隨著人類預(yù)期壽命的延長(zhǎng)和人口老齡化日趨嚴(yán)重，關(guān)節(jié)疾病患者群體數(shù)量迅速增加，對(duì)人工關(guān)節(jié)等內(nèi)植入醫(yī)療器械的需求迅猛增長(zhǎng)。美國(guó)平均每年人工關(guān)節(jié)消費(fèi)量超過(guò)100萬(wàn)套，產(chǎn)值超過(guò)100億美元。據(jù)測(cè)算，我國(guó)人工關(guān)節(jié)潛在需求量超過(guò)300萬(wàn)套，2013年實(shí)際消費(fèi)量約30萬(wàn)套，僅為十分之一，市場(chǎng)潛力巨大。
人工關(guān)節(jié)材料是決定人工關(guān)節(jié)臨床性能和使用壽命的根本因素，也是人工關(guān)節(jié)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，超高分子量聚乙烯（簡(jiǎn)稱超高聚乙烯）一直是最重要的人工關(guān)節(jié)材料，基于金屬-聚乙烯或陶瓷-聚乙烯的人工關(guān)節(jié)性價(jià)比高，占全球人工關(guān)節(jié)市場(chǎng)的70%以上。人工關(guān)節(jié)臨床使用壽命通常為15-20年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)聚乙烯材料的耐磨損、強(qiáng)度和抗疲勞、抗氧化與抗生物侵蝕等性質(zhì)提出了非常高的要求。在過(guò)去二十多年里，歐美國(guó)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(guān)的并發(fā)癥，獲得臨床應(yīng)用。但如何解決材料的強(qiáng)度、韌性、耐磨損、抗氧化等性能難以兼顧的難題，仍是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界面臨的重大挑戰(zhàn)。
與我國(guó)巨大的潛在市場(chǎng)極不相稱的是，我國(guó)人工關(guān)節(jié)材料技術(shù)研究較少，還沒(méi)有自主開發(fā)的材料產(chǎn)品，關(guān)鍵的高分子材料完全依賴進(jìn)口，進(jìn)口人工關(guān)節(jié)占市場(chǎng)份額60%左右，不利于我國(guó)國(guó)產(chǎn)人工關(guān)節(jié)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)高速發(fā)展，生命健康產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇期，其中人工關(guān)節(jié)產(chǎn)業(yè)保持年均15-20%的高速發(fā)展，急需開發(fā)符合中國(guó)市場(chǎng)需求的人工關(guān)節(jié)，而關(guān)鍵材料的發(fā)展是當(dāng)務(wù)之急。
針對(duì)世界人工關(guān)節(jié)材料發(fā)展存在的難題和我國(guó)人工關(guān)節(jié)產(chǎn)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(tuán)隊(duì)從臨床需求出發(fā)，瞄準(zhǔn)領(lǐng)域前沿，經(jīng)過(guò)三年多的努力，發(fā)展了一系列先進(jìn)的技術(shù)，通過(guò)消除超高聚乙烯結(jié)構(gòu)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(shù)，結(jié)合輻照交聯(lián)技術(shù)等，成功地開發(fā)了一系列具有高強(qiáng)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(guò)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(guó)外最先進(jìn)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(zhǎng)的時(shí)間才開始氧化，而且材料的強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于國(guó)外同類材料（Fig 3, J Mater Chem 2013, 1, 4727，封面論文）。
在此基礎(chǔ)上，結(jié)合輻照交聯(lián)技術(shù)，將超高聚乙烯的磨損速率降低了80%以上(Fig 4)，達(dá)到國(guó)外報(bào)道的同類產(chǎn)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(yīng)用中，生物材料須耐受人體環(huán)境長(zhǎng)期“生物侵蝕”的挑戰(zhàn)。例如，關(guān)節(jié)滑液中的不飽和脂質(zhì)體可能導(dǎo)致高交聯(lián)聚乙烯氧化。生物醫(yī)用高分子材料團(tuán)隊(duì)模擬關(guān)節(jié)滑液成份，在體外構(gòu)建了模擬“生物侵蝕”的模型，檢驗(yàn)新材料在“生物侵蝕”條件下的穩(wěn)定性。研究結(jié)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(shí)產(chǎn)權(quán)的人工關(guān)節(jié)高分子新材料奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)了系列發(fā)明專利，部分已獲得授權(quán)。
在此基礎(chǔ)上，寧波材料所相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)將努力推進(jìn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，力爭(zhēng)早日完成并通過(guò)材料綜合評(píng)價(jià)，開發(fā)具有臨床應(yīng)用價(jià)值的新材料，以推動(dòng)人工關(guān)節(jié)產(chǎn)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）
|
Fig 2超高分子量聚乙烯棒材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（SEM）
|
Fig 3 交聯(lián)超高分子量聚乙烯
（藍(lán)色和紅色）的氧化穩(wěn)定性
優(yōu)于國(guó)際最新的維生素E（Vit E）
/交聯(lián)聚乙烯（綠色）。
|
|
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
|
Fig 5 模擬生物分子誘導(dǎo)氧化實(shí)驗(yàn)證實(shí)
了出色的抗生物分子侵蝕氧化性能
|