人工关节高分子材料研究取得系列进展

　　随着人类预期寿命的延长和人口老龄化日趋严重，关节疾病患者群体数量迅速增加，对人工关节等内植入医疗器械的需求迅猛增长。美国平均每年人工关节消费量超过100万套，产值超过100亿美元。据测算，我国人工关节潜在需求量超过300万套，2013年实际消费量约30万套，仅为十分之一，市场潜力巨大。

　　人工关节材料是决定人工关节临床性能和使用寿命的根本因素，也是人工关节产业发展的核心问题。自20世纪60年代以来，超高分子量聚乙烯（简称超高聚乙烯）一直是最重要的人工关节材料，基于金属-聚乙烯或陶瓷-聚乙烯的人工关节性价比高，占全球人工关节市场的70%以上。人工关节临床使用寿命通常为15-20年甚至更长时间，对聚乙烯材料的耐磨损、强度和抗疲劳、抗氧化与抗生物侵蚀等性质提出了非常高的要求。在过去二十多年里，欧美国家陆续发展了高交联超高聚乙烯和维生素E稳定的高交联超高聚乙烯，大大地降低了磨损及相关的并发症，获得临床应用。但如何解决材料的强度、韧性、耐磨损、抗氧化等性能难以兼顾的难题，仍是学术界和产业界面临的重大挑战。

　　与我国巨大的潜在市场极不相称的是，我国人工关节材料技术研究较少，还没有自主开发的材料产品，关键的高分子材料完全依赖进口，进口人工关节占市场份额60%左右，不利于我国国产人工关节产业的发展。随着我国经济社会持续高速发展，生命健康产业迎来了前所未有的机遇期，其中人工关节产业保持年均15-20%的高速发展，急需开发符合中国市场需求的人工关节，而关键材料的发展是当务之急。

　　针对世界人工关节材料发展存在的难题和我国人工关节产业发展需求，中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物医用高分子材料团队从临床需求出发，瞄准领域前沿，经过三年多的努力，发展了一系列先进的技术，通过消除超高聚乙烯结构缺陷（图2, Polymer 2010, 51, 2721； Polymer 2011, 52, 1155； Polymer 2013, 54, 199），发展新型氧化稳定化技术，结合辐照交联技术等，成功地开发了一系列具有高强度和韧性、低磨损速率、不氧化、抗氧化、抗生物侵蚀等突出性能的新材料（图1）。

　　通过采用新型抗氧化剂，有效地阻断聚乙烯的氧化通路，抑制了分子链的氧化降解（Polym Degrad Stab 2014, 105, 197）。与国外最先进的维生素E稳定的交联聚乙烯相比，新材料在极端加速老化条件下，需要更长的时间才开始氧化，而且材料的强度和韧性均优于国外同类材料（图3, J Mater Chem 2013, 1, 4727，封面论文）。

　　在此基础上，结合辐照交联技术，将超高聚乙烯的磨损速率降低了80%以上(图4)，达到国外报道的同类产品的最好水平（J Mater Chem 2013, 1, 4727； Clin Orthop Rel Res 2014, DOI: 10.1007/s11999-014-3850-0，约稿）。

　　在临床应用中，生物材料须耐受人体环境长期“生物侵蚀”的挑战。例如，关节滑液中的不饱和脂质体可能导致高交联聚乙烯氧化。生物医用高分子材料团队模拟关节滑液成份，在体外构建了模拟“生物侵蚀”的模型，检验新材料在“生物侵蚀”条件下的稳定性。研究结果表明，新型超高聚乙烯比现有其它同类材料具有更出色的抗生物侵蚀稳定性（图5, Polym Degrad Stab 2014, DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2014.08.023）。

　　这些研究成果为开发具有自主知识产权的人工关节高分子新材料奠定了坚实的基础，相关技术已经申请了系列发明ZL，部分已获得授权。在此基础上，宁波材料所相关科研团队将努力推进技术产业化，力争早日完成并通过材料综合评价，开发具有临床应用价值的新材料，以推动人工关节产业的发展，造福人民。

图1 宁波材料所制备的超高分子量聚乙烯棒材及假体元件（试样）

图2 超高分子量聚乙烯棒材的内部结构（SEM）

图3 交联超高分子量聚乙烯（蓝色和红色）的氧化稳定性优于国际最新的维生素E（Vit E）/交联聚乙烯（绿色）

图4 交联超高分子量聚乙烯的磨损速率，较改性前降低80%以上

图5 模拟生物分子诱导氧化实验证实了出色的抗生物分子侵蚀氧化性能