老化作用对UHMWPE人工髋关节磨损性能影响的研究进展

黄秀玲

上海大学机电工程与自动化学院，国家药品监督管理局无源植入器械质量评价重点实验室

王军

上海大学机电工程与自动化学院，国家药品监督管理局无源植入器械质量评价重点实验室

董双鹏＊

天津市医疗器械质量监督检验中心，国家药品监督管理局无源植入器械质量评价重点实验室

马金竹

天津市医疗器械质量监督检验中心，国家药品监督管理局无源植入器械质量评价重点实验室

张述

天津市医疗器械质量监督检验中心，国家药品监督管理局无源植入器械质量评价重点实验室

华子恺＊

上海大学机电工程与自动化学院，国家药品监督管理局无源植入器械质量评价重点实验室

人工全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）是一种治疗慢性关节炎的有效手段，其可以减轻患者的关节疼痛、改善患者的活动能力并提高其生活质量[1-2]。髋关节具有多个方向的活动能力，如屈伸、内外旋等，其功能复杂，需承受一定的压、拉、折、屈等负荷。因此，对人工髋关节材料的性能要求很高，如物理机械性能良好、化学稳定性高、生物相容性良好等。

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[3]。UHMWPE 是一种性能优良的生物医用材料，其具有化学惰性、良好的生物相容性、摩擦学性能等。然而，UHMWPE 受环境影响较大，在存储或者植入人体过程中，该材料会发生老化，而老化作用会使得UHMWPE 的材料力学、化学以及耐磨等性能降低[4-7]，同时UHMWPE 的氧化降解已被发现是导致全髋关节置换中磨损量上升的重要原因[8]。因此，本文旨在通过结合UHMWPE 人工髋关节老化的相关研究，探讨体外老化试验方法以及老化作用对人工髋关节磨损性能的影响，以期为后续研究体外加速老化方法提供参考与借鉴。

1 老化方法的研究现状

UHMWPE 人工髋关节从上市到使用过程中，都可能会受到外部环境因素的影响，发生老化作用，从而导致对产品的磨损性能等产生影响。老化作用一般主要发生在两个过程中，一是存储过程，由于人工髋关节上市后可能不会立即投入使用，因此会存储一定时间，存储环境一般为空气，而当产品长时间与空气接触，UHMWPE 材料会发生老化作用，称为货架老化。二是使用过程，当人工髋关节植入人体后，UHMWPE 材料暴露于含有氧气、水等物质的滑膜液中，亦会发生老化作用[4,9]，称为实时老化。

为研究老化作用 对UHMWPE 人工髋关节磨损性能的影响，研究者们通过设计体外老化方法来模拟上述老化过程。目前，体外模拟UHMWPE 老化的方法主要包括货架老化、实时老化和加速老化[10]。

1.1 货架老化

货架老化一般在常温常压条件下进行，不同研究中对老化时间的制定策略有所不同。本文对不同研究中所采用的货架老化策略进行了举例，见表1。

表1 不同研究中采用的货架老化策略

1.2 实时老化

Wannomae 等[15]在体外模拟体内实时老化过程，研究实时老化对高交联UHMWPE 氧化和磨损性能的影响，老化过程在57L 的蒸馏水浴中进行，温度保持在40℃，老化时间分别持续58、95、128 周。为了确保体外环境的稳定性和准确性，Wannomae 等定期对蒸馏水浴的氧气浓度和温度等指标进行测量，确保环境的稳定性；同时还抽吸了8 名接受初次全髋关节置换术患者的髋关节滑膜液，并将蒸馏水浴与滑膜液中的氧气浓度进行比较，确保环境的准确性。

1.3 加速老化

加速老化是指在高温和高压氧的条件下加速UHMWPE 的氧化过程[16]。在UHMWPE 人工髋关节存储和植入人体过程中，UHMWPE 的老化作用可能要经历数月或数年才会产生导致损害机械性能的变化，因此，研究人员通常采用加速老化的方法，即在一个相对短的时间周期内（如数周）进行老化研究。为了规范研究人员的加速老化实验，增强实验结论间的可比性，美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM） 提出了ASTM F2003《空气中γ 射线辐射后的超高分子量聚乙烯加速老化的标准》（Standard Practice for Accelerated Aging of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene after Gamma Irradiation in Air），该方法老化过程条件为：温度70℃且恒定，5 个纯氧大气压，老化周期为336±1h（2 周）。此外，还有其他研究者建立了自己的加速老化方法，本文对不同研究中所采用的加速老化策略进行了总结，详见表2。

表2 不同研究中采用的加速老化策略

2 老化作用对人工髋关节磨损性能影响的研究现状

2.1 老化作用影响UHMWPE 人工髋关节性能的评价方法

UHMWPE 的老化会导致其部分性能降低，如力学性能、磨损性能等。因此，研究人员通过一系列标准测试方法来获得老化后UHMWPE 材料的本征参数、力学性能及磨损性能，从而评价老化作用对UHMWPE材料性能的影响。参考美国食品药品监督管理局（FDA）制定的骨科植入物UHMWPE 的表征指导原则，本文总结了UHMWPE相关性能及评价方法，见表3。

表3 UHMWPE 人工髋关节相关性能测试方法[28]

续表

2.2 老化作用对UHMWPE 人工髋关节磨损性能影响的研究现状

2.2.1 老化作用对UHMWPE 材料性能的影响

Lee 等[13]研究了货架老化对UHMWPE 材料性能的影响，完成了交联度和氧化指数的测定，如图1所示；其中，图1（a）横轴代表每个髋臼内衬的老化周期，且从左至右，老化周期依次增加，纵轴代表髋臼内衬经过老化后测得的交联度；图1（b）横轴代表每个髋臼内衬的老化周期，且从左至右，老化周期依次增加，纵轴代表髋臼内衬经过老化后测得的氧化指数。由图1可知，经过老化后#3 髋臼内衬平均氧化指数最高，对应交联度最低，氧化指数较低的#5 老化内衬，其交联度高于#4 和#6 老化内衬，结果表明，随着老化时间的延长，交联度逐渐降低。

图1 样品实验结果[13]

Fouad[14]研究了UHMWPE材料在自然环境下老化6年（温度25±3℃，湿度80%±5%）后力学性能的变化，根据ISO 527-2:2012《塑料 拉伸性能的测定第2 部分：模压和挤压塑料试验条件》（Plastics — Determination of Tensile Properties—Part 2:Test Conditions for Moulding and Extrusion Plastics）[29]的拉伸试验发现，自然老化6年后，UHMWPE 材料的弹性模量和屈服应力分别比未老化的弹性模量和屈服应力低49%和8%，断裂应力和应变比未老化的分别降低了25% 和18.5%。结果表明，自然老化可导致UHMWPE 材料力学性能降低。

Mosatelli 等[30]研究了货架老化对UHMWPE 材料力学性能的影响，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检测的标准试验方法》（Standard Test Method for Small Punch Testing of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Used in Surgical Implants）[31]完成了小型冲孔测试。货架老化样品的老化时间以及小型冲孔测试结果详见表4。结果表明，货架老化导致UHMWPE 材料的力学性能降低。

表4 货架老化样品小型冲孔测试结果[30]

Mosatelli 等[30]同时研究了货架老化对UHMWPE 材料摩擦性能的影响，按照ASTM F732-00（2006）《用于全关节假体的聚合材料的磨损试验的标准试验方法》（Standard Test Method for Wear Testing of Polymeric Materials Used in Total Joint Prostheses）[32]进行销盘磨损实验评价摩擦性能。货架老化样品的老化时间以及平均磨损结果见表5。结果表明，货架老化可导致UHMWPE 材料的耐磨损性能降低。

表5 货架老化样品平均磨损率[30]

2.2.2 老化作用对UHMWPE 人工髋关节磨损性能的影响

老化作用对UHMWPE 人工髋关节磨损性能造成怎样的影响，针对上述问题，本文对不同研究中老化作用对UHMWPE 人工髋关节磨损性能影响的结果进行了总结，见表6～表8。

表6 普通UHMWPE 人工髋关节老化前后体外实验磨损率

表7 高交联UHMWPE 人工髋关节老化前后体外实验磨损率

表8 VE/HXLPE 人工髋关节老化前后体外实验磨损率

综合上表，普通UHMWPE人工髋关节加速老化14 天后磨损率为16.0～30.3mg/mc，加速老化28 天后磨损率约为38 ～365.8mg/mc，加速老化30 天后磨损率约为32.9 ～49.01mg/mc。高交联UHMWPE 人工髋关节加速老化14 天或28 天后磨损率约为2.0mg/mc，加速老化35 天后人工髋关节磨损率约为3.4mg/mc，加速老化42 天后人工髋关节磨损率约为52.0mg/mc。VE/HXLPE 人工髋关节加速老化14天后磨损率约为1.5mg/mc，加速老化28 天或42 天后磨损率约为2.3mg/mc。但截至目前，尚无研究人员定量分析老化作用对UHMWPE 人工髋关节磨损性能的影响，也未有将该数据与临床磨损数据建立定量关系，用以评价老化方法效果的报道。

3 体外加速老化方法研究的局限性

目前，大部分研究人员均按照ASTM F2003《 空气中γ 射线辐射后的超高分子量聚乙烯加速老化的标准》的方法在体外加速模拟UHMWPE 人工髋关节的老化过程，尽管该加速老化方法已成功用于UHMWPE 材料长期氧化稳定性的评估，但货架老化和植入体内老化的环境较为复杂，除温度和压力，可能还会受到水分等因素的影响，因此该标准中的模拟方法尚无法精确地模拟货架老化和植入期间的老化过程。

模拟货架老化和植入老化的过程与加速老化过程中温度、气压、周期等条件如何设置有关，同时由“2.2.2”可知，抗氧化性较强的UHMWPE 材料，短时间的加速老化周期对其体外磨损率较小，因此需针对不同UHMWPE 材料设置不同的加速老化周期。本文列举了不同研究中加速老化和货架老化等效关系的研究结果，见表9。

表9 加速老化和货架老化等效关系

由于关于加速老化方法与货架老化、植入体内实时老化关联性的研究较少，因此加速老化方法的环境条件以及加速老化时间如何设置从而达到与货架老化、植入体内实时老化相同的效果目前尚无准确的定论，有待进一步研究。此外，针对不同UHMWPE材料，也未有研究中设置了合理的对应加速老化周期。

4 总结与展望

本文以老化作用对UHMWPE 人工髋关节相关性能的影响为研究内容，介绍了目前不同研究中的体外老化方法，包含标准以及非标方法；其次，总结出一套科学评价老化实验影响UHMWPE 人工髋关节性能的分析方法，包括材料本征参数的测定、力学实验、摩擦磨损实验等，并从UHMWPE 材料相关性能以及UHMWPE 人工髋关节磨损性能两个层面，介绍了相关研究进展，总结得出老化作用会降低UHMWPE 人工髋关节力学性能和摩擦磨损性能；最后，分析了当前加速老化方法的研究还存在一定的局限性，即缺失体内水分对髋关节的影响，以及针对不同种类UHMWPE 需制定不同的加速老化周期。因此，研究人员仍需进一步研究加速老化周期的设定策略以及加速老化环境，以达到与长期的货架和人体内老化产生较一致的老化效果。