超高分子量聚乙烯在骨科领域的应用及基础研究进展

艾承冲(综述) 蒋 佳 陈世益△(审校)

(1复旦大学运动医学中心-华山医院运动医学与关节镜外科 上海 200040;2复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室 上海 200433)



超高分子量聚乙烯在骨科领域的应用及基础研究进展

艾承冲1,2(综述) 蒋 佳1,2陈世益1,2△(审校)

(1复旦大学运动医学中心-华山医院运动医学与关节镜外科 上海 200040;2复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室 上海 200433)

超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)凭借其良好的拉伸强度、耐磨性、耐冲击性、化学稳定性、低密度等特性在骨科人工关节假体、骨科缝线和人工韧带等领域广泛应用。临床研究发现UHMWPE关节产品产生磨损颗粒所导致的骨质溶解是髋关节置换术后失败的主要原因,为此许多研究致力于提高它的耐磨性以及改善它的生物相容性。本文对UHMWPE在骨科的临床应用和基础研究相关进展作一综述。

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)是一种具有优异综合性能的工程塑料。它具有良好的机械性能、抗冲击性、耐磨性及化学稳定性,与骨科许多方面对材料的要求相契合,在骨科移植物方面得到了广泛应用。本文将从人工关节假体、缝线和人工韧带3个方面对UHMWPE在骨科领域的临床应用和基础研究进展作一综述。

UHMWPE在骨科中的应用

人工关节假体中的应用 UHMWPE自1962年作为一种低磨损轴承关节假体材料在全髋关节置换术中应用至今,目前它仍是髋关节置换关节臼衬垫材料的最佳选择之一[1]。早期使用的高分子聚乙烯是由乙烯气体聚合形成的大分子碳链聚合物,医用等级的聚乙烯一般采用20～40 kGy辐射剂量进行伽马辐射灭菌。伽马辐射灭菌法可以使分子链相互交联,增加材料的耐磨性,但同时会导致自由基产生,灭菌后的材料暴露在空气中或体内使用时自由基的氧化会使得材料的力学性能下降[2]。关节置换术后出现骨质溶解和磨损等问题一直促使研究者对该材料进行不断改进。在20世纪90年代,通过由伽马射线或电子束高剂量辐射所形成的第一代高交联聚乙烯(highly cross-linked polyethylene,HXLPE)出现,使得UHMWPE耐磨性得到很大的改进。Kurtz等[1]收集了髋关节置换术后随访至少5年的病例,对股骨头穿透率(femoral head penetration)进行加权平均分析,证实了HXLPE衬垫的股骨头穿透率低于传统的超高分子聚乙烯,并且发生骨质溶解的风险下降了87%。Glyn-Jones等[3]进行的双盲前瞻性研究中,54个患者随机分为UHMWPE组和HXLPE组,分别使用两种关节衬垫进行手术,术后10年的放射立体照相测量分析证实了HXLPE比传统UHMWPE耐磨性更佳。体外销-盘式磨损试验也证明HXLPE比传统聚乙烯材料磨损率低[4]。另外,材料磨损产生的磨损颗粒与骨质溶解以及移植物松动紧密相关,而高交联的UHMWPE产生的磨损颗粒数量较传统UHMWPE少且颗粒体积较小,可能有利于减少骨质溶解的发生[5]。但辐射剂量增加使得产生的自由基的量也随之增加,此外交联的发生使得材料的抗疲劳性下降。为此又在第一代高交联聚乙烯的制作工艺中引入了再融化和退火的热处理方法以增加其抗氧化能力。辐射后热处理可为自由基提供能量使其重组而有效减少自由基,但同时又各有弊端。退火处理后的UHMWPE仍有自由基残留,临床随访发现退火处理的HXLPE磨损率与第一代HXLPE相比无明显差异,说明热处理不会损害材料的耐磨性[6],但在术后回收的退火加工的UHMWPE材料的衬垫边缘观察到了氧化以及边缘分层[7-8]。再融化处理会使UHMWPE结晶度下降导致材料的耐疲劳性下降,再融化处理的UHMWPE衬垫术后出现边缘裂痕而要翻修的病例多有报道[1],说明再融化的方式未能彻底将氧化降解以及力学退化的问题同时解决。

连续辐射和退火循环工艺的采用以及将维生素E引入制作过程在改进材料的抗氧化性的同时保持了其良好的耐疲劳性和耐磨性,使得第二代高交联聚乙烯应运而生[9]。维生素E是人体内有效的抗氧化剂,其主要作用是在细胞表面与自由基反应,破坏多不饱和脂肪酸的氧化反应链,以减少氧化引起的多不饱和脂肪酸的降解。聚乙烯的氧化反应与体内多不饱和脂肪酸的氧化反应机制类似,维生素E的介入可有效阻碍聚乙烯氧化反应的发生[10]。将维生素E引入了高分子聚乙烯的制作工艺中可增加材料的抗氧化性能。目前主要有两种制作方法,一种是将维生素E与UHMWPE粉末在固结之前混合,参与辐射交联发生的过程,这样可防止聚合物氧化,但同时也减少了交联的效率[11]。辐射剂量决定交联密度从而影响到材料的耐磨性能,通过调节交联中维生素E的添加浓度和辐射剂量,使得材料的耐磨性能与抗氧化能力两者达到一个平衡点;另一种是在UHMWPE接受辐射之后再将维生素E扩散到材料中,该方法避免了对聚合物交联的影响,且维生素E的添加量不再受制于交联密度,但在加入维生素E之前的辐射和储存过程中会有氧化反应发生,并且添加完成后需再通过均化作用这一步骤使材料获得充分均匀的抗氧化性能。与融化处理的UHMWPE相比,添加维生素E的UHMWPE抗氧化性得到提升,耐磨性未受损且耐疲劳性得到改善[5,12]。Oral等[13]和Turner等[14]使用髋关节运动模拟力学实验进行对比研究发现维生素E不会降低材料的耐磨性,通过模拟股骨颈对髋臼窝边缘冲击的疲劳试验发现,维生素E扩散的第二代高交联聚乙烯与传统聚乙烯的耐疲劳性表现无明显差别,可能是因为对辐射后的UHMWPE添加维生素E可避免热处理所致的结晶度的下降。Jarrett等[15]通过力学实验证实了维生素E扩散的第二代高交联聚乙烯的疲劳强度优于单纯的第二代高交联聚乙烯,并且通过兔、犬动物试验发现加入聚乙烯中的维生素E浓度并不会对假体周围组织造成毒性反应或引起炎症。小鼠颅骨模型试验也证实了维生素E的加入不会加重骨质溶解以及引起炎性反应[16]。TNF-α、TL-1β、IL-6以及IL-8等炎性因子与无菌性骨质溶解现象以及破骨细胞成熟紧密相关[14],体外实验发现维生素E混合后的UHMWPE磨损颗粒与人外周血单核细胞培养引起这些炎性因子分泌的量比传统UHMWPE的磨损颗粒组分泌的量显著减少[17]。目前尚无维生素E在关节假体应用中引起不良事件的报道。

骨科缝线中的应用 1979年荷兰DSM公司通过凝胶纺丝法制备了高强度高弹性模量的超高分子聚乙烯纤维。目前,超高分子聚乙烯纤维的工业生产已经十分成熟,是世界三大高科技纤维(碳纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维)之一,也是世界上最坚韧的纤维。其凭借出色的力学性能、质量轻等优点逐渐被应用于骨科缝线。UHMWPE目前在半月板撕裂伤缝合、肩袖修复术、接骨术中都有应用,其作为缝线的力学优越性已在许多实验中得到证实。Kenichi等[18]通过拔出试验和比格犬接骨术模型术后组织学研究发现,术后6个月UHMWPE与软钢索两组骨折愈合效果相似,且材料引起的组织反应包括周围炎性反应和肉芽组织生成方面,UHMWPE组比软钢索组弱,显示出UHMWPE在接骨术中的应用潜力。Dickman等[19]曾报道在脊柱融合术中使用UHMWPE纤维缆绳将金属棒固定在骨上,其静态极限抗拉强度、疲劳强度、耐磨性均优于钛缆、钢缆、钢丝。另外,UHMWPE纤维缆绳可制成条带状,这有利于术中需要的捆绑固定效果,同时也可减少对骨的局部应力。Anderson等[20]用骨骼未成熟的猪膝关节制备胫骨髁间棘骨折模型,使用骨骺保护型方法进行骨折固定,对UHMWPE缝线/纽扣钢板(ultra-high molecular weight polyethylene suture-suture button,UHMWPE/SB)、缝合锚定(sucture anchor)、PDS线/纽扣钢板(polydioxanone suture-suture button,PDS/SB)和螺丝固定4种方法进行生物力学测试,发现UHMWPE缝线/纽扣钢板组的最大破坏载荷、屈服载荷、蠕变优于PDS线/纽扣钢板和螺丝固定且比缝合锚定获得更稳定的效果。Onur等[21]使用体外牛内侧半月板做前后垂直2 cm切口,再用不同的2号缝线水平缝合后做生物力学测试,4种缝线分别为单纯UHMWPE、UHMWPE+聚酯、UHMWPE+PDS、单纯聚酯,结果发现单纯UHMWPE和UHMWPE+PDS最大破坏载荷高于UHMWPE+聚酯和单纯聚酯。

人工韧带中的应用 前交叉韧带运动损伤是膝关节常见疾病,主要通过自体、异体肌腱移植和人工韧带重建进行治疗。由于自体及异体肌腱移植术后愈合时间长、取材部位损伤、疾病传播、数量有限等原因,20世纪70年代起人工韧带开始受到关注。但早期临床随访结果发现人工韧带移植物重建前交叉韧带术后只有30%～60%的成功率,重建术后韧带伸长、断裂、骨道扩大、磨损颗粒产生及滑膜炎等并发症的出现使得人工韧带临床应用效果及价值受到质疑,并在20世纪90年代逐渐被人们淘汰[22]。UHMWPE、聚酯、聚丙烯等都曾用作人工韧带材料,除了材料的自身性能外人工韧带的结构设计以及手术技术对术后结果也至关重要。20世纪70年代曾使用过UHMWPE材料制作的棒状人工韧带产品,Chen等[23]对38例平均年龄25.5岁的手术患者进行平均12～18个月的随访发现,30例患者依然有疼痛和关节不稳的情况,术后3～12个月就有6个患者出现韧带假体断裂,进一步力学研究也证明棒状UHMWPE屈服强度、蠕变以及抗疲劳性能都不符合人体前交叉韧带的力学要求。一项以UHMWPE纤维编织的人工韧带为实验组,骨-髌腱-骨自体移植物为对照组的术后14年的随访研究发现,两组术后的主观评分(Tegner评分和Lysholm评分)与客观检测(体格检查和KT1000测量)无明显差异,证明了UHMWPE纤维作为人工韧带编织原料的可行性[24]。目前市场上的人工韧带原材料以聚对苯二甲酸乙二醇酯多见,且近5年没有相关文献报导UHMWPE人工韧带。近来有学者采用混合编织的方式将UHMWPE纤维出色的力学性用于人工韧带的构建。Bach等[25]将UHMWPE线编织成网状后包裹聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)凝胶纤维编织成的核心制备UHMWPE/PVA人工韧带。PVA凝胶不可降解且具有良好的生物相容性,能够在接触面形成一层水膜起到润滑作用以降低摩擦系数,UHMWPE网状结构的加入弥补了PVA凝胶制成的纤维制备的人工韧带的刚度、极限应变、抗疲劳性和伸长率上的缺陷。

UHMWPE在骨科应用中的基础研究进展

膝关节、髋关节置换术后,UHMWPE材料所制作的衬垫与金属或陶瓷配合端面磨损产生的数以亿计的次微米的磨损颗粒会引起破骨细胞吸收骨质,导致假体周围骨质溶解及假体松动[1,5],被视作关节置换失败的一个主要原因。目前针对超高分子聚乙烯材料的基础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减少溶骨两方面。

目前有大量研究试图通过改性以改善UHMWPE的耐磨性,针对关节置换材料改进所用到的改性方法有以下几种。

填料充填形成复合材料 纳米碳管、碳纤维、氧化铝、石英、硅酸钙、天然珊瑚颗粒、钛粉等都曾用于制作超高分子聚乙烯复合材料并证实可以增强材料耐磨性[26-28]。用于关节假体的复合材料不仅要求耐磨性的增强,同时也对复合材料的生物相容性和力学性能要求较高。目前研究较多是多壁纳米碳管/UHMWPE复合材料。多壁纳米碳管具有限制UHMWPE老化降解的能力,实验发现随着加入的纳米碳管浓度增加,复合材料中检测到的自由基密度逐渐减小,证实了纳米碳管具有自由基清除能力[29]。在力学性能方面,Kanagaraj等[30]用纳米压痕技术和微拉伸检测对不同浓度多壁纳米碳管的复合材料进行测试,发现复合材料的韧性、最大应力、屈服应力均得到增强,并且加入的多壁纳米碳管的最佳浓度为2 wt%,超过此浓度后力学性能会出现下降。将多壁纳米碳管、三氧化二铝与UHMWPE一起制作复合材料,材料的亲水性得到提高,与小鼠成纤维细胞培养后发现复合材料组的细胞增殖数量更多,进行细胞增殖数目和矿化测试后发现成纤维细胞的代谢活性与复合材料表面自由能的分散度有关[31]。

等离子处理 通过电化学沉积、物理气相沉积等技术在材料表面制备硬质涂层或直接改变材料表面性能,可提高材料的抗磨损能力。Xie等[32]采用回旋共振微波等离子体结合化学气相沉积(electron cyclotron resonance microwave plasma chemical vapor deposition,ECR-PECVD)技术在UHMWPE表面沉积富氢类金刚石(diamond-like carbon,DLC)薄膜,UHMWPE的硬度显著提高。二氧化锆是一种重要的陶瓷原料,它可有效增加材料的硬度并降低摩擦系数,使用脉冲等离子沉积(pulsed plasma deposition,PPD)技术在UHMWPE表面可形成黏附牢固的二氧化锆薄膜并且材料的硬度显著提高[33]。Marchiori等[34]利用有限元分析的方法,对0.5～5 μm厚度的二氧化锆薄膜进行测试,发现薄膜的增厚可降低塑料基底所受的应力,在薄膜厚度为1 μm时,薄膜以及薄膜基底交界面会产生很高的应力,故应避免使用1 μm的厚度。冷常压等离子处理(cold atmospheric plasma,CAP)可有效促进UHMWPE的交联从而提高耐磨性[35]。Preedy等[36]将UHMWPE通过氦气、氦气/氧气冷常压等离子体处理后通过原子力显微镜进行观察,发现材料表面粗糙密度比未处理的UHMWPE下降一半,并且改善了材料的亲水性,有利于细胞黏附促进骨整合。

表面接枝改性 通过在材料表面接枝具有特定结构的官能团,实现材料表面润湿性的改善或对细胞特异性选择能力。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细胞膜结构的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(polymer 2-methacryloyloxyethyl phosphoryl choline,PMPC) 仿生超润滑膜,髋关节运动模拟实验发现其磨损量及产生的磨损颗粒大小都有所下降,并且材料的亲水性得到改善。紫外辐照接枝所得的PMPC膜厚度大约为0.4～6 μm,以Tris缓冲液作为润滑剂,室温、2.5 N负荷、滑行距离为4 mm条件下与凸面玻璃(曲率半径25.9 mm,表面粗糙度0.2 nm)进行摩擦试验,发现PMPC膜层可持续约9 h[38]。此种方法所得的润滑膜的持久性是一个问题,当润滑膜被磨损耗尽后,UHMWPE材料就会受到磨损。丙烯酸具有良好的亲水性,它带有的羧基团可使它与生物活性分子如生长因子、多肽等良好接触。将UHMWPE粉末浸入丙烯酸甲醇溶液中经紫外辐照后形成丙烯酸接枝的UHMWPE,其亲水性得到改善,磨损率随着加入的丙烯酸比率的上升呈现先降后升的趋势,当丙烯酸嫁接的比率为3.5%时所得材料的磨耗率最小。此种处理可使材料长期保持丙烯酸的润滑性能,但材料的抗张强度却降低[39]。与此类似方法接枝聚偏氟乙烯{[3-(methacryloylamino) propyl dimethyl 3-sulfopropyl] ammoniumhydroxide,MPDSAH},所得材料磨损率随着MPDSAH接枝浓度的增加而减小,但MPDSAH大分子链的接枝会改变UHMWPE的分子链结构,实验发现材料的摩擦系数下降的同时最大应力也出现下降并且极限伸长率变大[40-41]。

此外,通过织构化处理使得材料分子链重新排列可以实现力学的优化。织构化处理的方法有多种如冷挤压、拉伸、压缩等[42]。Kustandi等[43]采用纳米压印技术对UHMWPE 表面进行织构化处理后与陶瓷球进行往复磨损试验,发现UHMWPE 的摩擦系数和磨损率均明显小于未处理的UHMWPE。还有研究者尝试使用其他抗氧化剂以避免维生素E加工过程中对UHMWPE分子交联的影响。Fu等[44]使用天然的多酚类五倍子酸(gallic acid,GA)和十二烷基(dodecyl gallate,DG)代替维生素E作为抗氧化剂制得GA/UHMWPE和DG/UHMWPE,材料的抗氧化性优于维生素E/UHMWPE,并且多酚类的加入对UHMWPE的分子交联几乎没有影响,所制得的材料的耐磨性也更高。

对于UHMWPE材料细胞相容性的研究,较早就有实验发现成纤维细胞、成骨细胞难以在UHMWPE表面生长[45],UHMWPE缝线力学测试也证明了其力学性能出色但组织反应性较差[18,20]。生物材料的亲水性和表面粗糙度对细胞黏附十分重要,通过改变材料的表面形貌可以改变材料的组织相容性。光子、离子以及电子束都可以对材料表面性能进行修饰,所使用的激光波长、脉冲频率以及扫描速度等参数不同会产生不同的修饰效果。使用1064 nm、532 nm、355 nm 3个不同波长的激光对材料进行修饰,发现在532 nm和355 nm波长的激光辐照最有利于增加材料的亲水性和表面粗糙度,也就最有利于细胞的生长黏附,但还未经细胞实验证实[46]。另外,涂层也是骨科常用的材料表面修饰方法。Silva等[47]在UHMWPE表面进行钛、钛/羟基磷灰石涂层发现可以促进移植物-骨接触面的成骨。Firouzi等[48]通过体外细胞培养和力学测试的方法发现尼龙涂层的UHMWPE纤维的抗蠕变能力、抗张强度高于单纯UHMWPE纤维,而且涂层可增加UHMWPE的细胞相容性,并且骨质溶解过程中高表达的IL-6和TNFα水平降低了。除了增加材料的细胞亲和性,也有研究者尝试载药的方式来防止溶骨发生。以阿仑磷酸钠为代表的二磷酸盐是临床常用的预防骨质吸收的药物,有学者将UHMWPE粉末与不同浓度的阿仑磷酸钠溶液混合后通过风干和热压的方式制备UHMWPE-阿仑材料,分别将单纯UHMWPE磨损颗粒和不同大小、不同阿仑磷酸钠浓度的UHMWPE-阿仑磨损颗粒与成骨细胞共同培养,不添加任何磨损颗粒的培养组作为对照组,培养72 h后两个实验组的细胞数量和碱性磷酸酶活性均低于对照组,但UHMWPE-阿仑组的碱性磷酸酶活性高于单纯UHMWPE组且随着UHMWPE-阿仑磨损颗粒的增大ALP活性有增加趋势[49]。但UHMWPE-阿仑(1.0 wt%)材料的抗张强度低于单纯UHMWPE,此外以25% (体积百分比)牛血清作为润滑剂,球-盘磨损实验发现除了在负荷值为10 N时UHMWPE-阿仑(1.0 wt%)材料的摩擦系数都稍高于单纯UHMWPE组[50]。

结语 UHMWPE是关节假体中衬垫材料的最佳选择之一,但材料本身产生的磨损颗粒造成的骨质溶解和无菌性松动是造成手术失败的主要原因,如何进一步改善其耐磨性能仍然存在困难,且是目前研究热点。体外实验已经证明填料充填进行形成复合材料、涂层、等离子处理等都能有效改善它的耐磨性,目前可通过建立更接近人体关节运动的关节模拟系统以及大型动物实验模型观察体内效果来获取一个有效的改进方法,另外还需要从成本、生产可行性方面积极探索能应用于实际生产的改性方法。

缝线应用中,对于力学情况较为简单,对耐磨性、耐疲劳性及拉力强度要求高的应用如接骨术、UHMWPE缝线的效果是值得肯定的,但对于半月板缝合、肩袖修补等力学情况较复杂的情况,如半月板受到的压缩力、剪切力、圆周向的张应力,肩袖缝合中对于缝线伸长率、刚度要求较高的情况下,UHMWPE的缝合效果还有待于更接近自然关节运动的关节模拟系统或是人体大标本试验进行验证,同时也希望有相关临床试验结果的出现。

UHMWPE在人工韧带中的应用在20世纪90年代就受到冷落,但其生产工艺上的改进以及各种致力于改善其细胞相容性促进成骨的改性方法的出现,其今后在运动医学中的应用也值得期待。

[1] KURTZ SM,GAWEL HA,PATEL JD.History and systematic review of wear and osteolysis outcomes for first-generation highly crosslinked polyethylene [J].ClinOrthopRelatRes,2011,469(8):2262-2277.

[2] DUMBLETON JH,D′ANTONIO JA,MANLEY MT,etal.The basis for a second-generation highly cross-linked UHMWPE [J].ClinOrthopRelatRes,2006,453:265-271.

[3] GLYN-JONES S,THOMAS GE,GARFJELD-ROBERTS P,etal.The John Charnley Award:Highly crosslinked polyethylene in total hip arthroplasty decreases long-term wear:a double-blind randomized trial [J].ClinOrthopRelatRes,2015,473(2):432-438.

[4] BAYKAL D,SISKEY RS,HAIDER H,etal.Advances in tribological testing of artificial joint biomaterials using multidirectional pin-on-disk testers [J].JMechBehavBiomedMater,2014,31:117-134.

[5] BRACCO P,ORAL E.Vitamin E-stabilized UHMWPE for total joint implants:a review [J].ClinOrthopRelatRes,2011,469(8):2286-2293.

[6] D'ANTONIO JA,CAPELLO WN,RAMAKRISHNAN R.Second-generation annealed highly cross-linked polyethylene exhibits low wear [J].ClinOrthopRelatRes,2012,470(6):1696-1704.

[7] KURTZ SM,HOZACK WJ,PURTILL JJ,etal.2006 Otto Aufranc Award Paper:significance ofinvivodegradation for polyethylene in total hip arthroplasty [J].ClinOrthopRelatRes,2006,453:47-57.

[8] CURRIER BH,CURRIER JH,MAYOR MB,etal.Evaluation of oxidation and fatigue damage of retrieved crossfire polyethylene acetabular cups [J].JBoneJointSurgAm,2007,89(9):2023-2029.

[9] KURTZ SM,AUSTIN MS,AZZAM K,etal.Mechanical properties,oxidation,and clinical performance of retrieved highly cross-linked Crossfire liners after intermediate-term implantation [J].JArthroplasty,2010,25(4):614-623,e1-e2.

[10] ORAL E,MURATOGLU OK.Vitamin E diffused,highly crosslinked UHMWPE:a review [J].IntOrthop,2011,35(2):215-223.

[11] ORAL E,GREENBAUM ES,MALHI AS,etal.Characterization of irradiated blends of alpha-tocopherol and UHMWPE [J].Biomaterials,2005,26(33):6657-6663.

[12] DI PUCCIO F,MATTEI L.Biotribology of artificial hip joints [J].WorldJOrthop,2015,6(1):77-94.

[13] ORAL E,CHRISTENSEN SD,MALHI AS,etal.Wear resistance and mechanical properties of highly cross-linked,ultrahigh-molecular weight polyethylene doped with vitamin E [J].JArthroplasty,2006,21(4):580-591.

[14] TURNER A,OKUBO Y,TERAMURA S,etal.The antioxidant and non-antioxidant contributions of vitamin E in vitamin E blended ultra-high molecular weight polyethylene for total knee replacement [J].JMechBehavBiomedMater,2014,31:21-30.

[15] JARRETT BT,COFSKE J,ROSENBERG AE,etal.Invivobiological response to vitamin E and vitamin-E-doped polyethylene [J].JBoneJOintSurgAm,2010,92(16):2672-2681.

[16] HUANG CH,LU YC,CHANG TK,etal.Invivobiological response to highly cross-linked and vitamin e-doped polyethylene-a particle-Induced osteolysis animal study [J].JBiomedMaterResBApplBiomater,2016,104(3):561-567.

[17] BLADEN CL,TERAMURA S,RUSSELL SL,etal.Analysis of wear,wear particles,and reduced inflammatory potential of vitamin E ultrahigh-molecular-weight polyethylene for use in total joint replacement [J].JBiomedMaterResBApplBiomater,2013,101(3):458-466.

[18] OE K,JINGUSHI S,IIDA H,etal.Evaluation of the clinical performance of ultrahigh molecular weight polyethylene fiber cable using a dog osteosynthesis model [J].BiomedMaterEng,2013,23(5):329-338.

[19] DICKMAN CA,PAPADOPOULOS SM,CRAWFORD NR,etal.Comparative mechanical properties of spinal cable and wire fixation systems [J].Spine,1997,22(6):596-604.

[20] ANDERSON CN,NYMAN JS,MCCULLOUGH KA,etal.Biomechanical evaluation of physeal-sparing fixation methods in tibial eminence fractures [J].AmerJSportsMed,2013,41(7):1586-1594.

[21] HAPA O,AKSAHIN E,ERDURAN M,etal.The influence of suture material on the strength of horizontal mattress suture configuration for meniscus repair [J].Knee,2013,20(6):577-580.

[22] GUIDOIN MF,MAROIS Y,BEJUI J,etal.Analysis of retrieved polymer fiber based replacements for the ACL [J].Biomaterials,2000,21(23):2461-2474.

[23] CHEN EH,BLACK J.Materials design analysis of the prosthetic anterior cruciate ligament [J].JBiomedMaterialsRes,1980,14(5):567-586.

[24] PURCHASE R,MASON R,HSU V,etal.Fourteen-year prospective results of a high-density polyethylene prosthetic anterior cruciate ligament reconstruction [J].JLongTermEffMedImplants,2007,17(1):13-19.

[25] BACH JS,DETREZ F,CHERKAOUI M,etal.Hydrogel fibers for ACL prosthesis:design and mechanical evaluation of PVA and PVA/UHMWPE fiber constructs [J].JBiomech,2013,46(8):1463-1470.

[26] GE S,WANG S,HUANG X.Increasing the wear resistance of UHMWPE acetabular cups by adding natural biocompatible particles [J].Wear,2009,267(5-8):770-776.

[27] TAI Z,CHEN Y,AN Y,etal.Tribological behavior of UHMWPE reinforced with graphene oxide nanosheets [J].TribolLett,2012,46(1):55-63.

[28] PUERTOLAS JA,KURTZ SM.Evaluation of carbon nanotubes and graphene as reinforcements for UHMWPE-based composites in arthroplastic applications:A review [J].JMechBehavBiomedMater,2014,39:129-145.

[29] RAMA SREEKANTH PS,KANAGARAJ S.Restricting the ageing degradation of the mechanical properties of gamma irradiated UHMWPE using MWCNTs [J].JMechBehavBiomedMater,2013,21:57-66.

[30] RAMA SREEKANTH PS,KANAGARAJ S.Assessment of bulk and surface properties of medical grade UHMWPE based nanocomposites using Nanoindentation and microtensile testing [J].JMechBehavBiomedMater,2013,18:140-151.

[31] PATEL AK,BALANI K.Dispersion fraction enhances cellular growth of carbon nanotube and aluminum oxide reinforced ultrahigh molecular weight polyethylene biocomposites [J].MaterSciEngCMaterBiolAppl,2015,46:504-513.

[32] XIE D,LIU H,DENG X,etal.Deposition of a-C:H films on UHMWPE substrate and its wear-resistance [J].ApplSurfSci,2009,256(1):284-288.

[33] BIANCHI M,RUSSO A,LOPOMO N,etal.Pulsed plasma deposition of zirconia thin films on UHMWPE:proof of concept of a novel approach for joint prosthetic implants [J].JMaterChemB,2013,1(3):310-318.

[34] MARCHIORI G,LOPOMO N,BOI M,etal.Optimizing thickness of ceramic coatings on plastic components for orthopedic applications:A finite element analysis [J].MaterSciEngCMaterBiolAppl,2016,58:381-388.

[35] PERNI S,KONG MG,PROKOPOVICH P.Cold atmospheric pressure gas plasma enhances the wear performance of ultra-high molecular weight polyethylene [J].ActaBiomat,2012,8(3):1357-1365.

[36] PREEDY EC,BROUSSEAU E,EVANS SL,etal.Adhesive forces and surface properties of cold gas plasma treated UHMWPE [J].ColloidsSurfAPhysicochemEngAsp,2014,460:83-89.

[37] MORO T,KAWAGUCHI H,ISHIHARA K,etal.Wear resistance of artificial hip joints with poly (2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) grafted polyethylene:comparisons with the effect of polyethylene cross-linking and ceramic femoral heads [J].Biomaterials,2009,30(16):2995-3001.

[38] WANG N,TRUNFIO-SFARGHIU AM,PORTINHA D,etal.Nanomechanical and tribological characterization of the MPC phospholipid polymer photografted onto rough polyethylene implants [J].ColloidsSurfAPhysicochemEngAsp,2013,108:285-294.

[39] DENG Y,XIONG D,WANG K.Biotribological properties of UHMWPE grafted with AA under lubrication as artificial joint [J].JMaterSciMaterMed,2013,24(9):2085-2091.

[40] DENG Y,XIONG D,WANG K.The mechanical properties of the ultra high molecular weight polyethylene grafted with 3-dimethy (3-(N-methacryamido) propyl) ammonium propane sulfonate [J].JMechBehavBiomedMater,2014,35:18-26.

[41] DENG Y,XIONG D,SHAO S.Study on biotribological properties of UHMWPE grafted with MPDSAH [J].MaterSciEngCMaterBiolAppl,2013,33(3):1339-1343.

[42] ADDIEGO F,BUCHHEIT O,RUCH D,etal.Does texturing of UHMWPE increase strength and toughness?:a pilot study [J].ClinOrthopRelatRes,2011,469(8):2318-2326.

[43] KUSTANDI TS,CHOO JH,LOW HY,etal.Texturing of UHMWPE surface via NIL for low friction and wear properties [J].JPhysicsDApplPhy,2010,43(1):15301-15306.

[44] FU J,SHEN J,GAO G,etal.Natural polyphenol-stabilised highly crosslinked UHMWPE with high mechanical properties and low wear for joint implants [J].JMaterChemB,2013,1(37):4727-4735.

[45] HUNTER A,ARCHER CW,WALKER PS,etal.Attachment and proliferation of osteoblasts and fibroblasts on biomaterials for orthopaedic use [J].Biomaterials,1995,16(4):287-295.

[46] RIVEIRO A,SOTO R,DEL VAL J,etal.Laser surface modification of ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) for biomedical applications [J].ApplSurfSci,2014,302:236-242.

[47] SILVA MA,GOMES PS,VILA M,etal.New titanium and titanium/hydroxyapatite coatings on ultra-high-molecular-weight polyethylene-invitroosteoblastic performance [J].BiomedMater,2010,5(3):35014.

[48] FIROUZI D,YOUSSEF A,AMER M,etal.A new technique to improve the mechanical and biological performance of ultra high molecular weight polyethylene using a nylon coating [J].JMechBehavBiomedMater,2014,32:198-209.

[49] QU S,BAI Y,LIU X,etal.Study oninvitrorelease and cell response to alendronate sodium-loaded ultrahigh molecular weight polyethylene loaded with alendronate sodium wear particles to treat the particles-induced osteolysis [J].JBiomedMaterResA,2013,101(2):394-403.

[50] HUANG J,QU S,WANG J,etal.Reciprocating sliding wear behavior of alendronate sodium-loaded UHMWPE under different tribological conditions [J].MaterSciEngCMaterBioAppl,2013,33(5):3001-3009.

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

国家高技术研究发展计划(863计划)(2015AA033703);国家自然科学基金(81271958,81572108,81370052)

TQ325.1+2

B

10.3969/j.issn.1672-8467.2016.06.014

2016-01-21;编辑: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).