台灣捷邁醫療器材股份有限公司
內容
大師收錄
2017-11-10
聚乙烯的演進與變化 The Evolution Of Polyethylene
在手術技術與植入物的發展都已成熟的今日，磨損的問題已大幅下降，如今主要探討的是襯墊在植入後第十年到二十年之間，是否能維持其力學與材料特性。我們特別訪問到 Dr. Duncan Whitwell，一起與讀者探討襯墊的演變與進化。
歷史
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）最初於 1953 年聚合成型，由John Charley 爵士率先研究其用途。在數十年中，UHMWPE 經歷過數次演進 。如今使用的這種材料分子量介於 2 百萬到 6 百萬原子質量單位，由線性分子鏈組成，使聚乙烯的密度增加，並改良其物理和力學特性。
假體周圍骨溶解主要是由關節連接時產生的聚乙烯磨損碎屑所引起，一直是 UHMWPE 使用上的重大難題。骨溶解會導致組件鬆脫，使得大多數病例需要進行重建手術。另一項難題是聚合物的氧化，不論在儲存時或活體內，氧化會裂解聚合物鏈，使分子量降低而引起材料結晶，從而改變力學和材料特性，導致其變脆，對於裝置的長期性能造成不良影響。
聚乙烯的滅菌方式隨著科技的進步也有所改善。在 1960 年代晚期，廠商使用伽瑪射線滅菌，照射劑量為 25-kGy 到 40-kGy，這改善了原生聚乙烯的磨損率。然而，由於組件在儲存時曝露於空氣，氧氣擴散於其中與放射滅菌產生的殘餘自由基發生反應。這導致其失去力學特性，從而對活體中某些裝置的性能造成不良影響。
在 1990 年代，研究者從回溯性取出分析發現 ，改善磨損和氧化穩定性對於 UHMWPE 裝置的長期性能十分關鍵。1998 年研發出的高度交叉鏈接聚乙烯（HXLPE）被廣泛用於減少傳統聚乙烯常見的骨溶解和磨損。 交叉鏈接是使用伽瑪射線或電子束（50 kGy - 105 kGy）照射 UHMWPE 而達成。採用兩種不同的熱處理 — 再熔和退火 — 以減少或去除殘餘自由基。再熔能去除殘餘自由基，但會降低結晶度和強度。退火減少自由基的濃度而不減損結晶度，但無法完全去除，使氧化率提高。
雖然 HXLPE 解決了黏著磨耗和假體周圍骨溶解的問題，但活體內氧化依然是個難題。有些廠商在聚乙烯材料中併入抗氧化劑以防止自由基啟動的氧化反應及保持力學特性。抗氧化劑穩定自由基並加以吞噬，故儲存時的氧化問題影響變小 。抗氧化劑也能穩定材料以對抗其他可能存在於活體內的氧化機制，例如循環負載或脂肪吸收。使用抗氧化劑改善了聚乙烯的氧化穩定性，後者正是關節組件長期性能和耐用期限的關鍵。
Reference :
Muratoglu O. K., Innovations in polyethylene: Research and clinical perspectives on the state of the art of polyethylene (2017, Jan). Published on Orthopaedics Today.
S&H : 當今的病患族群有哪些變化，這如何影響我們對於植入物性能和耐用性的考量？
Dr. Whitwell：在歐洲我們觀察到了病患數的增加，以及年輕、活躍的中年病患針對關節炎找尋更有效與更長久的治療方式。此階段病患至少還有30 到40年的人生，植入物襯墊的耐用度必須足以維持病患的需求。過去在20 世紀時，此類植入物主要限用於70歲以上患者，故對於植入物的耐用要求沒有那麼高。所以當你考慮膝關節襯墊的耐用性時，真正需要考慮的是較年輕和活躍的病患。
S&H : 襯墊在過去數十年有哪些演進？
Dr. Whitwell：在髖關節和膝關節方面，我們看到傳統金屬對聚乙烯襯墊配對改良的需求。這種配對會產生高比率的聚乙烯磨損、塌陷及無菌性鬆脫，也是當時二次重建的主因之一。假體周圍骨溶解主要由關節連接時產生的聚乙烯磨損碎屑所引起，也一直是 UHMWPE 使用上重大難題。直到90 年末高度交叉連結的墊片問世墊片磨損才慢慢被克服，因此20世紀時我們對於置換70 歲以下患者的關節有所遲疑 。我認為墊片的演進能給病人更好的選擇，看看未來能否再將高度交叉連結聚乙烯襯墊各方面全面提升。
S&H : 您對於抗氧化聚乙烯的觀點為何？
Dr. Whitwell：我們使用含有維他命E 的聚乙烯襯墊已長達5 年。以我們的經驗看來它可以說是高度交叉連結聚乙烯的進化，對病患帶來很大的貢獻，而且到目前為止還未造成任何問題也不具有明顯的缺點。對於我自己的病患則不會考慮傳統聚乙烯。
S&H : 氧化的效應為何？它如何發生？
Dr. Whitwell：歷史上曾被誤解為機械性能缺陷而引起的，但後來則發現有可能是由氧化穩定性差的原料而引起的。我想聚乙烯的氧化不論在儲存時或活體內都會發生，也確實會導致力學特性下降，且可能造成剝落。這類的聚乙烯問題在市場上已被認知，而我認為維他命E 在解決此問題上也表現的很優秀。氧化的現象來自於自由基在聚合物基質上與氧連結，啟動的一系列氧化反應使聚合物弱化。氧化會降低力學強度及磨損抗性。
S&H : 您在臨床上看過很多剝落的案例嗎？
Dr. Whitwell：是的，當我在受訓期開始投入全人工膝關節置換時，我看到很多嚴重的聚乙烯失敗案例，但現在我已經很少看到了。現在看到的是一些無菌性鬆脫和聚乙烯碎屑所引起的症狀，磨損則較少看到。我想在過去的10 年我們看到許多不同的失敗原因，但關於聚乙烯磨損的案例應該會越來越少，而隨著植入物生存率愈來愈高，在病患植入膝關節的第二個十年片狀剝落等現象因該會慢慢浮現。
S&H : 您提到高度交叉鏈接和抗氧化聚乙烯的主要差別在於主動和被動性穩定，可以解釋一下嗎？
Dr. Whitwell：聚乙烯襯墊經過數十年的研究，我們現在能清楚瞭解在放射交聯過程中產生的自由基，是如何在儲存時或活體內氧化聚乙。第二代 HXLPE 對抗此氧化的穩定方法可視為被動性，因為它只處理由自由基衰變引起的氧化。最近的研究使我們瞭解活體內聚乙烯氧化的新機制。越來越多證據顯示周期性應力會加速聚乙烯的氧化，以及從關節液吸收的脂肪（主要是鯊烯Squalene）也會引起氧化。因此，採取主動性穩定處理這些原本未知的氧化機制會比較有效。將維他命E 混入聚乙烯就是一種主動性穩定方法 。 氧化是屬於晚期發作的失效，出現於術後10 年。我們一直密切關注高度交叉鏈接聚乙烯在10 年後是否開始失效，目前我們手上超過10 年的耐用性數據則很少有失效跡象。
S&H : 醫師在選聚乙烯襯墊時會有什麼考量？
Dr. Whitwell：我想多為年輕的活躍病患考慮真的很重要。對於70 歲以上的人，餘生可能最多15到20 年，在短期內這些可能不會有太大的差別。但對於年輕活躍患者，我認為一定要考慮植入何種襯墊 。對照於髖關節的情形，多數醫師會有針對年輕活躍病患的思路流程要如何選擇與搭配襯墊，然而膝關節就沒有太多的選擇。但我認為就高度交叉鏈接聚乙烯和傳統聚乙烯或維他命E 之間的選擇而言，對年輕活躍病患應該選擇物超所值的聚乙烯，而維他命E 聚乙烯襯墊似乎沒有什麼缺點。我們應該鼓勵他們選擇較硬的襯墊及較耐用的聚乙烯襯墊，因為這些70 歲以下的病患在其活躍時期確實需要聚乙烯的耐用性，此類病患就應該考慮維他命E，膝關節就可以維
持 20 至 30 年甚至更久，這正是你應該考慮耐用性問題的時機。
歷史
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）最初於 1953 年聚合成型，由John Charley 爵士率先研究其用途。在數十年中，UHMWPE 經歷過數次演進 。如今使用的這種材料分子量介於 2 百萬到 6 百萬原子質量單位，由線性分子鏈組成，使聚乙烯的密度增加，並改良其物理和力學特性。
假體周圍骨溶解主要是由關節連接時產生的聚乙烯磨損碎屑所引起，一直是 UHMWPE 使用上的重大難題。骨溶解會導致組件鬆脫，使得大多數病例需要進行重建手術。另一項難題是聚合物的氧化，不論在儲存時或活體內，氧化會裂解聚合物鏈，使分子量降低而引起材料結晶，從而改變力學和材料特性，導致其變脆，對於裝置的長期性能造成不良影響。
聚乙烯的滅菌方式隨著科技的進步也有所改善。在 1960 年代晚期，廠商使用伽瑪射線滅菌，照射劑量為 25-kGy 到 40-kGy，這改善了原生聚乙烯的磨損率。然而，由於組件在儲存時曝露於空氣，氧氣擴散於其中與放射滅菌產生的殘餘自由基發生反應。這導致其失去力學特性，從而對活體中某些裝置的性能造成不良影響。
在 1990 年代，研究者從回溯性取出分析發現 ，改善磨損和氧化穩定性對於 UHMWPE 裝置的長期性能十分關鍵。1998 年研發出的高度交叉鏈接聚乙烯（HXLPE）被廣泛用於減少傳統聚乙烯常見的骨溶解和磨損。 交叉鏈接是使用伽瑪射線或電子束（50 kGy - 105 kGy）照射 UHMWPE 而達成。採用兩種不同的熱處理 — 再熔和退火 — 以減少或去除殘餘自由基。再熔能去除殘餘自由基，但會降低結晶度和強度。退火減少自由基的濃度而不減損結晶度，但無法完全去除，使氧化率提高。
雖然 HXLPE 解決了黏著磨耗和假體周圍骨溶解的問題，但活體內氧化依然是個難題。有些廠商在聚乙烯材料中併入抗氧化劑以防止自由基啟動的氧化反應及保持力學特性。抗氧化劑穩定自由基並加以吞噬，故儲存時的氧化問題影響變小 。抗氧化劑也能穩定材料以對抗其他可能存在於活體內的氧化機制，例如循環負載或脂肪吸收。使用抗氧化劑改善了聚乙烯的氧化穩定性，後者正是關節組件長期性能和耐用期限的關鍵。
Reference :
Muratoglu O. K., Innovations in polyethylene: Research and clinical perspectives on the state of the art of polyethylene (2017, Jan). Published on Orthopaedics Today.
S&H : 當今的病患族群有哪些變化，這如何影響我們對於植入物性能和耐用性的考量？
Dr. Whitwell：在歐洲我們觀察到了病患數的增加，以及年輕、活躍的中年病患針對關節炎找尋更有效與更長久的治療方式。此階段病患至少還有30 到40年的人生，植入物襯墊的耐用度必須足以維持病患的需求。過去在20 世紀時，此類植入物主要限用於70歲以上患者，故對於植入物的耐用要求沒有那麼高。所以當你考慮膝關節襯墊的耐用性時，真正需要考慮的是較年輕和活躍的病患。
S&H : 襯墊在過去數十年有哪些演進？
Dr. Whitwell：在髖關節和膝關節方面，我們看到傳統金屬對聚乙烯襯墊配對改良的需求。這種配對會產生高比率的聚乙烯磨損、塌陷及無菌性鬆脫，也是當時二次重建的主因之一。假體周圍骨溶解主要由關節連接時產生的聚乙烯磨損碎屑所引起，也一直是 UHMWPE 使用上重大難題。直到90 年末高度交叉連結的墊片問世墊片磨損才慢慢被克服，因此20世紀時我們對於置換70 歲以下患者的關節有所遲疑 。我認為墊片的演進能給病人更好的選擇，看看未來能否再將高度交叉連結聚乙烯襯墊各方面全面提升。
S&H : 您對於抗氧化聚乙烯的觀點為何？
Dr. Whitwell：我們使用含有維他命E 的聚乙烯襯墊已長達5 年。以我們的經驗看來它可以說是高度交叉連結聚乙烯的進化，對病患帶來很大的貢獻，而且到目前為止還未造成任何問題也不具有明顯的缺點。對於我自己的病患則不會考慮傳統聚乙烯。
S&H : 氧化的效應為何？它如何發生？
Dr. Whitwell：歷史上曾被誤解為機械性能缺陷而引起的，但後來則發現有可能是由氧化穩定性差的原料而引起的。我想聚乙烯的氧化不論在儲存時或活體內都會發生，也確實會導致力學特性下降，且可能造成剝落。這類的聚乙烯問題在市場上已被認知，而我認為維他命E 在解決此問題上也表現的很優秀。氧化的現象來自於自由基在聚合物基質上與氧連結，啟動的一系列氧化反應使聚合物弱化。氧化會降低力學強度及磨損抗性。
S&H : 您在臨床上看過很多剝落的案例嗎？
Dr. Whitwell：是的，當我在受訓期開始投入全人工膝關節置換時，我看到很多嚴重的聚乙烯失敗案例，但現在我已經很少看到了。現在看到的是一些無菌性鬆脫和聚乙烯碎屑所引起的症狀，磨損則較少看到。我想在過去的10 年我們看到許多不同的失敗原因，但關於聚乙烯磨損的案例應該會越來越少，而隨著植入物生存率愈來愈高，在病患植入膝關節的第二個十年片狀剝落等現象因該會慢慢浮現。
S&H : 您提到高度交叉鏈接和抗氧化聚乙烯的主要差別在於主動和被動性穩定，可以解釋一下嗎？
Dr. Whitwell：聚乙烯襯墊經過數十年的研究，我們現在能清楚瞭解在放射交聯過程中產生的自由基，是如何在儲存時或活體內氧化聚乙。第二代 HXLPE 對抗此氧化的穩定方法可視為被動性，因為它只處理由自由基衰變引起的氧化。最近的研究使我們瞭解活體內聚乙烯氧化的新機制。越來越多證據顯示周期性應力會加速聚乙烯的氧化，以及從關節液吸收的脂肪（主要是鯊烯Squalene）也會引起氧化。因此，採取主動性穩定處理這些原本未知的氧化機制會比較有效。將維他命E 混入聚乙烯就是一種主動性穩定方法 。 氧化是屬於晚期發作的失效，出現於術後10 年。我們一直密切關注高度交叉鏈接聚乙烯在10 年後是否開始失效，目前我們手上超過10 年的耐用性數據則很少有失效跡象。
S&H : 醫師在選聚乙烯襯墊時會有什麼考量？
Dr. Whitwell：我想多為年輕的活躍病患考慮真的很重要。對於70 歲以上的人，餘生可能最多15到20 年，在短期內這些可能不會有太大的差別。但對於年輕活躍患者，我認為一定要考慮植入何種襯墊 。對照於髖關節的情形，多數醫師會有針對年輕活躍病患的思路流程要如何選擇與搭配襯墊，然而膝關節就沒有太多的選擇。但我認為就高度交叉鏈接聚乙烯和傳統聚乙烯或維他命E 之間的選擇而言，對年輕活躍病患應該選擇物超所值的聚乙烯，而維他命E 聚乙烯襯墊似乎沒有什麼缺點。我們應該鼓勵他們選擇較硬的襯墊及較耐用的聚乙烯襯墊，因為這些70 歲以下的病患在其活躍時期確實需要聚乙烯的耐用性，此類病患就應該考慮維他命E，膝關節就可以維
持 20 至 30 年甚至更久，這正是你應該考慮耐用性問題的時機。
