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1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于具有良好的耐磨性以及優(yōu)異的生物相容性,已被作為人工關(guān)節(jié)組件之一。但是人工關(guān)節(jié)假體磨損產(chǎn)生的UHMWPE磨屑能誘發(fā)假體周圍的骨溶解,導(dǎo)致假體松動(dòng),成為影響人工關(guān)節(jié)服役壽命的最主要原因。本課題組前期將UHMWPE作為藥物載體,載入防治骨溶解的藥物阿侖膦酸鈉(ALN),研制出防治骨溶解的載藥UHMWPE(UHMWPE-ALN)。研究結(jié)果顯示UHMWPE-ALN的載藥濃度大于1.0wt%后,力學(xué)性能下降較快;
2、UHMWPE-ALN磨屑的穩(wěn)定釋放率受磨屑尺寸和載藥濃度的影響。但是,不同摩擦工況下UHMWPE-ALN的摩擦學(xué)行為及其對(duì)藥物釋放影響尚不清楚,UHMWPE-ALN植入體內(nèi)后將處于體液中,UHMWPE-ALN在液體環(huán)境一段時(shí)間后材料學(xué)性能的變化也不清楚,因此不同摩擦工況對(duì)UHMWPE-ALN的摩擦學(xué)性能和藥物釋放的影響,UHMWPE-ALN體外模擬降解研究有待進(jìn)一步進(jìn)行。
本研究采用溶劑揮發(fā)法和熱壓成型法制備載藥濃度1.0wt
3、%的UHMWPE-ALN。進(jìn)行了拉伸測(cè)試、小沖桿測(cè)試、硬度測(cè)試、接觸角測(cè)量。采用25 v/v%胎牛血清、生理鹽水或去離子水潤(rùn)滑,以氧化鋯作為對(duì)磨副進(jìn)行往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn),通過(guò)比較UHMWPE-ALN與UHMWPE在不同工況下的摩擦系數(shù)、磨痕體積以及微觀形貌評(píng)價(jià)ALN對(duì)UHMWPE摩擦學(xué)性能的影響及UHMWPE-ALN在摩擦過(guò)程中的變化。對(duì)浸泡后的UHMWPE-ALN進(jìn)行了硬度、結(jié)晶度、力學(xué)性能及形貌的表征。最后,在生理鹽水、去離子水的潤(rùn)
4、滑條件下,研究UHMWPE-ALN1.0wt%在摩擦過(guò)程中的體外藥物釋放。
結(jié)果表明:UHWMPE-ALN與UHMWPE兩種材料的楊氏模量和顯微硬度比較,沒(méi)有顯著性差異;而UHMWPE-ALN的極限拉伸強(qiáng)度與UHMWPE相比降低了15.6%。載入ALN后,有利于增強(qiáng)UHMWPE-ALN的親水性,UHMWPE-ALN的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)增大,并且在潤(rùn)滑的條件下主要受25 v/v%胎牛血清的影響。隨著載荷的增加,UHMWPE-AL
5、N和UHMWPE的磨損因子也增加,并且可以通過(guò)使用25 v/v%胎牛血清作為潤(rùn)滑液來(lái)降低磨損,這主要取決于蛋白質(zhì)的作用。掃描電鏡(Scanning Eletron Microscope,SEM)觀察顯示在蒸餾水潤(rùn)滑下,UHMWPE和UHMWPE-ALN磨痕內(nèi)出現(xiàn)了許多細(xì)小的且平行于滑動(dòng)方向的犁溝。UHMWPE在生理鹽水潤(rùn)滑下,產(chǎn)生的犁溝寬度較大,且比較均勻,SEM下觀測(cè)到的表面相對(duì)較為平整;而UHMWPE-ALN在生理鹽水潤(rùn)滑下,表面較
6、粗糙,有很嚴(yán)重的片狀分離現(xiàn)象,表層容易剝落下來(lái)。在25 v/v%胎牛血清潤(rùn)滑條件下的磨損表面顯得較平整,幾乎沒(méi)有劃痕。在UHMWPE樣品的背散射電子圖像(backscattered electron imaging;BSE)圖譜中觀測(cè)到少量平行于滑動(dòng)方向的犁溝以及許多垂直于滑動(dòng)方向的波紋狀脊;而在UHMWPE-ALN樣品的BSE圖譜中則觀測(cè)到許多更細(xì)小的波紋狀脊,平行于滑動(dòng)方向的犁溝則很少。UHMWPE-ALN和UHMWPE在25 v/
7、v%胎牛血清下的磨損機(jī)理為疲勞磨損,而在去離子水下的磨損機(jī)理為磨粒磨損。在生理鹽水潤(rùn)滑時(shí),UHMWPE-ALN的主要磨損機(jī)理為粘著磨損,UHMWPE的主要磨損機(jī)理則為磨粒磨損。磨痕微區(qū)X射線衍射的結(jié)果表明,UHMWPE-ALN和UHMWPE的晶面間距偏移量隨著載荷的增加非線性的增加。當(dāng)載荷比較小時(shí),分子變形被限制于非晶區(qū),隨著載荷增大,逐漸向晶區(qū)進(jìn)行。
磨損的演變?cè)囼?yàn)表明:UHMWPE-ALN和UHMWPE在去離子水潤(rùn)滑下,磨
8、損量表現(xiàn)為在前期變化速率較快,后期速率減緩,而在25 v/v%胎牛血清下5h內(nèi),基本上未發(fā)現(xiàn)磨損,后期摩擦過(guò)程中磨損量才緩慢增加。UHMWPE-ALN在去離子水中的磨損形貌變化最為顯著,形成了許多片層剝落,并且隨著摩擦?xí)r間的增加,磨損加劇,摩擦15h后收集到的磨屑主要為片層狀、棒狀、長(zhǎng)條狀;在25 v/v%胎牛血清下表面平整。
浸泡后的UHMWPE-ALN熔點(diǎn)下降,但結(jié)晶度無(wú)顯著性變化;表面硬度長(zhǎng)時(shí)間浸泡后(270 d)有顯著
9、性的下降,下降的幅度為6.7%;斷裂伸長(zhǎng)率長(zhǎng)時(shí)間浸泡后有顯著性的降低,從拉伸斷口上看,區(qū)別不大;沖擊的斷裂位移有所下降,斷裂所需的能量逐漸增加,這可能與沖擊處的藥物分布不均有關(guān),能量色散X射線光譜儀(Energy Dispersive X-RavSpectroscopy;EDX)顯示斷口處存在許多ALN顆粒。UHMWPE-ALN浸泡后,隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng),表面的孔洞越來(lái)越多,這與UHMWPE-ALN表面的藥物溶出有關(guān),表面形貌的改變有可
10、能會(huì)影響摩擦學(xué)性能。
在生理鹽水中對(duì)UHMWPE-ALN體外釋放表明:UHMWPE-ALN在摩擦控釋過(guò)程中的累積損失質(zhì)量,前240 h內(nèi)UHMWPE-ALN塊材保持穩(wěn)定的速率磨損,隨后磨損量增加的速率逐漸變快,最終損失的質(zhì)量為0.0255g。ALN濃度隨摩擦?xí)r間變化的曲線可以看出:前80 h內(nèi),濃度在5μg/ml以上;80 h后至摩擦過(guò)程結(jié)束,濃度較前80 h顯著減少,在3μg/ml左右。從ALN的累積質(zhì)量的曲線可以觀察到曲線
11、斜率較前一階段略微下降,說(shuō)明釋放出藥物的速度下降,最終ALN釋放的質(zhì)量約為1070μg。摩擦控釋后的試樣表面較平整,犁溝分布均勻,產(chǎn)生的磨屑主要為棒狀、長(zhǎng)條狀和片層狀。在去離子水中對(duì)UHMWPE-ALN體外釋放表明:UHMWPE-ALN在摩擦控釋過(guò)程中的累積損失質(zhì)量,前140h內(nèi)UHMWPE-ALN塊材的累積損失質(zhì)量逐漸增加,此時(shí)累積損失的質(zhì)量最大,為0.00096 g;隨后由于吸水作用累積磨損量反而逐漸下降,最終損失的質(zhì)量為0.000
12、08 g。在整個(gè)摩擦過(guò)程中,ALN的濃度基本上維持在1-2μg/ml之間,每個(gè)取液時(shí)間段內(nèi)測(cè)得的ALN濃度變化不大;ALN的累積釋放質(zhì)量基本上呈線性增加,最終釋放了約418μg左右。在空白對(duì)照組中,浸泡3個(gè)月并對(duì)潤(rùn)滑液進(jìn)行濃縮,但浸泡液中均未測(cè)定出ALN的濃度,表明其濃度低于酶標(biāo)儀的最低可測(cè)吸光度值。
本論文結(jié)果顯示載藥1.0 wt%的UHMWPE-ALN在25 v/v%胎牛血清下具有與UHMWPE相似的摩擦學(xué)性能。降解結(jié)果表
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