在过去的三十年中，超高的分子量聚乙烯（UHMWPE）一直是总关节置换量的磨损表面（反对金属或陶瓷对形）的首选材料。这些组件的寿命被认为与所用UHMWPE的磨损性能和灭菌方法有关。 Ste伽马辐射的重新裂片伽玛辐照一直是灭菌的最常见方法，但导致自由基的形成，使UHMWPE不稳定。氧气可以随着时间的推移扩散到聚合物中，与存在的自由基反应并导致链分裂（聚合物分子量的减少）。这伴随着内部交联反应，总体结果是聚合物的物理特性发生了变化，从而导致磨损性能的变化。通常，链条分裂被认为不利于磨损性能，而交联被认为是有益的。高磨损速率会导致高产生的磨损（图1）。这进入骨头接口并产生炎症反应。这与骨裂解有关，从而导致组件本身松动（无菌松动）。修订手术通常是此阶段唯一的选择，但这是一个昂贵且不便的操作。因此，需要方法学，可以快速评估和比较任何新开发的材料处理或灭菌技术。这将确保早期鉴定最有效的加工和灭菌组合，从长远来看，这将导致修订手术的需求减少。
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图1。UHMWPE植入物的磨损碎屑的示例。 |
迄今为止加速衰老尽管在过去的几年中，尽管对UHMWPE的老化方法有密集的关注，但关于加速这种材料的最有效方法以模拟货架和体内衰老的最有效方法仍然存在很多争议。目前，贝尔法斯特皇后大学正在进行工作，以开发一种可以加速UHMWPE衰老的方法。在这种方法论的范围内，正在提出了基于现有标准，并且有可能被行业广泛采用。这项工作由英国贸易和工业部资助。 实际上，UHMWPE的氧化是各种级联反应的复杂序列，尚未完全理解。争论的主要骨头是为什么最大的氧化（封闭区域）通常发生在UHMWPE组件表面以下1-2 mm，而不是在暴露于氧化物种的表面上最高。氧化中地下最大化的最大形成的最令人信服的解释也许来自Yeom等人的工作。[1]，他描述了在伽马辐射的UHMWPE内部各个深度发生的一系列事件。在表面uhmwpe o2浓度最高，大多数主要的烷基自由基（-CH）2。。ch2- ）和二级烷基自由基（-CH2-ch。- ）由伽马辐射产生的会反应形成过氧自由基（-CH-O-O。或> ch-o-o。， 分别）。其他二级烷基自由基可以组合形成交联。表面存在大量的过氧自由基，它们可以从酮中结合在一起，这种反应不会产生任何进一步的自由基，即级联反应的末端。在里面地面另一方面，由于较低的O2该区域的浓度。由于这些过氧自由基将进一步分开，因此彼此反应的趋势较小，并且倾向于从聚乙烯链中抽象H原子的趋势，从而形成氢过氧化物和新的自由基。这引发了一系列甲级反应，形成羰基，链条分裂和进一步的自由基。随着氧气扩散到UHMWPE中，可能会发生与新产生的自由基的进一步反应，最终导致该地下区域的氧化水平更高，与表面相比。更深层在UHMWPE中，反应可用的氧气较少，因此大多数自由基将结合起来产生交联。 加速老化方案Sun等人最初提出了对伽马灭菌评估的加速老化测试。[2]加速衰老的建议条件是11或23天的加热速率为0.6°C/min至80°C。这被认为等同于4至6或7到9年的货架老化。Sun等人的进一步工作。[3]表明，可以根据伽马灭菌和加速衰老之间的时间段来实现氧化中的表面或地下峰。Sanford等人提出了一种替代加速衰老方法。[4]这涉及使用加压容器。使用此技术，可以在不到一周的时间内模拟5至70°C的氧气压力和70°C的温度，5至10年的货架老化。该技术还会产生地下氧化最大值，通常观察到货架老年组件。最近已发布了UHMWPE加速衰老的ASTM标准（ASTM F2003-00）。 It incorporates both method A (21 days at 80°C in air) and method B (14 days at 70°C in 5 bar oxygen). However, interlaboratory studies have identified that, although materials can be ranked successfully by both these methods, there is poor interlaboratory reproducibility (especially for method B) [5]. 表征技术esFTIR的氧化指数氧化可能是评估伽玛灭菌和衰老后评估UHMWPE损害的最流行方法。不幸的是，已经开发了各种不同的技术，因此通常很难比较各种工人之间的结果。通常使用“氧化指数”一词，但是涉及该定义的ASTM标准直到最近才起草。它是指1650-1850 cm区域FTIR光谱中峰或峰的比较-1（对应于羰基C = O组）和一个独立于试样降解的参考峰。过去，不同的工人使用了不同的参考峰，并且为了使事情变得更复杂，一些工人选择使用峰值区域，而其他工人则选择使用峰值高度。 最近完成了对氧化指数测量方案的“循环”研究。参与机构的反馈似乎表明可以通过将氧化指数（OI）定义为1650-1850 cm的峰面积来优化可重复性。-1除以1370厘米的峰面积-1。这给出了总体不确定性10-20％[6]。 密度确定通过含两个液体（例如水和乙醇）的密度梯度柱获得了通过UHMWPE的密度深度曲线，并且基本上提供了与FTIR相同的信息。已显示密度与氧化指数良好相关[7]。该方法的优点是，与FTIR相比，工人之间的结果是可以直接可比的，设备的资本支出较低，并且结果相对较快。app亚博体育其他因素也可能影响密度，例如起始材料和处理条件。 这是另一种方法，方法之间的方法在工人之间差异很大，从而使结果难以比较。重要的是要了解由于氧化和内部交联反应在伽马菌的UHMWPE中导致的链分裂之间发生的平衡。在磨损性能方面，氧化被认为具有不利影响，而交联被认为是有益的[8]。 从ASTM2765-90或ASTM2765-95（方法C）修改了交联密度测量的大多数方法，并涉及将样品浸入热木中。如果在UHMWPE中进行交联，则形成3维凝胶相。UHMWPE（SOL相）的非链接部分可以溶解在热的二甲苯中，离开凝胶相，可以从中确定交联密度。修改ASTM标准的主要原因是需要使用较小的样本尺寸来获得有关交叉链接密度随着深度的变化的足够信息。使用小样品的缺点是，尽管可以以合理的精度测量凝胶含量，但是在确定UHMWPE的“膨胀比”时，错误可能很高。 目前计划在UHMWPE中量化ASTM F04的一系列新roun刺，以量化交联测量的实验室间可重复性。第一项研究将比较重量法和体积方法的可重复性，以测量六种已在氮中辐照的UHMWPE材料中的膨胀比。亚博网站下载 机械测试
Kurtz等[6，9，10]提出了一种使用相对较小的试样大小来确定UHMWPE双轴拉伸性能的方法。背后的理性是，标准的单轴拉伸测试与影响UHMWPE磨损性能的特性没有充分关系。在单轴塑性变形期间，UHMWPE分子与载荷方向平行，导致在横向方向上“应变软化”。另一方面，磨损与多轴负荷条件下的局部变形有关。该技术由“打孔测试”组成，该测试可双轴加载聚合物，并且与单轴负荷条件相比，有效的真实应力值低至58％。打孔器可以安装到标准的拉伸测试机上，相对较小的样本量（直径6.4毫米。x 0.5 mm厚）为深度介绍UHMWPE的机械行为，并评估从关节替换中检索的UHMWPE的机械性能。 母校IAL和流程发展批量处理变量RAM挤出和压缩成型是合并UHMWPE树脂颗粒的两种最常见的方法。yabo214对加工材料的氧化的抗性似乎受两个主要因素的影响，首先是巩固程度，其次，在UHMWPE树脂中是否存在硬脂酸钙。Afflitto等人的结果[11]在抗氧化性方面，已表明RAM挤出了UHMWPE在相同的Gamma灭菌和加速衰老处理后，对压缩模压UHMWPE具有下等于压缩的UHMWPE的抗性。这与压缩成型的UHMWPE材料的更高合并有关。Duus等[12]已经表明，与实际处理路线相比，合并和最终的UHMWPE属性更依赖于所使用的处理参数。他们表明，通过仔细选择过程参数，可以优化UHMWPE的机械性能。 直接模制UHMWPEUHMWPE的净形（或直接）压缩成型是诸如胫骨轴承等组件的替代制造过程。与散装压缩方法相比，不需要轴承表面的加工。Gael等。[13]和Ranard等。[14]已经观察到，在伽玛照射和货架老化之后，这种成分对氧化具有异常高的抗性。建议的原因被认为是树脂的类型（1900h），硬钙酸钙，巩固温度以及块状材料加工的影响。发现自由基存在于伽马射线后的这些组件和3个月的货架老化之后，但是在17个月后的货架老化后，自由基浓度显着降低。这表明材料必须具有非常低的氧渗透性，因为即使存在自由基，也不会发生氧化[13]。大概是自由基被内部交联反应所消耗的。这实际上可能增强了组件的耐磨性。 交联和稳定治疗交联已被证明是提高UHMWPE耐磨性的有效方法，如髋关节模拟器测试对粗糙和光滑的金属对抗的抗磨损[15]。在惰性条件下，通过伽马或电子束照射来实现交联，然后进行热处[16，17]或[15]以上的UHMWPE熔点。因此，自由基是通过辐照形成的，并在加热时反应以产生交联。或者，可以通过在成型和辐照之前向UHMWPE树脂中添加过氧化物来实现化学交联。这些技术还可以有效地改善UHMWPE作为自由基在辐照过程中产生的自由基的氧化耐药性，通常被交联反应所消耗，因此无法与氧气反应。 结论显然，基于单独温度升高或温度升高以及氧气中的压力升高，可以通过多个方案来实现UHMWPE的加速老化。关于材料和灭菌过程的比较，如果仅通过氧化耐药性（通过密度变亚博网站下载化或氧化指数来衡量），则这些技术中的任何一种似乎都合适。因此，ASTM提出的两种方法中的任何一种都是适当的。然而，在相同条件下，将标准参考材料作为对照组合作为对照似乎是明智的。文献中的证据表明，必须注意确保在加速衰老之前和加速期间始终以类似方式处理测试材料。亚博网站下载 如果要在加速衰老后进行磨损测试，则老化参数需要更仔细的控制。磨损性能可能会受到最大氧化的位置（即表面还是地下）的位置。在这种情况下，加速衰老需要能够产生与货架老化相同的氧化深度曲线。这很困难，因为新材料或过程的货架老化的确切深度曲线尚不清楚。加速老化协议将需要基于具有良好特征的材料，其中存在用于货架老化的数据。亚博网站下载这不仅是模拟UHMWPE的氧化，而且是内部交联的水平，因为两者都被认为会影响磨损性能。与货架老化相比，该领域正在进行进一步的工作，以建立控制最大氧化深度以及加速衰老之间的氧化和交联之间的平衡。 在特征方案方面，密度和氧化指数既是测量技术，逐渐采用了方法论的标准化。交联密度测量技术的标准化仍然需要注意。采用能够评估随着深度的交联链接密度变化的技术似乎很重要。 1。Yeom，B.，Yu，Y.-J.，McKellop，H.A。和Salovey，R。，辐照聚乙烯中的氧化谱。聚合物科学杂志：A部分：聚合物化学，1亚博老虎机网登录998年。36：p。329-339。 2。Sun，D.C.，Stark，C。和Dumbleton，J.H。，在ACS研讨会系列中，开发了长期照射对UHMWPE的加速老化方法的开发，聚合物的照射。1996年，美国化学学会。p。340-349。 3。Sun，D.C.，Schmidig，G.，Stark，C。和Dumbleton，J.H。一种简单的加速衰老方法，用于在UHMWPE植入物中长期辐射效应。在第42届年度会议上，骨科研究学会。1996年。佐治亚州亚特兰大，2月19日至22日，第1页。493。 4。W.M.桑福德和K.A. SaumUHMWPE的加速氧化衰老测试。在第41届年度会议上，骨科研究学会。1995年。佛罗里达州奥兰多，2月13日至16日，第1页。119-20。 5。Kurtz，S.M.，Muratoglu，O.，Mounib，L。等。UHMWPE标准加速衰老方法的机构间可重复性。在骨科研究学会的第46届年度会议上。2000年。3月12日至15日，美国佛罗里达州奥兰多。 6。Kurtz，S.M.，Muratoglu，O.，Mounib，L。等。确认的实验室间研究，用于确定UHMWPE氧化指数的标准方法。在第31届国际生物材料研讨会上。亚博网站下载1999年。美国RI，4月28日至5月2日，第2页。46。 7。Furman，B.D.，Lelas，J.，Walsh，H。等。UHMWPE加速衰老方法的动力学，化学和校准。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥：生物材料社会，4月22日至26日，第1亚博网站下载页。154。 8。Essner，A.，Polineni，V.K.，Wang，A.，Stark，C。和Dumbleton，J.H。股骨头表面粗糙度和交联对UHMWPE髋臼插入物的磨损的影响。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥，4月22日至26日，第1页。4。 9。Kurtz，S.M.，Foulds，J.R.，Jewett，C.W.，Srivastav，S。和Edidin，A.A。，验证了小型打孔测试技术以表征UHMWPE的机械行为。生物材亚博网站下载料，1997年。18（24）：p。1659-1663。 10。Kurtz，S.M.，Rimnac，C.M.，Pruitt，L.A.，Jewett，C.W.，Goldberg，V。和Edidin，A.A。，临床性能与检索到的UHMWPE胫骨插入物的大变形机械行为之间的关系。生物材亚博网站下载料，2000年。21：p。283-291。 11。Afflitto，R.M.，Poggie，R.A.，Cohen，R.C。和Averill，R.G。比较三种不同类型的聚乙烯的氧化耐药性。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥，4月22日至26日，第1页。157。 12。Duus，L.C。，T.J. Santner，B.J。和Li，S。通过处理变量之间的可预测相互作用来控制模制UHMWPE的物理特性。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥，4月22日至26日，第1页。152。 13。Gsell，R。和Lin，S。改善了1900H净形状压缩成分氧化降解的抗性。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥，4月22日至26日，第1页。123。 14。Ranard，G.，Higgins，J。和Schroeder，D。模制和加工的UHMWPE胫骨轴承的密度和热分析。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥，4月22日至26日，第1页。497。 15。Essner，A.，Polineni，V.K.，Wang，A.，Stark，C。和Dumbleton，J.H。股骨头表面粗糙度和交联对UHMWPE髋臼插入物的磨损的影响。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥，4月22日至26日，第1页。4。 16。Shen，F.-W.，McKellop，H。和Salvey，R。通过伽马辐射交联和重新启动，提高了对UHMWPE髋臼杯的耐磨性和氧化的抗性。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥，4月22日至26日，第1页。3。 17。Bragdon，C.R.，O'Connor，D.O.，Muratoglu，O.K。等。一种新的聚乙烯，可检测到1200万个循环。在生物材料学会的第24届年度会议上。亚博网站下载1998年。加利福尼亚州圣地亚哥，4月22日至26日，第1页。2。 |