γ射線輻射醫(yī)用級超高分子量聚乙烯自由基的演變

劉思梅，劉偉華，魯曼麗，張文禮，沈蓉芳，王謀華

（1.中國科學院上海應用物理研究所,上海 201800；2.中國科學院大學,北京 100049）

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是分子量超過1.5×106、無支鏈的線性聚乙烯［1］，屬于半結(jié)晶型聚合物，具有耐化學腐蝕性、耐磨損性、抗沖擊性、自潤滑性和生物相容性等眾多優(yōu)異性能［2～5］，廣泛應用于化工、運輸、機械和航空航天等領域.UHMWPE是目前唯一可用于制造人工關(guān)節(jié)的高分子材料，其作為人體植入物的研制一直是該領域的研究熱點［6～8］.

UHMWPE材料在人工關(guān)節(jié)中的作用類似于人體的關(guān)節(jié)軟骨，在使用過程中承載著較大的沖壓和摩擦負荷，因此，UHMWPE材料的耐損耗性能將直接決定著人工關(guān)節(jié)的使用壽命［9，10］.長期的臨床研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過輻照交聯(lián)后的UHMWPE關(guān)節(jié)材料耐磨擦性能顯著提高［11，12］，這主要是由于輻射交聯(lián)反應在UHMWPE中形成了大分子三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了分子鏈間的相互運動，進而提高了UHMWPE的耐磨性.但是，輻照處理過程產(chǎn)生的陷落自由基會與氧氣發(fā)生一系列的后續(xù)反應，造成UHMWPE植入體分子量降低和力學性能惡化［13～15］，使植入體的耐久性和使用壽命下降［16］.植入體的老化需要數(shù)年的時間.為了模擬植入體在體內(nèi)的氧化老化過程，ASTM標準方法［17］試驗條件為70℃、5×105Pa O2下加速老化14 d，其實質(zhì)是加速輻射誘導自由基的氧化過程.聚乙烯材料的輻射誘導自由基研究主要在無氧、惰性氣氛或空氣條件下進行，高氧分壓下的自由基演變行為還未見報道.本文采用提高氧分壓的手段研究氧氣分壓對自由基演變行為的影響.電子自旋共振波譜（ESR）是表征聚合物中自由基的最有效手段［18，19］.本文利用ESR研究了γ射線輻照誘導UHMWPE形成的自由基及其演變行為，重點研究了不同氧分壓下自由基的衰減情況，并探討了自由基的衰減機理.本文研究成果可為深入研究UHMWPE陷落自由基的衰變行為提供新的認識，并為快速評估輻射交聯(lián)UHMWPE植入體的老化行為提供依據(jù).

1 實驗部分

1.1 實驗材料

UHMWPE片材（醫(yī)用級）購自北京安通憶泰醫(yī)療科技有限公司，分子量為8×106，結(jié)晶度為46%.

1.2 樣品的制備

從厚度為1.5 mm的UHMWPE片材上剪取4 mm×3.5 mm的樣品若干，每塊質(zhì)量約為20 mg；將樣品放入核磁管中，置于氬氣手套箱內(nèi)存放7 d以完全排除氧氣，然后將核磁管密封備用.

1.3 輻照處理

室溫下，采用60Coγ射線（活度為15.7×104Ci，中國科學院上海應用物理研究所）對密封的樣品進行輻照，吸收劑量5～300 kGy，輻照時間均為24 h.輻照完成后立即進行自由基測試.進行氧氣氣氛試驗時，先將樣品在氬氣中輻照100 kGy，再分別充入空氣、1×105Pa O2和5×105Pa O2，用于研究自由基在不同氧分壓下的演變行為.

1.4 ESR測試

測試氬氣中的樣品時，保持輻照后的核磁管處于密封狀態(tài)，對核磁管底端進行退火處理，以消除其自身因輻照產(chǎn)生的自由基.本文中涉及氬氣環(huán)境的壓力均為1×105Pa.利用JES-FA200型電子自旋共振波譜儀（日本電子株式會社）分別對在不同條件下存儲的樣品進行ESR測試，記錄樣品的ESR譜圖.測試條件：微波功率1 mW，磁場調(diào)制頻率100 kHz，掃描時間1 min.通過對ESR譜圖的重積分和對JEOL的標準樣品2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物（TEMPOL，1.00×10-6mol/L，以苯為溶劑，3.0×1014spins）進行標定，獲得樣品中的自由基濃度［20］.

2 結(jié)果與討論

2.1 輻射誘導UHMWPE產(chǎn)生的自由基種類和產(chǎn)額

在ESR譜圖分析中，超精細偶合常數(shù)a，g值和線寬度ΔHpp是3個重要的參數(shù)，其中a表示未成對電子與磁性核之間的相互作用大小，g值是與原子內(nèi)部運動及磁矩有關(guān)的重要物理量，ΔHpp則是未成對電子與其周圍環(huán)境相互作用的一個量度.a值和g值是ESR譜圖最重要的兩個參數(shù)，可用于鑒定自由基種類和可能的結(jié)構(gòu)信息.UHMWPE接受輻照至100 kGy后立即進行ESR測試.由于其兩端的邊峰較弱，故將其信號強度放大兩倍.由圖1譜線a可以看出，其譜圖主要由九重譜線組成并呈現(xiàn)出超精細裂分結(jié)構(gòu)，具有不同的超精細分裂常數(shù)（a值）和線寬度（ΔHpp），表明輻照過程中至少有兩種自由基產(chǎn)生.該譜圖與文獻報道一致，主要歸屬為烷基自由基（—CH2—?CH—CH2—）和烯丙基自由基（—?CH—CH=CH—）［21］；初始譜圖兩端分別存在一個弱而寬的邊峰（316.52 mT和331.73 mT），屬于烷基自由基六線譜圖中的兩條ESR峰，其對應的a值為3.1 mT，ΔHpp為1.27 mT.根據(jù)兩個邊峰的磁場位置可近似計算出烷基自由基的共振磁場（Hr=324.13 mT）和g值（g=2.0025）.當輻照樣品存放1 d后，其ESR譜圖兩端的邊峰基本消失，譜圖呈現(xiàn)七重峰，歸屬為烯丙基自由基［14，21］.此 時 譜 圖 的 共 振 磁 場Hr=324.18 mT，計算得到烯丙基自由基的g值為2.0024，其a值約為1.3 mT，ΔHpp約為0.7 mT.

Fig.1 ESR spectra of the initial UHMWPE sample irradiated to 100 kGy in argon(a,amplified by two times)and the same sample stored in argon for 1 d(b)

UHMWPE在氬氣中輻照后主要產(chǎn)生烷基自由基和烯丙基自由基，通過對比發(fā)現(xiàn)，烷基自由基的比例明顯低于烯丙基自由基.這可能是因為室溫下烷基自由基的穩(wěn)定性差，壽命很短，在輻照過程中發(fā)生復合反應的同時還會轉(zhuǎn)變?yōu)橄┍杂苫?；而具有雙鍵共軛作用的烯丙基自由基穩(wěn)定性高，因而譜圖呈現(xiàn)出烷基自由基和烯丙基自由基的疊加譜線.

圖2為UHMWPE輻射誘導的自由基濃度和吸收劑量的關(guān)系曲線.在5～75 kGy吸收劑量范圍內(nèi)，自由基濃度隨吸收劑量的增加呈線性增加；隨著吸收劑量進一步增加，自由基濃度和吸收劑量逐漸偏離線性關(guān)系，并在200 kGy時趨于飽和.輻照過程中，自由基的生成與復合反應同時發(fā)生，當兩者達到平衡后，自由基濃度即達到飽和，不再隨劑量的增加而升高.輻射化學產(chǎn)額定義為反應體系中平均每吸收100 eV的能量所引起的化學變化數(shù)，用G表示.通過0～75 kGy范圍內(nèi)的自由基濃度與劑量的線性關(guān)系可計算出輻照誘導UHMWPE自由基的G值約為0.48.UHMWPE輻射交聯(lián)會產(chǎn)生Y型和H型交聯(lián)，兩者的G值之和約為1～2［22，23］.假設兩個自由基產(chǎn)生一個交聯(lián)點，通過對比陷落自由基的G值可發(fā)現(xiàn)，輻射交聯(lián)過程中仍然遺留了大量的陷落自由基，這些自由基的后續(xù)反應必然會對材料的老化及性能產(chǎn)生重要影響.

Fig.2 Radical concentration of UHMWPE as a function of absorbed dose

2.2 自由基在氬氣中的衰減

圖3 是輻照100 kGy的UHMWPE在氬氣中儲存不同時間的ESR譜圖.可以看出，該譜圖的峰形和峰強均隨著儲存時間的延長發(fā)生明顯改變.當樣品儲存3 d后，譜圖兩側(cè)代表烷基自由基的弱峰完全消失，呈現(xiàn)出烯丙基自由基的七重峰，峰強也明顯下降.儲存55 d后，原本的超精細分裂線逐漸消失，被寬的信號峰取代.值得關(guān)注的是，位于321.47 mT和327.51 mT兩處（黑色箭頭所示）的峰強高于其它的譜峰，說明樣品在存放過程中可能有更穩(wěn)定的自由基生成.放置95 d后，譜圖的峰強進一步降低，約為初始峰強的2%，譜圖形狀也由原來的九重譜線衰減為幾乎呈直線的寬峰.

Fig.3 ESR spectra of irradiated UHMWPE after storage in argon for different times

Fig.4 Radical concentration of irradiated UHMWPE stored in argon as a function of time

圖4 曲線清晰地展示了自由基濃度在氬氣中隨時間的延長不斷衰減，由此推算自由基的半衰期約為224.0 h.

2.3 自由基在氧氣中的衰減

氧氣是自由基的淬滅劑，能與輻射誘導的UHMWPE自由基發(fā)生一系列反應，導致分子鏈的氧化和斷裂，使材料性能發(fā)生變化.

本文研究了氧氣對自由基衰減行為的影響.將在氬氣中輻照的UHMWPE分別暴露于空氣、1×105Pa O2氣和5×105Pa O2氣中，并記錄其ESR信號隨存放時間的衰減情況.圖5為輻照樣品暴露在空氣中不同時間的ESR譜圖.與儲存在氬氣中的樣品的ESR譜圖（圖3）對比可以看出，兩種氣氛下的ESR譜圖隨時間延長具有顯著差異.首先，空氣中樣品的ESR信號強度衰減更快，3 d后的信號峰強度已降低至初始強度的13%，而相同條件下氬氣中樣品的ESR峰強則為初始強度的55%；其次，空氣中樣品的ESR譜圖完全衰減為一條狹窄的單峰，該峰的g值為2.0051，線寬度ΔHpp為0.74 mT，是氧氣與碳自由基發(fā)生氧化反應而產(chǎn)生的新自由基的峰，該峰的歸屬尚不十分明確，許多研究者都將其歸屬為過氧自由基［15，24，25］.

由圖5可見，空氣中的樣品在11 d左右出現(xiàn)因氧化而產(chǎn)生的新自由基的峰，隨著樣品暴露時間的延長，該峰強度不斷增加，約120 d后峰強達到最大值，隨后開始緩慢衰減.這主要是由于陷落在UHMWPE晶體薄片中的自由基不斷遷移至微晶表面，與擴散至無定形區(qū)的氧氣發(fā)生反應所致［13，26］.該過程導致了新自由基的累積.

為進一步研究氧氣對自由基衰減的影響機制，將輻照相同劑量的樣品分別暴露于1×105Pa O2和5×105Pa O2氣氛中.圖6（A）和（B）是兩種氧分壓下的ESR信號峰分別衰減至相同峰強時的ESR譜圖.兩種氧分壓下的譜圖形狀變化和空氣中的類似，但當譜圖峰強下降至同一峰值時，處于5×105Pa O2氣環(huán)境中的自由基衰減所需時間顯著縮短且出現(xiàn)單峰的時間僅需25 h，表明氧氣壓力越高，自由基衰減越快，出現(xiàn)單峰的時間也越早.

Fig.5 ESR spectra of radicals generated by irradiated UHMWPE which was stored in air as a function of time

Fig.6 ESR spectra of irradiated UHMWPE samples aged in 1×105 Pa O2(A)and 5×105 Pa O2(B)at room temperature for different times

在自由基濃度與存放時間的關(guān)系曲線（圖7）中，自由基的衰減快慢與氧氣分壓密切有關(guān)，4種氣氛下的自由基衰減速度由低到高依次為1×105Pa Ar＜1×105Pa air＜1×105Pa O2＜5×105Pa O2.根據(jù)自由基衰減曲線進一步計算出4種氣氛下的半衰期依次為224.0，30.7，5.8和1.8 h.與氬氣氣氛比，空氣中自由基的半衰期僅為氬氣氣氛下的1/7，表明氧氣對自由基的淬滅速率顯著高于自由基復合速率.當氧分壓由0.2×105Pa增加至1×105Pa時，自由基的半衰期降至空氣中的1/5，即自由基的半衰期與氧分壓呈反比；而當氧分壓增至5×105Pa時，自由基的半衰期進一步降低至氧分壓為1×105Pa時的1/3，其線性關(guān)系發(fā)生偏離，可以推測當氧分壓增加至一定程度時，自由基的衰減速率可能會保持恒定.可見，氧氣對自由基的衰減具有重要影響，有必要對自由基的衰減機理作深入討論.

Fig.7 Radical concentration of irradiated UHMWPE stored in air,1×105 Pa O2 and 5×105 Pa O2 as a function of time

2.4 自由基衰減機理

電離輻射誘導UHMWPE分子鏈的化學鍵（C—H）斷裂，生成氫氣和雙鍵，同時形成交聯(lián)點和裂解點，這些過程大多與輻照誘導產(chǎn)生的自由基有關(guān).UHMWPE屬于半結(jié)晶高分子，受γ射線輻照后在晶區(qū)和非晶區(qū)均能產(chǎn)生自由基，但由于非晶區(qū)的分子鏈活動性強且遷移率較高，自由基能很快發(fā)生交聯(lián)反應而衰減；而另一些自由基則被困在結(jié)晶區(qū)的晶片中，其在動力學上比非晶區(qū)自由基更穩(wěn)定，未能及時參與反應.因此，ESR檢測到的陷落自由基，也通常被認為是陷落在晶區(qū)中的自由基［27］.

在惰性氣氛中，自由基主要通過彼此間的復合反應而衰減，即兩個自由基結(jié)合形成新的化學鍵：交聯(lián)或耦合成雙鍵.顯然，在交聯(lián)體系中依靠于自由基的相互結(jié)合來使它們消失需要較長時間.當有氧氣存在時，自由基除了相互復合發(fā)生反應外，還將與氧氣發(fā)生一系列反應而被快速消耗［28］.

Scheme 1示出了自由基的氧化衰減機理.UHMWPE為半結(jié)晶聚合物，分為晶區(qū)和非晶區(qū)，氧氣只能擴散到非晶區(qū)，不能擴散到晶區(qū).因此，氧氣對自由基的淬滅過程受到兩種擴散的影響，即自由基從晶區(qū)內(nèi)到晶區(qū)表面的擴散和氧氣在非晶區(qū)的擴散.假設氧氣在UHMWPE中的擴散速率為k1（遵循Fick擴散定律），自由基從晶區(qū)內(nèi)部擴散至晶區(qū)表面的速率為k2.氧氣從非晶區(qū)進入材料內(nèi)部需要繞過大量的結(jié)晶片層，實際擴散路程遠超過直線距離.在氧分壓較低（0.2～1.0×105Pa）時，自由基的衰減速率和氧氣分壓幾乎成正比，說明此時自由基的衰減速率取決于氧氣的擴散速率即k1，氧氣擴散是氧化反應過程中較慢的決速步驟，是該反應的控制步驟，即k2?k1.氧氣擴散通量（氧氣濃度）與氧氣分壓成正比，當氧氣分壓增至為5×105Pa時，樣品表面的氧氣擴散通量進一步增加，擴散到樣品內(nèi)部的氧氣量增大，造成自由基在數(shù)小時內(nèi)便迅速湮沒，衰減速率增加，半衰期僅有1.8 h.即室溫下陷落自由基從晶相遷移至晶相/非晶相區(qū)域的速率k2是很快的，僅需小時量級，這與常規(guī)認識是有區(qū)別的.

Scheme 1 Schematic diagram of semi-crystalline morphology of UHMWPE

在0.2×105～1×105Pa O2氣氛中自由基的衰減速率和氧分壓幾乎成正比，而當氧分壓增至5×105Pa時，該線性關(guān)系發(fā)生了偏離，這可能是由于在一定范圍內(nèi)的低壓氧中，自由基的衰減速率主要受氧濃度控制，且隨氧分壓增加呈線性增長關(guān)系；當氧分壓持續(xù)增高時，樣品中的氧濃度過高，氧與自由基的反應速率開始呈現(xiàn)出由自由基的遷移速率k2控制的趨勢.因此，可以據(jù)此進行合理的推測：當氧分壓增加至足夠高時，自由基的衰減速率便將由k2控制，并且不再隨氧分壓的增加而增加，此時的自由基衰減速率將達到最高.

總之，室溫下陷落自由基在含氧氣氛中的迅速衰減是其從晶相向非晶相快速遷移導致的結(jié)果，遷移僅需數(shù)小時的時間.雖然自由基能很快地從晶區(qū)移動到晶區(qū)表面或非晶區(qū)，但在無氧存在下的氬氣中卻能穩(wěn)定存在數(shù)百小時，這說明體系中自由基相遇發(fā)生復合反應的幾率非常低.

3 結(jié) 論

通過觀測ESR譜圖的變化研究了吸收劑量、存放氣氛和存放時間對γ射線輻射誘導UHMWPE所產(chǎn)生的自由基的種類和演變行為的影響.γ射線輻照UHMWPE在氬氣中主要產(chǎn)生烷基自由基和烯丙基自由基，室溫下烷基自由基穩(wěn)定性差，僅有24 h左右的壽命.在5～75 kGy吸收劑量范圍內(nèi)，自由基濃度與吸收劑量呈線性關(guān)系，輻射化學產(chǎn)額（G值）約為0.48.輻射誘導UHMWPE自由基的衰減行為因儲存氣氛不同而存在差異：氬氣中的自由基主要通過復合反應而逐漸衰減，而含氧氣氛中的自由基主要通過與氧氣的反應而衰減，且衰減速率與氧氣分壓線性相關(guān).研究結(jié)果表明，室溫下氧氣擴散步驟是自由基氧化反應過程中較慢的決速步驟，陷落自由基在材料內(nèi)部的遷移速率很快，僅需小時量級.