人工關節用超高分子量聚乙烯的熔體注塑與自增強研究

《人工關節用超高分子量聚乙烯的熔體注塑與自增強研究》是依託四川大學，由徐玲擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：人工關節用超高分子量聚乙烯的熔體注塑與自增強研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐玲
• 依託單位：四川大學

項目摘要

在不降低超高分子量聚乙烯（UHMWPE）優異的耐磨性、抗蠕變性的前提下，實現UHMWPE熔體注塑加工是UHMWPE人工關節植入體成型的難點。本項目擬採用超低分子量聚乙烯（ULMWPE）作為流動改性劑，並採用輻照技術對UHMWPE適度交聯避免UHMWPE分子鏈擴散引起粘度升高，獲得可熔體注塑加工的UHMWPE（MP-UHMWPE）。在熔體注塑成型中，施加強剪下流動場，在制品中生成大量shish-kebab串晶和UHMWPE取向片晶自增強結構，獲得綜合性能優異的熔體注塑MP-UHMWPE，可望用於人工關節植入體。揭示ULMWPE分子量參數、UHMWPE交聯點密度與MP-UHMWPE流變性能、剪下放大效應、界面結構的關係，指導熔體注塑MP-UHMWPE自增強結構的調控，建立MP-UHMWPE自增強試樣的加工-形態結構-性能關係，為製備高性能人工關節植入體提供理論指導與技術支持。

結題摘要

人工全關節置換技術是目前臨床治療嚴重關節損傷和關節壞死的最佳治療方案。由於人體關節功能複雜，特別是具有多個方向的活動能力，且承受一定的壓、拉、折、屈等負荷，因此對人工關節材料的性能要求很高，特別是物理機械性能、化學穩定性以及生物相容性等。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種綜合性能優異的高分子材料，具有普通聚乙烯所不及的優異理化性能，如優異的耐磨損性、耐應力開裂、自潤滑性及生物相容性，是目前最重要的人工關節用高分子材料。但仍未解決的瓶頸問題是由UHMWPE極高的熔體粘度引起的成型加工問題，以及最終導致的性能劣化。因此，在不降低UHMWPE優異的耐磨性、抗蠕變性的前提下，實現其熔體注塑加工是UHMWPE人工關節植入體成型的難點。 本項目分別通過結構定構的改進注塑成型方法得到了羥基磷灰石/聚乙烯骨模擬複合材料；製備了高耐磨自增強UHMWPE人工關節材料；得到了直接熔融加工並結構調控的高度線性UHMWPE材料。最後探究了材料微觀結構與性能的關係。 （1）20 wt%羥基磷灰石/聚乙烯骨模擬複合材料的拉伸強度和楊氏模量分別從普通樣的22.4和1071.0 MPa增長到60.4 和1461.7 MPa，分別增長了170%和36%；彎曲強度從19MPa提高到46.0MPa左右，提高了142%；衝擊強度升高到64.6 kJ/m2，提高超過5倍。 （2）對交聯UHMWPE進行結構調控，實現了耐磨損性、抗氧化性和力學性能的同步提高。磨損速率從12.1 ± 1.1 mg/MC下降至1.5 ± 0.7 mg/MC，且最終製品的屈服強度，拉伸強度，楊氏模量，疲勞強度均顯著提高。 （3）選用一種單活性中心的Ziegler-Natta催化劑，使生長出的分子鏈彼此分離，聚合出一種高度線性，並且纏結顯著減少的UHMWPE。製品的屈服強度提升到40.8 MPa，相比於傳統製品的23.3 MPa增加了75%。極限拉伸強度和楊氏模量分別提高了71%和42%。同時表現出高的韌性，其衝擊韌性為88.8 kJ/m2，提高了20%。 通過上述研究工作的開展，成功製備了綜合性能優良的UHMWPE人工骨及人工關節材料，建立了UHMWPE自增強試樣的加工-形態結構-性能關係。