人工关节用超高分子量聚乙烯的熔体注塑与自增强研究

Realization of melt injection molding processing of ultrahigh-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) without sacrificing the excellent wear and fatigue resistance of UHMWPE has been the obstacle of the molding of UHMWPE artificial joint implants. In this work, ultralow-molecular-weight polyethylene (ULMWPE) with appropriate molecular weight parametersis chosen as a flow accelerator, meanwhile UHMWPE is proposed to be radiational crosslinked, aiming to prevent viscosity increase caused by diffusion of UHMWPE chain and obtain melt processed UHMWPE (MP-UHMWPE), and then MP-UHMWPE is processed under melt injection molding processing and strong shear filed is also applied to form shish-kebab and oriented UHMWPE lamellae self-reinforced superstructure, significantly enhancing comprehensive performance of artificial joint specimens. Through systematic study of the rheological properties and interface structure of MP-UHMWPE, the mechanism of shear amplification effect, and modulation of the self-reinforced superstructure of MP-UHMWPE under flow field, we can reveal the relationship between processing field - morphology and structure - performance of MP-UHMWPE self-reinforced material, providing theoretical guidance and technical support for the preparation of high-performance artificial joint implants.

在不降低超高分子量聚乙烯（UHMWPE）优异的耐磨性、抗蠕变性的前提下，实现UHMWPE熔体注塑加工是UHMWPE人工关节植入体成型的难点。本项目拟采用超低分子量聚乙烯（ULMWPE）作为流动改性剂，并采用辐照技术对UHMWPE适度交联避免UHMWPE分子链扩散引起粘度升高，获得可熔体注塑加工的UHMWPE（MP-UHMWPE）。在熔体注塑成型中，施加强剪切流动场，在制品中生成大量shish-kebab串晶和UHMWPE取向片晶自增强结构，获得综合性能优异的熔体注塑MP-UHMWPE，可望用于人工关节植入体。揭示ULMWPE分子量参数、UHMWPE交联点密度与MP-UHMWPE流变性能、剪切放大效应、界面结构的关系，指导熔体注塑MP-UHMWPE自增强结构的调控，建立MP-UHMWPE自增强试样的加工-形态结构-性能关系，为制备高性能人工关节植入体提供理论指导与技术支持。

人工全关节置换技术是目前临床治疗严重关节损伤和关节坏死的最佳治疗方案。由于人体关节功能复杂，特别是具有多个方向的活动能力，且承受一定的压、拉、折、屈等负荷，因此对人工关节材料的性能要求很高，特别是物理机械性能、化学稳定性以及生物相容性等。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种综合性能优异的高分子材料，具有普通聚乙烯所不及的优异理化性能，如优异的耐磨损性、耐应力开裂、自润滑性及生物相容性，是目前最重要的人工关节用高分子材料。但仍未解决的瓶颈问题是由UHMWPE极高的熔体粘度引起的成型加工问题，以及最终导致的性能劣化。因此，在不降低UHMWPE优异的耐磨性、抗蠕变性的前提下，实现其熔体注塑加工是UHMWPE人工关节植入体成型的难点。.本项目分别通过结构定构的改进注塑成型方法得到了羟基磷灰石/聚乙烯骨模拟复合材料；制备了高耐磨自增强UHMWPE人工关节材料；得到了直接熔融加工并结构调控的高度线性UHMWPE材料。最后探究了材料微观结构与性能的关系。.（1）20 wt%羟基磷灰石/聚乙烯骨模拟复合材料的拉伸强度和杨氏模量分别从普通样的22.4和1071.0 MPa增长到60.4 和1461.7 MPa，分别增长了170%和36%；弯曲强度从19MPa提高到46.0MPa左右，提高了142%；冲击强度升高到64.6 kJ/m2，提高超过5倍。.（2）对交联UHMWPE进行结构调控，实现了耐磨损性、抗氧化性和力学性能的同步提高。磨损速率从12.1 ± 1.1 mg/MC下降至1.5 ± 0.7 mg/MC，且最终制品的屈服强度，拉伸强度，杨氏模量，疲劳强度均显著提高。.（3）选用一种单活性中心的Ziegler-Natta催化剂，使生长出的分子链彼此分离，聚合出一种高度线性，并且缠结显著减少的UHMWPE。制品的屈服强度提升到40.8 MPa，相比于传统制品的23.3 MPa增加了75%。极限拉伸强度和杨氏模量分别提高了71%和42%。同时表现出高的韧性，其冲击韧性为88.8 kJ/m2，提高了20%。.通过上述研究工作的开展，成功制备了综合性能优良的UHMWPE人工骨及人工关节材料，建立了UHMWPE自增强试样的加工-形态结构-性能关系。