超高分子量聚乙烯（UHMWPE）疲劳阈值行为的表征

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Characterization of the fatigue threshold behavior of UHMWPE

本研究首次通过负载卸除法确定七种临床相关UHMWPE的疲劳阈值，发现高交联材料阈值低且J积分断裂韧性是最佳预测指标。摘要后跟分隔符：

　　超高分子量聚乙烯（UHMWPE）作为一种生物相容性好、摩擦系数低、耐磨性优异的材料，自20世纪60年代以来便被广泛应用于全关节置换术（TJR）中的关节轴承。其独特的生物-摩擦-机械特性使其成为一种理想的选择，但随着使用年限的延长，UHMWPE在体内会经历氧化、磨损和疲劳等复杂过程，这些因素可能导致材料性能下降，进而引发假体松动、骨溶解等严重并发症。因此，研究UHMWPE的疲劳性能及其与材料结构、力学性能之间的关系，对于提升假体的使用寿命和临床安全性具有重要意义。

尽管UHMWPE在生物体内表现出良好的性能，但其在全膝关节置换术中所承受的高幅值循环接触应力使其面临严峻的疲劳挑战。为了应对这些挑战，现代UHMWPE假体通常采用中等交联的配方，并添加维生素E以防止氧化。然而，尽管已有大量关于UHMWPE在TJR中的应用研究，对于其疲劳阈值和近阈值裂纹扩展行为的理解仍然有限。特别是在含有缺口或微小缺陷的材料中，裂纹的起始和扩展行为尚未被系统研究，这限制了对UHMWPE在高应力区域中长期服役性能的评估。

在金属材料的疲劳研究中，疲劳阈值（ΔK_th）是一个重要的参数，它指的是在特定应力强度范围内，裂纹不会发生扩展的临界值。ΔK_th的确定通常依赖于标准测试方法，如ASTM E647。该方法通过在裂纹扩展的初始阶段施加高于阈值的载荷，随后逐步降低载荷，以避免裂纹扩展过程中的异常波动。然而，由于UHMWPE是一种粘弹性材料，其疲劳行为与金属材料存在显著差异。因此，传统的测试方法和分析手段可能无法直接适用于UHMWPE的疲劳研究。

本研究首次采用ASTM E647标准方法，系统评估了七种临床相关UHMWPE配方的疲劳裂纹扩展行为和裂纹停止阈值。研究结果表明，交联程度对UHMWPE的疲劳性能具有显著影响。随着交联剂量的增加，材料的疲劳阈值下降，裂纹扩展速率提高，表明交联虽然能够提升UHMWPE的耐磨性和化学稳定性，但同时也会降低其疲劳抗性。这一发现与以往的研究趋势一致，即在提高材料某些性能的同时，可能会牺牲其他关键特性。

此外，研究还探讨了UHMWPE的疲劳阈值与材料的机械性能及微观结构参数之间的关系。结果表明，J积分断裂韧性（J_{Ic true}）是预测UHMWPE疲劳阈值的最佳参数，其与疲劳阈值之间的相关性达到了显著水平（p < 0.05）。这说明J积分能够更准确地反映UHMWPE在裂纹起始和停止过程中的力学行为。相比之下，弹性模量（E）和真断裂强度（UTS true）虽然与裂纹扩展有一定关系，但其相关性较弱。这可能是因为UHMWPE的疲劳机制更依赖于塑性变形，而弹性模量主要影响裂纹扩展速率而非裂纹起始或停止行为。

研究还发现，UHMWPE的疲劳阈值与晶态含量和层状结构厚度之间没有显著相关性。这可能是因为所测试的材料晶态含量差异较小，或者裂纹起始和扩展行为主要受其他因素影响，如交联密度和材料的粘弹性特性。因此，为了更准确地评估UHMWPE的疲劳性能，需要进一步探索其微观结构与宏观力学行为之间的关系。

在讨论部分，研究强调了使用真实应力-应变曲线而非工程应力曲线的重要性。真实应力曲线能够更准确地反映材料在实际使用条件下的行为，尤其是在高应力和低应变率的环境下。这一观点得到了支持，因为J积分和真实断裂强度等参数与疲劳阈值之间存在显著相关性，而这些参数的获取需要考虑材料的真实变形行为。

综上所述，本研究为UHMWPE在全关节置换术中的疲劳行为提供了新的见解。首先，交联虽然能提高材料的耐磨性，但会显著降低其疲劳抗性，这为材料设计和临床应用提供了重要参考。其次，J积分断裂韧性是预测UHMWPE疲劳性能的关键参数，其与疲劳阈值之间的高相关性表明其在材料评估中的重要性。最后，研究支持使用真实材料性能数据来指导设计决策，以确保假体在长期使用中的安全性和可靠性。这些发现不仅有助于深入理解UHMWPE的疲劳机制，也为未来开发更耐用、更安全的假体材料提供了理论依据和实践指导。