摘要

根據市場調研，醫用級超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的需求從2015年的60.9千噸增長至2024年的204.8千噸，市場估值達到13.6億美元，年復合增長率為15%。UHMWPE因其優越的生物相容性、化學惰性、低磨損體積、較高的拉伸強度及低摩擦系數等特性，廣泛應用于醫療植入物。然而，UHMWPE在生物醫學應用中存在磨損碎屑、氧化降解及老化等問題。通過表面改性及復合增強技術，可顯著改善UHMWPE的性能，拓展其在人工關節、骨組織工程等領域的應用潛力。

1. 引言

超高分子量聚乙烯（Ultra-High Molecular Weight Polyethylene，簡稱UHMWPE）是一種具有卓越性能的工程塑料，其分子量通常在150萬以上。這種材料以其優異的耐磨損性、耐沖擊性、耐化學藥品性、自潤滑性和生物相容性而著稱，因此在多個領域得到了廣泛應用，如醫療、化工、運輸和航空等。

全球醫療植入物產業因外科技術進步及老齡化人口增長而快速發展。UHMWPE因其分子量高（350萬至600萬g/mol）、結晶度高（>90%）以及優異的機械性能，成為主要的醫療級高分子材料。然而，其低熔點（130°C–136°C）和受輻射后生成自由基的缺陷限制了其進一步應用。為解決上述問題，研究者通過表面處理技術（如電子束處理、冷等離子體）及復合材料增強技術（如添加碳納米管、維生素E）對UHMWPE進行功能化改性。

UHMWPE通過聚乙烯鏈的高度交聯實現高分子量，通常采用Ziegler催化劑在低壓條件下制備。其線性半結晶結構由高度取向的層狀結晶相和無定形相組成。UHMWPE具有優異的耐磨性（0.68 mm3/年）、拉伸強度（41.3 MPa）及低摩擦系數（0.12-0.15）。目前市場上主要的醫用級UHMWPE產品包括GUR 1020和GUR 1050。

3.1 表面改性

通過電子束和冷等離子體等技術處理UHMWPE表面，可顯著提高其潤濕性、生物相容性和抗氧化性。

• 電子束處理：在空氣中利用電子束照射UHMWPE表面，生成羰基和羥基官能團，增強其親水性及細胞黏附性。

• 冷等離子體處理：利用氦氣和氧氣等離子體對UHMWPE進行表面改性，可優化材料的耐磨性能，并提高其在骨植入物中的整合性。

• 離子注入技術：通過碳離子注入形成高密度碳化層，改善UHMWPE的納米硬度、耐磨性及生物相容性。

3.2 復合材料增強

通過在UHMWPE基體中添加增強材料，可同時改善其表面和體相性能。

• 羥基磷灰石（HA）：HA與UHMWPE復合可降低摩擦系數，增強其在人工髖關節中的應用潛力。

• 多壁碳納米管（MWCNTs）：MWCNTs增強的UHMWPE表現出較高的機械強度及抗磨損性能，同時提高了材料的潤濕性。

• 維生素E：作為抗氧化劑添加，可有效減少UHMWPE在輻射消毒過程中的自由基生成，改善其老化性能。

• 類金剛石薄膜（DLC）：DLC涂層能顯著提升UHMWPE的硬度及耐磨性，同時降低其摩擦系數。

4.1 人工關節置換

UHMWPE在髖關節和膝關節置換中表現出優異的耐磨性和低摩擦性能。復合材料增強技術進一步提升了其抗疲勞性和長期穩定性。

4.2 骨組織工程

改性UHMWPE因其增強的細胞黏附性和生物活性，被廣泛用于骨組織修復。通過表面處理和復合增強，其在骨植入物中的整合性顯著提高。

4.3 醫療植入物

UHMWPE在脊柱植入物和牙科修復材料中的應用日益增多，其低磨損特性減少了由磨損碎屑引起的炎癥反應。

盡管功能化技術顯著改善了UHMWPE的性能，但仍需解決以下問題：

• 成本與規模化：表面改性和復合增強技術的成本較高，限制了大規模應用。

• 長期穩定性：盡管UHMWPE增強了耐磨性能，但在高應力和復雜環境下的長期穩定性仍需進一步驗證。

未來研究應聚焦于以下方向：

• 開發更加經濟高效的功能化技術。

• 優化復合材料的分散性及界面結合性能。

• 研究UHMWPE在個性化醫療領域的潛力，如3D打印技術的結合。

結論

UHMWPE因其優異的性能已成為醫療植入物領域的重要材料。通過表面改性和復合材料增強技術，可顯著改善其在生物醫學應用中的性能，為人工關節、骨組織工程等領域提供了可靠的解決方案。然而，隨著應用需求的不斷增加，未來仍需進一步研究以解決現有技術的瓶頸，實現更廣泛的應用前景。

原始文獻：

Avinash Patil, N., Njuguna, J., Kandasubramanian, B., UHMWPE for Biomedical Applications: Performance and Functionalization, European Polymer Journal (2020), doi: https://doi.org/ 10.1016/j.eurpolymj.2020.109529