超高分子量聚乙烯表面梯度交联方法及其应用
阅读说明：本技术 超高分子量聚乙烯表面梯度交联方法及其应用 (Ultrahigh molecular weight polyethylene surface gradient crosslinking method and application thereof ) 是由 张宗涛 于 2020-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超高分子量聚乙烯表面梯度交联方法及其应用。该超高分子量聚乙烯表面梯度交联方法包括超高分子量聚乙烯表面光引发剂扩散步骤和紫外光辐照交联步骤。该方法将光引发剂深度扩散进入超高分子量聚乙烯表面,紫外辐照后体材从表面向内部呈现梯度交联,由超级交联逐步转为低度交联或非交联,使得体材整体具有良好的韧性且表面具有良好的耐磨性。(The invention relates to a surface gradient crosslinking method of ultrahigh molecular weight polyethylene and application thereof. The gradient crosslinking method of the surface of the ultra-high molecular weight polyethylene comprises a step of diffusing an ultra-high molecular weight polyethylene surface photoinitiator and a step of ultraviolet irradiation crosslinking. According to the method, a photoinitiator is deeply diffused into the surface of the ultra-high molecular weight polyethylene, the body presents gradient crosslinking from the surface to the inside after ultraviolet irradiation, and the super crosslinking is gradually changed into low-degree crosslinking or non-crosslinking, so that the whole body has good toughness and the surface has good wear resistance.)
相关申请交叉引用
本申请要求2020年6月25日递交的申请号为16/911,831，发明名称为"一种超高分子量聚乙烯表面梯度交联方法及其应用"的美国专利申请的优先权，其全文以引用的方式纳入本文。
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体地，涉及一种超高分子量聚乙烯表面梯度交联方法及其应用。
背景技术
目前，商业上常用于人工关节的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的交联方法是体材交联。体材交联是材料整体经过特定能量离子化射线辐射进行的交联，其不涉及化学反应，属于物理交联方法。离子化射线包括γ射线、β射线、x射线和电子束辐射等。这种交联方法的优点是聚乙烯分子的侧链交联从而提高材料的耐磨性；缺点是该方法也会切断主链导致韧性降低。耐磨性与韧性不可兼得(文献1)。当交联度超过100kGy时，整体材料因太脆而限制其使用(目前骨科商业领域最高交联度约为100kGy)。
还有一种表面交联超高分子量聚乙烯(文献2-6、16)。优点是交联只在表层进行，体材内部保持低度交联或者不交联，耐磨性与韧性可以兼得。表面交联可以是物理交联，也可以是化学交联。自2000年第一份表面交联的专利公开至今，已有多个专利发表。例如文献2采用过氧化物化学交联或低能电子束物理交联纯超高分子量聚乙烯。用文献2的两种方法，超高分子量聚乙烯表面均被氧化，所以必须除掉表面氧化层。但是，除掉表面氧化层的结果是耐磨性不如体材100kGy交联聚乙烯。文献3采用块体引入大量抗氧化剂(1-2wt％)以及表面减少抗氧化剂用量，再用大剂量电子束辐射(300kGy)以实现表面和体材交联。该方法克服了聚乙烯表面氧化的缺点，但大量抗氧化剂也使聚乙烯基材变软，体材交联也使材料变脆，大剂量电子束辐射交联成本过高。
文献(4-6)采用伽马射线整体预交联超高分子量聚乙烯，然后涂敷光引发剂，在紫外光催化下，光引发剂使聚乙烯产生交联反应，属于化学交联。交联工艺是把涂敷光引发剂的预交联超高分子量聚乙烯浸入65℃温水中，采用低剂量(50mW/cm2)紫外光，平均波长为350纳米，实现表面交联。长波紫外光(约350纳米)的能量很低，不产生离子化效应，紫外光本身不能交联聚乙烯。该方法有两个实例。一例是以为体材进行表面交联，表现出很好的表面耐磨性。这里是一种高交联超高分子量聚乙烯，为史塞特公司的商标，经过30kGy伽马射线交联并退火3次。但缺点是体材已高交联，整体材变脆。另一例是用约30kGy伽马射线交联超高分子量聚乙烯(商标)为体材，进行表面交联，表现出好的体材韧性。其表面耐磨性和光滑的鈷铬合金和PEEK表面对磨，也表现出较好耐磨性。其缺点是交联深度不清楚。深度取决于超高分子量聚乙烯在光引发剂溶液里的浸泡时间。尽管在权利要求中描述了交联深度是0.2-1.0毫米，但并没有提供实验数据。文献(4-6)中提到可通过蒸气沉积涂敷光引发剂到超高分子量聚乙烯表面的方法，但也没有实施例支持。当临床使用一段时间后，当鈷铬合金球头变粗糙，有磨穿聚乙烯表面交联层的疑虑。
总之，表面交联方法理论上比体材交联方法优越，可兼顾耐磨和韧性的双重要求，但已公开的表面交联超高分子量聚乙烯都有尚未克服的缺点，所以至今尚未商业化。目前临床上磨损率最低的人工关节是陶瓷对陶瓷。氧化锆增韧的氧化铝陶瓷(商品名为陶瓷)在髋关节试验机上对磨，体积磨损率为0.118±0.036mm3/106循环，临床尚不能测定其磨损率(文献10-11)。市场上标准的高交联超高分子量聚乙烯球和氧化锆增韧的氧化铝陶瓷对磨，临床体积磨损率为29.61mm3/106循环，线性磨损率0.1mm/年。0.1mm/年产生的磨削恰好达到骨溶解的极限(文献12)。但陶瓷对陶瓷的缺点是会出现刺耳噪音、材料有脆性且成本高昂。高度交联超高分子量聚乙烯的缺点是有脆性，且和钴铬合金对磨有更高的磨损率0.15mm/年(文献13)。
因此，临床上需要一种超级耐磨的超高分子量聚乙烯；它应该有和陶瓷一样耐磨性，但没有陶瓷对陶瓷的噪音，并且它应该有如传统超高分子量聚乙烯一样好的韧性。
发明内容
本发明的目的是满足上述临床需要，克服现有表面交联超高分子量聚乙烯的缺点，提供一种表面更耐磨、体材更强韧的超高分子量聚乙烯。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明第一方面提供了一种超高分子量聚乙烯基材表面层的交联方法，所述交联方法包括步骤：
(1)在高于光引发剂的熔点温度和低于超高分子量聚乙烯的熔点温度下，将光引发剂从该基材表面向内部扩散入超高分子量聚乙烯基材表面；
(2)用紫外光辐射有光引发剂扩散的表面层以使得该表面发生交联，从而形成表面层梯度交联的超高分子量聚乙烯。
在另一优选例中，所述超高分子量聚乙烯基材为非离子化交联的超高分子量聚乙烯。
在另一优选例中，所述交联方法的步骤(1)和步骤(2)在密闭空间内进行。
在另一优选例中，所述交联方法的步骤(1)和步骤(2)在氮气气氛中进行；优选地，所述氮气气氛的压力为1个大气压。
在另一优选例中，所述超高分子量聚乙烯基材表面层为一医用植入体的支承表面层。
在另一优选例中，所述医用植入物部分或全部由超高分子量聚乙烯基材制成。
在另一优选例中，所述超高分子量聚乙烯基材为未交联的超高分子量聚乙烯。
在另一优选例中，所述医用植入物为预成型的。
在另一优选例中，所述医用植入物为整形用医用植入物。
在另一优选例中，所述超高分子量聚乙烯基材含有抗氧化剂。
在另一优选例中，所述抗氧化剂选自下组的一种或多种：维他命E、四[亚甲基(3,5-二叔丁基羟基氢化肉桂酸酯)]甲烷、硫代二亚甲基双[3-[3,5-二叔丁基-4-羟苯基]丙酸酯、十八烷基3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸酯、N,N'-己烷-1,6-二基双(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酰胺))、苯丙酸3,5-双(1,1-二甲基-乙基)-4-羟基-C7-C9支链烷基酯、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)-2,4,6-三甲基苯、2,4-双(十二烷基硫代甲基)-6-甲基苯酚、三乙二醇双(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯、2,2'-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)单丙烯酸酯、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、苯甲胺与2,4,4-三甲基戊烯的反应产物、2,4-双(辛硫基)-6-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯胺基)-1,3,5-三嗪5,7-二叔丁基-3-(3,4-二甲基苯基)-3H-苯并呋喃-2-酮、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，或季戊四醇四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]。
在另一优选例中，所述抗氧化剂为维他命E。
在另一优选例中，所述抗氧化剂的含量为0.05-0.20重量％。
在另一优选例中，所述抗氧化剂的含量为0.05-0.1重量％。
在另一优选例中，所述抗氧化剂的含量为0.1重量％。
在另一优选例中，所述光引发剂选自下组的一种或多种：二苯甲酮、4-氯二苯甲酮、2-氯二苯甲酮、4,4’二氯二苯甲酮、2-甲基蒽醌、2-乙基蒽醌、2-氯蒽醌、对氯蒽醌、苄硫醚、苄基亚砜、苯基亚砜、4-乙酰基联苯、蒽酮、六氯苯。
在另一优选例中，所述光引发剂为二苯甲酮。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的温度控制在50℃-134℃之间。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的温度控制在50℃-130℃之间。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的温度控制在81℃-130℃之间。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的温度控制在90℃-130℃之间。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的时间控制在少于24小时(例如0.1-24小时)。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的时间控制在少于12小时(例如0.1-12小时)。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的时间控制在少于8小时(例如0.1-8小时)。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的时间为0.5-8小时。
在另一优选例中，步骤(1)中，所述扩散的时间为1-4小时。
在另一优选例中，所述光引发剂扩散入超高分子量聚乙烯基材表面层的深度达到3.5毫米。
在另一优选例中，所述光引发剂扩散入超高分子量聚乙烯基材表面层的深度可以为1-3毫米、1-2.5毫米或1-2毫米。
在另一优选例中，步骤(1)中，将光引发剂扩散入超高分子量聚乙烯基材表面层后还包括步骤：将有光引发剂扩散的表面层冷却至室温。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的强度≥90mW/cm2
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的强度≥100mW/cm2。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的强度≥150mW/cm2。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的强度≥170mW/cm2。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的强度为90-250mW/cm2或90-200mW/cm2。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的强度为100-250mW/cm2或100-200mW/cm2。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的强度为150-250mW/cm2或150-200mW/cm2。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的强度为170-250mW/cm2或170-200mW/cm2。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的时间应控制在≥20分钟(例如20-200分钟或20-100分钟)。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的时间应控制在≥40分钟(例如40-200分钟或40-100分钟)。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐射的时间应控制在≥60分钟(例如60-200分钟或60-100分钟)。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐照的深度达到3.5毫米。
在另一优选例中，步骤(2)中，所述紫外光辐照的深度为1-3毫米、1-2.5毫米1-2毫米或1-1.5毫米。
在另一优选例中，在步骤(2)中，表面层发生交联后还包括清洗步骤：将梯度交联的超高分子量聚乙烯的表面浸泡在有机溶剂中；浸泡结束后，干燥表面，从而得到经清洗的表面层梯度交联的超高分子量聚乙烯。
在另一优选例中，在步骤(2)中，所述清洗步骤之后还包括消毒步骤：对经清洗的表面层梯度交联的超高分子量聚乙烯表面进行消毒；所述消毒为γ射线消毒、ETO消毒或气体等离子消毒的任何一种。
在另一优选例中，表面层梯度交联的总深度达到3.5毫米。
在另一优选例中，表面层梯度交联的总深度达到3毫米。
在另一优选例中，表面层梯度交联的总深度达到2.5毫米。
在另一优选例中，所述梯度交联中，超级交联的深度达到1.5毫米。
在另一优选例中，所述梯度交联中，超级交联的深度为达到1毫米。
在另一优选例中，所述光引发剂在超高分子量聚乙烯基材表面层的扩散量大于0.9mg/cm2。
在另一优选例中，所述光引发剂在超高分子量聚乙烯基材表面层的扩散量大于1.11mg/cm2。
在另一优选例中，所述光引发剂在超高分子量聚乙烯基材表面层的扩散量为0.9–10mg/cm2。
在另一优选例中，所述光引发剂在超高分子量聚乙烯基材表面层的扩散量为1–8mg/cm2。
本发明第二方面提供了一种超高分子量聚乙烯医用植入物，所述医用植入物部分或全部由超高分子量聚乙烯制成，所述医用植入物具有至少一个由超高分子量聚乙烯制成的支承表面层，所述支承表面层经梯度交联，其中所述支承表面层从表面开始由外向内依次经超级交联、高度交联和低度交联。
在另一优选例中，梯度交联的总深度达到3.5毫米。
在另一优选例中，梯度交联的总深度达到3毫米。
在另一优选例中，梯度交联的总深度达到2.5毫米。
在另一优选例中，所述梯度交联中，超级交联的深度达到1.5毫米。
在另一优选例中，所述梯度交联中，超级交联的深度达到1毫米。
在另一优选例中，所述超高分子量聚乙烯含有抗氧化剂。
在另一优选例中，所述抗氧化剂选自下组的一种或多种：维他命E、四[亚甲基(3,5-二叔丁基羟基氢化肉桂酸酯)]甲烷、硫代二亚甲基双[3-[3,5-二叔丁基-4-羟苯基]丙酸酯、十八烷基3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸酯、N,N'-己烷-1,6-二基双(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酰胺))、苯丙酸3,5-双(1,1-二甲基-乙基)-4-羟基-C7-C9支链烷基酯、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)-2,4,6-三甲基苯、2,4-双(十二烷基硫代甲基)-6-甲基苯酚、三乙二醇双(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯、2,2'-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)单丙烯酸酯、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、苯甲胺与2,4,4-三甲基戊烯的反应产物、2,4-双(辛硫基)-6-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯胺基)-1,3,5-三嗪5,7-二叔丁基-3-(3,4-二甲基苯基)-3H-苯并呋喃-2-酮、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，或季戊四醇四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]。
在另一优选例中，所述抗氧化剂为维他命E。
在另一优选例中，所述抗氧化剂的含量为0.05-0.20重量％。
在另一优选例中，所述抗氧化剂的含量为0.05-0.1重量％。
在另一优选例中，所述抗氧化剂的含量为0.1重量％。
在另一优选例中，所述医用植入物的支承表面层经本发明第一方面所述的交联方法进行交联。
在另一优选例中，所述支承表面层的最外表面层的0.25毫米厚薄膜的平均断裂力大于50.0牛顿。
在另一优选例中，所述支承表面层的最外表面层的平均等同交联度在100kGy以上。
本发明第三方面提供了一种医用关节，所述医用关节包括第一关节支承体和第二关节支承体；所述第一关节支承体和第二关节支承体之间存在如本发明第二方面所述的超高分子量聚乙烯医用植入物。
在另一优选例中，所述医用关节可以是任何一种人工关节，例如人工髋关节、人工肩关节、人工膝关节、人工髁关节、人工肘关节、人工腕关节、人工指关节等。
在另一优选例中，当所述医用关节为髋关节时，所述第一关节支承体为臼杯；第二关节支撑体为股骨头。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
本发明的优点：
美国药监局(FDA)将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)人工关节材料分为四类。第一类是传统超高分子量聚乙烯，交联度低于40kGy，自1960年起发明并投入临床使用。第二类是高度交联超高分子量聚乙烯，交联度50-100kGy，自1990年代起发明并投入临床使用。第三类是含抗氧化剂的高度交联超高分子量聚乙烯，交联度100kGy，自2005年起发明并投入临床使用。第四类材料是其它，例如表面交联超高分子量聚乙烯，自2000年已有发明但无临床使用。本发明得到的表面交联的超高分子量聚乙烯是表面梯度交联的超高分子量聚乙烯，交联度和化学成分涵盖了前三类的材料，属于第四类。
本发明工艺方法得到的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯突破了前三类聚乙烯的技术极限，可以扩展其应用范围。本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯的超级耐磨性可完全取代陶瓷，陶瓷的脆性断裂将成为历史。用本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯取代金属，金属离子对病人的敏感性和磨霄的毒性可根本性消除。因本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯的体材非交联，制成的人工关节不再需要金属作为力学支撑，这样可节约至少50％以上的制造成本。而且，用本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯，部件可以做得相当薄，可最大限度地减少切骨。目前，使用体材交联超高分子量聚乙烯制造的人工关节，耐磨性和韧性不可兼得，医生建议植入关节的病人不要做跑步、跳跃或登山等剧烈运动，而使用本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯制造的人工关节的病人则不受这样的限制。
本发明的工艺方法进行了以下改进：
第一，去除了现有技术中的γ射线整体预交联的步骤。
第二，采用高温气相扩散的方法，在温度高于光引发剂熔点的条件下将光引发剂扩散到聚乙烯表面大于1.0毫米的深度。
第三，采用高剂量紫外光辐照(＞100mW/cm2)以保证深度扩散的光引发剂与超高分子量聚乙烯完成交联。
上述三方面的工艺改进取得了显著的技术效果：
其一，工艺方法中无γ射线整体预交联，因而不会切断聚乙烯分子主链，克服了体材变脆的弊端。本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯随着交联度增加，二维拉伸断裂韧性也同时提高。这一点出乎意料地与现有技术所公开的数据正好相反(见图1、图2、图3、图6)。
其二，本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯表面呈现超级交联，交联度可提高到250kGy以上，超级交联的厚度超过1.0毫米。
其三，本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯表面梯度交联总深度超过1.0毫米。
其四，在聚乙烯表层引入极少量抗氧化剂(<0.1wt％)，由于表面不氧化，故无需除掉表层，保留了聚乙烯表面的超级耐磨性。在钴铬合金球表面粗糙的情况下，依然具有比100kGy高度交联的同等成分超高分子量聚乙烯更低的磨损率。
附图说明
图1示出表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E 0.25毫米薄膜二维拉伸断裂力与交联深度的关系(实施例八)。
图2示出表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E 0.25毫米薄膜等同交联度与交联深度的关系(实施例八)。
图3示出表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E 0.25毫米薄膜二维拉伸韧性与交联深度的关系(实施例八)。
图4示出现有技术CN102276864和US9132209的表面交联的超高分子量聚乙烯0.25毫米薄膜二维拉伸断裂力与交联深度的关系。
图5示出现有技术CN102276864和US9132209的表面交联的超高分子量聚乙烯0.25毫米薄膜二维拉伸断裂韧性与交联深度的关系。
图6示出本申请和另一现有技术的的二维拉伸韧性与等同交联度关系对比图(实施例八)。
图7示出二维薄膜拉伸力学测试示意图。
图8示出表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E(实施例八)薄膜与其它聚乙烯薄膜的断裂力与伸长的曲线对比，其中曲线下的面积为薄膜二维拉伸断裂韧性。图中，上部曲线(a)为本发明实施例八的数据；下部曲线(b)为非交联超高分子量聚乙烯GUR1020；中部曲线(c)为100kGyγ射线高交联超高分子量聚乙烯GUR1020E。
图9示出采用γ射线整体交联方法，超高分子量聚乙烯GUR1020E 0.25毫米薄膜的二维拉伸断裂力与γ射线剂量的关系。
图10示出采用γ射线整体交联方法，超高分子量聚乙烯GUR1020 0.25毫米薄膜的二维拉伸断裂力与γ射线剂量的关系。
图11示出本发明的交联工艺中紫外光辐照强度随超高分子量聚乙烯表面深度的变化曲线。
图12示出分别通过本申请的方法和现有技术制成的两种直径44毫米髋关节的磨损实验结果对比。低磨损的曲线为本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E，高磨损的曲线为伽马射线高度交联(100kGy)的超高分子量聚乙烯GUR1020E。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
在本文中，本发明的工艺方法得到的“表面梯度交联的超高分子量聚乙烯”在本发明中也可以称为“表面超级交联的超高分子量聚乙烯”。
二维薄膜拉伸断裂力：是指采用ASTM F2977-13标准，0.25毫米厚薄膜的二维拉伸的最高断裂力或最终断裂力。
二维薄膜拉伸断裂韧性：是指采用ASTM F2977-13标准，0.25毫米厚薄膜二维拉伸直至断裂所做的功。
等同交联度：当两种交联方法取得同等的二维薄膜拉伸断裂力，它们具有相同的交联度。等同交联度理论上也可以通过测量交联密度(crosslink density)或反亚乙烯基(Trans-vinylene)指数获得。等同交联度的单位是kGy。
到目前为止，用于块体材料的测试方法并不适合于梯度交联。本发明从数学的微分方法得到启发，采用文献15的薄膜测试，在梯度层取0.25毫米的薄膜,遵照ASTMF2183标准进行逐层的二维拉伸力学测试。将二维拉伸的数据进行辐射交联校正，获得等同交联度。对含0.1重量％维他命E的超高分子量聚乙烯GUR1020E的二维拉伸断裂力与伽马射线剂量在0-250kGy范围内呈线性关系(图9)，但对不含维他命E的超高分子量聚乙烯GUR1020，该线性关系在100-250kGy范围内不成立(图10)。
本发明选用γ射线整体交联为校正方法，紫外光辅助光引发剂表面交联为被校正方法。例如对于含0.1重量％维他命E的超高分子量聚乙烯GUR1020E，等同交联度由图9所示的校正直线公式得到：
等同交联度＝(二维薄膜拉伸断裂力-33.02)/0.109
超级交联：等同交联度大于100kGy剂量的γ射线，0.25毫米厚超高分子量聚乙烯薄膜的二维拉伸断裂力大于50牛顿。
高度交联：等同交联度介于50-100kGy剂量的γ射线，0.25毫米厚超高分子量聚乙烯薄膜的二维拉伸断裂力介于38.5-50牛顿。
低度交联：等同交联度介于30-50kGy剂量的γ射线，0.25毫米厚超高分子量聚乙烯薄膜的二维拉伸断裂力介于36-38.5牛顿。
非交联：等同交联度小于30kGy剂量的γ射线，0.25毫米厚超高分子量聚乙烯薄膜的二维拉伸断裂力小于36牛顿。
交联深度：从一个等级交联到另一等级交联的距离。
梯度交联总深度：表面超级交联逐步衰减到体内非交联的距离，即超级交联、高度交联和低度交联的深度或厚度之和。
以下详细描述本发明的各方面。
基材
本发明所用基材可选用泰科纳(Ticona)公司生产的未交联的超高分子量聚乙烯(例如，GUR1020或GUR1050)。本发明所用基材可以含有抗氧化剂或不含有抗氧化剂。可选用的抗氧化剂可以选自下组中的任何一种或多种：维他命E、1010、1035、1076、1098、11135、1130、1520、1726、245、3052、3114、5057、565、HP-136、168或季戊四醇四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]，参见表1。所述抗氧化剂的含量为0.05-0.20重量％；例如优选0.1重量％。本发明所用基材可优选用含有0.1重量％维他命E的未交联的超高分子量聚乙烯，可称为未交联的超高分子量聚乙烯(0.1重量％维他命E)或未交联的超高分子量聚乙烯(0.1wt％ViE)。例如含有0.1重量％维他命E的未交联的超高分子量聚乙烯GUR1020可简称超高分子量聚乙烯GUR1020E，也可直接简称为GUR1020E。
表1-续
表1-续
表1-续
本发明的基材可经过表面扩散工艺和表面交联工艺处理。优选地，在表面交联工艺之后还可以经过表面清洗工艺和表面消毒工艺。
本发明的基材在表面扩散工艺之前还可以经过基材的初步加工和进一步加工，将基材先加工成部件，例如，医用植入体。本发明中所述医用植入物是指可植入动物体(例如人体)的部件。在另一优选例中，所述医用植入物用作人工关节(例如髋关节、肩关节、膝关节等)中的耐磨衬垫。
下面将描述本申请的表面梯度交联方法的各个步骤的介绍。
初步加工(成型)
本发明的基材可经模压或挤压等成型方式初步加工成各种形式(例如，长方形板材或棒材等)的超高分子量聚乙烯材料。该步骤可选用的制造商包括：英国骨科合成有限公司(Orthoplastic,Ltd)，美国医疗科技有限公司(MediTech Inc)，美国恢复医用聚合物有限公司(Restoration Medical Polymer,Inc)。
进一步加工
经初步加工得到的超高分子量聚乙烯材料(例如，长方形板材或棒材)可通过机械加工的方式进一步加工成各种形式的超高分子量聚乙烯部件，例如小块平板或人工关节等。得到的部件可以进行下面所述的一系列工艺。在进行如下工艺之前，可用丙酮等溶剂清洗部件的表面，以除去表面的杂质。
表面扩散工艺
将光引发剂扩散渗入加工得到的超高分子量聚乙烯部件(例如，小块平板或人工关节)的磨损表面。本发明可选用的光引发剂可以是选自下组的一种或多种：二苯甲酮、4-氯二苯甲酮、2-氯二苯甲酮、4,4’二氯二苯甲酮、2-甲基蒽醌、2-乙基蒽醌、2-氯蒽醌、对氯蒽醌、苄硫醚、苄基亚砜、苯基亚砜、4-乙酰基联苯、蒽酮、六氯苯。优选二苯甲酮。
以采用二苯甲酮作为光引发剂为例，二苯甲酮的表面扩散工艺可包括如下步骤：把超高分子量聚乙烯部件(例如，超高分子量聚乙烯GUR1020E小块平板或人工关节)放在一铝板上。将铝板放入扩散用不锈钢容器内。该容器内装有固体二苯甲酮粉末。该容器侧面有通气的管道；管道连接机械泵用于给容器抽真空，抽真空后再通氮气，循环三次。保持容器内密封且氮气压力为约一个大气压。将整个不锈钢容器放入一低温烘箱中，光引发剂二苯甲酮与超高分子量聚乙烯部件同时被加热至一定温度并在该温度下在超高分子量聚乙烯表面进行扩散一段时间。超高分子量聚乙烯表面经过光引发剂扩散完成后，将超高分子量聚乙烯部件冷却到室温。
扩散的温度控制在50℃-134℃之间。最低扩散温度应超过二苯甲酮的熔点约49℃，保持二苯甲酮处于液体状态。液态的二苯甲酮有比较高的饱和蒸气压力。提高扩散温度有利于二苯甲酮气体快速向超高分子量聚乙烯深度扩散，节省工艺时间。最高扩散温度应低于超高分子量聚乙烯的熔点约134℃。高于134℃会使超高分子量聚乙烯变形。优选的扩散温度在50℃-130℃之间，更优选在80℃-130℃之间，最优选在90-130℃之间。扩散的时间控制在少于24小时、更优选少于12小时、最优选少于8小时。对大尺寸部件、大规模生产，扩散温度和时间应相应调整。
表面交联工艺
扩散完成待冷却到室温后，将放置有超高分子量聚乙烯部件(例如，超高分子量聚乙烯GUR1020E小块平板或人工关节)的铝板放入交联用不锈钢容器内。交联用不锈钢容器和扩散用不锈钢容器相同。在容器侧面有通气的管道；管道连接机械泵用于给容器抽真空，抽真空后再通氮气，循环三次，保持容器密封且氮气压力为约一个大气压。容器顶部具有透明玻璃顶盖；在透明玻璃顶盖上面，安装一紫外光灯。在紫外光辐照下进行交联。
该紫外灯可以是市场上销售的任何一种品牌。紫外光辐照的平均波长为320-390纳米；较佳地为365纳米。选择通过调节的紫外光灯的功率和辐照距离，控制紫外光的辐照强度。超高分子量聚乙烯表面紫外光的辐照强度应控制在≥90mW/cm2，优选≥100mW/cm2，更优选≥150mW/cm2，最优选≥170mW/cm2。紫外光的辐照时间应控制在≥20分钟，优选≥40分钟，最优选≥60分钟。
将经过扩散和交联的超高分子量聚乙烯(例如超高分子量聚乙烯GUR1020E)材料或部件机械加工成多种圆形薄片。圆形薄片的直径为25.4毫米；圆形薄片的厚度分别为0.5毫米、1.0毫米、1.5毫米、2毫米、2.5毫米和3毫米。将薄片叠加，在薄片下放置紫外光强度测试仪，测试紫外光强度随薄片厚度变化而变化的曲线。以超高分子量聚乙烯GUR1020E为例，结果如图11所示：紫外光强度随着薄片厚度的增加而衰减。因此提供足够高的紫外光强度是增加表层交联深度的必要条件之一。
当紫外光辐照时，经光引发剂二苯甲酮扩散的超高分子量聚乙烯表面的颜色逐渐由深黄色变浅白色。当紫外光辐照时，未经光引发剂二苯甲酮扩散的超高分子量聚乙烯表面没有颜色的变化。以此证明了光引发剂二苯甲酮在紫外光的作用下参与了超高分子量聚乙烯的表面交联。且随着交联的进行，颜色趋于稳定，说明二苯甲酮逐渐被消耗殆尽。当表面未经光引发剂扩散时，紫外光辐照该超高分子量聚乙烯，其表面始终没有颜色变化，说明此时没有交联反应发生。
表面清洗工艺
超高分子量聚乙烯部件表面完成扩散和交联后，对部件表面进行清洗。清洗方法把包括：将超高分子量聚乙烯部件放入有机溶剂中浸泡，去除未反应完全的光引发剂二苯甲酮和可溶性副产物苯偶酚。可选用的有机溶剂可选自下组：丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇、乙醚等。有机溶剂优选丙酮。超高分子量聚乙烯部件表面经清洗后，将该部件放入鼓风烘箱干燥(例如，70℃干燥1小时)。
表面消毒工艺
超高分子量聚乙烯部件表面经清洗后，可对部件表面进行消毒。消毒方法包括用γ射线消毒、ETO消毒或气体等离子消毒中的任何一种。
经过上述工艺后，对得到的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯部件进行如下测试：
二维拉伸力学性能测试(轻击打)
本发明的二维拉伸力学性能测试总体上按ASTM F2977-13的方法(文献7)进行，同时做了两方面调整：一是测试样品的厚度从0.508+0.005/-0.008毫米变为0.250+0.005/-0.008毫米；二是磨具内孔直径从3.8毫米变为3.4毫米。降低测试样品厚度是为了精密测量梯度交联，磨具内孔直径变小是避免样品厚度变薄造成的滑动测试误差(文献8)。对于本发明的表面梯度交联的超高分子量聚乙烯样品，在体材中取出直径为6.350+0.000/-0.127毫米的圆柱状样品。从磨损表面起，依次从外向内按0.25毫米逐层获取薄膜(文献9)，遵照调整后的ASTM F2977-13方法进行二维拉伸力学测试，获得薄膜二维拉伸断裂力随薄膜伸长长度的变化曲线(薄膜拉伸方法示意图参见图7)。具体地，测试中，将二维薄膜夹在一小孔内，半球面金属针上顶薄膜，直至薄膜断裂，记录薄膜断裂受力与伸长的曲线。最终断裂力为薄膜二维拉伸断裂力；曲线下的面积为薄膜二维拉伸断裂韧性。曲线终点为最高断裂力，曲线下的面积为断裂韧性。每个实验点选用六个薄膜进行单独测定，然后计算平均值和标准误差。
等同交联度校正
将超高分子量聚乙烯GUR1020和超高分子量聚乙烯GUR1020E加工成直径6.350+0.000/-0.127毫米，厚度0.250+0.005/-0.008毫米的薄膜，装入隔绝空气的米拉(Mylar)铝箔袋，机械泵抽真空，再通氮气，循环三次，保持真空密封状态，进行γ射线交联，然后进行80℃退火处理。所得样品进行二维拉伸力学性能测试。以γ射线辐射量和二维拉伸力学性能测试的最终断裂力作图，获得超高分子量聚乙烯GUR1020E的辐射交联校正直线(图9)。该校正直线可用于表面交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E的等同交联度校正。结果不含维他命E的超高分子量聚乙烯GUR1020，等同交联度只在0-100kGy范围内存在直线关系，超过100kGy后二维薄膜拉伸断裂力基本保持不变，平均值在50-53牛顿之间波动(图10)。所以等同交联度校正不适合于超高分子量聚乙烯GUR1020。
等同交联度理论上也可以根据ASTMD2765，通过测量交联密度(crosslinkdensity)获得。交联度越高，交联密度越大。交联密度的测试是一种间接的测试方法，把交联的超高分子量聚乙烯溶解在130℃的二甲苯中，测定溶解前后的重量变化，通过计算得到溶胀比(Swell ratio)。再把溶胀比换算成交联密度。对低度到高度交联的超高分子量聚乙烯，吸收二甲苯的量较高，交联密度的测试比较精确。但对超级交联的超高分子量聚乙烯，吸收二甲苯的量极低，受天平精度的限制，测量误差很大。所以本发明未用。
等同交联度理论上也可以根据ASTMD2381，用红外光谱测量反亚乙烯指数(Trans-vinylene index，简称TVI)而获得。交联度越高，TVI越大。TVI也是一种间接的测试方法，它测量超高分子量聚乙烯的红外光谱中965cm-1吸收峰和965cm-1和1900cm-1吸收峰面积之比。本发明测试了TVI，但误差较大。
表面梯度交联度曲线
本发明测试交联度的依据是图9所示的校正直线公式，二维拉伸断裂力与γ射线的剂量成正比。通过薄膜的断裂力，获得是等同于γ射线等剂量的交联度，称为等同交联度。对本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯样品或文献中表面交联的超高分子量聚乙烯样品，从轴承磨损表面在梯度层依次取0.25毫米的薄膜，测试二维拉伸断裂力深度曲线(图1和图4)，从而获得表面交联度深度曲线(图2)，获得表面韧性深度曲线(图3和图5)。
磨损实验
磨损实验在德国髋关节C6/2-07型号磨损实验机上，采用ISO4242-1标准进行。施加的力为模拟人体行走的鲍威尔(Paul)曲线，中位角度30o(对应临床45o)，屈曲/伸展+25o/-18o，内收/外展-4o/+7o，循环周期1.0赫兹，最大力3000牛顿，温度37.0±2.0℃。实验选用四个样品为测试组，四个样品为对照组。每组三个样品用于磨损测试，一个样品用于失水吸水校正。
测试组样品是本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯，44.2毫米直径的凹形半球髋关节和表面粗糙化的44.0毫米直径的凸性形钴铬合金半球髋关节对磨。
对照组样品是宽岳生物科技有限公司制造的且已经在美国销售的γ射线高度交联(100kGy)的超高分子量聚乙烯，44.2毫米直径的凹形半球髋关节和表面粗糙化的44.0毫米直径的凸性形钴铬合金半球髋关节对磨。
磨损介质是去离子水632.4ml/L，367.6ml/L的牛血清水溶液，EDTA 2.73g/L，庆大霉素10ml/L，两性霉素10ml/L。钴铬合金半球表面粗糙化处理采用文献14的工艺。将抛光的钴铬合金半球放入翻滚式球磨机内，转速为40转/分钟，球磨时间为30分钟。球磨介质为500毫升，90毫升粒度为500的氧化铝粉末，200毫升粒度为SP2的塑料。
实验组一：表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E的制备
选用模压成型的未交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E(即含有0.1重量％维他命E的未交联的超高分子量聚乙烯GUR1020)，英国骨科合成有限公司生产。
将模压成型长方形棒材加工成超高分子量聚乙烯部件：65毫米×45毫米×8毫米的平板、直径65毫米×8毫米的平板或者直径为44.20毫米和厚度为4.5毫米的半球杯。
将超高分子量聚乙烯部件放置于铝板之上，然后将该铝板放入不锈钢容器内。容器底部放置有二苯甲酮粉末(西格玛奥德里奇公司的二苯甲酮，商品名为Reagent99％)。容器顶部为透明玻璃顶盖。抽真空，通氮气，循环三次，保持容器内氮气压力在约一个大气压且保持容器密封状态。然后将该不锈钢容器加热到指定温度并保温一段时间后，冷却至室温，取出超高分子量聚乙烯部件，完成扩散工艺。把扩散有苯乙酮的超高分子量聚乙烯表面置于紫外光灯下辐照进行交联，平均波长约为365纳米，表面辐照强度为175mW/cm2，辐照时间为60分钟。在表面下约0.7毫米的深度，紫外光的辐照强度保持在约50mW/cm2(见图11)。这与CN102276864和US9828474中材料表面的紫外光辐照强度相同。
表2根据二苯甲酮不同的扩散温度和时间列出了各个实施例。
表2：实施例列表
测量扩散前后平板或半球杯的重量变化，除以暴露面积，得到二苯甲酮扩散进入超高分子量聚乙烯GUR1020E表层单位面积的重量(表3)。
表3：二苯甲酮扩散进入超高分子量聚乙烯GUR1020E表层单位面积的重量(单位：mg/cm2)
由表3可见，在80℃、4小时条件下二苯甲酮单位面积扩散量为1.112mg/cm2。若温度升高到120℃，二苯甲酮单位面积扩散量上升至7.568mg/cm2。若扩散时间减少至2小时，则二苯甲酮单位面积扩散量下降至5.095mg/cm2。可见温度升高、时间延长，均有利于增加二苯甲酮的扩散。
表面交联后的部件样品放入丙酮中浸泡，去除未反应完全的二苯甲酮和可溶性副产物苯偶酚。将清洗后的部件样品经机械加工制成0.25毫米的薄膜。按调整后的ASTM FF2977-13方法进行二维拉伸力学性能测试，最终断裂力如表4所示。经过图9所示直线的校正，等同交联度如表5所示。
表4：表面交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E表面0.25毫米厚薄膜二维拉伸断裂力，单位：牛顿
表5：表面交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E表面0.25毫米厚薄膜等同交联度，单位：kGy
80℃
90℃
100℃
110℃
120℃
125℃
1小时
185±39
239±23
1.5小时
170±18
2小时
214±15
266±23
304±98
2.3小时
286±32
323±38
4小时
106±21
由表4和表5可以看出：
实施例一中，表面交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E表面0.25毫米厚薄膜的二维拉伸最终断裂力为45.25±2.38牛顿，等同交联度是106±21kGy，与表6中商业用100kGyγ射线整体高度交联的超高分子量聚乙烯GUR020E 0.25毫米厚薄膜的最终断裂力(46.79±1.5牛顿)和交联度(100kGy)无显著差别，因而属于表面高度交联。
实施例二到实施例十二中，表面交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E表面0.25毫米厚薄膜的二维拉伸最终断裂力介于52.34±1.96牛顿和69.35±4.20牛顿之间，等同交联度介于170±18kGy到323±38kGy之间，远超过商业用100kGyγ射线整体高度交联的超高分子量聚乙烯GUR020E 0.25毫米厚薄膜的二维拉伸最终断裂力46.79±1.5(表6)，因而属于表面超级交联。
表6：商业用整体高度交联的超高分子量聚乙烯0.25毫米厚薄膜二维拉伸最终断裂力和断裂韧性
比较本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E 0.25毫米厚薄膜(例如实施例八)、未交联的超高分子量聚乙烯GUR1020 0.25毫米厚薄膜和100kGy伽马射线整体交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E 0.25毫米厚薄膜的二维拉伸断裂力发现，与未交联的超高分子量聚乙烯GUR1020薄膜和100kGy伽马射线整体交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E薄膜相比，实施例八的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E薄膜具有更高的断裂力。结果见图8。
本发明的超高分子量聚乙烯表面超级交联进一步向深度延伸，交联度随深度的增加而衰减，呈梯度交联的特征。
表7列出了实施例六制备的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E0.25毫米厚薄膜的二维拉伸断裂力，等同交联度和断裂韧性随深度的变化。表面的等同交联度为214±15kGy，1.0毫米处降至99±11kGy，1.5毫米处再降至49±3kGy，2.5毫米处最终降至3±11kGy(即非交联)。这说明该薄膜的表面梯度交联深度约1.5毫米，其中超级交联深度约1.0毫米，高度交联深度约0.5毫米。2.0毫米以下过渡到传统的γ射线灭菌的超高分子量聚乙烯(0-40kGy)范围，表面梯度交联总深度约2.0毫米。
表7：实施例六制备的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E 0.25毫米厚薄膜的二维拉伸断裂力、等同交联度和断裂韧性随深度的变化。
深度,毫米
0
0.5
1
1.5
2
2.5
断裂力,牛顿
57.23±1.66
51.47±0.84
44.44±1.17
38.92±0.31
35.71±1.19
33.84±1.27
等同交联度,kGy
214±15
162±8
99±11
49±3
20±11
3±11
断裂韧性,牛顿毫米
144.9±12.6
140.7±16.6
129.3±12.1
119.7±3.7
113.3±5.2
116.4±8.1
图1和图2显示了实施例八制备的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E梯度交联的特点。最表面0.25毫米厚薄膜，二维拉伸最终断裂力高达62.50±2.50牛顿，等同交联度262±23kGy。与之相应的表面超级交联层厚度增加到1.5毫米，高度交联层厚度约1.0毫米，2.5毫米以下过渡到低度交联乃至非交联。该超高分子量聚乙烯梯度交联的总深度约3.0毫米。
意外的是，本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E薄膜的断裂韧性随深度的变化趋势与等同交联度随深度的变化趋势相同(见图2，图3，表6)。而图6进一步显示，实施例八制备的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E薄膜的断裂韧性和等同交联度呈正比，而传统的γ射线整体交联的超高分子量聚乙烯薄膜的断裂韧性和等同交联度呈反比。这里，γ射线交联聚乙烯的数据取自,2006年骨科杂志(J.Othop Res)，第24:2021-2027章，M.赤木等人的0.50毫米薄膜测试结果，转换成0.25毫米薄膜断裂韧性。有可能是因为本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯的主链交联、侧链不断裂；而传统的γ射线交联的超高分子量聚乙烯交联主链的同时也断裂侧链，所以传统的γ射线交联的超高分子量聚乙烯在低剂量(0-100kGy)下二维拉伸最终断裂力随γ剂量的增加而线性增加，但到了高剂量(100-250kGy)，最终断裂力基本保持不变，交联度不再增加(表8，图10)。
表8：γ射线整体交联的超高分子量聚乙烯0.25毫米厚薄膜的二维拉伸最终断裂力和断裂韧性随γ射线交联剂量的变化
图12显示了分别通过本申请的方法和现有技术制成的两种直径44毫米髋关节磨损实验结果对比，即本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E和γ射线高度交联(100kGy)的超高分子量聚乙烯GUR1020E和粗糙化钴铬合金对磨实验结果。实施例八制备的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E比γ射线高度交联(100kGy)的超高分子量聚乙烯GUR1020E在同等条件下和粗糙化钴铬合金对磨，表现了更低的磨损量。在一百万次循环，本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E的磨损量比γ射线高度交联(100kGy)的超高分子量聚乙烯GUR1020E低1.0倍。
对图12的实验数据进行数学模拟，本发明表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E的磨损量(W)与循环次数(C)的关系为：W＝(99±16)(C)1/(3.14±0.05)。γ射线高度交联(100kGy)的超高分子量聚乙烯GUR1020E的磨损量(W)与循环次数(C)的关系为：W＝(203±39)(C)1/(1.51±0.05)。按上述公式推算到二百万次和三百万次循环，本发明表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E的磨损量比γ射线高度交联(100kGy)的超高分子量聚乙烯GUR1020E低1.6倍和2.0倍。
文献14发表了史赛特公司的40毫米和粗糙化钴铬合金的对磨结果。在一百万次和二百万次循环，的磨损量为260±60毫克和400±80毫克，而本发明表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E的磨损量为99±16毫克和124±20毫克，本发明表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E的磨损量比低1.6倍和2.2倍。循环次数越高，磨损相差倍数越大。相当于病人行走越长，使用越久。可见本发明取得了显著的技术进步。而且，本发明的超低磨损率也是前所未有的，这是意想不到的。
实验组二：表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020的制备
采用GUR1020和GUR1020E两种基材，按照实验组一的扩散工艺和交联工艺来制备表面超级交联的超高分子量聚乙烯。其中，本实验组的扩散条件是110℃，3.0小时；交联条件是紫外光175mW/cm2辐照1.0小时。
结果：表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020E表层0.25毫米薄膜，二维拉伸力学最终断裂力为54.3±1.2N，等同交联度为187kGy。表面超级交联的超高分子量聚乙烯GUR1020表层0.25毫米薄膜，二维拉伸力学最终断裂力为55.2±3.91N，等同交联度超过为100kGy。
可见，两种基材经过相同条件处理后，二维拉伸力学最终断裂力差别在误差范围之内。所以本发明的扩散和交联方法对不含氧化剂的超高分子量聚乙烯GUR1020也适用。
对比实验
参考CN102276864、US9828474中实施例1的工艺方法进行对比实验。
本对比实验组采用了两种基体：一种基体是超高分子量聚乙烯(GUR1020)，按US5414049的方法制备，在氮气保护中经过30.9kGyγ射线交联；另一种基体是超高分子量聚乙烯(GUR1020)，按US7517919的方法制备，在氮气保护中经过约30kGyγ射线辐射和130℃热处理相继三次。两种基体均为65毫米×45毫米×8毫米的平板。将平板浸泡在11.1mg/ml的二苯甲酮溶液中，一分钟后取出，室温空气中晾干，完成二苯甲酮的表面涂敷。
用0.1毫克精度的电子天平称重，记录基体涂敷前后的重量变化，除以平板的总表面积，获得单位面积的涂敷重量。平板和平板的增重均为0.00688mg/cm2，约为本发明实验组中二苯甲酮扩散量的千分之一(见表3)。
取一玻璃杯，装入去离子水，通氮气鼓泡，除去水中氧气，加热到65℃。将表面涂敷二苯甲酮的超高分子量聚乙烯基体和一块不锈钢片相连，重力使超高分子量聚乙烯沉在玻璃杯的底部，表面被水面覆盖。用平均波长为365纳米的紫外光辐照超高分子量聚乙烯基材表面，强度为52mW/cm2，时间为1小时，完成表面交联。表面交联超高分子量聚乙烯用丙酮和水洗涤，通过机械加工，从交联的表面逐层制取0.25毫米的薄膜，进行二维拉伸力学性能测试。
图4显示了对比实验得到的表面交联的和0.25毫米薄膜二维拉伸断裂力与交联深度的关系。其中，的0.25毫米薄膜二维拉伸断裂力为48.6牛顿，的0.25毫米薄膜二维拉伸断裂力为33.58牛顿。根据超高分子量聚乙烯GUR1020二维拉伸断裂力和交联度的关系(图10)，对应的交联度是100kGy，对应的交联度是30kGy。
图4显示了对比实验得到的表面交联的和0.25毫米薄膜二维拉伸断裂力随深度几乎无变化。这说明该方法得到的表面交联厚度极薄，不超过0.25毫米。
图5显示了对比实验得到的表面交联的和0.25毫米薄膜二维拉伸断裂韧性与交联深度的关系。其趋势与图4相同，表面的拉伸断裂韧性与体内的基本相同，最高约为100牛顿毫米。进一步说明该方法的表面交联厚度极薄，不超过0.25毫米。
总结
表9列出了按照本发明方法得到的表面超级交联的超高分子量聚乙烯和对比方法(参考CN102276864和US9828474的实施例1)得到的表面交联的超高分子量聚乙烯的比较。
表9
首先，本发明的扩散工艺中采用高温扩散方法把光引发剂(例如二苯甲酮)渗入超高分子量聚乙烯表面，引入表层的光引发剂量大(>0.9mg/cm2)，且渗透到基体的深度可达3.0毫米。与之比较，对比方法采用的是室温涂敷的方法，引入表层的光引发剂量小(约0.006mg/cm2)，且渗透到基体的深度不足0.25毫米(图4、图5)。
其次，本发明的交联工艺中采用高强度紫外光(>100mW/cm2)辐照，而对比方法采用低强度紫外光(<100mW/cm2)辐照。高强度紫外光辐照使深度扩散的光引发剂与超高分子量聚乙烯反应，产生了深度交联。本发明中表面交联的深度大于1.0毫米，而对比方法表面交联的深度小于0.25毫米。
最后，本发明的表面超级交联的超高分子量聚乙烯的对磨实验采用粗糙化钴铬合金球进行对磨；而对比方法的表面交联的超高分子量聚乙烯的对磨实验采用抛光的钴铬合金球进行对磨。本发明的实验条件更为苛刻，更接近极端的临床条件。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
参考文献：
1.J.凯瑟琳等人的“辐射剂量对高度交联和重熔的超高分子量聚乙烯的拉伸强度和冲击韧性的影响(The effect of radiation dose on the tensile and impacttoughness of highly crosslinked and remelted ultrahigh-molecular weightpolyethylenes)”,生物医学材料杂志(J.Biomed.Mat.Res),第2期,第97B章,第327-333页。
2.US 6494917。
3.埃布鲁.欧若尔等人的“表面交联的UHMWPE可以在总关节中使用更大的股骨头(Surface Cross-Linked UHMWPE Can Enable the Use of Larger Femoral Heads inTotal Joints)”,骨科杂志(Orthop Res)，31:59-66(2013).
4.CN 102276864。
5.US 9132209。
6.US 9951190。
7.ASTM F 2977-13,“外科植入物中使用的聚合生物材料二维拉伸力学性能测试的标准测试方法(Standard Test Method for Small Punch Testing of PolymericBiomaterials Used in Surgical Implants)”。
8.雅各布·碧利兹等人的“基于FEA的DOE研究解决了高交联UHMWPE薄膜二维拉伸力学性能测试中的试样滑移(FEA based DOE study solves specimen slippage in thinfilm small punch test of highly crosslinked UHMWPE)”,骨科研究学会2016年年会1966号海报(ORS 2016Annual Meeting Poster No.1966)。
9.董余磊(Yu-Lei Dong)等人的“用于全髋关节置换术的陶瓷上陶瓷或聚乙烯上陶瓷：前瞻性随机研究的系统评价和荟萃分析(Ceramic on Ceramic or Ceramic-on-polyethylene for Total Hip Arthroplasty:A Systemic Review and Meta-analysisof Prospective Randomized Studies)”，中华医学杂志，5月5日，第9期，第128章，第1223-1231页。
10.约恩·雷德斯等人的“金属陶瓷髋关节轴承的磨损性能(Wear Performanceof Ceramic-On-Metal Hip Bearings)”,公共科学图书馆，www.plosone.org，2013年8月第8期第8章e73252(PLOS ONE|www.plosone.org,August 2013|Volume 8|Issue 8|e73252)。
11.科尔杜巴.LA等人的“创建用于磨损测试的磨料成分的方法(Method creatingabrasive components for wear testing)”,骨科研究学会第55届年会2290号海报(Poster No.2290,55th Anneal meeting of the orthopedic research society)。
12.US2016/02155117A1。
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