超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为一种关节置换材料，已经被广泛应用，特别是在膝关节和髋关节的人工置换手术中被广泛应用。人工关节的使用寿命主要取决于材料的力学性能、耐磨损性能以及患者的个人具体情况。
但是，由于UHMWPE表面硬度较低，磨损产生的磨屑能在机体内引起有害的生物反应，造成骨溶解，这些问题影响了超高分子量聚乙烯关节的使用寿命，给关节置换患者带了很多痛苦。
并且，当前人工关节置换手术的需求量不断增加，患者不断趋于年轻化，延长人工关节的寿命势在必行，因此，对UHMWPE的力学性能和耐磨损性能的提高尤为重要。
为降低UHMWPE的磨损率和减少磨屑的产生，提高UHMWPE关节的使用寿命，研究学者们对UHMWPE采用了辐照交联、添加了VE抗氧化剂及填充材料，增强了力学性能等。本文综述了通过辐照交联、添加维生素E以及填充碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯等较为热门的方法，改善了UHMWPE在生物医疗领域的摩擦学性能的研究现状。
辐照交联UHMWPE是采用高剂量的辐照，降低UHMWPE的延展性，提高材料的硬度，从而提高UHMWPE的耐磨损性能。
McKellop等研究了不同辐照剂量对UHMWPE磨损性能的影响，试验将UHMWPE暴露在33~1000kGy剂量的伽马射线下进行辐照，并通过熔融处理消除残余自由基。
结果表明，随着辐照剂量的增加，UHMWPE的耐磨损性能也得到了显著提升，且辐照剂量与耐磨损性能呈正比关系。
但是，辐照交联过程中产生的自由基，使材料易发生氧化，高剂量的辐照能够增加材料的易氧化程度，熔融处理并不能完全消除残余自由基，从而使UHMWPE发生氧化降解更容易失效。
研究表明，维生素E作为抗氧化剂能够诱导捕捉自由基，解决了辐照后易氧化的问题，提高了UHMWPE的抗氧化性能和力学疲劳强度。而且，维生素E的加入能够提高UHMWPE摩擦学性能。
研究学者认为，维生素E的加入能有效防止UHMWPE发生氧化和疲劳失效，从而提高UHMWPE的使用寿命。但是，维生素E/UHMWPE复合材料的力学性能由于受到维生素E浓度的影响。
当维生素E的添加浓度较低(0.01~0.05%)时，对未处理和辐照处理的UHMWPE材料的力学性能的影响可以忽略不计;当维生素E浓度提高至0.1%、0.2%和0.4%时，对未处理和辐照处理的UHMWPE材料的弹性模量及冲击强度等力学性能也并没有特别显著的影响。
但是，也有少量研究表明，维生素E(＞0.1%)的加入提高了UHMWPE的拉伸强度、屈服强度、断裂伸长量和抗疲劳强度。虽然维生素E能够清除自由基，提高抗氧化性，但是，维生素E同时也能降低交联密度，从而抵消了辐照产生的力学性能方面的提升。
因此，优化和选择合适的维生素E浓度和辐照剂量，从而使UHMWPE获得了较好的耐磨性能和抗氧化性能，对于研究学者们仍是一项具有挑战的工作。
UHMWPE填充填料能够明显改善力学性能和耐磨性能，而且，由于碳纳米纤维具有良好的特性和细胞相容性，碳纳米纤维能增强UHMWPE的力学性能和摩擦磨损性能。碳纳米纤维的填充能够提高UHMWPE的屈服应力、拉伸模量和硬度。
研究表明，当加入5%的碳纳米纤维时，UHMWPE的拉伸模量提升了25%，因此，碳纳米纤维的填充量与硬度成正相关。
同样，碳纳米纤维的填充也能显著提高UHMWPE的耐磨损性能;当填充0.5%~3%的碳纳米纤维时，UHMWPE的磨损率下降了56%~58%。
但是，填充过多的碳纳米纤维易发生团聚，从而阻碍磨损率的提高。Xu等研究表明，当添加0.5%的碳纳米纤维时，UHMWPE的耐磨损性能显著提高;当填充量增加到3%时，UHMWPE的耐磨损率显著下降。
由于碳纳米管具有较好的力学性能、较高的纵横比及优异的热导率和电导性，碳纳米管作为另一种新型碳基填充物被填充到UHMWPE上。
研究表明，掺入碳纳米管能够提高UHMWPE的拉伸强度、杨氏模量以及韧性。当添加0.1%~5%的碳纳米管时，UHMWPE的拉伸强度和杨氏模量分别提高了8%~38%、5%~100%。
填充碳纳米管不仅能够提高UHMWPE的力学性能，同时也能提高UHMWPE的耐磨损性能。当添加0.1%~4%的碳纳米管时，UHMWPE的磨损率降低了26%~86%。
同时，Martinez-Morales等研究表明，多壁碳纳米管能够改善UHMWPE复合材料的抗氧化性。这些特性表明，碳纳米管/UHMWPE复合材料在人工关节领域拥有广阔的发展前景。
石墨烯单片于2004年被Kuilla等通过胶带剥离发现，由于其是一种二维材料，具有较好的杨氏模量(0.5~1TPa)、拉伸强度(约130GPa)等力学性能、较高的热导率和电导率，使其成为UHMWPE复合材料填充物的较好选择，受到了广大研究学者们的关注。
Debrupa等研究发现，当添加0.1%和1%的石墨烯填充UHMWPE时，材料的摩擦系数和磨损率降低。
并且，随着添加含量的增加，磨损率明显降低。Lahiri等研究了不同含量的石墨烯(0.1%、0.5%、1.0%)对UHMWPE磨损性能的影响，结果表明，当添加1.0%的石墨烯时，UHMWPE复合材料的磨损量下降幅度是纯UHMWPE材料的4.5倍，且摩擦系数无明显的上升。
复合材料的固结成型过程在很大程度上影响了复合材料的力学性能，特别是纳米填料的分散性等微观结构。
填料未均匀分散形成团聚和结块，从而导致复合材料的性能下降。为了使石墨烯具有良好的分散性，研究学者们对石墨烯进行了化学修饰，充分发挥了其优良性质，改善其较低的分散性和溶解性，其中，氧化石墨烯(GO)就是石墨烯功能化后的衍生物。An等研究了GO增强UHMWPE复合材料在去离子水和生理盐水中的摩擦磨损性能。
氧化石墨烯 分子式
研究表明，在2种环境下，GO的填充均能使UHMWPE材料的磨损率降低，而且随着GO含量的增加，GO/UHMWPE复合材料的磨损率逐渐降低，因此，GO的加入提高了UHMWPE的耐磨性能。
研究结果表明，多壁碳纳米管和氧化石墨烯的填充均大幅降低了UHMWPE的磨损率。其中，在填充量相同的情况下(均为0.5%)，填充多壁碳纳米管与填充氧化石墨烯相比，UHMWPE的磨损率显著降低，填充多壁碳纳米管和填充氧化石墨烯，并未使UHMWPE磨损率的降低具有统计学意义上的显著性。
目前，大多数试验关注的是材料本身，很少结合其真实的应用环境，下一步可以将得到的材料制成人工关节，在模拟真实人体的环境中进行摩擦磨损试验，研究材料以真实人工关节形状，在模拟人体环境下的生物相容性、抗氧化、磨损性能及磨屑特点等，从而得到更有效的试验数据，尽早实现临床应用。
由于磨损是一个材料去除过程，因此，表面纹理改性也可以作为新的研究方向。在未来，也许会有更多方法提高UHMWPE人工关节的力学性能和耐磨损性能，还需要广大研究学者们的继续研究，延长人工关节的使用寿命，为众多关节病患者减少痛苦。
参考资料：吴加良等，增强改性UHMWPE材料的摩擦学性能进展，塑料，2020
原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：增强改性UHMWPE材料的摩擦学性能进展
Chinese