超高分子量聚乙烯在生物医学应用中的性能与功能化综述

摘要

根据市场调研，医用级超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的需求从2015年的60.9千吨增长至2024年的204.8千吨，市场估值达到13.6亿美元，年复合增长率为15%。UHMWPE因其优越的生物相容性、化学惰性、低磨损体积、较高的拉伸强度及低摩擦系数等特性，广泛应用于医疗植入物。然而，UHMWPE在生物医学应用中存在磨损碎屑、氧化降解及老化等问题。通过表面改性及复合增强技术，可显著改善UHMWPE的性能，拓展其在人工关节、骨组织工程等领域的应用潜力。

1. 引言

超高分子量聚乙烯（Ultra-High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE）是一种具有卓越性能的工程塑料，其分子量通常在150万以上。这种材料以其优异的耐磨损性、耐冲击性、耐化学药品性、自润滑性和生物相容性而著称，因此在多个领域得到了广泛应用，如医疗、化工、运输和航空等。

全球医疗植入物产业因外科技术进步及老龄化人口增长而快速发展。UHMWPE因其分子量高（350万至600万g/mol）、结晶度高（>90%）以及优异的机械性能，成为主要的医疗级高分子材料。然而，其低熔点（130°C–136°C）和受辐射后生成自由基的缺陷限制了其进一步应用。为解决上述问题，研究者通过表面处理技术（如电子束处理、冷等离子体）及复合材料增强技术（如添加碳纳米管、维生素E）对UHMWPE进行功能化改性。

UHMWPE通过聚乙烯链的高度交联实现高分子量，通常采用Ziegler催化剂在低压条件下制备。其线性半结晶结构由高度取向的层状结晶相和无定形相组成。UHMWPE具有优异的耐磨性（0.68 mm³/年）、拉伸强度（41.3 MPa）及低摩擦系数（0.12-0.15）。目前市场上主要的医用级UHMWPE产品包括GUR 1020和GUR 1050。

3.1 表面改性

通过电子束和冷等离子体等技术处理UHMWPE表面，可显著提高其润湿性、生物相容性和抗氧化性。

• 电子束处理：在空气中利用电子束照射UHMWPE表面，生成羰基和羟基官能团，增强其亲水性及细胞黏附性。

• 冷等离子体处理：利用氦气和氧气等离子体对UHMWPE进行表面改性，可优化材料的耐磨性能，并提高其在骨植入物中的整合性。

• 离子注入技术：通过碳离子注入形成高密度碳化层，改善UHMWPE的纳米硬度、耐磨性及生物相容性。

3.2 复合材料增强

通过在UHMWPE基体中添加增强材料，可同时改善其表面和体相性能。

• 羟基磷灰石（HA）：HA与UHMWPE复合可降低摩擦系数，增强其在人工髋关节中的应用潜力。

• 多壁碳纳米管（MWCNTs）：MWCNTs增强的UHMWPE表现出较高的机械强度及抗磨损性能，同时提高了材料的润湿性。

• 维生素E：作为抗氧化剂添加，可有效减少UHMWPE在辐射消毒过程中的自由基生成，改善其老化性能。

• 类金刚石薄膜（DLC）：DLC涂层能显著提升UHMWPE的硬度及耐磨性，同时降低其摩擦系数。

4.1 人工关节置换

UHMWPE在髋关节和膝关节置换中表现出优异的耐磨性和低摩擦性能。复合材料增强技术进一步提升了其抗疲劳性和长期稳定性。

4.2 骨组织工程

改性UHMWPE因其增强的细胞黏附性和生物活性，被广泛用于骨组织修复。通过表面处理和复合增强，其在骨植入物中的整合性显著提高。

4.3 医疗植入物

UHMWPE在脊柱植入物和牙科修复材料中的应用日益增多，其低磨损特性减少了由磨损碎屑引起的炎症反应。

尽管功能化技术显著改善了UHMWPE的性能，但仍需解决以下问题：

• 成本与规模化：表面改性和复合增强技术的成本较高，限制了大规模应用。

• 长期稳定性：尽管UHMWPE增强了耐磨性能，但在高应力和复杂环境下的长期稳定性仍需进一步验证。

未来研究应聚焦于以下方向：

• 开发更加经济高效的功能化技术。

• 优化复合材料的分散性及界面结合性能。

• 研究UHMWPE在个性化医疗领域的潜力，如3D打印技术的结合。

结论

UHMWPE因其优异的性能已成为医疗植入物领域的重要材料。通过表面改性和复合材料增强技术，可显著改善其在生物医学应用中的性能，为人工关节、骨组织工程等领域提供了可靠的解决方案。然而，随着应用需求的不断增加，未来仍需进一步研究以解决现有技术的瓶颈，实现更广泛的应用前景。

原始文献：

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