摘要

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，醫(yī)用級(jí)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的需求從2015年的60.9千噸增長(zhǎng)至2024年的204.8千噸，市場(chǎng)估值達(dá)到13.6億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為15%。UHMWPE因其優(yōu)越的生物相容性、化學(xué)惰性、低磨損體積、較高的拉伸強(qiáng)度及低摩擦系數(shù)等特性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療植入物。然而，UHMWPE在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中存在磨損碎屑、氧化降解及老化等問題。通過表面改性及復(fù)合增強(qiáng)技術(shù)，可顯著改善UHMWPE的性能，拓展其在人工關(guān)節(jié)、骨組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

1. 引言

超高分子量聚乙烯（Ultra-High Molecular Weight Polyethylene，簡(jiǎn)稱UHMWPE）是一種具有卓越性能的工程塑料，其分子量通常在150萬以上。這種材料以其優(yōu)異的耐磨損性、耐沖擊性、耐化學(xué)藥品性、自潤(rùn)滑性和生物相容性而著稱，因此在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如醫(yī)療、化工、運(yùn)輸和航空等。

全球醫(yī)療植入物產(chǎn)業(yè)因外科技術(shù)進(jìn)步及老齡化人口增長(zhǎng)而快速發(fā)展。UHMWPE因其分子量高（350萬至600萬g/mol）、結(jié)晶度高（>90%）以及優(yōu)異的機(jī)械性能，成為主要的醫(yī)療級(jí)高分子材料。然而，其低熔點(diǎn)（130°C–136°C）和受輻射后生成自由基的缺陷限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。為解決上述問題，研究者通過表面處理技術(shù)（如電子束處理、冷等離子體）及復(fù)合材料增強(qiáng)技術(shù)（如添加碳納米管、維生素E）對(duì)UHMWPE進(jìn)行功能化改性。

UHMWPE通過聚乙烯鏈的高度交聯(lián)實(shí)現(xiàn)高分子量，通常采用Ziegler催化劑在低壓條件下制備。其線性半結(jié)晶結(jié)構(gòu)由高度取向的層狀結(jié)晶相和無定形相組成。UHMWPE具有優(yōu)異的耐磨性（0.68 mm3/年）、拉伸強(qiáng)度（41.3 MPa）及低摩擦系數(shù)（0.12-0.15）。目前市場(chǎng)上主要的醫(yī)用級(jí)UHMWPE產(chǎn)品包括GUR 1020和GUR 1050。

3.1 表面改性

通過電子束和冷等離子體等技術(shù)處理UHMWPE表面，可顯著提高其潤(rùn)濕性、生物相容性和抗氧化性。

• 電子束處理：在空氣中利用電子束照射UHMWPE表面，生成羰基和羥基官能團(tuán)，增強(qiáng)其親水性及細(xì)胞黏附性。

• 冷等離子體處理：利用氦氣和氧氣等離子體對(duì)UHMWPE進(jìn)行表面改性，可優(yōu)化材料的耐磨性能，并提高其在骨植入物中的整合性。

• 離子注入技術(shù)：通過碳離子注入形成高密度碳化層，改善UHMWPE的納米硬度、耐磨性及生物相容性。

3.2 復(fù)合材料增強(qiáng)

通過在UHMWPE基體中添加增強(qiáng)材料，可同時(shí)改善其表面和體相性能。

• 羥基磷灰石（HA）：HA與UHMWPE復(fù)合可降低摩擦系數(shù)，增強(qiáng)其在人工髖關(guān)節(jié)中的應(yīng)用潛力。

• 多壁碳納米管（MWCNTs）：MWCNTs增強(qiáng)的UHMWPE表現(xiàn)出較高的機(jī)械強(qiáng)度及抗磨損性能，同時(shí)提高了材料的潤(rùn)濕性。

• 維生素E：作為抗氧化劑添加，可有效減少UHMWPE在輻射消毒過程中的自由基生成，改善其老化性能。

• 類金剛石薄膜（DLC）：DLC涂層能顯著提升UHMWPE的硬度及耐磨性，同時(shí)降低其摩擦系數(shù)。

4.1 人工關(guān)節(jié)置換

UHMWPE在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性和低摩擦性能。復(fù)合材料增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)一步提升了其抗疲勞性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

4.2 骨組織工程

改性UHMWPE因其增強(qiáng)的細(xì)胞黏附性和生物活性，被廣泛用于骨組織修復(fù)。通過表面處理和復(fù)合增強(qiáng)，其在骨植入物中的整合性顯著提高。

4.3 醫(yī)療植入物

UHMWPE在脊柱植入物和牙科修復(fù)材料中的應(yīng)用日益增多，其低磨損特性減少了由磨損碎屑引起的炎癥反應(yīng)。

盡管功能化技術(shù)顯著改善了UHMWPE的性能，但仍需解決以下問題：

• 成本與規(guī)模化：表面改性和復(fù)合增強(qiáng)技術(shù)的成本較高，限制了大規(guī)模應(yīng)用。

• 長(zhǎng)期穩(wěn)定性：盡管UHMWPE增強(qiáng)了耐磨性能，但在高應(yīng)力和復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

未來研究應(yīng)聚焦于以下方向：

• 開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)高效的功能化技術(shù)。

• 優(yōu)化復(fù)合材料的分散性及界面結(jié)合性能。

• 研究UHMWPE在個(gè)性化醫(yī)療領(lǐng)域的潛力，如3D打印技術(shù)的結(jié)合。

結(jié)論

UHMWPE因其優(yōu)異的性能已成為醫(yī)療植入物領(lǐng)域的重要材料。通過表面改性和復(fù)合材料增強(qiáng)技術(shù)，可顯著改善其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的性能，為人工關(guān)節(jié)、骨組織工程等領(lǐng)域提供了可靠的解決方案。然而，隨著應(yīng)用需求的不斷增加，未來仍需進(jìn)一步研究以解決現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用前景。

原始文獻(xiàn)：

Avinash Patil, N., Njuguna, J., Kandasubramanian, B., UHMWPE for Biomedical Applications: Performance and Functionalization, European Polymer Journal (2020), doi: https://doi.org/ 10.1016/j.eurpolymj.2020.109529