γ射线辐射医用级超高分子量聚乙烯自由基的演变

doi:10.7503/cjcu20210201

摘要/Abstract

摘要：

采用γ射线对医用级超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行辐照处理, 利用电子自旋共振波谱仪(ESR)研究了辐照诱导自由基的种类及其在氩气和不同氧分压下的衰减行为. 在氩气中, 辐射诱导UHMWPE主要产生烷基自由基和烯丙基自由基, 总的辐射化学产额约为0.48/100 eV. 室温下烷基自由基的稳定性差, 其寿命仅有 1 d左右. 在含氧气氛中, 自由基主要通过氧化反应而衰减, 其衰减速率随氧分压的增加而增加, 半衰期则由1×10⁵ Pa氩气中的224.0 h降至5×10⁵ Pa O₂气中的1.8 h. 根据此结果推算, 室温下陷落在晶区的自由基迁移至微晶表面的速率非常快, 仅需小时量级.

关键词: 超高分子量聚乙烯, γ射线辐照, 自由基, 氧化

Abstract:

Medical grade ultra-high molecular weight polyethylene（UHMWPE） was irradiated with γ-rays. The types of irradiation-induced free radicals and their decay behavior under argon and different partial pressures of oxygen were studied by electron spin resonance spectroscopy（ESR）. In argon， the alkyl radicals and allyl radicals are the main radical species with a total radiation chemical yield of 0.48/100 eV. Alkyl radicals have poor stability with a life time about 1 d at room temperature. In oxygen-containing atmosphere， free radicals are decayed mainly by oxidation reaction and the decay rate increases with the increase of oxygen partial pressure. The half-life of free radicals decreases from 224.0 h in 1×10⁵ Pa argon to 1.8 h in 5×10⁵ Pa O₂. It is estimated that the migration rate of free radicals trapped in the crystal region to the surface of the microcrystalline is very fast at room temperature， on the order of hours.

Key words: Ultra-high molecular weight polyethylene, γ-Rays irradiation, Free radical, Oxidation

中图分类号:

O631.3⁺4

TrendMD:

刘思梅, 刘伟华, 鲁曼丽, 张文礼, 沈蓉芳, 王谋华. γ射线辐射医用级超高分子量聚乙烯自由基的演变. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2602.

LIU Simei, LIU Weihua, LU Manli, ZHANG Wenli, SHEN Rongfang, WANG Mouhua. Evolution of the Radicals in γ-Rays Irradiated Medical Grade Ultra-high Molecular Weight Polyethylene. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2602.

图/表 8

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)

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

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

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

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

Scheme 1 Schematic diagram of semi?crystalline morphology of UHMWPE

参考文献 13

14	Jahan M. S.， King M. C.， Haggard W. O.， Sevo K. L.， Parr J. E.， Radiation Physics and Chemistry， 2001， 62（1）， 141—144
15	Premnath V.， Harris W.， Jasty M.， Merrill E.， Biomaterials， 1996， 17（18）， 1741—1753
16	Costa L.， Luda M. P.， Trossarelli L.， Prever E. M. B. d.， Crova M.， Gallinaro P.， Biomaterials， 1998， 19（7—9）， 659—668
17	ASTM F2003⁃02， Standard Practice for Accelerated Aging of Ultra⁃High Molecular Weight Polyethylene after Gamma Irradiation in Air， American Society for Testing and Materials， Philadelphia， 2015
18	Wang B.， Du L. B.， Liu Y. P.， Zhou J. W.， Liu Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2014， 35（11）， 2366—2369（王兵，杜立波，刘阳平，周建威，刘扬. 高等学校化学学报， 2014， 35（11）， 2366—2369）
19	Cheng Y.， Li X. H.， Liu W. H.， Wu G. Z.， Wang M. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（3）， 595—599（程勇，李小虎，刘伟华，吴国忠，王谋华. 高等学校化学学报， 2016， 37（3）， 595—599）
20	Xu Y. Z.， Practical Electronic Magnetic Resonance Spectroscopy， Science Press， Beijing， 2008， 91—99（徐元植. 实用电子磁共振波谱学，北京：科学出版社， 2008， 91—99）
21	Jahan M. S.， McKinny K. S.， Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B， 1999， 151（1—4）， 207—212
22	Zhu Q. R.， Horil F.， Kitamaru R.， Yamaoka H.， J. Polym. Sci. Part A： Polym. Chem.， 1990， 28（10）， 2741—2751
23	Wu G. Z.， Katsumura Y.， Kudoh H.， Morita Y.， Seguchi T.， J. Polym. Sci. Part A： Polym. Chem.， 1999， 37（10）， 1541—1548
24	O’Neill P.， Birkinshaw C.， Leahy J. J.， Barklie R.， Polym. Degrad. Stabil.， 1999， 63（1）， 31—39
25	Edidin A.， Jewett C.， Kalinowski A.， Kwarteng K.， Kurtz S.， Biomaterials， 2000， 21（14）， 1451—1460
26	Oral E.， Rowell S. L.， Muratoglu O. K.， Biomaterials， 2006， 27（32）， 5580—5587
27	Carpentieri I.， Brunella V.， Bracco P.， Paganini M. C.， Brach del Prever E. M.， Luda M. P.， Bonomi S.， Costa L.， Polym. Degrad. Stabil.， 2011， 96（4）， 624—629
28	Costa L.， Carpentieri I.， Bracco P.， Polym. Degrad. Stabil.， 2008， 93（9）， 1695—1703
1	Hu Z. R.， Mao H. P.， Zheng X. C.， He H.， Zhong S. T.， Gu L. H.， Peng Y.， Engineering Plastics Application， 2017， 45（12）， 121—125（胡章润，毛宏萍，郑显才，何浩，钟圣韬，古良鸿，彭娅. 工程塑料应用， 2017， 45（12）， 121—125）
2	Poliakov V.， de M Siqueira C.， Veiga W.， Hümmelgen I.， Lepienski C.， Kirpilenko G.， Dechandt S.， Diam. Relat. Mat.， 2004， 13（4—8）， 1511—1515
3	Lapcikova M.， Slouf M.， Dybal J.， Zolotarevova E.， Entlicher G.， Pokorny D.， Gallo J.， Sosna A.， Wear， 2009， 266（1/2）， 349—355
4	Cummings C. S.， Lucas E. M.， Marro J. A.， Kieu T. M.， DesJardins J. D.， Adv. Space Res.， 2011， 48（10）， 1572—1577
5	Heidari B. S.， Davachi S. M.， Moghaddam A. H.， Seyfi J.， Hejazi I.， Sahraeian R.， Rashedi H.， J. Mech. Behav. Biomed. Mater.， 2018， 81， 95—105
6	Fung M.， Bowsher J. G.， van Citters D. W.， J. Mech. Behav. Biomed. Mater.， 2018， 82， 112—119
7	Wang H. L.， Xu L.， Zhang M. X.， Li R.， Xing Z.， Hu J. T.， Wang M. H.， Wu G. Z.， J. Appl. Polym. Sci.， 2017， 134（13）
8	Lahiri D.， Dua R.， Zhang C.， de Socarraz⁃Novoa I.， Bhat A.， Ramaswamy S.， Agarwal A.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2012， 4（4）， 2234—2241
9	Ingham E.， Fisher J.， Biomaterials， 2005， 26（11）， 1271—1286
10	Kovacik M. W.， Gradisar I. A. J.， Haprian J. J.， Alexander T. S.， Clin. Orthop. Rel. Res.， 2000， 379， 186—194
11	Digas G.， Kärrholm J.， Thanner J.， Herberts P.， Acta Orthopaedica， 2007， 78（6）， 746—754
12	Muratoglu O. K.， Merrill E. W.， Bragdon C. R.， O'Connor D.， Harris W. H.， Clin. Orthop. Rel. Res.， 2004， 417（417）， 253— 262
13	Oral E.， Muratoglu O. K.， Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B， 2007， 265（1）， 18—22

[1]	楚宇逸, 兰畅, 罗二桂, 刘长鹏, 葛君杰, 邢巍. 单原子铈对弱芬顿效应活性位点氧还原稳定性的提升[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220294.
[2]	秦永吉, 罗俊. 单原子催化剂在CO₂转化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220300.
[3]	吴玉, 李轩, 杨恒攀, 何传新. 钴单原子的双重限域制备策略及高效CO₂电还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220343.
[4]	王新天, 李攀, 曹越, 洪文浩, 耿忠璇, 安志洋, 王昊宇, 王桦, 孙斌, 朱文磊, 周旸. 单原子材料在二氧化碳催化中的技术经济分析与产业化应用前景[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220347.
[5]	何鸿锐, 夏文生, 张庆红, 万惠霖. 羟基氧化铟团簇与二氧化碳和甲烷作用的密度泛函理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220196.
[6]	王瑞娜, 孙瑞粉, 钟添华, 池毓务. 大尺寸石墨烯量子点组装体的制备及电化学发光性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220161.
[7]	姚伊婷, 吕佳敏, 余申, 刘湛, 李昱, 李小云, 苏宝连, 陈丽华. 等级孔微孔-介孔Fe₂O₃/ZSM-5中空分子筛催化材料的制备及催化苄基化性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220090.
[8]	崔伟, 赵德银, 白文轩, 张晓东, 余江. CO₂在非质子溶剂与铁基离子液体复合体系中的吸收[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220120.
[9]	贾洋刚, 邵霞, 程婕, 王朋朋, 冒爱琴. 赝电容控制型钙钛矿高熵氧化物La(Co_0.2Cr_0.2Fe_0.2Mn_0.2Ni_0.2)O₃负极材料的制备及储锂性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220157.
[10]	黄秋红, 李文军, 李鑫. 有机催化靛红衍生酮亚胺与噁唑酮的不对称Mannich型加成反应[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220131.
[11]	周紫璇, 杨海艳, 孙予罕, 高鹏. 二氧化碳加氢制甲醇多相催化剂研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220235.
[12]	张昕昕, 许狄, 王艳秋, 洪昕林, 刘国亮, 杨恒权. CO₂加氢制低碳醇CuFe基催化剂中的Mn助剂效应[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220187.
[13]	郭志强, 杨博如, 席婵娟. 硼氢化试剂在二氧化碳还原官能化反应中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220199.
[14]	王征文, 高凤翔, 曹瀚, 刘顺杰, 王献红, 王佛松. 基于二氧化碳共聚物的紫外光固化高分子材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220236.
[15]	黄孝舜, 马海英, 柳淑娟, 王斌, 王红利, 钱波, 崔新江, 石峰. 二氧化碳间接转化制化学品的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220222.