人工关节用聚乙烯共混物自增强结构调控与性能研究

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）流动性极差，因此在将其加工成人工关节植入体时需高温长时间处理，这引起分子链氧化降解，产生含双键、自由基等对人体有潜在危害的物质，并劣化制品性能。本项目拟采用UHMWPE与低分子量高密度聚乙烯（HDPE）共混，获得加工性能良好且适宜注塑的UHMWPE/HDPE双连续相共混物，并在注塑中施加振动剪切流动场，使HDPE形成互锁式shish-kebab晶体结构，从而缩短加工时高温停留时间，改善制品氧化稳定性，同时在流动方向和垂直于流动方向上均提高制品的力学性能和耐磨性。通过系统研究流动场诱导长短链聚乙烯共混物分子链取向和结晶，加工流动场下UHMWPE/HDPE双连续相共混物自增强结构的调控，以及材料的结构、性能、生物相容性评价，揭示UHMWPE/HDPE双连续相共混物自增强材料加工外场-形态结构-性能间的关系，为制备高性能人工关节植入体提供理论指导与技术支持。

本项目利用低分子量的高密度聚乙烯（HDPE）改善UHMWPE的加工性能，通过振动注塑成型方法对UHMWPE/HDPE共混物成型，成型过程中通过调控流动场形成大量shish-kebab自增强结构，以增强UHMWPE/HDPE共混物的性能。. 为了诱导形成大量shish-kebab结构，对溶液共混的含2 wt% UHMWPE的UHMWPE/HDPE共混物施加剪切，模拟实际加工过程中的剪切场，利用在线2D-WAXD及2D-SAXS进行实时检测，证明了在本研究体系中，通过施加适当的剪切场可以诱导shish-kebab结构的形成。在此基础上，首先将极少量长链分子（﹤1.0 wt%）与HDPE共混，然后再与UHMWPE共混形成双连续相共混物，采用振动剪切注塑成型仪注塑成型，通过在保压阶段施加振动流动场，在制品的HDPE 相中形成了大量互锁式shish-kebab。振动注塑PE共混物（含40 wt% UHMWPE）的力学性能较压缩模塑成型的纯UHMWPE 制品显著提高，如压缩模塑制品的拉伸强度仅为27.6MPa，而UHMWPE/HDPE 自增强共混物制品的拉伸强度在流动方向上提高到78.4MPa，在横向上提高到33.5MPa，且很好的保留了UHMWPE优良的耐磨性。由此推断，大量互锁式shish-kebab自增强结构是造成二者综合性能差异的主要原因。. 以进一步提高人工关节材料的力学性能、耐磨损性和抗疲劳性为目标，我们进一步提高UHMWPE在共混物中的相对含量，通过最大限度利用其优异性能来达到目的。提高UHMWPE含量会导致体系粘度增大，加工困难，为解决这一难点，对UHMWPE进行了辐照微交联处理，将长链分子限制于微交联点内，减少其向HDPE相中的扩散，有效降低熔体粘度。成功制备了微交联UHMWPE/HDPE共混物 (含50 wt % UHMWPE)，并对其进行振动注塑成型，在保留其它优异性能的基础上，拉伸强度提高到81.2MPa，使关节材料能承受更大压力；磨损速率从8.1mg/MC下降至5.3mg/MC，降低了35%，说明耐磨性提高，这将减少因骨溶解进行人工关节修复手术的概率；压缩模塑制品和微交联振动注塑制品的拉伸强度降幅分别为37.8%和15.0%，说明后者具有更为优异的耐疲劳性。以上结果表明本研究中所制备的微交联UHMWPE/HDPE共混物更有望成为人工关节替代材料。