超高分子量聚乙烯在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用及基礎(chǔ)研究進(jìn)展

艾承沖(綜述) 蔣 佳 陳世益△(審校)

(1復(fù)旦大學(xué)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中心-華山醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)與關(guān)節(jié)鏡外科 上海 200040;2復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200433)

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超高分子量聚乙烯在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用及基礎(chǔ)研究進(jìn)展

艾承沖1,2(綜述) 蔣 佳1,2陳世益1,2△(審校)

(1復(fù)旦大學(xué)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中心-華山醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)與關(guān)節(jié)鏡外科 上海 200040;2復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200433)

超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)憑借其良好的拉伸強(qiáng)度、耐磨性、耐沖擊性、化學(xué)穩(wěn)定性、低密度等特性在骨科人工關(guān)節(jié)假體、骨科縫線和人工韌帶等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。臨床研究發(fā)現(xiàn)UHMWPE關(guān)節(jié)產(chǎn)品產(chǎn)生磨損顆粒所導(dǎo)致的骨質(zhì)溶解是髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后失敗的主要原因,為此許多研究致力于提高它的耐磨性以及改善它的生物相容性。本文對(duì)UHMWPE在骨科的臨床應(yīng)用和基礎(chǔ)研究相關(guān)進(jìn)展作一綜述。

超高分子量聚乙烯; 改性; 生物相容性

超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)是一種具有優(yōu)異綜合性能的工程塑料。它具有良好的機(jī)械性能、抗沖擊性、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性,與骨科許多方面對(duì)材料的要求相契合,在骨科移植物方面得到了廣泛應(yīng)用。本文將從人工關(guān)節(jié)假體、縫線和人工韌帶3個(gè)方面對(duì)UHMWPE在骨科領(lǐng)域的臨床應(yīng)用和基礎(chǔ)研究進(jìn)展作一綜述。

UHMWPE在骨科中的應(yīng)用

人工關(guān)節(jié)假體中的應(yīng)用 UHMWPE自1962年作為一種低磨損軸承關(guān)節(jié)假體材料在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中應(yīng)用至今,目前它仍是髖關(guān)節(jié)置換關(guān)節(jié)臼襯墊材料的最佳選擇之一[1]。早期使用的高分子聚乙烯是由乙烯氣體聚合形成的大分子碳鏈聚合物,醫(yī)用等級(jí)的聚乙烯一般采用20～40 kGy輻射劑量進(jìn)行伽馬輻射滅菌。伽馬輻射滅菌法可以使分子鏈相互交聯(lián),增加材料的耐磨性,但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致自由基產(chǎn)生,滅菌后的材料暴露在空氣中或體內(nèi)使用時(shí)自由基的氧化會(huì)使得材料的力學(xué)性能下降[2]。關(guān)節(jié)置換術(shù)后出現(xiàn)骨質(zhì)溶解和磨損等問(wèn)題一直促使研究者對(duì)該材料進(jìn)行不斷改進(jìn)。在20世紀(jì)90年代,通過(guò)由伽馬射線或電子束高劑量輻射所形成的第一代高交聯(lián)聚乙烯(highly cross-linked polyethylene,HXLPE)出現(xiàn),使得UHMWPE耐磨性得到很大的改進(jìn)。Kurtz等[1]收集了髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后隨訪至少5年的病例,對(duì)股骨頭穿透率(femoral head penetration)進(jìn)行加權(quán)平均分析,證實(shí)了HXLPE襯墊的股骨頭穿透率低于傳統(tǒng)的超高分子聚乙烯,并且發(fā)生骨質(zhì)溶解的風(fēng)險(xiǎn)下降了87%。Glyn-Jones等[3]進(jìn)行的雙盲前瞻性研究中,54個(gè)患者隨機(jī)分為UHMWPE組和HXLPE組,分別使用兩種關(guān)節(jié)襯墊進(jìn)行手術(shù),術(shù)后10年的放射立體照相測(cè)量分析證實(shí)了HXLPE比傳統(tǒng)UHMWPE耐磨性更佳。體外銷-盤式磨損試驗(yàn)也證明HXLPE比傳統(tǒng)聚乙烯材料磨損率低[4]。另外,材料磨損產(chǎn)生的磨損顆粒與骨質(zhì)溶解以及移植物松動(dòng)緊密相關(guān),而高交聯(lián)的UHMWPE產(chǎn)生的磨損顆粒數(shù)量較傳統(tǒng)UHMWPE少且顆粒體積較小,可能有利于減少骨質(zhì)溶解的發(fā)生[5]。但輻射劑量增加使得產(chǎn)生的自由基的量也隨之增加,此外交聯(lián)的發(fā)生使得材料的抗疲勞性下降。為此又在第一代高交聯(lián)聚乙烯的制作工藝中引入了再融化和退火的熱處理方法以增加其抗氧化能力。輻射后熱處理可為自由基提供能量使其重組而有效減少自由基,但同時(shí)又各有弊端。退火處理后的UHMWPE仍有自由基殘留,臨床隨訪發(fā)現(xiàn)退火處理的HXLPE磨損率與第一代HXLPE相比無(wú)明顯差異,說(shuō)明熱處理不會(huì)損害材料的耐磨性[6],但在術(shù)后回收的退火加工的UHMWPE材料的襯墊邊緣觀察到了氧化以及邊緣分層[7-8]。再融化處理會(huì)使UHMWPE結(jié)晶度下降導(dǎo)致材料的耐疲勞性下降,再融化處理的UHMWPE襯墊術(shù)后出現(xiàn)邊緣裂痕而要翻修的病例多有報(bào)道[1],說(shuō)明再融化的方式未能徹底將氧化降解以及力學(xué)退化的問(wèn)題同時(shí)解決。

連續(xù)輻射和退火循環(huán)工藝的采用以及將維生素E引入制作過(guò)程在改進(jìn)材料的抗氧化性的同時(shí)保持了其良好的耐疲勞性和耐磨性,使得第二代高交聯(lián)聚乙烯應(yīng)運(yùn)而生[9]。維生素E是人體內(nèi)有效的抗氧化劑,其主要作用是在細(xì)胞表面與自由基反應(yīng),破壞多不飽和脂肪酸的氧化反應(yīng)鏈,以減少氧化引起的多不飽和脂肪酸的降解。聚乙烯的氧化反應(yīng)與體內(nèi)多不飽和脂肪酸的氧化反應(yīng)機(jī)制類似,維生素E的介入可有效阻礙聚乙烯氧化反應(yīng)的發(fā)生[10]。將維生素E引入了高分子聚乙烯的制作工藝中可增加材料的抗氧化性能。目前主要有兩種制作方法,一種是將維生素E與UHMWPE粉末在固結(jié)之前混合,參與輻射交聯(lián)發(fā)生的過(guò)程,這樣可防止聚合物氧化,但同時(shí)也減少了交聯(lián)的效率[11]。輻射劑量決定交聯(lián)密度從而影響到材料的耐磨性能,通過(guò)調(diào)節(jié)交聯(lián)中維生素E的添加濃度和輻射劑量,使得材料的耐磨性能與抗氧化能力兩者達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn);另一種是在UHMWPE接受輻射之后再將維生素E擴(kuò)散到材料中,該方法避免了對(duì)聚合物交聯(lián)的影響,且維生素E的添加量不再受制于交聯(lián)密度,但在加入維生素E之前的輻射和儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)有氧化反應(yīng)發(fā)生,并且添加完成后需再通過(guò)均化作用這一步驟使材料獲得充分均勻的抗氧化性能。與融化處理的UHMWPE相比,添加維生素E的UHMWPE抗氧化性得到提升,耐磨性未受損且耐疲勞性得到改善[5,12]。Oral等[13]和Turner等[14]使用髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)維生素E不會(huì)降低材料的耐磨性,通過(guò)模擬股骨頸對(duì)髖臼窩邊緣沖擊的疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),維生素E擴(kuò)散的第二代高交聯(lián)聚乙烯與傳統(tǒng)聚乙烯的耐疲勞性表現(xiàn)無(wú)明顯差別,可能是因?yàn)閷?duì)輻射后的UHMWPE添加維生素E可避免熱處理所致的結(jié)晶度的下降。Jarrett等[15]通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了維生素E擴(kuò)散的第二代高交聯(lián)聚乙烯的疲勞強(qiáng)度優(yōu)于單純的第二代高交聯(lián)聚乙烯,并且通過(guò)兔、犬動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入聚乙烯中的維生素E濃度并不會(huì)對(duì)假體周圍組織造成毒性反應(yīng)或引起炎癥。小鼠顱骨模型試驗(yàn)也證實(shí)了維生素E的加入不會(huì)加重骨質(zhì)溶解以及引起炎性反應(yīng)[16]。TNF-α、TL-1β、IL-6以及IL-8等炎性因子與無(wú)菌性骨質(zhì)溶解現(xiàn)象以及破骨細(xì)胞成熟緊密相關(guān)[14],體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)維生素E混合后的UHMWPE磨損顆粒與人外周血單核細(xì)胞培養(yǎng)引起這些炎性因子分泌的量比傳統(tǒng)UHMWPE的磨損顆粒組分泌的量顯著減少[17]。目前尚無(wú)維生素E在關(guān)節(jié)假體應(yīng)用中引起不良事件的報(bào)道。

骨科縫線中的應(yīng)用 1979年荷蘭DSM公司通過(guò)凝膠紡絲法制備了高強(qiáng)度高彈性模量的超高分子聚乙烯纖維。目前,超高分子聚乙烯纖維的工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)十分成熟,是世界三大高科技纖維(碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維)之一,也是世界上最堅(jiān)韌的纖維。其憑借出色的力學(xué)性能、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于骨科縫線。UHMWPE目前在半月板撕裂傷縫合、肩袖修復(fù)術(shù)、接骨術(shù)中都有應(yīng)用,其作為縫線的力學(xué)優(yōu)越性已在許多實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。Kenichi等[18]通過(guò)拔出試驗(yàn)和比格犬接骨術(shù)模型術(shù)后組織學(xué)研究發(fā)現(xiàn),術(shù)后6個(gè)月UHMWPE與軟鋼索兩組骨折愈合效果相似,且材料引起的組織反應(yīng)包括周圍炎性反應(yīng)和肉芽組織生成方面,UHMWPE組比軟鋼索組弱,顯示出UHMWPE在接骨術(shù)中的應(yīng)用潛力。Dickman等[19]曾報(bào)道在脊柱融合術(shù)中使用UHMWPE纖維纜繩將金屬棒固定在骨上,其靜態(tài)極限抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性均優(yōu)于鈦纜、鋼纜、鋼絲。另外,UHMWPE纖維纜繩可制成條帶狀,這有利于術(shù)中需要的捆綁固定效果,同時(shí)也可減少對(duì)骨的局部應(yīng)力。Anderson等[20]用骨骼未成熟的豬膝關(guān)節(jié)制備脛骨髁間棘骨折模型,使用骨骺保護(hù)型方法進(jìn)行骨折固定,對(duì)UHMWPE縫線/紐扣鋼板(ultra-high molecular weight polyethylene suture-suture button,UHMWPE/SB)、縫合錨定(sucture anchor)、PDS線/紐扣鋼板(polydioxanone suture-suture button,PDS/SB)和螺絲固定4種方法進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)UHMWPE縫線/紐扣鋼板組的最大破壞載荷、屈服載荷、蠕變優(yōu)于PDS線/紐扣鋼板和螺絲固定且比縫合錨定獲得更穩(wěn)定的效果。Onur等[21]使用體外牛內(nèi)側(cè)半月板做前后垂直2 cm切口,再用不同的2號(hào)縫線水平縫合后做生物力學(xué)測(cè)試,4種縫線分別為單純UHMWPE、UHMWPE+聚酯、UHMWPE+PDS、單純聚酯,結(jié)果發(fā)現(xiàn)單純UHMWPE和UHMWPE+PDS最大破壞載荷高于UHMWPE+聚酯和單純聚酯。

人工韌帶中的應(yīng)用 前交叉韌帶運(yùn)動(dòng)損傷是膝關(guān)節(jié)常見(jiàn)疾病,主要通過(guò)自體、異體肌腱移植和人工韌帶重建進(jìn)行治療。由于自體及異體肌腱移植術(shù)后愈合時(shí)間長(zhǎng)、取材部位損傷、疾病傳播、數(shù)量有限等原因,20世紀(jì)70年代起人工韌帶開(kāi)始受到關(guān)注。但早期臨床隨訪結(jié)果發(fā)現(xiàn)人工韌帶移植物重建前交叉韌帶術(shù)后只有30%～60%的成功率,重建術(shù)后韌帶伸長(zhǎng)、斷裂、骨道擴(kuò)大、磨損顆粒產(chǎn)生及滑膜炎等并發(fā)癥的出現(xiàn)使得人工韌帶臨床應(yīng)用效果及價(jià)值受到質(zhì)疑,并在20世紀(jì)90年代逐漸被人們淘汰[22]。UHMWPE、聚酯、聚丙烯等都曾用作人工韌帶材料,除了材料的自身性能外人工韌帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及手術(shù)技術(shù)對(duì)術(shù)后結(jié)果也至關(guān)重要。20世紀(jì)70年代曾使用過(guò)UHMWPE材料制作的棒狀人工韌帶產(chǎn)品,Chen等[23]對(duì)38例平均年齡25.5歲的手術(shù)患者進(jìn)行平均12～18個(gè)月的隨訪發(fā)現(xiàn),30例患者依然有疼痛和關(guān)節(jié)不穩(wěn)的情況,術(shù)后3～12個(gè)月就有6個(gè)患者出現(xiàn)韌帶假體斷裂,進(jìn)一步力學(xué)研究也證明棒狀UHMWPE屈服強(qiáng)度、蠕變以及抗疲勞性能都不符合人體前交叉韌帶的力學(xué)要求。一項(xiàng)以UHMWPE纖維編織的人工韌帶為實(shí)驗(yàn)組,骨-髕腱-骨自體移植物為對(duì)照組的術(shù)后14年的隨訪研究發(fā)現(xiàn),兩組術(shù)后的主觀評(píng)分(Tegner評(píng)分和Lysholm評(píng)分)與客觀檢測(cè)(體格檢查和KT1000測(cè)量)無(wú)明顯差異,證明了UHMWPE纖維作為人工韌帶編織原料的可行性[24]。目前市場(chǎng)上的人工韌帶原材料以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯多見(jiàn),且近5年沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)UHMWPE人工韌帶。近來(lái)有學(xué)者采用混合編織的方式將UHMWPE纖維出色的力學(xué)性用于人工韌帶的構(gòu)建。Bach等[25]將UHMWPE線編織成網(wǎng)狀后包裹聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)凝膠纖維編織成的核心制備UHMWPE/PVA人工韌帶。PVA凝膠不可降解且具有良好的生物相容性,能夠在接觸面形成一層水膜起到潤(rùn)滑作用以降低摩擦系數(shù),UHMWPE網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的加入彌補(bǔ)了PVA凝膠制成的纖維制備的人工韌帶的剛度、極限應(yīng)變、抗疲勞性和伸長(zhǎng)率上的缺陷。

UHMWPE在骨科應(yīng)用中的基礎(chǔ)研究進(jìn)展

膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后,UHMWPE材料所制作的襯墊與金屬或陶瓷配合端面磨損產(chǎn)生的數(shù)以億計(jì)的次微米的磨損顆粒會(huì)引起破骨細(xì)胞吸收骨質(zhì),導(dǎo)致假體周圍骨質(zhì)溶解及假體松動(dòng)[1,5],被視作關(guān)節(jié)置換失敗的一個(gè)主要原因。目前針對(duì)超高分子聚乙烯材料的基礎(chǔ)研究主要集中在材料耐磨性的提高和生物相容性的改善以減少溶骨兩方面。

目前有大量研究試圖通過(guò)改性以改善UHMWPE的耐磨性,針對(duì)關(guān)節(jié)置換材料改進(jìn)所用到的改性方法有以下幾種。

填料充填形成復(fù)合材料 納米碳管、碳纖維、氧化鋁、石英、硅酸鈣、天然珊瑚顆粒、鈦粉等都曾用于制作超高分子聚乙烯復(fù)合材料并證實(shí)可以增強(qiáng)材料耐磨性[26-28]。用于關(guān)節(jié)假體的復(fù)合材料不僅要求耐磨性的增強(qiáng),同時(shí)也對(duì)復(fù)合材料的生物相容性和力學(xué)性能要求較高。目前研究較多是多壁納米碳管/UHMWPE復(fù)合材料。多壁納米碳管具有限制UHMWPE老化降解的能力,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著加入的納米碳管濃度增加,復(fù)合材料中檢測(cè)到的自由基密度逐漸減小,證實(shí)了納米碳管具有自由基清除能力[29]。在力學(xué)性能方面,Kanagaraj等[30]用納米壓痕技術(shù)和微拉伸檢測(cè)對(duì)不同濃度多壁納米碳管的復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的韌性、最大應(yīng)力、屈服應(yīng)力均得到增強(qiáng),并且加入的多壁納米碳管的最佳濃度為2 wt%,超過(guò)此濃度后力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)下降。將多壁納米碳管、三氧化二鋁與UHMWPE一起制作復(fù)合材料,材料的親水性得到提高,與小鼠成纖維細(xì)胞培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料組的細(xì)胞增殖數(shù)量更多,進(jìn)行細(xì)胞增殖數(shù)目和礦化測(cè)試后發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞的代謝活性與復(fù)合材料表面自由能的分散度有關(guān)[31]。

等離子處理 通過(guò)電化學(xué)沉積、物理氣相沉積等技術(shù)在材料表面制備硬質(zhì)涂層或直接改變材料表面性能,可提高材料的抗磨損能力。Xie等[32]采用回旋共振微波等離子體結(jié)合化學(xué)氣相沉積(electron cyclotron resonance microwave plasma chemical vapor deposition,ECR-PECVD)技術(shù)在UHMWPE表面沉積富氫類金剛石(diamond-like carbon,DLC)薄膜,UHMWPE的硬度顯著提高。二氧化鋯是一種重要的陶瓷原料,它可有效增加材料的硬度并降低摩擦系數(shù),使用脈沖等離子沉積(pulsed plasma deposition,PPD)技術(shù)在UHMWPE表面可形成黏附牢固的二氧化鋯薄膜并且材料的硬度顯著提高[33]。Marchiori等[34]利用有限元分析的方法,對(duì)0.5～5 μm厚度的二氧化鋯薄膜進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)薄膜的增厚可降低塑料基底所受的應(yīng)力,在薄膜厚度為1 μm時(shí),薄膜以及薄膜基底交界面會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力,故應(yīng)避免使用1 μm的厚度。冷常壓等離子處理(cold atmospheric plasma,CAP)可有效促進(jìn)UHMWPE的交聯(lián)從而提高耐磨性[35]。Preedy等[36]將UHMWPE通過(guò)氦氣、氦氣/氧氣冷常壓等離子體處理后通過(guò)原子力顯微鏡進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)材料表面粗糙密度比未處理的UHMWPE下降一半,并且改善了材料的親水性,有利于細(xì)胞黏附促進(jìn)骨整合。

表面接枝改性 通過(guò)在材料表面接枝具有特定結(jié)構(gòu)的官能團(tuán),實(shí)現(xiàn)材料表面潤(rùn)濕性的改善或?qū)?xì)胞特異性選擇能力。Moro 等[37]采用紫外光照射接枝的方式在聚乙烯材料表面接枝仿細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(polymer 2-methacryloyloxyethyl phosphoryl choline,PMPC) 仿生超潤(rùn)滑膜,髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其磨損量及產(chǎn)生的磨損顆粒大小都有所下降,并且材料的親水性得到改善。紫外輻照接枝所得的PMPC膜厚度大約為0.4～6 μm,以Tris緩沖液作為潤(rùn)滑劑,室溫、2.5 N負(fù)荷、滑行距離為4 mm條件下與凸面玻璃(曲率半徑25.9 mm,表面粗糙度0.2 nm)進(jìn)行摩擦試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)PMPC膜層可持續(xù)約9 h[38]。此種方法所得的潤(rùn)滑膜的持久性是一個(gè)問(wèn)題,當(dāng)潤(rùn)滑膜被磨損耗盡后,UHMWPE材料就會(huì)受到磨損。丙烯酸具有良好的親水性,它帶有的羧基團(tuán)可使它與生物活性分子如生長(zhǎng)因子、多肽等良好接觸。將UHMWPE粉末浸入丙烯酸甲醇溶液中經(jīng)紫外輻照后形成丙烯酸接枝的UHMWPE,其親水性得到改善,磨損率隨著加入的丙烯酸比率的上升呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì),當(dāng)丙烯酸嫁接的比率為3.5%時(shí)所得材料的磨耗率最小。此種處理可使材料長(zhǎng)期保持丙烯酸的潤(rùn)滑性能,但材料的抗張強(qiáng)度卻降低[39]。與此類似方法接枝聚偏氟乙烯{[3-(methacryloylamino) propyl dimethyl 3-sulfopropyl] ammoniumhydroxide,MPDSAH},所得材料磨損率隨著MPDSAH接枝濃度的增加而減小,但MPDSAH大分子鏈的接枝會(huì)改變UHMWPE的分子鏈結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料的摩擦系數(shù)下降的同時(shí)最大應(yīng)力也出現(xiàn)下降并且極限伸長(zhǎng)率變大[40-41]。

此外,通過(guò)織構(gòu)化處理使得材料分子鏈重新排列可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)的優(yōu)化。織構(gòu)化處理的方法有多種如冷擠壓、拉伸、壓縮等[42]。Kustandi等[43]采用納米壓印技術(shù)對(duì)UHMWPE 表面進(jìn)行織構(gòu)化處理后與陶瓷球進(jìn)行往復(fù)磨損試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)UHMWPE 的摩擦系數(shù)和磨損率均明顯小于未處理的UHMWPE。還有研究者嘗試使用其他抗氧化劑以避免維生素E加工過(guò)程中對(duì)UHMWPE分子交聯(lián)的影響。Fu等[44]使用天然的多酚類五倍子酸(gallic acid,GA)和十二烷基(dodecyl gallate,DG)代替維生素E作為抗氧化劑制得GA/UHMWPE和DG/UHMWPE,材料的抗氧化性優(yōu)于維生素E/UHMWPE,并且多酚類的加入對(duì)UHMWPE的分子交聯(lián)幾乎沒(méi)有影響,所制得的材料的耐磨性也更高。

對(duì)于UHMWPE材料細(xì)胞相容性的研究,較早就有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞難以在UHMWPE表面生長(zhǎng)[45],UHMWPE縫線力學(xué)測(cè)試也證明了其力學(xué)性能出色但組織反應(yīng)性較差[18,20]。生物材料的親水性和表面粗糙度對(duì)細(xì)胞黏附十分重要,通過(guò)改變材料的表面形貌可以改變材料的組織相容性。光子、離子以及電子束都可以對(duì)材料表面性能進(jìn)行修飾,所使用的激光波長(zhǎng)、脈沖頻率以及掃描速度等參數(shù)不同會(huì)產(chǎn)生不同的修飾效果。使用1064 nm、532 nm、355 nm 3個(gè)不同波長(zhǎng)的激光對(duì)材料進(jìn)行修飾,發(fā)現(xiàn)在532 nm和355 nm波長(zhǎng)的激光輻照最有利于增加材料的親水性和表面粗糙度,也就最有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)黏附,但還未經(jīng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)[46]。另外,涂層也是骨科常用的材料表面修飾方法。Silva等[47]在UHMWPE表面進(jìn)行鈦、鈦/羥基磷灰石涂層發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)移植物-骨接觸面的成骨。Firouzi等[48]通過(guò)體外細(xì)胞培養(yǎng)和力學(xué)測(cè)試的方法發(fā)現(xiàn)尼龍涂層的UHMWPE纖維的抗蠕變能力、抗張強(qiáng)度高于單純UHMWPE纖維,而且涂層可增加UHMWPE的細(xì)胞相容性,并且骨質(zhì)溶解過(guò)程中高表達(dá)的IL-6和TNFα水平降低了。除了增加材料的細(xì)胞親和性,也有研究者嘗試載藥的方式來(lái)防止溶骨發(fā)生。以阿侖磷酸鈉為代表的二磷酸鹽是臨床常用的預(yù)防骨質(zhì)吸收的藥物,有學(xué)者將UHMWPE粉末與不同濃度的阿侖磷酸鈉溶液混合后通過(guò)風(fēng)干和熱壓的方式制備UHMWPE-阿侖材料,分別將單純UHMWPE磨損顆粒和不同大小、不同阿侖磷酸鈉濃度的UHMWPE-阿侖磨損顆粒與成骨細(xì)胞共同培養(yǎng),不添加任何磨損顆粒的培養(yǎng)組作為對(duì)照組,培養(yǎng)72 h后兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的細(xì)胞數(shù)量和堿性磷酸酶活性均低于對(duì)照組,但UHMWPE-阿侖組的堿性磷酸酶活性高于單純UHMWPE組且隨著UHMWPE-阿侖磨損顆粒的增大ALP活性有增加趨勢(shì)[49]。但UHMWPE-阿侖(1.0 wt%)材料的抗張強(qiáng)度低于單純UHMWPE,此外以25% (體積百分比)牛血清作為潤(rùn)滑劑,球-盤磨損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除了在負(fù)荷值為10 N時(shí)UHMWPE-阿侖(1.0 wt%)材料的摩擦系數(shù)都稍高于單純UHMWPE組[50]。

結(jié)語(yǔ) UHMWPE是關(guān)節(jié)假體中襯墊材料的最佳選擇之一,但材料本身產(chǎn)生的磨損顆粒造成的骨質(zhì)溶解和無(wú)菌性松動(dòng)是造成手術(shù)失敗的主要原因,如何進(jìn)一步改善其耐磨性能仍然存在困難,且是目前研究熱點(diǎn)。體外實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明填料充填進(jìn)行形成復(fù)合材料、涂層、等離子處理等都能有效改善它的耐磨性,目前可通過(guò)建立更接近人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)模擬系統(tǒng)以及大型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀^察體內(nèi)效果來(lái)獲取一個(gè)有效的改進(jìn)方法,另外還需要從成本、生產(chǎn)可行性方面積極探索能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的改性方法。

縫線應(yīng)用中,對(duì)于力學(xué)情況較為簡(jiǎn)單,對(duì)耐磨性、耐疲勞性及拉力強(qiáng)度要求高的應(yīng)用如接骨術(shù)、UHMWPE縫線的效果是值得肯定的,但對(duì)于半月板縫合、肩袖修補(bǔ)等力學(xué)情況較復(fù)雜的情況,如半月板受到的壓縮力、剪切力、圓周向的張應(yīng)力,肩袖縫合中對(duì)于縫線伸長(zhǎng)率、剛度要求較高的情況下,UHMWPE的縫合效果還有待于更接近自然關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)模擬系統(tǒng)或是人體大標(biāo)本試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)也希望有相關(guān)臨床試驗(yàn)結(jié)果的出現(xiàn)。

UHMWPE在人工韌帶中的應(yīng)用在20世紀(jì)90年代就受到冷落,但其生產(chǎn)工藝上的改進(jìn)以及各種致力于改善其細(xì)胞相容性促進(jìn)成骨的改性方法的出現(xiàn),其今后在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也值得期待。

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Application and research advance of ultra-high molecular weight polyethylene in orthopedics

AI Cheng-chong1,2, JIANG Jia1,2, CHEN Shi-yi1,2△

(1DepartmentofSportsMedicineandArthroscopicSurgery,HuashanHospital-SportsMedicineCenter,FudanUniversity,Shanghai200040,China;2StateKeyLaboratoryofMolecularEngineeringofPolymers,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Ultra-high molecular weight polyethylene(UHMWPE)is applied generally in orthopedics for its good tensile strength,wear resistance,impact resistance,chemical stability and low density.The application of UHMWPE mainly lies in joint prosthesis,orthopedic suture and artificial ligament .However,osteolysis triggered mainly by UHMWPE wear particles has been one of the major problems in total hip arthroplasty,a number of studies were carried out focusing on improve its wear resistence and biocompatibility in order to achieve better clinical performance.This article summarized the application and research advance of UHMWPE in orthopedics.

ultra-high molecular weight polyethylene; modification; biocompatibility

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2015AA033703);國(guó)家自然科學(xué)基金(81271958,81572108,81370052)

TQ325.1+2

B

10.3969/j.issn.1672-8467.2016.06.014

2016-01-21;編輯:王蔚)

△Corresponding author E-mail:cshiyi@163.com

*This work was supported by the National 863 Hi-tech Project (2015AA033703) and the National Natural Science Foundation of China (81271958,81572108,81370052).