載阿侖膦酸鈉超高分子量聚乙烯往復(fù)滑動摩擦磨損與藥物釋放研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于具有良好的耐磨性以及優(yōu)異的生物相容性，已被作為人工關(guān)節(jié)組件之一。但是人工關(guān)節(jié)假體磨損產(chǎn)生的UHMWPE磨屑能誘發(fā)假體周圍的骨溶解，導(dǎo)致假體松動，成為影響人工關(guān)節(jié)服役壽命的最主要原因。本課題組前期將UHMWPE作為藥物載體，載入防治骨溶解的藥物阿侖膦酸鈉(ALN)，研制出防治骨溶解的載藥UHMWPE(UHMWPE-ALN)。研究結(jié)果顯示UHMWPE-ALN的載藥濃度大于1.0wt％后，力學(xué)性能下降較快；

2、UHMWPE-ALN磨屑的穩(wěn)定釋放率受磨屑尺寸和載藥濃度的影響。但是，不同摩擦工況下UHMWPE-ALN的摩擦學(xué)行為及其對藥物釋放影響尚不清楚，UHMWPE-ALN植入體內(nèi)后將處于體液中，UHMWPE-ALN在液體環(huán)境一段時間后材料學(xué)性能的變化也不清楚，因此不同摩擦工況對UHMWPE-ALN的摩擦學(xué)性能和藥物釋放的影響，UHMWPE-ALN體外模擬降解研究有待進一步進行。
　　本研究采用溶劑揮發(fā)法和熱壓成型法制備載藥濃度1.0wt

3、％的UHMWPE-ALN。進行了拉伸測試、小沖桿測試、硬度測試、接觸角測量。采用25 v/v％胎牛血清、生理鹽水或去離子水潤滑，以氧化鋯作為對磨副進行往復(fù)式摩擦磨損試驗，通過比較UHMWPE-ALN與UHMWPE在不同工況下的摩擦系數(shù)、磨痕體積以及微觀形貌評價ALN對UHMWPE摩擦學(xué)性能的影響及UHMWPE-ALN在摩擦過程中的變化。對浸泡后的UHMWPE-ALN進行了硬度、結(jié)晶度、力學(xué)性能及形貌的表征。最后，在生理鹽水、去離子水的潤

4、滑條件下，研究UHMWPE-ALN1.0wt％在摩擦過程中的體外藥物釋放。
　　結(jié)果表明：UHWMPE-ALN與UHMWPE兩種材料的楊氏模量和顯微硬度比較，沒有顯著性差異；而UHMWPE-ALN的極限拉伸強度與UHMWPE相比降低了15.6％。載入ALN后，有利于增強UHMWPE-ALN的親水性，UHMWPE-ALN的靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)增大，并且在潤滑的條件下主要受25 v/v％胎牛血清的影響。隨著載荷的增加，UHMWPE-AL

5、N和UHMWPE的磨損因子也增加，并且可以通過使用25 v/v％胎牛血清作為潤滑液來降低磨損，這主要取決于蛋白質(zhì)的作用。掃描電鏡(Scanning Eletron Microscope，SEM)觀察顯示在蒸餾水潤滑下，UHMWPE和UHMWPE-ALN磨痕內(nèi)出現(xiàn)了許多細小的且平行于滑動方向的犁溝。UHMWPE在生理鹽水潤滑下，產(chǎn)生的犁溝寬度較大，且比較均勻，SEM下觀測到的表面相對較為平整；而UHMWPE-ALN在生理鹽水潤滑下，表面較

6、粗糙，有很嚴重的片狀分離現(xiàn)象，表層容易剝落下來。在25 v/v％胎牛血清潤滑條件下的磨損表面顯得較平整，幾乎沒有劃痕。在UHMWPE樣品的背散射電子圖像(backscattered electron imaging；BSE)圖譜中觀測到少量平行于滑動方向的犁溝以及許多垂直于滑動方向的波紋狀脊；而在UHMWPE-ALN樣品的BSE圖譜中則觀測到許多更細小的波紋狀脊，平行于滑動方向的犁溝則很少。UHMWPE-ALN和UHMWPE在25 v/

7、v％胎牛血清下的磨損機理為疲勞磨損，而在去離子水下的磨損機理為磨粒磨損。在生理鹽水潤滑時，UHMWPE-ALN的主要磨損機理為粘著磨損，UHMWPE的主要磨損機理則為磨粒磨損。磨痕微區(qū)X射線衍射的結(jié)果表明，UHMWPE-ALN和UHMWPE的晶面間距偏移量隨著載荷的增加非線性的增加。當(dāng)載荷比較小時，分子變形被限制于非晶區(qū)，隨著載荷增大，逐漸向晶區(qū)進行。
　　磨損的演變試驗表明：UHMWPE-ALN和UHMWPE在去離子水潤滑下，磨

8、損量表現(xiàn)為在前期變化速率較快，后期速率減緩，而在25 v/v％胎牛血清下5h內(nèi)，基本上未發(fā)現(xiàn)磨損，后期摩擦過程中磨損量才緩慢增加。UHMWPE-ALN在去離子水中的磨損形貌變化最為顯著，形成了許多片層剝落，并且隨著摩擦?xí)r間的增加，磨損加劇，摩擦15h后收集到的磨屑主要為片層狀、棒狀、長條狀；在25 v/v％胎牛血清下表面平整。
　　浸泡后的UHMWPE-ALN熔點下降，但結(jié)晶度無顯著性變化；表面硬度長時間浸泡后(270 d)有顯著

9、性的下降，下降的幅度為6.7％；斷裂伸長率長時間浸泡后有顯著性的降低，從拉伸斷口上看，區(qū)別不大；沖擊的斷裂位移有所下降，斷裂所需的能量逐漸增加，這可能與沖擊處的藥物分布不均有關(guān)，能量色散X射線光譜儀(Energy Dispersive X-RavSpectroscopy；EDX)顯示斷口處存在許多ALN顆粒。UHMWPE-ALN浸泡后，隨著浸泡時間的增長，表面的孔洞越來越多，這與UHMWPE-ALN表面的藥物溶出有關(guān)，表面形貌的改變有可

10、能會影響摩擦學(xué)性能。
　　在生理鹽水中對UHMWPE-ALN體外釋放表明：UHMWPE-ALN在摩擦控釋過程中的累積損失質(zhì)量，前240 h內(nèi)UHMWPE-ALN塊材保持穩(wěn)定的速率磨損，隨后磨損量增加的速率逐漸變快，最終損失的質(zhì)量為0.0255g。ALN濃度隨摩擦?xí)r間變化的曲線可以看出：前80 h內(nèi)，濃度在5μg/ml以上；80 h后至摩擦過程結(jié)束，濃度較前80 h顯著減少，在3μg/ml左右。從ALN的累積質(zhì)量的曲線可以觀察到曲線

11、斜率較前一階段略微下降，說明釋放出藥物的速度下降，最終ALN釋放的質(zhì)量約為1070μg。摩擦控釋后的試樣表面較平整，犁溝分布均勻，產(chǎn)生的磨屑主要為棒狀、長條狀和片層狀。在去離子水中對UHMWPE-ALN體外釋放表明：UHMWPE-ALN在摩擦控釋過程中的累積損失質(zhì)量，前140h內(nèi)UHMWPE-ALN塊材的累積損失質(zhì)量逐漸增加，此時累積損失的質(zhì)量最大，為0.00096 g；隨后由于吸水作用累積磨損量反而逐漸下降，最終損失的質(zhì)量為0.000

12、08 g。在整個摩擦過程中，ALN的濃度基本上維持在1-2μg/ml之間，每個取液時間段內(nèi)測得的ALN濃度變化不大；ALN的累積釋放質(zhì)量基本上呈線性增加，最終釋放了約418μg左右。在空白對照組中，浸泡3個月并對潤滑液進行濃縮，但浸泡液中均未測定出ALN的濃度，表明其濃度低于酶標(biāo)儀的最低可測吸光度值。
　　本論文結(jié)果顯示載藥1.0 wt％的UHMWPE-ALN在25 v/v％胎牛血清下具有與UHMWPE相似的摩擦學(xué)性能。降解結(jié)果表