人工關節高分子材料研究取得系列進展

　　隨著人類預期壽命的延長和人口老齡化日趨嚴重，關節疾病患者群體數量迅速增加，對人工關節等內植入醫療器械的需求迅猛增長。美國平均每年人工關節消費量超過100萬套，產值超過100億美元。據測算，我國人工關節潛在需求量超過300萬套，2013年實際消費量約30萬套，僅為十分之一，市場潛力巨大。

　　人工關節材料是決定人工關節臨床性能和使用壽命的根本因素，也是人工關節產業發展的核心問題。自20世紀60年代以來，超高分子量聚乙烯（簡稱超高聚乙烯）一直是最重要的人工關節材料，基于金屬-聚乙烯或陶瓷-聚乙烯的人工關節性價比高，占全球人工關節市場的70%以上。人工關節臨床使用壽命通常為15-20年甚至更長時間，對聚乙烯材料的耐磨損、強度和抗疲勞、抗氧化與抗生物侵蝕等性質提出了非常高的要求。在過去二十多年里，歐美國家陸續發展了高交聯超高聚乙烯和維生素E穩定的高交聯超高聚乙烯，大大地降低了磨損及相關的并發癥，獲得臨床應用。但如何解決材料的強度、韌性、耐磨損、抗氧化等性能難以兼顧的難題，仍是學術界和產業界面臨的重大挑戰。

　　與我國巨大的潛在市場極不相稱的是，我國人工關節材料技術研究較少，還沒有自主開發的材料產品，關鍵的高分子材料完全依賴進口，進口人工關節占市場份額60%左右，不利于我國國產人工關節產業的發展。隨著我國經濟社會持續高速發展，生命健康產業迎來了前所未有的機遇期，其中人工關節產業保持年均15-20%的高速發展，急需開發符合中國市場需求的人工關節，而關鍵材料的發展是當務之急。

　　針對世界人工關節材料發展存在的難題和我國人工關節產業發展需求，中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物醫用高分子材料團隊從臨床需求出發，瞄準領域前沿，經過三年多的努力，發展了一系列先進的技術，通過消除超高聚乙烯結構缺陷（圖2, Polymer 2010, 51, 2721； Polymer 2011, 52, 1155； Polymer 2013, 54, 199），發展新型氧化穩定化技術，結合輻照交聯技術等，成功地開發了一系列具有高強度和韌性、低磨損速率、不氧化、抗氧化、抗生物侵蝕等突出性能的新材料（圖1）。

　　通過采用新型抗氧化劑，有效地阻斷聚乙烯的氧化通路，抑制了分子鏈的氧化降解（Polym Degrad Stab 2014, 105, 197）。與國外最先進的維生素E穩定的交聯聚乙烯相比，新材料在極端加速老化條件下，需要更長的時間才開始氧化，而且材料的強度和韌性均優于國外同類材料（圖3, J Mater Chem 2013, 1, 4727，封面論文）。

　　在此基礎上，結合輻照交聯技術，將超高聚乙烯的磨損速率降低了80%以上(圖4)，達到國外報道的同類產品的最好水平（J Mater Chem 2013, 1, 4727； Clin Orthop Rel Res 2014, DOI: 10.1007/s11999-014-3850-0，約稿）。

　　在臨床應用中，生物材料須耐受人體環境長期“生物侵蝕”的挑戰。例如，關節滑液中的不飽和脂質體可能導致高交聯聚乙烯氧化。生物醫用高分子材料團隊模擬關節滑液成份，在體外構建了模擬“生物侵蝕”的模型，檢驗新材料在“生物侵蝕”條件下的穩定性。研究結果表明，新型超高聚乙烯比現有其它同類材料具有更出色的抗生物侵蝕穩定性（圖5, Polym Degrad Stab 2014, DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2014.08.023）。

　　這些研究成果為開發具有自主知識產權的人工關節高分子新材料奠定了堅實的基礎，相關技術已經申請了系列發明ZL，部分已獲得授權。在此基礎上，寧波材料所相關科研團隊將努力推進技術產業化，力爭早日完成并通過材料綜合評價，開發具有臨床應用價值的新材料，以推動人工關節產業的發展，造福人民。

圖1 寧波材料所制備的超高分子量聚乙烯棒材及假體元件（試樣）

圖2 超高分子量聚乙烯棒材的內部結構（SEM）

圖3 交聯超高分子量聚乙烯（藍色和紅色）的氧化穩定性優于國際最新的維生素E（Vit E）/交聯聚乙烯（綠色）

圖4 交聯超高分子量聚乙烯的磨損速率，較改性前降低80%以上

圖5 模擬生物分子誘導氧化實驗證實了出色的抗生物分子侵蝕氧化性能