UHMWPE表面自由基官能团化改性及其生物摩擦学性能研究

The recall of metal on metal artificial joints faces a great challenge to the development of artificial joints. Therefore, it is particularly urgent to develop a new type of artificial joint with high performance. This project will focus on the modification of UHMWPE to improve its mechanical properties, wear resistance, chemical stability and response to cell reaction by surface free radical group functionalization. Meanwhile, the mechanism of radical functionalization of MPC and MPDSAH on UHMWPE surface will be explored. Furthermore, three modification processes of UHMWPE including irradiation crosslinking, vitamin E antioxidant modification and surface free radical functionalization will be optimized to develop high stability and high reliability fourth generation UHMWPE joint materials with high wear resistance, antioxidation and biological activity. At the same time, the biotribological behaviors of the new titanium cermet on UHMWPE artificial hip joint will be evaluated comprehensively, and the formation mechanism of the transfer film of UHMWPE during friction and wear will be thoroughly understood to establish a kinetic model of the transfer film growth. Finally, the formation mechanism of wear debris will be investigated. It is hoped that this study will further lay tribological theory and technical foundation for the biomimetic manufacture of titanium cermet on UHMWPE artificial joint prosthesis.

金属对金属人工关节的召回使得人工关节的发展面临巨大的挑战，开发高性能的新型的人工关节显得尤为迫切。本项目以新型钛金属陶瓷/超高分子量聚乙烯人工髋关节配副为研究对象，针对该配副中的UHMWPE在临床上展现的力学性能不够强、耐磨性不够好、化学稳定性不佳、细胞反应表现不够优异的特点开展表面自由基官能团改性研究，探索UHMWPE表面MPC和MPDSAH自由基官能团化的机制，组合优化UHMWPE辐射交联、维E抗氧化改性和表面自由基官能团化三种工艺，制备出高耐磨、抗氧化、具有生物活性的高稳定性和高可靠性的第四代UHMWPE关节材料。同时，全面评价新型的超高分子量聚乙烯-新型钛金属陶瓷人工髋关节配副的生物摩擦学行为，深刻理解UHMWPE在摩擦磨损过程中的转移膜形成机理，建立转移膜生长的动力学模型，并进一步研究磨屑的形成机理，为钛金属陶瓷/超高分子量聚乙烯人工关节假体的仿生制造奠定摩擦学理论和技术基础。

本项目基于紫外光诱导自由基接枝聚合技术，对高交联的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）进行了表面自由基官能团化改性，通过改变接枝单体、控制单体浓度和辐照时间，成功在UHMWPE表面制备了具备不同官能团的聚合物刷，并进行了表征和摩擦学性能评价。接枝工艺研究结果表明“两步法”工艺具备更高的夺氢效率，辐照时间和单体浓度是影响聚合物刷覆盖率、致密度的重要因素。.EDS能谱、ATR-FTIR和XPS等表面分析技术能够在改性后的UHMWPE表面检测到单体的特征元素和特征基团的存在，表明经过紫外光诱导自由基接枝后，单体成功接枝到UHMWPE表面。且随着单体特征元素含量和特征基团浓度随着单体浓度的增加而增加，说明接枝率受浓度的影响。此外，通过称重法测量的接枝率证明了时间对接枝率的影响。表面润湿性分析结果表明接枝改性能够有效改善UHMWPE表面润湿性，且水接触角减小的规律与单体浓度和辐照时间增加的规律一致。.生物摩擦学性能研究表明，在生理盐水、25%小牛血清和SBF模拟体液润滑条件下，由于表面聚合物刷的存在，改性后UHMWPE的摩擦系数和磨损率均较未改性UHMWPE更小。未改性UHMWPE表面磨损严重，表面存在大量平行于滑动方向的有序划痕和剥落的现象，磨损机制为严重的磨粒磨损和疲劳磨损；经过改性后的样品磨痕处划痕明显减少，其主要磨损机制是粘着磨损。.本项目通过紫外光诱导自由基接枝聚合工艺，揭示了UHMWPE表面聚合物刷的形成机制，通过控制单体种类、单体浓度和辐照时间等变量，成功在UHMWPE表面制备了一系列接枝率梯度上升的刷状聚合物层，实现了UHMWPE表面的官能团化改性。本项目系统研究了改性UHMWPE的润湿性和生物摩擦学性能，深入理解表面官能团话改性后UHMWPE的润湿性和生物摩擦学性能，为开发出高耐磨、抗氧化、具有生物活性的高稳定性和高可靠性的第四代UHMWPE关节材料奠定摩擦学理论和技术基础。