；其中，圖1（a）橫軸代表每個髖臼內(nèi)襯的老化周期，且從左至右，老化周期依次增加，縱軸代表髖臼內(nèi)襯經(jīng)過老化后測得的交聯(lián)度；圖1（b）橫軸代表每個髖臼內(nèi)襯的老化周期，且從左至右，老化周期依次增加，縱軸代表髖臼內(nèi)襯經(jīng)過老化后測得的氧化指數(shù)。由圖1可知，經(jīng)過老化后#3 髖臼內(nèi)襯平均氧化指數(shù)最高，對應交聯(lián)度最低，氧化指數(shù)較低的#5 老化內(nèi)襯，其交聯(lián)度高于#4 和#6 老化內(nèi)襯，結(jié)果表明，隨著老化時間的延長，交聯(lián)度逐漸降低。

圖1 樣品實驗結(jié)果[13]

Fouad[14]研究了UHMWPE材料在自然環(huán)境下老化6年（溫度25±3℃，濕度80%±5%）后力學性能的變化，根據(jù)ISO 527-2:2012《塑料 拉伸性能的測定第2 部分：模壓和擠壓塑料試驗條件》（Plastics — Determination of Tensile Properties—Part 2:Test Conditions for Moulding and Extrusion Plastics）[29]的拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，自然老化6年后，UHMWPE 材料的彈性模量和屈服應力分別比未老化的彈性模量和屈服應力低49%和8%，斷裂應力和應變比未老化的分別降低了25% 和18.5%。結(jié)果表明，自然老化可導致UHMWPE 材料力學性能降低。

Mosatelli 等[30]研究了貨架老化對UHMWPE 材料力學性能的影響，按照ASTM F2183-02（2008）《外科植入物用超高分子重量聚乙烯的小型打孔器檢測的標準試驗方法》（Standard Test Method for Small Punch Testing of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Used in Surgical Implants）[31]完成了小型沖孔測試。貨架老化樣品的老化時間以及小型沖孔測試結(jié)果詳見表4。結(jié)果表明，貨架老化導致UHMWPE 材料的力學性能降低。

表4 貨架老化樣品小型沖孔測試結(jié)果[30]

Mosatelli 等[30]同時研究了貨架老化對UHMWPE 材料摩擦性能的影響，按照ASTM F732-00（2006）《用于全關(guān)節(jié)假體的聚合材料的磨損試驗的標準試驗方法》（Standard Test Method for Wear Testing of Polymeric Materials Used in Total Joint Prostheses）[32]進行銷盤磨損實驗評價摩擦性能。貨架老化樣品的老化時間以及平均磨損結(jié)果見表5。結(jié)果表明，貨架老化可導致UHMWPE 材料的耐磨損性能降低。

表5 貨架老化樣品平均磨損率[30]

2.2.2 老化作用對UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)磨損性能的影響

老化作用對UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)磨損性能造成怎樣的影響，針對上述問題，本文對不同研究中老化作用對UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)磨損性能影響的結(jié)果進行了總結(jié)，見表6～表8。

表6 普通UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)老化前后體外實驗磨損率

表7 高交聯(lián)UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)老化前后體外實驗磨損率

表8 VE/HXLPE 人工髖關(guān)節(jié)老化前后體外實驗磨損率

綜合上表，普通UHMWPE人工髖關(guān)節(jié)加速老化14 天后磨損率為16.0～30.3mg/mc，加速老化28 天后磨損率約為38 ～365.8mg/mc，加速老化30 天后磨損率約為32.9 ～49.01mg/mc。高交聯(lián)UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)加速老化14 天或28 天后磨損率約為2.0mg/mc，加速老化35 天后人工髖關(guān)節(jié)磨損率約為3.4mg/mc，加速老化42 天后人工髖關(guān)節(jié)磨損率約為52.0mg/mc。VE/HXLPE 人工髖關(guān)節(jié)加速老化14天后磨損率約為1.5mg/mc，加速老化28 天或42 天后磨損率約為2.3mg/mc。但截至目前，尚無研究人員定量分析老化作用對UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)磨損性能的影響，也未有將該數(shù)據(jù)與臨床磨損數(shù)據(jù)建立定量關(guān)系，用以評價老化方法效果的報道。

3 體外加速老化方法研究的局限性

目前，大部分研究人員均按照ASTM F2003《 空氣中γ 射線輻射后的超高分子量聚乙烯加速老化的標準》的方法在體外加速模擬UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)的老化過程，盡管該加速老化方法已成功用于UHMWPE 材料長期氧化穩(wěn)定性的評估，但貨架老化和植入體內(nèi)老化的環(huán)境較為復雜，除溫度和壓力，可能還會受到水分等因素的影響，因此該標準中的模擬方法尚無法精確地模擬貨架老化和植入期間的老化過程。

模擬貨架老化和植入老化的過程與加速老化過程中溫度、氣壓、周期等條件如何設置有關(guān)，同時由“2.2.2”可知，抗氧化性較強的UHMWPE 材料，短時間的加速老化周期對其體外磨損率較小，因此需針對不同UHMWPE 材料設置不同的加速老化周期。本文列舉了不同研究中加速老化和貨架老化等效關(guān)系的研究結(jié)果，見表9。

表9 加速老化和貨架老化等效關(guān)系

由于關(guān)于加速老化方法與貨架老化、植入體內(nèi)實時老化關(guān)聯(lián)性的研究較少，因此加速老化方法的環(huán)境條件以及加速老化時間如何設置從而達到與貨架老化、植入體內(nèi)實時老化相同的效果目前尚無準確的定論，有待進一步研究。此外，針對不同UHMWPE材料，也未有研究中設置了合理的對應加速老化周期。

4 總結(jié)與展望

本文以老化作用對UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)相關(guān)性能的影響為研究內(nèi)容，介紹了目前不同研究中的體外老化方法，包含標準以及非標方法；其次，總結(jié)出一套科學評價老化實驗影響UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)性能的分析方法，包括材料本征參數(shù)的測定、力學實驗、摩擦磨損實驗等，并從UHMWPE 材料相關(guān)性能以及UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)磨損性能兩個層面，介紹了相關(guān)研究進展，總結(jié)得出老化作用會降低UHMWPE 人工髖關(guān)節(jié)力學性能和摩擦磨損性能；最后，分析了當前加速老化方法的研究還存在一定的局限性，即缺失體內(nèi)水分對髖關(guān)節(jié)的影響，以及針對不同種類UHMWPE 需制定不同的加速老化周期。因此，研究人員仍需進一步研究加速老化周期的設定策略以及加速老化環(huán)境，以達到與長期的貨架和人體內(nèi)老化產(chǎn)生較一致的老化效果。