超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作為一種關(guān)節(jié)置換材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，特別是在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的人工置換手術(shù)中被廣泛應(yīng)用。人工關(guān)節(jié)的使用壽命主要取決于材料的力學(xué)性能、耐磨損性能以及患者的個人具體情況。
但是，由于UHMWPE表面硬度較低，磨損產(chǎn)生的磨屑能在機(jī)體內(nèi)引起有害的生物反應(yīng)，造成骨溶解，這些問題影響了超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)的使用壽命，給關(guān)節(jié)置換患者帶了很多痛苦。
并且，當(dāng)前人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)的需求量不斷增加，患者不斷趨于年輕化，延長人工關(guān)節(jié)的壽命勢在必行，因此，對UHMWPE的力學(xué)性能和耐磨損性能的提高尤為重要。? ? ? ? ?
為降低UHMWPE的磨損率和減少磨屑的產(chǎn)生，提高UHMWPE關(guān)節(jié)的使用壽命，研究學(xué)者們對UHMWPE采用了輻照交聯(lián)、添加了VE抗氧化劑及填充材料，增強(qiáng)了力學(xué)性能等。本文綜述了通過輻照交聯(lián)、添加維生素E以及填充碳納米纖維、碳納米管和石墨烯等較為熱門的方法，改善了UHMWPE在生物醫(yī)療領(lǐng)域的摩擦學(xué)性能的研究現(xiàn)狀。? ? ? ? ?
輻照交聯(lián)UHMWPE是采用高劑量的輻照，降低UHMWPE的延展性，提高材料的硬度，從而提高UHMWPE的耐磨損性能。
McKellop等研究了不同輻照劑量對UHMWPE磨損性能的影響，試驗將UHMWPE暴露在33~1000kGy劑量的伽馬射線下進(jìn)行輻照，并通過熔融處理消除殘余自由基。
結(jié)果表明，隨著輻照劑量的增加，UHMWPE的耐磨損性能也得到了顯著提升，且輻照劑量與耐磨損性能呈正比關(guān)系。? ? ? ? ?
但是，輻照交聯(lián)過程中產(chǎn)生的自由基，使材料易發(fā)生氧化，高劑量的輻照能夠增加材料的易氧化程度，熔融處理并不能完全消除殘余自由基，從而使UHMWPE發(fā)生氧化降解更容易失效。? ? ?
研究表明，維生素E作為抗氧化劑能夠誘導(dǎo)捕捉自由基，解決了輻照后易氧化的問題，提高了UHMWPE的抗氧化性能和力學(xué)疲勞強(qiáng)度。而且，維生素E的加入能夠提高UHMWPE摩擦學(xué)性能。
研究學(xué)者認(rèn)為，維生素E的加入能有效防止UHMWPE發(fā)生氧化和疲勞失效，從而提高UHMWPE的使用壽命。但是，維生素E/UHMWPE復(fù)合材料的力學(xué)性能由于受到維生素E濃度的影響。? ? ?
當(dāng)維生素E的添加濃度較低(0.01~0.05%)時，對未處理和輻照處理的UHMWPE材料的力學(xué)性能的影響可以忽略不計;當(dāng)維生素E濃度提高至0.1%、0.2%和0.4%時，對未處理和輻照處理的UHMWPE材料的彈性模量及沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能也并沒有特別顯著的影響。? ? ? ? ?
但是，也有少量研究表明，維生素E(＞0.1%)的加入提高了UHMWPE的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂伸長量和抗疲勞強(qiáng)度。雖然維生素E能夠清除自由基，提高抗氧化性，但是，維生素E同時也能降低交聯(lián)密度，從而抵消了輻照產(chǎn)生的力學(xué)性能方面的提升。? ? ? ? ?
因此，優(yōu)化和選擇合適的維生素E濃度和輻照劑量，從而使UHMWPE獲得了較好的耐磨性能和抗氧化性能，對于研究學(xué)者們?nèi)允且豁椌哂刑魬?zhàn)的工作。??
UHMWPE填充填料能夠明顯改善力學(xué)性能和耐磨性能，而且，由于碳納米纖維具有良好的特性和細(xì)胞相容性，碳納米纖維能增強(qiáng)UHMWPE的力學(xué)性能和摩擦磨損性能。碳納米纖維的填充能夠提高UHMWPE的屈服應(yīng)力、拉伸模量和硬度。
研究表明，當(dāng)加入5%的碳納米纖維時，UHMWPE的拉伸模量提升了25%，因此，碳納米纖維的填充量與硬度成正相關(guān)。
同樣，碳納米纖維的填充也能顯著提高UHMWPE的耐磨損性能;當(dāng)填充0.5%~3%的碳納米纖維時，UHMWPE的磨損率下降了56%~58%。?
但是，填充過多的碳納米纖維易發(fā)生團(tuán)聚，從而阻礙磨損率的提高。Xu等研究表明，當(dāng)添加0.5%的碳納米纖維時，UHMWPE的耐磨損性能顯著提高;當(dāng)填充量增加到3%時，UHMWPE的耐磨損率顯著下降。
由于碳納米管具有較好的力學(xué)性能、較高的縱橫比及優(yōu)異的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)性，碳納米管作為另一種新型碳基填充物被填充到UHMWPE上。
研究表明，摻入碳納米管能夠提高UHMWPE的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量以及韌性。當(dāng)添加0.1%~5%的碳納米管時，UHMWPE的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別提高了8%~38%、5%~100%。
填充碳納米管不僅能夠提高UHMWPE的力學(xué)性能，同時也能提高UHMWPE的耐磨損性能。當(dāng)添加0.1%~4%的碳納米管時，UHMWPE的磨損率降低了26%~86%。
同時，Martinez-Morales等研究表明，多壁碳納米管能夠改善UHMWPE復(fù)合材料的抗氧化性。這些特性表明，碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料在人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。??
石墨烯單片于2004年被Kuilla等通過膠帶剝離發(fā)現(xiàn)，由于其是一種二維材料，具有較好的楊氏模量(0.5~1TPa)、拉伸強(qiáng)度(約130GPa)等力學(xué)性能、較高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，使其成為UHMWPE復(fù)合材料填充物的較好選擇，受到了廣大研究學(xué)者們的關(guān)注。? ? ? ?
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Debrupa等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加0.1%和1%的石墨烯填充UHMWPE時，材料的摩擦系數(shù)和磨損率降低。
并且，隨著添加含量的增加，磨損率明顯降低。Lahiri等研究了不同含量的石墨烯(0.1%、0.5%、1.0%)對UHMWPE磨損性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)添加1.0%的石墨烯時，UHMWPE復(fù)合材料的磨損量下降幅度是純UHMWPE材料的4.5倍，且摩擦系數(shù)無明顯的上升。? ? ? ? ?
復(fù)合材料的固結(jié)成型過程在很大程度上影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能，特別是納米填料的分散性等微觀結(jié)構(gòu)。? ? ? ??
填料未均勻分散形成團(tuán)聚和結(jié)塊，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的性能下降。為了使石墨烯具有良好的分散性，研究學(xué)者們對石墨烯進(jìn)行了化學(xué)修飾，充分發(fā)揮了其優(yōu)良性質(zhì)，改善其較低的分散性和溶解性，其中，氧化石墨烯(GO)就是石墨烯功能化后的衍生物。An等研究了GO增強(qiáng)UHMWPE復(fù)合材料在去離子水和生理鹽水中的摩擦磨損性能。? ??
氧化石墨烯 分子式? ? ? ?
研究表明，在2種環(huán)境下，GO的填充均能使UHMWPE材料的磨損率降低，而且隨著GO含量的增加，GO/UHMWPE復(fù)合材料的磨損率逐漸降低，因此，GO的加入提高了UHMWPE的耐磨性能。
研究結(jié)果表明，多壁碳納米管和氧化石墨烯的填充均大幅降低了UHMWPE的磨損率。其中，在填充量相同的情況下(均為0.5%)，填充多壁碳納米管與填充氧化石墨烯相比，UHMWPE的磨損率顯著降低，填充多壁碳納米管和填充氧化石墨烯，并未使UHMWPE磨損率的降低具有統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著性。? ??
目前，大多數(shù)試驗關(guān)注的是材料本身，很少結(jié)合其真實的應(yīng)用環(huán)境，下一步可以將得到的材料制成人工關(guān)節(jié)，在模擬真實人體的環(huán)境中進(jìn)行摩擦磨損試驗，研究材料以真實人工關(guān)節(jié)形狀，在模擬人體環(huán)境下的生物相容性、抗氧化、磨損性能及磨屑特點等，從而得到更有效的試驗數(shù)據(jù)，盡早實現(xiàn)臨床應(yīng)用。? ??
由于磨損是一個材料去除過程，因此，表面紋理改性也可以作為新的研究方向。在未來，也許會有更多方法提高UHMWPE人工關(guān)節(jié)的力學(xué)性能和耐磨損性能，還需要廣大研究學(xué)者們的繼續(xù)研究，延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命，為眾多關(guān)節(jié)病患者減少痛苦。? ? ??
參考資料：吳加良等，增強(qiáng)改性UHMWPE材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)展，塑料，2020
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦高分子）：增強(qiáng)改性UHMWPE材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)展
