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医用超高分子量聚乙烯发展历程及国内外需求

辐射剂量 辐射交联 UHMWPE
发布:2020-09-29 14:15:00     来源:中山大学教授 付俊老师

超高分子量聚乙烯(Ultra high molecule weightpolyethylene,UHMWPE)是是由乙烯、丁二烯单体在催化剂的作用下,聚合而成的热塑性工程塑料。“超高”是指分子量大于150万克每摩尔。其熔点比高密度聚乙烯高10℃,即150℃。

超高分子量聚乙烯是综合性能十分优异的热塑性工程塑料。更长的分子链(更高的的分子量)赋予了UHMWPE超群的耐磨性能、超低的摩擦系数、突出的耐腐蚀性,可与“塑料王”——聚四氟乙烯媲美,应用范围广泛。但由于其熔体粘度很高(高达109Pa*s),流动性极差(熔融指数为零)加热时处于高粘弹态,加工性能的超高难度极大的限制了它的应用。虽然同属于PE家族,但是它具有跟普通PE完全不同性能,它的开发成功被普遍认为是20世纪十大科技成果之一。

而医用级的UHMWPE要求更加严格,不允许使用任何加工助剂或者添加剂。因此,传统的热塑性塑料加工工艺如注塑、螺杆挤出、吹塑等都不适合UHMWPE。只能在高温高压下,使用压模成型和柱塞挤出成型。

医用UHMWPE

自1962年Charnley首次将UHMWPE应用在人工关节中以来,它成功被用作关节替换材料已有超过50 年的历史,目前在临床中得到了广泛的推广应用。

(UHMMWPE从原料到假体的生产过程)

医用超高分子量聚乙烯的发展

第1代:传统UHMWPE

传统UHMWPE除了必要的灭菌外无特殊处理。虽然灭菌过程中聚乙烯会产生交联,但这种交联程度非常低,耐磨性低于交联聚乙烯。

第2代:高交联UHMWPE(HXLPE)

HXLPE是采用大辐射剂量射线或加速电子束对UHMWPE产品进行辐照,然后通过热处理消除残留的自由基,用来减少氧化退变,提高耐磨性。有研究显示,高交联UHMWPE比未交联UHMWPE磨损率最高可降低90%左右。自1998年FDA批准第一个HXLPE产品以来,HXLPE得到了广泛的临床应用。

第3代:复合维生素E的HXLPE (VEPE)

VEPE除了通过大剂量辐射交联来提高材料的耐磨性以外,还使用额外的填充剂维生素E,进一步提高产品耐磨性,同时不会降低材料强度、抗疲劳性和抗氧化性,是应用于临床的最新一代聚乙烯。2007年,VEPE材料的髋臼及臼衬开始应用于THA,2008年,VEPE材料的胫骨平台垫片开始应用于TKA。

(复合维生素E聚乙烯假体呈现出黄色)

UHMWPE国内外需求

近几年来国外超高分子量聚乙烯的年增长率达到15%~20%。

国内超高分子量聚乙烯应用起步较晚, 起点较高, 近年来发展很快, 年增长率达到30%。2017年,全球需求量约6万吨,产量仅3万吨左右。且随着军品、民品、医疗等领域不断开发,未来五年需求量有望保持15%左右增速增长,预计至2021年达到10.87万吨,且仍将处于供不应求状态。

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