Поліетилен з надвисокою молекулярною масою Вплив хімічного, фізичного та механічного
П'єрангіола Бракко
1 Відділ хімії та НІС (наноструктуровані інтерфейси та поверхні) Центр, Торінський університет, 10125 Торіно, Італія
Анудж Белларе
2 Відділення ортопедичної хірургії, Бригам і жіноча лікарня, Гарвардська медична школа, Бостон, Массачусетс 02115, США; ude.tim.mula@juna
Алессандро Бістолфі
3 лікарня CTO, Città della salute e della Scienza, 10126 Torino, Італія; ti.ot.etulasalledattic@iflotsiba
Saverio Affatato
4 Лабораторія медичних технологій, Ортопедичний інститут Ріццолі, 40136 Болонья, Італія; ti.roi.oncet@otataffa
Анотація
Поліетилен з надвисокою молекулярною масою (UHMWPE) є найпоширенішим підшипниковим матеріалом у суглобовій ендопротезуванні суглобів завдяки унікальній комбінації чудових механічних властивостей та зносостійкості порівняно з іншими полімерами. Протягом останніх десятиліть багато досліджень було зосереджено на подальшому поліпшенні своїх показників з метою забезпечення міцних імплантатів молодим та активним пацієнтам. Починаючи з «історичних», стерилізованих гамма-повітрям поліетиленів, до так званих першого та другого поколінь сильно зшитих матеріалів, на ринку поступово з’являється безліч різних складів. У цій роботі розглядається взаємозв'язок структури та властивостей цих матеріалів, з особливим акцентом на характеристиках зносу in vitro та in vivo, шляхом аналізу існуючої літератури.
1. Вступ
Поліетилен з надвисокою молекулярною масою (UHMWPE) використовується як несучий матеріал при загальній ендопротезуванні суглобів вже понад 50 років. Ідея замінити деградований хрящ полімерним вкладишем сягає кінця 1950-х років. У той час сер Джон Чарнлі обрав політетрафторетилен (ПТФЕ), полімер з низьким тертям, в якості несучого матеріалу для заміни природного ацетабулума, шарнірно прикріпленого до металевої головки стегнової кістки, для заміщення стегна. Через неприпустимо низьку зносостійкість ПТФЕ, перші "артропласти з низьким тертям" різко зазнали краху через кілька років імплантації. У 1962 році UHMWPE, такий же низький коефіцієнт тертя, але набагато більш зносостійкий полімер, замінив PTFE в ендопротезуванні кульшового суглоба Чарнлі з надзвичайно кращими характеристиками. Відтоді ендопротезування знало значний розвиток, але UHMWPE залишається золотим стандартом для штучних стегон, а тепер інших штучних суглобів, включаючи коліно та плече [1].
Незважаючи на відносно успішну історію, постійно зростаюча кількість щорічних процедур [2,3] і, перш за все, різке збільшення попиту у молодих, більш активних пацієнтів [4] стимулювали постійні дослідження оптимізованих рецептур матеріалів та процедур обробки, забезпечити високий рівень продуктивності та довговічності.
Кожне потенційне нововведення супроводжувалось великою кількістю доклінічних випробувань, проведених дослідниками у всьому світі, часто з дуже різними методами, а іноді із суперечливими результатами.
Лише деякі з цих досліджень були спрямовані на встановлення кореляції між хімічними та морфологічними характеристиками полімеру та його механічними властивостями та зносостійкістю. У деяких випадках пошукові дослідження корелювали властивості матеріалу з клінічним результатом імплантації.
Ця робота спрямована на вивчення такого співвідношення шляхом аналізу відповідної літератури, яка з’явилася за останні десятиліття.
2. UHMWPE
UHMWPE - це особливий тип поліетилену (ПЕ) з надзвичайно високою молекулярною масою. Міжнародна організація зі стандартів (ISO 11542) (ISO, 2001) визначає UHMWPE як молекулярну масу не менше 1 млн. Г/моль, тоді як Американське товариство випробувань та матеріалів (ASTM) вказує, що UHMWPE має молекулярну масу більше 3,1 млн. г/моль [5]. Окрім молекулярної маси, мікроструктура полімеру також відіграє важливу роль у визначенні його фізичних, хімічних та механічних властивостей. UHMWPE, як і більшість поліетиленів, є напівкристалічним полімером, що складається щонайменше з двох взаємопроникаючих фаз: кристалічної фази, в якій макромолекули складаються в упорядковані кристалічні ламелі та аморфну, невпорядковану фазу, можливо, інтеркальовану частково впорядкованою, так званою all-trans, міжфазна [6,7].
3. «Історичні» та звичайні радіаційні стерилізовані поліетилени
Термін «історичний» часто позначав поліетилени, які стерилізувались 25–40 кГр гамма-випромінювання в повітрі [10]. Ці типи поліетилену мають тривалу клінічну історію, починаючи з перших новаторських імплантатів у 1960-х і до кінця 1990-х, до того часу більшість виробників перейшли на інертно-стерилізовану бар'єрну упаковку ПЕ та/або на зшиту ПЕ. Однак приклади стерилізованих гамма-повітрям поліетиленів також можна епізодично зустрічати в сучасних клінічних застосуваннях [10,11].
Поперечний переріз гамма-повітряної стерилізованої великогомілкової вставки, що демонструє характерний ефект «коронки» (підповерхнева біла смуга), а також спектри інфрачервоного перетворення Фур'є (FTIR), що свідчить про наявність рясних продуктів окислення. Адаптовано з [17], з дозволу.