分散劑對載阿侖膦酸鈉超高分子量聚乙烯性能影響研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯磨損顆粒是誘導(dǎo)人工髖關(guān)節(jié)發(fā)生無菌松動，導(dǎo)致關(guān)節(jié)假體失效的主要因素。為了預(yù)防和抑制人工關(guān)節(jié)磨損顆粒誘導(dǎo)的骨溶解，將具有抑制骨溶解作用的藥物阿侖膦酸鈉(ALN)載入超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。研究表明將阿侖膦酸鈉載入超高分子量聚乙烯中時會發(fā)生藥物團聚現(xiàn)象，分散不均勻時材料力學(xué)和摩擦學(xué)等性能將會降低。本實驗的目的在于通過尋找合適的分散劑及分散方法，促進阿侖膦酸鈉藥物在超高分子量聚乙烯中均勻分散，提高載藥超高分子量聚乙烯材

2、料的力學(xué)和耐磨性能。
　　本文中應(yīng)用正交設(shè)計法選取ALN在UHMWPE中均勻分散的最佳工藝參數(shù)，采用四因素三水平正交設(shè)計表，以抗拉強度和斷裂伸長率為標(biāo)準(zhǔn)評價ALN在UHMWPE中的分散，探索表面活性劑、分散方式、藥物濃度和反應(yīng)溫度不同水平對ALN分散性的影響。運用社會科學(xué)統(tǒng)計軟件包(SPSS)對正交實驗結(jié)果進行極差與方差分析；在最佳工藝參數(shù)下制備載阿侖膦酸鈉超高分子量聚乙烯(ALN/UHMWPE)，采用掃描電鏡(SEM)、X射線能

3、量色散譜儀(EDS)及飛行時間型-二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)對樣品進行形貌和表面元素分析，表征阿侖膦酸鈉在超高分子量聚乙烯中的分布。正交實驗表明，選取表面活性劑泊洛沙姆188(F68)、超聲分散、1wt％藥物濃度和37℃制備參數(shù)時樣品可獲得最佳拉伸力學(xué)性能，方差結(jié)果證明實驗具統(tǒng)計學(xué)意義；通過EDS、SEM及SIMS結(jié)果可以看出，在最佳工藝參數(shù)下，表面活性劑F68的加入可有效促進阿侖膦酸鈉的均勻分散，分散方式的優(yōu)化也有助于促進藥物

4、的均勻分布。
　　在最佳工藝參數(shù)下制備UHMWPE、ALN/UHMWPE及ALN/F68/UHMWPE三種樣品。通過拉伸力學(xué)性能實驗、小沖桿實驗、掃描電鏡沖擊端口分析、X射線衍射(XRD)和熱重分析(DSC)表征三種樣品基本性能參數(shù)。在最佳工藝條件下制備的試樣材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果說明在制備過程中加入表面活性劑F68，相對于ALN/UHMWPE，材料拉伸強度與斷裂伸長率可明顯提高。小沖桿實驗說明表面活性劑的加入有助于提高ALN/F6

5、8/UHMWPE材料斷裂韌性，ALN/F68/UHMWPE的斷裂功略高于ALN/UHMWPE。端口掃描后發(fā)現(xiàn)表面活性劑加入有助于提高阿侖膦酸鈉的均勻分布。XRD結(jié)果顯示加入ALN沒有改變UHMWPE晶型，樣品結(jié)晶度較未加表面活性劑對照樣有所提高，但均低于空白UHMWPE；DSC結(jié)果表明ALN/UHMWPE在加入表面活性劑后其結(jié)晶度提高，其它熱熔性質(zhì)無明顯改變。材料表面硬度在加入表面活性劑后有所提高，表面活性劑能夠促進阿侖膦酸鈉在UHMW

6、PE中的均勻分散。
　　本研究中通過模擬人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)的運動方式完成材料摩擦學(xué)性能表征，采用球盤式濕磨法表征三種樣品。摩擦磨損實驗表明，表面活性劑F68的加入可有效減低載藥超高分子量聚乙烯材料的摩擦系數(shù)，臺階儀分析樣品結(jié)果及磨損形貌掃描電鏡結(jié)果說明ALN/F68/UHMWPE樣品的磨損體積相對ALN/UHMWPE較少，表面活性劑的加入可有效改善ALN在UHMWPE中的均勻分散，能提高載藥超高分子量聚乙烯材料的耐磨損性能。
　

7、　研究中采用砂輪機打磨結(jié)合二次分級法制備載藥超高分子量聚乙烯磨屑，分級后采用激光粒度儀確定磨屑粒徑大小，結(jié)果表明在上述方法下制得的載藥超高分子量聚乙烯磨屑的平均粒徑在30μm-40μm之間；將獲得的磨屑接種于成骨細胞和巨噬細胞，定時培養(yǎng)后采用Alamar Blue檢測細胞增殖活性，應(yīng)用堿性磷酸酶(ALP)表征細胞接種后其分化程度。由于載藥超高分子量聚乙烯磨屑密度低于水，故采用倒置培養(yǎng)法將磨屑與細胞共培養(yǎng)。在光鏡下觀察巨噬細胞與磨屑共培養(yǎng)

8、后細胞變形狀態(tài)及對磨屑的吞噬情況；收集巨噬細胞培養(yǎng)后上清液，檢測其中細胞因子白介素-6(IL-6)分泌量，表征三種樣品的細胞生物學(xué)性能。成骨細胞Alamar Blue增殖結(jié)果表明培養(yǎng)96 h時阿侖膦酸鈉藥物對細胞增殖作用最為顯著，ALP分化結(jié)果說明表面活性劑F68的加入對阿侖膦酸鈉的藥效不會產(chǎn)生影響，ALN/UHMWPE及ALN/F68/UHMWPE樣品對細胞分化作用無顯著性差異。巨噬細胞吞噬現(xiàn)象及細胞因子白介素-6結(jié)果說明表面活性劑的

9、加入沒有明顯改變載藥超高分子量聚乙烯材料生物學(xué)及藥理學(xué)效應(yīng)，表面活性劑F68在可以改善材料性能的作用下可以使用。
　　通過本實驗的研究我們優(yōu)化了載藥超高分子量聚乙烯材料的工藝參數(shù)，在加入表面活性劑后載藥超高分子量聚乙烯材料的力學(xué)與摩擦學(xué)性能得到了一定程度提升，細胞生物學(xué)檢測說明在表面活性劑加入后阿侖膦酸鈉仍可有效發(fā)揮其藥效。因此，ALN/F68/UHMWPE樣品具有作為人工關(guān)節(jié)假體材料的潛能，可以有效抑制骨溶解現(xiàn)象的產(chǎn)生，延長人工