隨著人類預期壽命的延長和人口老齡化日趨嚴重，關節(jié)疾病患者群體數(shù)量迅速增加，對人工關節(jié)等內植入醫(yī)療器械的需求迅猛增長。美國平均每年人工關節(jié)消費量超過100萬套，產值超過100億美元。據(jù)測算，我國人工關節(jié)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(jié)材料是決定人工關節(jié)臨床性能和使用壽命的根本因素，也是人工關節(jié)產業(yè)發(fā)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(jié)材料，基于金屬-聚乙烯或陶瓷-聚乙烯的人工關節(jié)性價比高，占全球人工關節(jié)市場的70%以上。人工關節(jié)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(xù)發(fā)展了高交聯(lián)超高聚乙烯和維生素E穩(wěn)定的高交聯(lián)超高聚乙烯，大大地降低了磨損及相關的并發(fā)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(yè)界面臨的重大挑戰(zhàn)。
與我國巨大的潛在市場極不相稱的是，我國人工關節(jié)材料技術研究較少，還沒有自主開發(fā)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(jié)占市場份額60%左右，不利于我國國產人工關節(jié)產業(yè)的發(fā)展。隨著我國經濟社會持續(xù)高速發(fā)展，生命健康產業(yè)迎來了前所未有的機遇期，其中人工關節(jié)產業(yè)保持年均15-20%的高速發(fā)展，急需開發(fā)符合中國市場需求的人工關節(jié)，而關鍵材料的發(fā)展是當務之急。
針對世界人工關節(jié)材料發(fā)展存在的難題和我國人工關節(jié)產業(yè)發(fā)展需求，中科院寧波材料所生物醫(yī)用高分子材料團隊從臨床需求出發(fā)，瞄準領域前沿，經過三年多的努力，發(fā)展了一系列先進的技術，通過消除超高聚乙烯結構缺陷（Fig 2, Polymer 2010, 51, 2721; Polymer 2011, 52, 1155; Polymer 2013, 54, 199），發(fā)展新型氧化穩(wěn)定化技術，結合輻照交聯(lián)技術等，成功地開發(fā)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（Fig 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(wěn)定的交聯(lián)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(yōu)于國外同類材料（Fig 3, J Mater Chem 2013, 1, 4727，封面論文）。
在此基礎上，結合輻照交聯(lián)技術，將超高聚乙烯的磨損速率降低了80%以上(Fig 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(huán)境長期“生物侵蝕”的挑戰(zhàn)。例如，關節(jié)滑液中的不飽和脂質體可能導致高交聯(lián)聚乙烯氧化。生物醫(yī)用高分子材料團隊模擬關節(jié)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(wěn)定性。研究結果表明，新型超高聚乙烯比現(xiàn)有其它同類材料具有更出色的抗生物侵蝕穩(wěn)定性（Fig 5, Polym Degrad Stab 2014, DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2014.08.023）。
這些研究成果為開發(fā)具有自主知識產權的人工關節(jié)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(fā)明專利，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(yè)化，力爭早日完成并通過材料綜合評價，開發(fā)具有臨床應用價值的新材料，以推動人工關節(jié)產業(yè)的發(fā)展，造福人民。
Fig 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）
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Fig 2超高分子量聚乙烯棒材的內部結構（SEM）
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Fig 3 交聯(lián)超高分子量聚乙烯
（藍色和紅色）的氧化穩(wěn)定性
優(yōu)于國際最新的維生素E（Vit E）
/交聯(lián)聚乙烯（綠色）。
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Fig 4 交聯(lián)超高分子量聚乙烯的
磨損速率，較改性前降低80%以上
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Fig 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
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