机械活化增强载阿仑膦酸钠超高分子量聚乙烯的研究

摘要

超高分子量聚乙烯（ultrahigh molecular weight polyethylene，UHMWPE）是一种优良的热塑性塑料，在临床上已超过50年使用此材料作为人工髋关节(artificial hip joint，AHJ)的衬垫材料。然而UHMWPE的磨损产生的磨屑仍是造成AHJ无菌松动并且最终提前失效的主要原因之一。载阿仑膦酸钠(alendronate sodium，ALN)的UHMWPE作为一种矫形生医材料在关节置换术领域中拥有极大的潜力。然而，UHMWPE-ALN材料由于ALN在UHMWPE中分布不均而造成较差的力学和摩擦学性能仍然是其进一步应用的阻碍。机械活化够提供了一种用机械力将高分子主链上的C-C键均裂，降低高分子材料的分子量，从而有望增加高分子链相互扩散的速度，是一种潜在提升UHMWPE-ALN材料力学和摩擦学性能的方法。因此本文的目的利用行星式球磨机对UHMWPE进行机械活化处理，研究机械活化处理对载ALN的UHMWPE材料(UHMWPE-ALN-ma)的力学性能、摩擦学性能和摩擦情况下药物释放的影响和机理。本论文研究的主要内容和结果如下:
　　(1)研究了机械活化处理UHMWPE-ALN材料的不同工艺对其力学性能、摩擦学性能的影响。干法球磨和湿法球磨均能提高UHMWPE-ALN和UHMWPE-ALN-F68材料的力学性能，并且干法球磨显著性提升了UHMWPE-ALN材料的杨氏模量和拉伸强度，显著性提升了UHMWPE-ALN-F68材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率;而湿法球磨显著性提升了UHMWPE-ALN材料的杨氏模量和破裂功，显著性提升了UHMWPE-ALN-F68材料的杨氏模量、屈服强度、拉伸强度、断裂伸长率和破裂功。湿法球磨和干法球磨材料后的力学性能和没有显著性差异。干法球磨和湿法球磨均能显著性降低UHMWPE-ALN材料和UHMWPE-ALN-F68材料的磨损因子，并且湿法球磨对两种材料磨损因子的降低效果比干法球磨的效果更明显。干法球磨和湿法球磨均增大了UHMWPE-ALN和UHMWPE-ALN-F68材料对水和25 vol％小牛血清的接触角。干法球磨和湿法球磨处理后的UHMWPE-ALN或UHMWPE-ALN-F68材料对水或25vol％小牛血清的接触角不存在显著性差异。干法球磨和湿法球磨都对UHMWPE-ALN材料和UHMWPE-ALN-F68材料的结晶区的晶体参数没有显著性影响。因此湿法球磨较干法球磨更能提高UHMWPE-ALN材料的力学性能和耐磨性能。
　　(2)研究了机械活化处理提高UHMWPE-ALN-ma的力学性能和摩擦性性能的机理。根据UHMWPE-ALN-ma和UHMWPE-ALN的拉伸试验后试样侧面刻蚀后的冷冻断裂表面SEM图，揭示了机械活化明显减少了UHMWPE-ALN-ma材料中的一型（空隙）和二型（分子链自扩散不充分）熔融缺陷。根据由UHMWPE-ALN-ma和UHMWPE-ALN的混合粉末SEM图和成型后材料FTIR图谱，推测可能是由于机械活化后UHMWPE颗粒表面的层剥落和分子链的断链，从而降低部分高分子的分子量，增加其熔融状态下的流动性，减少材料中的熔融缺陷。此外，EDS图谱揭示了ALN在UHMWPE-ALN-ma中相对于UHMWPE-ALN更均匀的分布。
　　(3)比较研究了UHMWPE-ALN-ma与UHMWPE-ALN材料，模仿人工关节在人体中的使用条件下药物的释放，分别置于25 vol％小牛血清中进行摩擦学试验。与未机械活化的UHMWPE-ALN材料的药物释放情况相比，机械活化降低了UHMWPE-ALN-ma材料在摩擦磨损条件下ALN释放浓度和ALN的累积释放量。与未机械活化的UHMWPE-ALN材料的药物释放速率相比，机械活化不仅使UHMWPE-ALN-ma材料中的ALN分布更加均匀，并使摩擦磨损条件下的ALN释放变得更加匀速。UHMWPE-ALN-ma和UHMWPE-ALN的磨损严重程度可能和ALN的药物释放速率成正相关性。
　　本研究显示机械活化是一种有效提高UHMWPE-ALN材料的力学和摩擦学性能的方法，为其进一步应用于临床打下了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 人工髋关节概述

1．1．1 人工髋关节的发展和现状

1．1．2 人工髋关节的组成与材料

1．1．3 人工髋关节的磨损和骨溶解

1．2 UHMWPE载ALN材料在人工髋关节的研究

1．2．1 ALN降低骨溶解的原理

1．2．2 UHMWPE载ALN材料的研究概况

1．3 机械活化概述

1．3．1 机械化学的发展

1．3．2 高分子材料的机械化学

1．4 本课题研究目的以及主要内容

第二章 机械活化对UHMWPE-ALN力学性能和摩擦学性能影响的研究

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．2．1 材料

2．2．2 材料的制备

2．2．3 力学性能的表征

2．2．4 摩擦学性能的表征

2．2．5 扫描电镜表征

2．2．6 接触角表征

2．2．7 X射线衍射表征

2．2．8 统计学分析

2．3 结果

2．3．1 力学性能

2．3．2 摩擦学性能

2．3．3 表面润湿性

2．3．4 XRD图谱

2．4 讨论

2．4．1 力学性能

2．4．2 摩擦学性能

2．4．3 材料学表征

2．5 结论

第三章 UHMWPE-ALN机械活化后的力学和摩擦学性能及机理研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 材料

3．2．2 试验的制备

3．2．3 力学性能表征

3．2．4 摩擦学性能表征

3．2．5 冷冻断裂和刻蚀

3．2．6 扫描电子显微镜表征

3．2．7 X射线能量色散谱表征

3．2．8 傅里叶变换红外光谱学表征

3．2．9 统计学分析

3．3 结果

3．3．1 力学性能

3．3．2 摩擦学性能

3．3．3 形貌表征

3．3．4 化学表征

3．4．讨论

3．5．结论

第四章 机械活化对UHMWPE-ALN的药物释放行为的影响的研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验的制备

4．2．2 摩擦药物释放

4．2．3 摩擦试验后润滑液的取液和处理

4．2．4 润滑液中ALN的浓度测定

4．2．5 磨斑表面的检测

4．3 结果

4．3．1 标准曲线

4．3．2 ALN的显色反应

4．3．3 润滑液中ALN的浓度

4．3．4 磨斑表面形貌

4．3．5 试样断面的能谱扫描谱图

4．4 讨论

4．5 小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果