Le articolazioni artificiali sono protesi impiantabili che sostituiscono articolazioni malate o danneggiate e devono avere un'adeguata resistenza all'usura, proprietà meccaniche e resistenza all'ossidazione, oltre a requisiti di biocompatibilità. L'UHMWPE è ampiamente utilizzato come materiale per la sostituzione delle articolazioni artificiali grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche e chimiche.

Esistono vari metodi di modifica del materiale per migliorare le prestazioni complessive degli impianti articolari artificiali in UHMWPE, tra cui la reticolazione per irradiazione, il trattamento termico, l'incorporazione di antiossidanti, ecc. L'ultimo sviluppo consiste nel migliorare le proprietà meccaniche degli impianti articolari artificiali modulando il campo di flusso per indurre la formazione di strutture auto-rinforzate.

 

Lo sviluppo e l'applicazione della tecnologia delle articolazioni artificiali ha rappresentato uno dei risultati più importanti nel campo della ricerca ortopedica del XX secolo, fornendo sollievo a molti pazienti affetti da osteoartrite, artrite reumatoide, ecc.

L'artroplastica totale è attualmente la migliore opzione di trattamento clinico per i danni articolari gravi e la necrosi articolare, e consiste principalmente nella sostituzione totale dell'anca e nella sostituzione totale del ginocchio.

In Europa, si dice che ogni anno 800.000 pazienti necessitino di una sostituzione totale dell'anca e negli Stati Uniti circa 550.000 persone ricevono ogni anno una sostituzione artificiale dell'articolazione, mentre il numero effettivo di casi che richiedono una sostituzione artificiale dell'articolazione supera di gran lunga questa cifra e aumenta da 7% a 8% ogni anno.

In Cina, sono circa 30 milioni le persone che necessitano di una sostituzione artificiale delle articolazioni.

 

Data la complessa funzione delle articolazioni umane, in particolare la capacità di muoversi in più direzioni e di sopportare determinate compressioni, tensioni, piegamenti e flessioni, le prestazioni dei materiali articolari artificiali sono molto esigenti, come buone proprietà fisiche e meccaniche, elevata stabilità chimica, buona biocompatibilità e così via.

Il polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) è un tecnopolimero con una massa molecolare relativa superiore a 1,5 milioni e una struttura composita con cristalli in fogli altamente ordinati inseriti in una zona amorfa casuale. Questa struttura conferisce all'UHMWPE proprietà uniche.

L'elevata densità della catena molecolare, la moderata cristallinità, l'altissimo peso molecolare e la struttura composita conferiscono all'UHMWPE proprietà uniche come la resistenza agli urti, all'abrasione, il basso coefficiente di attrito, la resistenza chimica, la resistenza alle basse temperature, la resistenza alle cricche da stress, il basso assorbimento d'acqua, la biocompatibilità e le proprietà autolubrificanti che non hanno eguali tra gli altri tecnopolimeri. Attualmente è il materiale polimerico più importante per le articolazioni artificiali.

 

Formazione e prestazioni delle articolazioni artificiali in HMWPE

 

L'UHMWPE è stato utilizzato per la prima volta nelle articolazioni artificiali da Charnley nel 1962 ed è ora impiegato come materiale di imbottitura per i componenti acetabolari delle articolazioni dell'anca e del ginocchio, oltre a essere spesso utilizzato nel corpo umano in combinazione con leghe di cobalto-cromo.

 

L'articolazione dell'anca è composta da una testa e da una cavità articolare, che collega la testa del femore alla cavità articolare del bacino. Una protesi totale dell'anca è composta da 3 parti.

(i) sostituzione dell'invasatura dell'anca (acetabolo) con un'invasatura in UHMWPE.

(ii) Sostituzione della testa femorale fratturata con una testa articolare in metallo.

(iii) inserimento di un'asta metallica nello stelo femorale per aumentare la stabilità dell'articolazione artificiale.

 

 

L'invasatura dell'anca (acetabolo) è solitamente costituita da una semisfera in UHMWPE e può essere impiantata direttamente nel bacino; l'UHMWPE è stato utilizzato come materiale per l'invasatura dell'anca per oltre 30 anni, ma qualsiasi materiale ha un'aspettativa di vita e le articolazioni in UHMWPE sono a rischio di fallimento quando vengono impiantate nel corpo.

 

Le sollecitazioni della fissazione tra la testa sferica del femore e la cavità dell'anca possono portare all'usura o alla rottura del materiale plastico, che nei casi più gravi può portare a un intervento di riparazione dell'anca dopo 10-20 anni.

L'articolazione artificiale totale del ginocchio consiste in una protesi femorale, una protesi tibiale e una protesi rotulea, costituite da un condilo femorale in metallo, un contrafforte tibiale e un cuscinetto tibiale e una protesi rotulea in UHMWPE.

 

Anche l'articolazione artificiale del ginocchio in UHMWPE è soggetta all'usura dell'articolazione dell'anca, in quanto gli elementi ossei della tibia e della coscia possono usurarsi nel corso del tempo, provocando l'allentamento dell'articolazione.

 

Progressi nella ricerca sull'UHMWPE nelle articolazioni artificiali

Reticolazione irradiata di articolazioni artificiali in UHMWPE 

Sebbene la sostituzione totale dell'articolazione, ampiamente utilizzata per alleviare il dolore articolare e migliorare la funzionalità dell'articolazione, sia una delle procedure più efficaci e mature, le articolazioni artificiali in UHMWPE sono soggette a usura a causa dei grandi carichi e dei movimenti reciproci contro materiali duri come l'acciaio inossidabile, la lega di titanio e la ceramica durante l'uso a lungo termine. Studi clinici hanno dimostrato che le articolazioni artificiali impiantate nel corpo umano si guastano gradualmente a causa dell'usura dopo 10-15 anni, e quasi il 30% dei pazienti richiede un intervento di revisione entro 10 anni.

Pertanto, per prolungare la durata degli impianti articolari artificiali ed evitare il rischio e il costo di un secondo intervento chirurgico, è urgente risolvere il problema dei materiali articolari artificiali resistenti all'usura. Per migliorare efficacemente la resistenza all'usura degli impianti articolari, molti ricercatori hanno scoperto che l'uso della reticolazione per irradiazione è molto efficace.

La reticolazione per irraggiamento dell'UHMWPE comporta l'esposizione dell'UHMWPE ad alte dosi di raggi γ o di radiazioni a fascio di elettroni, che causano la decomposizione delle catene molecolari dell'UHMWPE per formare radicali C e H, che poi si combinano per formare punti reticolati attraverso i radicali liberi sulle diverse catene molecolari; questi punti reticolati riducono il movimento delle catene molecolari e quindi migliorano la resistenza all'usura degli impianti in UHMWPE. La resistenza all'usura degli impianti in UHMWPE dopo la reticolazione per irraggiamento è stata studiata da molti studiosi.

 

Il tasso di usura degli impianti articolari in UHMWPE diminuisce rapidamente con l'aumentare della dose di irradiazione, raggiungendo un plateau a 100 kGy.

 

I progressi della ricerca sull'UHMWPE nel campo delle articolazioni artificiali

Antiossidazione delle articolazioni artificiali in UHMWPE

 

Sebbene la reticolazione per irraggiamento migliori sostanzialmente la resistenza all'usura degli impianti articolari in UHMWPE, alcuni dei radicali liberi generati dall'irraggiamento sono intrappolati nelle regioni cristalline dell'UHMWPE, dove le catene molecolari sono disposte regolarmente nel reticolo e hanno una motilità ridotta o nulla.

 

Nel corso del tempo, i radicali liberi intrappolati nella zona cristallina subiranno una serie di reazioni di degradazione ossidativa con l'ossigeno, causando il deterioramento delle proprietà meccaniche dell'impianto articolare e portando infine all'infragilimento ossidativo.

 

A causa delle scarse proprietà di scorrimento dell'UHMWPE, si ricorre spesso alla sinterizzazione a pressione. La sinterizzazione a pressione consente di mantenere l'UHMWPE ad alte temperature per un periodo di tempo troppo lungo, con conseguente degradazione ossidativa, reazioni di rottura a catena, formazione di doppi legami, radicali liberi, ecc.

 

Pertanto, l'eliminazione dei radicali liberi rimasti dopo la reticolazione per irraggiamento e durante la lavorazione e la formatura è un altro compito fondamentale per migliorare la resistenza all'usura degli impianti articolari. Si è visto che esistono due metodi principali per eliminare efficacemente i radicali liberi: il trattamento termico e l'aggiunta di antiossidanti.

I progressi della ricerca sull'UHMWPE nel campo delle articolazioni artificiali

 

Auto-rinforzo delle articolazioni artificiali in UHMWPE

 

È stato notato che con l'aumento del numero di pazienti ortopedici giovani, le proprietà meccaniche degli impianti articolari in UHMWPE sono diventate più severe, pertanto il miglioramento delle proprietà meccaniche degli impianti articolari in UHMWPE è un aspetto molto importante.

 

La necessità di migliorare le proprietà meccaniche degli impianti articolari in UHMWPE è quindi un tema di ricerca urgente e importante.

 

Sulla base della biocompatibilità e della compatibilità con l'interfaccia UHMWPE, è stato sviluppato un metodo auto-rinforzato per migliorare le proprietà meccaniche degli impianti articolari.

 

Si è scoperto che la lavorabilità dell'UHMWPE poteva essere migliorata utilizzando l'LMWPE, che ha buone proprietà di scorrimento, e quindi è stato applicato un campo di flusso di taglio alla miscela UHMWPE/LMWPE (mediante una macchina per stampaggio a iniezione modificata - stampaggio a iniezione a vibrazione) per indurre la formazione di strutture auto-rinforzate. Il campo di flusso di taglio viene applicato alla miscela UHMWPE / LMWPE (tramite una macchina per stampaggio a iniezione modificata - stampaggio a iniezione a vibrazione) per indurre la formazione di strutture auto-rinforzate.

 

 

 

La struttura shish-kebab a incastro è regolata nella fase LMWPE del sistema misto per migliorare le proprietà meccaniche dell'impianto articolare artificiale.

 

I progressi della ricerca sull'UHMWPE nel campo delle articolazioni artificiali

La reticolazione per irraggiamento, il trattamento termico e l'aggiunta di antiossidanti hanno migliorato efficacemente la resistenza all'usura dell'UHMWPE, mentre la formazione di strutture auto-rinforzate indotte dal campo esterno regolato (campo di flusso) ha migliorato significativamente la resistenza meccanica dell'impianto.

 

 

Sebbene le prestazioni complessive degli impianti articolari artificiali in UHMWPE siano state notevolmente migliorate, la domanda di articolazioni artificiali sta aumentando con l'invecchiamento della popolazione mondiale, l'aumento delle lesioni ad alta energia e l'impatto della dieta e dei fattori ambientali sul corpo, con un enorme mercato potenziale.

 

Recenti studi clinici hanno dimostrato che la mobilizzazione asettica e l'insufficiente resistenza meccanica delle protesi dopo la sostituzione di un'articolazione artificiale sono ancora problemi da risolvere e un maggior numero di accademici deve essere coinvolto in questo lavoro.

 

Allo stesso tempo, la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali con buone caratteristiche di biocompatibilità, resistenza alla fatica, resistenza all'usura ed elevata resistenza rappresenta una nuova direzione per lo sviluppo dei materiali per le articolazioni artificiali.