医用超高分子量聚乙烯1.ppt

1医用超高分子量聚乙烯医用超高分子量聚乙烯骨研中心骨研中心 材料组材料组—— 田娜田娜 周三部门学习周三部门学习2Hermann Staudinger(1881-1965)Nobel prize 1953高分子概念的提出者高分子概念的提出者高分子化合物（高分子化合物（ 大分子，高聚物，大分子，高聚物，Macromolecules, Polymer ）指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成）指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的化合物的化合物常用的高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚常用的高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚至上百万，范围在至上百万，范围在10104 4～～10106 6 34生活中无处不在的聚乙烯（生活中无处不在的聚乙烯（Polyethylene, PE）） 5PE 种类种类低密度聚乙烯低密度聚乙烯 LDPE高密度聚乙烯高密度聚乙烯 HDPE线性低密度聚乙烯线性低密度聚乙烯 LLDPE 超高分子量聚乙烯（超高分子量聚乙烯（UHMWPE, ultra-high molecular weight polyethylene））6UHMWPE假体从原料到产品的生产过程假体从原料到产品的生产过程7现有医用有医用UHMWPE 原料粉末生原料粉末生产商及分子量商及分子量巴塞尔化工（巴塞尔化工（Basell ）已经破产，）已经破产，2002年后，年后，1900 H 树脂停产。

目前医用树脂停产目前医用UHMWPE粉末粉末原料的主要原料的主要 生产商是生产商是 Ticona (塞拉尼斯旗下的工程塑料单元塞拉尼斯旗下的工程塑料单元)GUR是商品名，三个字母是商品名，三个字母分别代表分别代表 Granular, UHMWPE, Ruhrchemie (鲁尔化工鲁尔化工)故现在医用超高分子量棒材可现在医用超高分子量棒材可以分为两类以分为两类GUR 1050 , GUR 10208ASTM F 648 对医用对医用UHMWPE 粉末的规定粉末的规定国国际际ISO标标准准（（ISO,11542））关关于于医医用用超超高高分分子子量量聚聚乙乙烯烯的的定定义义为为重重均均分分子子量量至至少少为为106g/mol, 最最小小聚聚合合度度n 为为36,000的的聚聚乙乙烯烯, 而而ASTM标标准准则则定定义义医医用用UHMWPE的的重重均均分分子子量量至至少少为为3.1×106g/mol, 最最小小聚聚合合度度为为110,000而而关关节节置置换换假假体体常常用用UHMWPE的的重重均均分分子子量量在在2- 6×106g/mol之之间间，，聚聚合合度度在在71,000-214,000之之间间。

GUR1020（（3.5×106g/mol）和）和GUR1050（（5.5-6×106g/mol））9正天所用超高分子量聚乙烯检测报告正天所用超高分子量聚乙烯检测报告10 型材制造商型材制造商 成型方法成型方法Orthoplastics （工厂在England）MediTECH （工厂在USA 和 Gemany）模压成型（compression molding）Orthoplastics （工厂在England）MediTECH （工厂在USA ）Westlake Plastics （USA）柱塞挤出成型（ram extrusion）*BIOMET 热静等压成型（hot isostatic pressing） 直接模压成型假体UHMWPE型材的制造商和成型方法型材的制造商和成型方法正天正天11模压成型设备模压成型设备柱塞挤出成型柱塞挤出成型12Biomet 热静等压成型热静等压成型（（hot isostatic pressing））UHMWPE在人工关节中的应用在人工关节中的应用现代人工关节之父现代人工关节之父charnley 在在1962年首次将高分子量聚乙烯材料引入人工关节，他将金属股骨头与高分子年首次将高分子量聚乙烯材料引入人工关节，他将金属股骨头与高分子聚乙烯髋臼相配伍，以聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥）固定，从而创建了具有划时代意义的低摩擦人工关节聚乙烯髋臼相配伍，以聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥）固定，从而创建了具有划时代意义的低摩擦人工关节置换术置换术（（low friction arthroplasty, LFA)。

Sir John CharnleyCharnley型低摩擦全髋关节人工假体型低摩擦全髋关节人工假体14 UHMWPE在骨科中的应用在骨科中的应用15 UHMWPE在全在全髋关关节置置换中的中的临床床应用效果用效果2008 年瑞典髋关节置换年度报告年瑞典髋关节置换年度报告16 UHMWPE在全膝关在全膝关节置置换中的中的临床床应用效果用效果17 Researchers have estimated that for each day of patient activity, around 100 million（（109）） microscopic UHMWPE wear particles are released into the tissues surrounding the hipjoint . This particulate wear debris can initiate a cascade of adverse tissue response leading to osteolysis (bone death) and ultimately aseptic loosening of the components . Bozic K , Kurtz SM. Trans of the 54th Orthop Res Soc 2008 ; 18UHMWPE磨磨损碎屑造成的骨溶解碎屑造成的骨溶解现象解象解释1920UHMWPE假体的消毒方式假体的消毒方式问题：这么多消毒方式和包装材料的演变为哪般？问题：这么多消毒方式和包装材料的演变为哪般？？？21空气中射线辐射消毒和包装空气中射线辐射消毒和包装这种消毒方式所带来的问题这种消毒方式所带来的问题残留自由基的氧化降解残留自由基的氧化降解不稳定，发生分解不稳定，发生分解23l 采采用用γ射射线线辐辐射射消消毒毒过过程程中中，，射射线线的的辐辐射射会会引引起起UHMWPE降降解解，，形形成成自自由由基基后后交交联联或或氧氧化化。

尽尽管管在在80年年代代就就知知道道辐辐射射消消毒毒后后UHMWPE的的这这一一变变化化，，但但直直到到90年年代代在在PE碎碎屑屑与与假体周围骨溶解之间建立起确定的关系后，对假体周围骨溶解之间建立起确定的关系后，对UHMWPE的氧化问题才开始引起关注的氧化问题才开始引起关注l 辐辐射射消消毒毒后后，，残残存存的的自自由由基基对对UHMWPE的的机机械械性性能能产产生生了了重重大大的的影影响响其其根根本本原原因因是是自自由由基基在在有有氧氧环环境境中中发发生生氧氧化化反反应应，，从从而而导导致致材材料料脆脆化化在在周周期期性性载载荷荷的的作作用用下下容容易易发发生生分层，根本上降低了材料的机械性能分层，根本上降低了材料的机械性能l 因因此此，，在在1995年年以以前前，，UHMWPE产产品品的的标标准准消消毒毒方方式式是是在在有有氧氧环环境境中中进进行行25-40KGY的的γ辐辐射射而而到到了了上上世世纪纪九九十十年年代代中中期期以以后后，，UHMWPE成成品品的的消消毒毒变变成成了了在在乏乏氧氧环环境境中中的的辐辐射射，，或或完完全全抛抛弃弃辐辐射射改改用用环环氧氧乙乙烷烷（（ETO））等等方方法法。

另另外外也也强强调调尽尽可可能能缩缩短短产产品品消消毒毒至至植植入入患患者者体体内内的的所所谓谓“货货架架上上时时间间”因因为为如如果果在在有有氧氧环环境境中中行行辐辐射射消消毒毒，，货货架架上上时时间间越越长长UHMWPE中自由基的中自由基的 氧化也会越剧烈氧化也会越剧烈24即使在乏氧环境中进行辐射消毒，仍有不能避免晶相中残存自由基的存在即使在乏氧环境中进行辐射消毒，仍有不能避免晶相中残存自由基的存在和和UHMWPE部件在体内的氧化降解部件在体内的氧化降解为了尽量降低为了尽量降低UHMWPE假体部件在所为的货架时间内的氧化降解现象，假体部件在所为的货架时间内的氧化降解现象，各大厂商所采用的包装措施各大厂商所采用的包装措施2526Smith & Nephew, Inc. (Memphis, Tennessee, USA) and Wright Medical Technology, Inc. (Arlington, Tennessee, USA) have employed ethylene oxide since the 1990s . More recently, however, Zimmer, Inc. (Warsaw, Indiana, USA) chose ethylene oxide for sterilization of their highly crosslinked UHMWPE (Durasul) hip and knee products环氧乙烷（环氧乙烷（ETO）消毒方式）消毒方式存在的问题：存在的问题：1.如果假体部件太厚，有可能存在消毒不完全问题如果假体部件太厚，有可能存在消毒不完全问题2.ETO 残留问题残留问题 27低温等离子气体消毒方式低温等离子气体消毒方式Two examples of commercially-available gas plasma sterilization methods that have been evaluated for compatibility with UHMWPE include Plazlyte (Abtox, Inc., Mundelein, Illinois, USA), which, involves low-temperature peracetic acid gas plasma（（ 过 氧氧 乙乙 酸酸 ）） and Sterrad (Advanced Sterilization Products, Irvine, California, USA), which uses low-temperature hydrogen peroxide （（过氧氧化化氢））gas plasma. Gas plasma (Plazlyte system) has been used by DePuy Orthopaedics, Inc., (Warsaw, In diana, USA)since the 1990s to routinely sterilize UHMWPE components[4] ( Figure 3.9 ). Zimmer, Inc., (Warsaw, Indiana,USA) and Stryker (Mahwah, New Jersey, USA) currentlyemploy gas plasma for sterilization of highly crosslinkedUHMWPE components (e.g., Longevity, Prolong, X3).普通医用普通医用UHMWPE假体部件在使用中存在的问题假体部件在使用中存在的问题ØUHMWPE部件的磨损（部件的磨损（wear）和疲劳破坏）和疲劳破坏（（fatigue damage））ØUHMWPE部件的部件的γ射线辐射消毒产生的残留自由基氧化问题射线辐射消毒产生的残留自由基氧化问题 耐磨损解决方案耐磨损解决方案解决方案解决方案对对UHMWPE进行辐射交联（进行辐射交联（radiation cross-linking）和热处理）和热处理辐射交联的主要作用是通过侧向共价键的形成，辐射交联的主要作用是通过侧向共价键的形成，使使UHMWPE分子排列更加多向，降低材料的分子排列更加多向，降低材料的延展性，从而减少磨损的发生，减少磨损碎屑延展性，从而减少磨损的发生，减少磨损碎屑的形成。

的形成应用应用 从从1998年年FDA批准第一个高交联批准第一个高交联UHMWPE产品用于临床开产品用于临床开始，到现在高交联始，到现在高交联UHMWPE已作为最有希望的减少已作为最有希望的减少PEPE磨损磨损及其后续骨溶解的措施，获得了临床的广泛应用及其后续骨溶解的措施，获得了临床的广泛应用辐射交联的弊端：残留自由基的氧化问题这些残留的自由基极易在有氧环境辐射交联的弊端：残留自由基的氧化问题这些残留的自由基极易在有氧环境中发生氧化，从而导致材料脆化，在周期性载荷的作用下材料表面容易发生疲中发生氧化，从而导致材料脆化，在周期性载荷的作用下材料表面容易发生疲劳破坏解决方案与弊端解决方案与弊端解决辐射交联所产生的自由基残留问题解决辐射交联所产生的自由基残留问题对交联后的材料进行热处理对交联后的材料进行热处理有两种热处理方式：有两种热处理方式：1. Post-irradiation melting 是是最最有有效效的的热热处处理理方方法法，，是是将将材材料料加加热热超超过过其其熔熔点点，，使使UHMWPE的的结结晶晶区区域域熔熔融融，，释释放放出出其其中中积积聚聚的的自自由由基基。

之之后后再再使使材材料料冷冷却却，，重重新新结结晶晶并形成交联并形成交联Post-irradiation melting 弊弊端端：：重重结结晶晶会会降降低低UHMWPE的的结结晶晶度度从从而而降降低低材材料料的的机机械械性能和疲劳强度性能和疲劳强度2. Annealed （（退退火火））：：仅仅将将材材料料加加热热到到退退火火温温度度，，使使其其处处于于半半熔熔状状态态其其结结果果是是由由于于加加热热反反应应，，UHMWPE的的结结晶晶度度有有所所提提高高，，但但是是只只能能释释放放部部分分自自由由基基，，依依然然无无法法消消除除剩剩余自由基在体内导致的氧化降解反应余自由基在体内导致的氧化降解反应33各厂商各厂商Post-irradiation melting 热处理聚乙烯热处理聚乙烯 第一代高交联聚乙烯第一代高交联聚乙烯34这种方式是先种方式是先让聚乙聚乙烯接受小接受小剂量量辐射（如射（如30KGy）交）交联之后之后进行一段行一段时间的退火的退火, 然后重复然后重复进行两次小行两次小剂量量辐射射（（30KGy）交）交联和退火和退火处理，理，也就是也就是说这个个过程中程中总共重复共重复进行三次小行三次小剂量量辐射交射交联和退火和退火处理，即接受理，即接受辐射的射的总剂量量为90KGy。

重复重复进行小行小剂量量辐射交射交联的目的的目的为有效减少每次自由基残存量以有效减少每次自由基残存量以便接下来的退火便接下来的退火处理在有效减少自由基理在有效减少自由基的基的基础上不会上不会过多的多的牺牲其机械性能牲其机械性能 Strike公司推出的公司推出的X3是目前市是目前市场上采上采用用这种方式唯一商种方式唯一商业化的材料化的材料产品第二代高交联聚乙烯第二代高交联聚乙烯3536思考思考 有没有一种方法来替代有没有一种方法来替代Post-irradiation melting ，在消除辐射交联残存自由基的同时，，在消除辐射交联残存自由基的同时，而不降低材料的机械性能和抗疲劳性能？而不降低材料的机械性能和抗疲劳性能？37有研究提出：有研究提出：能不能引入一种抗氧化剂，用它来替代能不能引入一种抗氧化剂，用它来替代 Post-irradiation melting ，，稳定辐射交联后残留的自由基，而不降低材料的机稳定辐射交联后残留的自由基，而不降低材料的机械性能和抗疲劳性能？械性能和抗疲劳性能？选择何种抗氧剂？选择何种抗氧剂？UHMWPE中添加中添加维生素维生素E的研究的研究Øa very efficient stabilizer against oxidation of polyethylene Ølipophilic owing to its phtyl tail, easily blending with UHMWPEØ a natural product whose decomposition products have already been tested for biocompatibility with positive results。

ØFDA classifies Vit.E as generally recognized as safe and it is worldwide approved for use in food contact applications.Ølow diffusion coefficient, which makes diffusion from the prosthesis to the body extremely long.Øthe low addiction of Vit.E (0.1 and 0.3%) to UHMWPE grains reduces fatigue cracks.选择维生素选择维生素E作为抗氧剂的原因作为抗氧剂的原因39维生素维生素E E所起的作用所起的作用 通过稳定辐射交联后的残留自由通过稳定辐射交联后的残留自由基和增塑效应，提高基和增塑效应，提高UHMWPEUHMWPE的抗疲劳的抗疲劳性能维生素维生素E E稳定残留自由基原理稳定残留自由基原理41 2009年年2月塞拉尼斯公司月塞拉尼斯公司( (Celanese Corporation) )旗下旗下的工程塑料业务单元的工程塑料业务单元----泰科纳泰科纳( (Ticona) )宣布推出两款含维宣布推出两款含维生素生素E E的新级别的新级别GUR 1020-E和和1050-E超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯( (UHMW-PE) ) 产品，用于外科植入领域的取样及测试。

产品，用于外科植入领域的取样及测试 42Biomet epolyethylene。