超高分子量聚乙烯表面海藻酸钠交联网络仿生结构的构建及其生物摩擦学特性研(2)
1.2 人工关节材料 目前人工关节材料可以分为金属、陶瓷和有机高分子材料三大类[7]。
1.2.1 金属材料 金属材料目前在关节材料中占主要地位，其力学性能和加工性能较好，但使用较长时间之后易产生磨屑[8]。常用金属材料为不锈钢、Co-Cr合金及钛合金。20世纪20年代开始使用奥氏体不锈钢（316L），但由于人体中长期植入不锈钢会导致恶性肿瘤，欧美等国已限制其的临床应用。Co-Cr合金具有强度高、模量低、耐磨等优点，也曾被广泛应用于关节置换中。但是Co、Cr均对人体有毒，故其应用受到限制。20世纪60年代初，钛合金（TC4）开始被应用于人工关节置换中。钛合金比重较小，接近于人体比重，且机械强度高、具有优异的抗疲劳性和耐蚀性，是更加适合的人工关节材料[9,10]。
1.2.2 陶瓷材料 陶瓷材料生物相容性良好，且耐磨、强度高、化学稳定性优异[11]。1970年起，陶瓷首次被用作人工关节材料。由于当时技术落后，早期陶瓷制作的人工关节易断裂[12]。目前陶瓷材料中最常用的是氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2），其中最早使用的是氧化铝。Ohgushi H等对陶瓷头-陶瓷髋臼进行测试，结果表明， UHMWPE与氧化铝材料匹配时磨损颗粒比其与金属头匹配时减少200倍[13]。但是相对于金属材料，氧化铝的韧性和强度较低，故引入具有更高韧性和强度的氧化锆材料。十余年来，世界上被成功应用的氧化锆制成的股骨头已达到20万以上。然而氧化锆材料硬度比氧化铝低，易发生相变，性质不够稳定。故增韧氧化锆陶瓷等复合陶瓷材料成为研究热点[11,14,15]。 1.2.3 高分子材料 1962年，Charnley首次用聚乙烯制造人工关节，这是高分子材料正式成为人工关节材料之一的标志[16]。早期使用的高分子材料是聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。目前普遍使用的UHMWPE材料已基本能够解决人工关节的磨损问题。 高分子材料具有良好的生物相容性和耐磨性，但是承载的载荷是人体体重的数倍时易磨损[17]。磨屑会导致假体四周的骨质发生溶解以及假体松动，严重影响人工关节的使用寿命。
1.3 超高分子量聚乙烯作为人工关节材料 UHMWPE综合性能优异，是目前人工髋臼使用的主要材料[18]。其分子量一般在100-500万，由于其相对分子量非常高，超高分子量聚乙烯具有比一般聚乙烯更加优异的性能。其主要优点为：摩擦系数低、耐磨损性能优越、冲击强度高、无毒无污染、成本低廉、生物相容性好、生理惰性优异等。但其也存在不足之处：（1）UHMWPE最主要的问题是易产生细小磨屑，这是导致人工关节失效的主要原因。 （2）UHMWPE抗蠕变性能不理想，长期使用易发生蠕变，造成置换关节精度偏差，降低置换关节装配性[19]。（3）UHMWPE颗粒扩散系数小，压制成型的过程中，颗粒界面间不能完全熔融而产生结构缺陷，导致在剧烈运动下人工关节断裂[20]。为增强UHMWPE的综合性能，需要对其进行改性。目前改性方法主要有：粒子填充[21,22]、辐照交联[23]、表面接枝等。
1.4 接枝聚合物刷 1.4.1 基本原理 聚合物刷是指聚合物的一端化学键合到固体表面形成的一种高分子体系[24]。当表面接枝高分子链密度足够大时，由于位阻效应，为避免相互重叠，高分子链的自由端会垂直于基体界面进行伸展，形成一种刷状结构[25]，其结构如图1.2所示。聚合物刷能起到润滑作用的主要原因为：一方面聚合物刷产生与外加载荷反向的渗透压排斥，能够抵抗法向载荷，避免与基底直接接触；另一方面是聚合物刷吸附水分子形成水合层，受到剪切时有效降低摩擦力[5]。在表面接枝聚合物层还能改善植入物生物相容性。