超高分子量聚乙烯在人工关节假体中的应用及评价方法

翟豹 张家振 刘斌

1962年，John Charnley 首次将超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）作为关节面材料应用于全髋关节置换术中[1]。UHMWPE 是一种包含晶态和非晶态微观结构的半结晶高分子材料（结晶度45% ～65%），分子量为200 万～600 万，密度为0.927 ～0.944 g/cm3[2]。微观尺度下，UHMWPE 的碳原子链折叠成定向排布的片层晶相，片层晶相分布在碳原子链随机取向或分子链相互缠绕的非晶相结构中，分子链的相互缠绕将片层晶相结构联系在一起，从而抵抗材料的机械变形，超高分子量聚乙烯的微观结构如图1 所示。与其他高分子材料相比，这种微观结构使UHMWPE 具有良好的耐磨损性能、强度和抗疲劳性能，成为人工关节假体的理想材料。

图1 A.UHMWPE 透射电镜图；B.UHMWPE 微观结构示意图[3]

本文旨在结合人工关节假体的相关研究，考虑假体设计和UHMWPE人工关节假体的临床使用风险，探讨UHMWPE人工关节假体的体外评价方法。

1 UHMWPE 人工关节的发展及其临床应用

1.1 常规超高分子量聚乙烯（Conventional UHMWPE）

Charnley 将UHMWPE 应用于人工髋关节，根据第一批接受UHMWPE 髋关节假体置换的患者9 ～10年的随访数据，其感染率为4% ～6%，假体机械松动率为1%～2%，晚期脱位发生率为2%[4]。20 世纪八九十年代，关节假体的骨溶解导致的无菌性松动成为限制假体使用寿命的主要问题，关节面磨损产生的UHMWPE 磨屑是引起假体周围骨溶解的主要原因之一[5]。1995年之前，UHMWPE 关节部件通常使用空气中的 辐照灭菌（剂量为25 ～40 kGy），研究表明UHMWPE 的氧化指数显著升高[6]。氧化会导致UHMWPE分子链断裂，降低其分子量，从而降低其机械性能。此外，在储存和体内会发生氧化降解，进一步加剧了这一问题[7]。分子量减少伴随材料的脆化会引起假体磨损增加和分层失效，如图2 所示[8]。

图2 A.接受辐照的UHMWPE 取出假体分析结果，白色亮带表明结晶度增加，材料脆性增大；B.胫骨衬垫体内氧化加剧表面磨损[8]

1.2 高交联超高分子量聚乙烯（highly cross-linked polyethylene，HXLPE）

1998年，经过辐照交联和热处理的HXLPE 开始临床使用，该技术旨在提高材料的耐磨损性能，降低骨溶解导致的假体翻修率。开发HXLPE 的另一个目的是改善假体在体内的氧化，临床中发生了空气中 射线辐照灭菌和长期货架老化的假体在植入人体后短期内失败。HXLPE 采用热处理来减少或消除晶相区域内的剩余自由基。一种方法是退火（annealing），即将辐照后的材料升温至熔点以下的温度并保温一定时间，为剩余自由基提供能量，一定程度上促进自由基之间的结合成键，以此来降低材料内部剩余自由基的浓度。另一种方法是重融（remelting），即将辐照后的材料加热至熔点以上并保温一定时间，使片晶区域内的剩余自由基释放出来，同时增加分子链的活动，从而促进自由基聚合，最终达到消除剩余自由基的目的。人工关节制造商基于辐照方法、辐照后热处理工艺及后续灭菌工艺等影响HXLPE 性能的主要因素，采用专利工艺路线制造HXLPE 关节产品。

有文献报道，HXLPE 髋臼内衬的线性磨损率（0.003 mm/year）低于常规UHMWPE（0.030 mm/year）[9]。虽然许多国家HXLPE 的使用量正在逐年增加[10]，但是，基于挪威、瑞典、丹麦的北欧关节登记系统针对HXLPE 和常规UHMWPE 髋关节假体临床表现的一项研究（163368 例髋关节置换）表明，HXLPE 假体更长期的临床表现是否优于常规UHMWPE 假体，还需要进行更加细致的多因素分析和更长期的临床随访[11]。翻修取出假体中髋臼假体的边缘载荷或锁定机制应力集中引起的断裂、膝关节衬垫的分层磨损等失效模式表明，HXLPE 塑性有所下降，增加了假体脆性断裂的风险[12]。

1.3 抗氧化剂稳定的高交联超高分子量聚乙烯

为了提高UHMWPE耐磨损和抗氧化性能的同时不影响其疲劳强度，人工关节制造商开发了抗氧化剂稳定的HXLPE。目前，已上市产品中使用的抗氧化剂是维生素E（ -tocopherol）、PBHP（COVERNOXTM）等。以维生素E为例，主要有2 种方法添加抗氧化剂。一种是采用UHMWPE粉末与维生素E 溶液共混，再经过挤压成型、辐照、机械变形退火等工艺步骤。由于维生素E 的浓度对交联过程的影响，维生素E 的浓度受到限制，采用机械变形退火工艺可以减少材料内的剩余自由基，同时使材料保持良好的力学性能。为改善维生素E 混合辐照UHMWPE 的性能，通过在接近熔点温度下进行辐照，降低维生素E 对交联效率的影响，该方法一方面可以添加更高浓度的维生素E 而不会对材料的耐磨损性能产生不利影响，另一方面增加维生素E 接枝到UHMWPE 分子链上，减少维生素E 在体内的洗脱量，有助于维持长期的抗氧化性能。另一种是通过将维生素E 渗透进入已接受辐照交联的UHMWPE 模塑料或半成品中。UHMWPE 内维生素E 的浓度可以不受交联密度的限制，而由设定的渗透温度下维生素E 在材料内的饱和度决定。随着设定的渗透温度的升高，维生素E 容易扩散进入UHMWPE 内部，但是不宜高于熔点，否则会导致材料力学性能的下降。

Shareghi 等[13]报道了维生素E 稳定的HXLPE 髋臼内衬（E1）5年的体内磨损率平均值为0.04 mm/year，而对照组HXLPE 髋臼内衬（ArComXL）的磨损率平均值为0.08 mm/year。Spece 等[14]报道了103 例维生素E 稳定的HXLPE胫骨衬垫取出分析结果，翻修的主要原因是假体不稳、感染和松动，关节面损伤形式主要是抛光（burnishing）、点蚀（pitting）和刮擦（scratching），未出现与材料疲劳相关的表面损伤，并且材料的氧化指数较小。但是，也有临床报道维生素E稳定的HXLPE髋臼内衬发生早期断裂失效[15]。

2 评价方法

2.1 UHMWPE 性能评价

假体设计（更薄的髋臼内衬、部件之间锁定机制或过盈配合、后稳定型膝关节假体的凸轮与立柱、不同的关节面的形合度等）和假体的临床需求（关节面承载和运动、边缘载荷或撞击、长期体内氧化等）对UHMWPE 的物理性能、耐磨损性能、抗疲劳性能和抗氧化性能等提出了较高的要求。在材料工艺改进和假体设计开发时，需综合考虑UHMWPE 类型、抗氧化剂的成分（含量和在材料中的稳定性）、抗氧化剂的添加方法（与粉末混合或型材渗透、工艺过程中添加的稳定剂和助剂以及残留）、辐照类型（ 射线或电子束）、辐照剂量、交联后热处理工艺过程（时间、温度，如重熔或退火）、机械热处理过程的压缩比等因素，对UHMWPE 进行全面评价。参考FDA 制定的骨科植入物UHMWPE 的表征指导原则，表1 列出了UHMWPE 相关性能及评价方法。

表1 UHMWPE 相关性能及评价方法[16]

2.2 人工关节假体组件的锁定强度评价

UHMWPE 组件通常采用卡扣锁定机构（snap fit locking mechanism）与金属组件连接，临床取出分析发现UHMWPE部件在植入早期可能发生锁定机构的变形和断裂，尤其在采用HXLPE 减小组件厚度时，从而导致UHMWPE 组件与金属组件的分离和脱位[17]，这可能与材料断裂、韧性下降或材料氧化相关[18]。在假体设计开发时，对于组配式组件，采用体外试验评价组件间的锁定强度，用以评估长期临床使用中组件能否保持其完整性具有重要意义。例如，ASTM F1820规定了轴向分离、偏心拉出/撬出、扭转分离3 种不同的作用力条件下髋臼内衬在髋臼杯中的锁定强度评价方法，ASTM F1814 规定了膝关节胫骨衬垫与胫骨托锁定强度测试方法，在假体设计开发验证时，可采用标准方法用于比较不同材料、植入物尺寸和锁定机制的完整性。

2.3 人工关节假体的疲劳性能评价

临床取出分析结果表明，不合理的人工髋关节假体设计因素（如切槽、锁定机构、部件支撑不足等）、假体边缘受力（edge loading）或边缘撞击（rim impingement）会导致HXLPE 假体的疲劳断裂[19]，见图3。而后稳定型膝关节假体的凸轮与立柱的接触与撞击可能造成立柱的疲劳断裂和假体不稳，导致假体的翻修[20]。因此，研究者需要考虑假体在体内可能的失效风险，采用体外试验的方法评估UHMWPE部件相关的疲劳性能。例如，ASTM F2582 规定了在动态撞击条件下评估髋臼组件的疲劳、变形、磨损等性能，而对于后稳定型膝关节假体，可以考虑不同屈曲角度下凸轮—立柱接触位置、凸轮—立柱结构设计和尺寸等影响因素，在不同的载荷下进行试验并建立F-N 曲线，确定产品的疲劳极限[22]。

图3 A.HXLPE 髋臼内衬体内发生的边缘断裂；B.断面显示疲劳裂纹起始于锁定机制[19]；C.胫骨衬垫立柱疲劳断裂[20]；D.植入3年后胫骨衬垫后部锁定失效导致衬垫后侧抬升[21]

2.4 人工关节假体的体外磨损评价

体外磨损试验对于评估人工关节产品的设计开发具有重要作用，基于良好的实验室控制条件下模拟人工关节在体内承载和运动，比较不同假体设计和关节面材料的磨损率，可以为假体临床使用情况提供预测和参考。ISO 14242 和ISO 14243 系列标准规定了人工髋关节和膝关节体外磨损试验方法，模拟人体行走步态时的髋关节和膝关节承受载荷和运动角度范围，测量关节面的磨损率。

Dumbleton 等[23]研究表明，HXLPE 髋臼内衬的磨损率比常规UHMWPE 降低了94%。Micheli 等[24]研究表明，常规 UHMWPE 胫骨衬垫在老化前后的磨损率分别为（26.9±3.5） mg/million cycles 和（40.8±3.0） mg/million cycles，而掺入维生素E 的UHMWPE 胫骨衬垫在老化前后的磨损率分别为（2.4±0.5）mg/million cycles 和（2.5±0.8）mg/million cycles。人工髋关节假体的关节面材料、表面粗糙度、关节间隙、球头直径、内衬厚度等因素会对磨损结果产生影响[25]，而人工膝关节假体体外磨损试验需要考虑试验加载方式（力控制或位移控制）、假体尺寸、假体设计和类型、关节面材料、表面粗糙度、接触应力、接触面积、滑动距离等影响因素[26-27]。

2.5 生物学相容性评价

产品的生物相容性评价可参照GB/T 16886.1 中的系统方法框图进行风险评价。抗氧化剂的添加引起对抗氧化剂本身（在负载和/或体内流体充当抗氧化剂的溶剂的共同作用下，抗氧化剂可能会随时间逐渐滤出）和辐射引发的降解产物的生物学风险。此外，由于材料的改性可能造成磨屑的形态、尺寸分布、成分（抗氧化剂和辐射引发的降解产物）改变，需要关注磨屑改变引发的生物学风险[16]。

3 小结

UHMWPE 在关节假体置换领域应用广泛，随着国产厂家不断研发设计关节假体，国内对该领域的基础研究与临床应用将不断加快。因此，需综合考虑假体设计和影响产品临床使用的风险因素，全面评价产品的材料性能、锁定强度、疲劳性能、体外磨损、生物相容性等，以确保产品的安全有效性。