DE60011243T2

DE60011243T2 - Verfahren zur herstellung von mit antioxidant gedoptem uhmwpe und daraus hergestelltes implantat

Info

Publication number: DE60011243T2
Application number: DE60011243T
Authority: DE
Inventors: Lars Lidgren; Peter Bengtsson; Peter SJÖVALL; Bengt Wesslen
Original assignee: BONE SUPPORT TOLLARP AB; Bone Support AB
Current assignee: Synthes Bettlach GmbH
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: DE60011243D1; US6448315B1; ATE268353T1; WO2000049079A1; AU3203800A; EP1161489B1; EP1161489A1; SE9900519D0

Description

Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von UHMWPE, welches mit einem Antioxidant, vorzugsweise Vitamin E, gedopt ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Implantat mit UHMWPE, welches mittels dieses Verfahrens mit einem Antioxidant gedopt ist.
Stand der Technik
Die Mehrzahl der derzeit in Patienten implantierten endoprosthetischen künstlichen Gelenke umfaßt eine hochpolierte Metall- oder Keramikkomponente, welche an einem Polyethylenmaterial mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) gelenkig angebracht ist. Obwohl solch eine Kombination von Materialien während der letzten 30 Jahre eingesetzt wurde, hat die derzeitige klinische Praxis, in der diese Prothesen bei einer steigenden Anzahl jüngerer Patienten und älterer Patienten mit einer längeren Lebenserwartung eingesetzt werden, neue Bedenken bezüglich der Abnutzung und der Haltbarkeit von UHMWPE hervorgerufen.
UHMWPE ist ein teilkristallines, lineares Homopolymerisat von Ethylen, welches durch stereospezifische Polymerisation mit einem Ziegler-Natta-Katalysator bei geringem Druck (6 bis 8 bar) und geringer Temperatur (36 bis 80°C) hergestellt wird. Die Synthese des naszierenden UHMWPE führt zu einem feinen, körnigen Pulver. Das Molekulargewicht und seine Verteilung kann durch Prozeßparameter wie Temperatur, Zeit und Druck gesteuert werden. Hohe Strapazierfähigkeit, hohe Verschleißfestigkeit, geringer Reibungskoeffizient, hohe Schlagfestigkeit, hervorragende Festigkeit, geringe Dichte, Bioverträglichkeit und Biostabilität sind einige der Eigenschaften, die UHMWPE zu einem hervorragenden Material für Implantate machen. Jedoch wurde der Einsatz von UHMWPE wegen der Schwierigkeiten bei der Herstellung durch herkömmliche Techniken wie Extrusion, Spritzgießen oder Kalandrieren begrenzt. Aufgrund seines hohen Molekulargewichts weist UHMWPE eine sehr hohe Schmelzviskosität auf, die es schwierig oder unpraktisch macht, es durch die herkömmlichen Schmelzbehandlungstechniken herzustellen.
Die Hauptsorge in den Langzeitklinikstudien von UHMWPE-Implantaten sind ungünstige Gewebereaktionen, die durch die Bildung von UHMWPE-Ablagerungen hervorgerufen wurden. Die Partikel der an der gelenkig angebrachten Oberfläche gebildeten UHMWPE-Ablagerung werden zu den harten und weichen Geweben transportiert, welche das Gelenk umgeben. Billionen von submikroskopischen Partikeln werden in den Gelenkspalt eingebracht, was zu einer Entzündungsreaktion mit einer gesteigerten Menge an Gelenkflüssigkeit und gesteigertem Druck führt. Gewisse UHMWPE-Partikel rufen eine makrophage indirekte Entzündungsreaktion hervor, welche zu einer Knochenresorption führt. Wenn dies um den Hals der Oberschenkelkomponente stattfindet, ist diese Art der Knochenresorption ein Hauptgrund für Implantat lockerungen, Schmerzen des Patienten und die Notwendigkeit der Nachsorge.
Um den Grund für gesteigerte Abnutzungsraten und vorzeitige Komponentenausfälle zu bestimmen, wurden Studien an Materialvariablen durchgeführt, welche bei der Komponentenherstellung und -verwendung beteiligt sind. Die Deformationen und das Lockern der Implantate, welche durch übermäßige Abnutzungsraten hervorgerufen wurden, wurden mit γ-Strahlungs-Sterilisation in Wechselbeziehung gebracht, welche eine Kettenspaltung hervorruft, was die Strapazierfähigkeit verringert und den Abbauprozeß steigert.
Die Sterilisation durch γ-Strahlung war seit ungefähr 1980 das Verfahren der Wahl für Implantate. Jedoch bildet die γ-Sterilisierung freie Radikale, welche in der Anwesenheit von Sauerstoff reagieren, um nahezu ausschließlich Peroxidradikale auszubilden. Diese freien Radikale und Peroxidradikale reagieren mit PE-Ketten und miteinander, um oxidative Abbauprodukte und zusätzliche Radikalarten auszubilden. Dieser Kreislauf der Oxidationsprodukte und der Bildung von Radikalarten zeigten sich über mehrere Jahre, wobei die Oxidationsniveaus in den Komponenten fortlaufend über diesen Zeitraum stiegen. Die sich daraus ergebende Bildung von Kettenspaltprodukten erzeugt kürzere Molekülketten, welche die mechanischen Eigenschaften und Funktionen der UHMWPE-Implantate verschlechtern. Des weiteren darf das Implantat aufgrund des durch die γ-Strahlung hervorgerufenen Schadens keinen Belastungsniveaus, wie sie im Einsatz auftreten, ausgesetzt werden. Stattdessen kann der oxidative Abbau der mit γ-Strahlung behandelten Komponenten während der Lagerung bereits vor der Implantation auftreten.
Ein bekanntes Verfahren zur Minimierung der Abnutzungsrate unter Verhinderung der Langzeitoxidation von UHMWPE-Implantaten sieht vor, gezielte Mengen von Vernetzern entweder durch chemische oder durch Strahltechniken in das UHMWPE einzubringen. Studien der Effekte auf das UHMWPE mit dieser hochdosierten γ-Strahlung wurden von H. McKellap, et. al, an dem J. Vernon Luck Orthopaedic Research Center, Orthopaedic Hospital, auf dem 44. Annual Meeting, Orthopaedic Research Society vom 16. bis 10. März 1988 in New Orleans, Louisiana, USA, vorgestellt.
Extrudierte UHMWPE-Stangen wurden γ-Strahlung in Luft in Dosen von 3,3 bis 100 Mrad ausgesetzt und wieder aufgeschmolzen, indem sie an Luft auf 150°C erhitzt wurden und bei 150°C für 5 Stunden gehalten wurden und dann langsam auf Raumtemperatur abkühlten. Es wurde festgestellt, daß die Abnutzungsrate des strahlungsvernetzten UHMWPE im Vergleich zu den UHMWPE-Kontrollgruppen ohne Vernetzung mit gesteigerter Dosis markant vermindert wurde. Die Strahlungsvernetzung rief nur geringe oder keine Veränderungen bezüglich der technischen Streckgrenze hervor, aber bezüglich der Bruchdehnung zu versagen, und die Schlagfestigkeit wurde mit steigender Strahlungsdosis vermindert, was anzeigt, daß eine optimale Vernetzungsdo sis eine wäre, welche eine beträchtliche Reduktion der Abnutzung hervorruft, während sie akzeptable Niveaus anderer physikalischer Eigenschaften beibehält. Zusätzlich wurde festgestellt, daß das Wiederaufschmelzen des bestrahlten UHMWPE die residualen freien Radikale wesentlich verringert. Dieses Verfahren stellt daher ein praktisches Mittel zur Herstellung von UHMWPE-Implantaten in industriellem Maßstab bereit.
Ein anderes Verfahren zur Verhinderung von Oxidation während der Herstellung von UHMWPE-Implantaten wurde durch Stark C., Sun D. C., Yau S. S., Pereira P., Schmidig G., Wang A., Dumbleton J. H., durchgeführt und wurde auf der „Combined Orthopaedic Societies Meeting" vom 28. bis 30. September 1998, Hamamatsu, Japan vorgestellt. Das Verfahren beinhaltete im wesentlichen ein sauerstofffreies Herstellungsverfahren von einem Kunstharz zu einer Fertigbearbeitung, welche zu einem im wesentlichen oxidationsfreien Erzeugnis führte.
Zwei andere Verfahren, die kürzlich entwickelt wurden, sind Ionstrahlbestrahlung für einige Minuten gefolgt von einem Glühen (Wiederaufschmelzen) bei 150°C (W. H. Harris, A. A. O. S., Feb., 1999, Anaheim, USA), und γ-Strahlung in einer inerten Umgebung gefolgt von einer sogenannten Stabilisierung für 5 Tage bei 50°C (Dumbleton et al., A. A. O. S., Anaheim, USA).
Ein anderes bekanntes Verfahren, um Oxidation in orthopädischen UHMWPE-Implantaten zu vermeiden, wurde in der J.
Jpn Orthop. Assoc. 72 (8), 1998, vorgestellt und beinhaltet, eine geringe Menge von Vitamin E dem Polymer zuzufügen. In diesem Verfahren wurde UHMWPE mit Vitamin E (DL-α-Tocopherol) in einer Menge von 0,5 Gew.-% gemischt. Eine 60×60×10 mm³-Platte wurde unter Kompression in einer Gußform ausgebildet und durch 2,5 Mrad γ-Strahlung in Luftumgebung behandelt. Nach der Behandlung wurde die Platte für 60 Tage bei Raumtemperatur gelagert und wurde anschließend an Luft bei 220°C für 10 Stunden oxidiert. Ermüdungsversuche zeigen, daß die Flankenbeschädigung und die Rißbildung unterhalb der Oberfläche durch die Zugabe von Vitamin E gehemmt wurde.
Wie oben festgestellt, hat UHMWPE aufgrund seines hohen Molekulargewichts eine sehr hohe Schmelzviskosität, was es schwierig oder unpraktisch macht, es mittels der herkömmlichen Schmelzbearbeitungstechniken herzustellen. Folglich ist es ferner äußerst schwierig, eine homogene Mischung von UHMWPE mit anderen Substanzen zu erhalten.
In der US 5 827 904 ist eine Zusammensetzung zur Herstellung von medizinischen Implantaten gezeigt, welche aus einem Polymermaterial in Pulverform besteht und ein Karotinoid in das Polymer gedopt ist, um eine oxidationsresistente Matrix zu erzeugen, um das Implantat auszubilden. Während des Dopingvorgangs wird das Karotinoid in einer organischen Lösung beispielsweise wie 2-Propanol, Cyclohexan, n-Hexan, Benzen und ähnlichem aufgelöst.
Selbst wenn die organischen Lösungsmittel in der Beize des zu dopenden Materials vorliegt, ist der Einsatz volatiler organischer Lösungsmittel gefährlich, da viele organische Lösungsmittel brennbar und explosiv sind. Ferner sind viele organische Lösungsmittel giftig oder karzinogen und meistens, wenn sie eingeatmet werden. Zusätzlich muß teure „Explosionsschutz"-Ausrüstung eingesetzt werden, wie statische Elektrizitätssteuersysteme, Explosionsöffnungen, verstärkte Ausrüstung, Lösungs-Wiederherstellungs-Systeme und ähnliches.
Ein Verfahren, welches ein organisches Lösungsmittel beinhaltet, um ein mit Antioxidant gedoptes, in ein Implantat einzusetzendes UHMWPE herzustellen, kann auch zu Schwierigkeiten führen, besonders das organische Lösungsmittel aus dem Implantat vollständig zu entfernen, ohne gleichzeitig letzteres zu beschädigen oder zu zerstören.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren für die Zumengung eines Antioxidant zu UHMWPE bereitzustellen, um eine homogene Mischung von dem Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht und dem Antioxidant zu erhalten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, solch ein Verfahren bereitzustellen, welches ein lösungsmittelfreies Dopen des UHMWPE mit einem Antioxidant ermöglicht und folglich den Erhalt eines Implantats, welches frei von jeglichen Rückständen des Lösungsmittels ist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den charakterisierenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Begünstigte und bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 19 offenbart.
Um die Erfindung weiter zu erläutern, wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, in welcher
1 die Löslichkeit von Vitamin E in CO₂ bei verschiedenen Temperaturen und Drücken zeigt.
Durch Mischung der UHMWPE-Partikel mit einem Antioxidant, vorzugsweise Vitamin E, am meisten bevorzugt α-Tocopherol, in einem Lösungsmittel, welches CO₂ unter superkritischen Fluidbedingungen bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck umfaßt, wird eine Superfluidmischung ausgebildet, und dann CO₂ aus der Mischung verdampft, wodurch ein mit Antioxidant gedoptes UHMWPE erhalten wird.
In diesem Zusammenhang ist die kritische Temperatur die Temperatur, oberhalb welcher ein Gas nicht durch Druck allein verflüssigt werden kann. Der Druck, unter welchem eine Substanz als ein Gas im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit bei der kritischen Temperatur existieren kann, ist der kritische Druck. In dem erfindungsgemäßen Verfahren bedeuten superkritische Fluidbedingungen, daß CO₂ solch einer Temperatur und solch einem Druck ausgesetzt wird, so daß ein superkritisches Fluid und dabei eine Superfluidmischung erhalten wird, wobei die Temperatur oberhalb der superkritischen Temperatur liegt, welche für CO₂ 31,3°C beträgt, und der Druck oberhalb des superkritischen Drucks ist, welcher für CO₂ 73,8 bar beträgt.
Die Antioxidant-Konzentration des UHMWPE-Materials sollte ungefähr 0,005 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 0,1 bis 1,0 Gew.-% betragen. Die Strapazierfähigkeit des mit einem Antioxidant gedopten UHMWPE kann durch γ-Strahlung bei einer Dosis oberhalb von 2 Mrad, vorzugsweise oberhalb von 9 Mrad, gesteigert werden und indem anschließend das so erhaltene UHMWPE einer erhöhten Temperatur, vorzugsweise oberhalb von 80°C, ausgesetzt wird.
Eine andere Aufgabe ist es, ein Implantat bereitzustellen, welches mittels des Verfahrens mit einem Antioxidant gedoptes UHMWPE umfaßt.
Abgesehen von der Tatsache, daß das erfindungsgemäße Verfahren zu gedopten Partikeln ohne Lösungsmittelrückstände führt, macht es auch möglich, ein gedoptes Implantat ohne jegliche toxische organische Lösungsmittel zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Implantat weist eine hervorragende Strapazierfähigkeit und einen verminderten Abbau vor und nach der Implantation in den Körper auf.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Der Zweck, ein Antioxidant dem UHMWPE beizufügen, ist es, die Oxidation des Polymers während der Sterilisation und nach der Sterilisation zu verringern und dabei die Abnutzung des Implantats in dem Körper zu vermindern. Die Sterilisation mit γ-Strahlung induziert freie Radikale in das Material und diese Radikale reagieren mit dem Sauerstoff, um Peroxidradikale zu erzeugen, welche die Polymerketten angreifen. Kettenspaltungen reduzieren die Strapazierfähigkeit des Polymers drastisch, beispielsweise durch Verringerung des Molekulargewichts. Natürliche Antioxidantien können mit den durch die Strahlung induzierten freien Radikalen in dem Polymer reagieren, wobei sie den Kettenspaltvorgang beenden und auf diese Weise die Oxidation des Polymers verringern. Beispiele für Antioxidantien, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können, beinhalten ein α- und ein δ-Tocopherol; Propyl, Octyl oder Dodecylgallate; Milch-, Zitronen- und Weinsäuren und deren Salze; sowie Orthophosphate. Vorzugsweise ist das Antioxidant Vitamin E.
Wenn UHMWPE in den Körper implantiert wird, greifen Makrophagen das Polymer an und versuchen, es in kleinere Teile abzubauen. Dies wird durch die Produktion von Wasserstoffperoxid, welches ein Radikal ist, das mit dem Polymer reagiert und die Ketten aufbricht, erreicht. Die Rate dieses Abbauvorgangs des Polymers in dem Körper kann durch die Zugabe eines Antioxidants vermindert werden, welches als Radikalscavenger wirken würde und mit den freien Radikalen, welche in dem Polymer aufgrund des Angriffs durch das Wasserstoffperoxid erzeugt werden, reagieren würde. Folglich existieren zwei Haupteffekte des Antioxidants. Erstens reduziert es die Oxidation des Polymers aufgrund der γ-Strahlung, und zweitens vermindert es die Abbaurate des UHMWPE-Implantats in dem Körper.
Gemäß der Erfindung wird UHMWPE-Puder mit einem Antioxidant, vorzugsweise Vitamin E, gedopt, indem die UHMWPE-Partikel mit einer Antioxidant und einem Lösungsmittel, welche CO₂, unter superkritischen Bedingungen umfaßt, gemischt werden, wobei eine Superfluidmischung ausgebildet wird.
Als ein Lösungsmittel für das Antioxidant wird CO₂ mit superkritschen Eigenschaften eingesetzt. Dadurch, daß das Antioxidant-Doping der UHMWPE-Partikel in CO₂ oberhalb dessen kritischen Drucks und Temperatur durchgeführt wird, werden verschiedene Vorteile erreicht. Der Hauptvorteil der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Superfluidmischung besteht darin, daß das CO₂ mit superkritischen Eigenschaften ohne Viskosität fließt, wodurch es den Transport des Antioxidants, welches in der flüssigen Fluidkomponente der Superfluidmischung aufgelöst ist, in die UHMWPE-Teilchen erleichtert. Vorzugsweise beträgt die Temperatur der Mischung mindestens 50°C und der Druck ist mindestens 100 bar.
Foglich wird das Antioxidant in CO₂ unter superkritischen Fluidbedingungen aufgelöst und dem UHMWPE-Pulver zugefügt. Die Lösung wird durch den Druck in das Porensystem der Polymerpartikel gedrückt und das UHMWPE-Polymer schwellt abhängig von dem Druck und Temperatur des CO₂ auf verschiedene Stufen in dem CO₂ an, wodurch das Antioxidant mit dem geringen Molekulargewicht, welches in der Flüssigkeit aufgelöst ist, in die UHMWPE-Matrix diffundieren kann. Wenn ein Diffusionsgleichgewicht erreicht wird, wird der Druck unter den kritischen Druck von CO₂ abgesenkt, d. h. eine Bedingung, in der CO₂ ein gasförmiges Stadium aufweist. Das CO₂ verdampft und verläßt die Polymermatrix und das Innere der Polymerpartikel, wobei es das Antioxidant gut verteilt in dem Polymer zurückläßt.
Das Antioxidant kann auch mit dem CO₂ unter superkritischen Fluidbedingungen solange zu einer Lösung eines Antioxidants gemischt werden, wie eine Superfluidmischung existiert, und anschließend wie oben beschrieben verarbeitet werden.
Verschiedene Parameter haben eine Wirkung auf die gedopte Menge des Antioxidants. Wichtige Parameter sind Temperatur, Druck, Behandlungs-(Misch) Zeit, und die Druckabfallrate. Die Antioxidant-Konzentration des gedopten UHMWPE-Materials kann folglich gesteuert werden, indem ein Parameter der Antioxidantlöslichkeit in der Superfluidmischung geändert wird. Die Antioxidantkonzentration des gedopten UHMWPE-Materials kann auch durch die Menge des Antioxidants, welche anfänglich mit den UHMWPE-Partikeln gemischt wird, gesteuert werden. Die Mischung der Superfluidmischung sollte mindestens eine Stunde lang durchgeführt werden, vorzugsweise mindestens 10 Stunden.
Die wichtigsten Parameter zur Steuerung der Antioxidantkonzentration des gedopten UHMWPE-Materials sind die Temperatur und der Druck eines Reaktors, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, da die Löslichkeit eines Antioxidants sehr stark von diesen Parametern abhängt. Beispielsweise folgt die Löslichkeit von Vitamin E in CO₂ unter superkritischen Fluidbedingungen der Gleichung (Chrastil, Solubility of solids and liquids in supercritical fluids, Journal of Physical Chemistry 1982, 86 (15), p. 3016–3021): c= d8,231 × exp [–17353.5/T + 0,646]in welcher c die Konzentration (g/l) von Vitamin E in CO₂ ist; d die Dichte (g/l) von CO₂; und k die Temperatur in Kelvin.
Wenn man die Variation der Dichte von CO₂ als Funktion der Temperatur und des Drucks berücksichtigt (l'air liquide, Encyclopedie des gaz, p. 338), wird die Löslichkeit des Antioxidants in g/l CO₂ für das Antioxidant Vitamin E wie in der 1 gezeigt erreicht.
Gemäß der 1 ist die Löslichkeit von Vitamin E bei 20°C sehr gering, während sie bei 80°C wesentlich höher ist. Wenn die Temperatur und der Druck in dem Reaktor sorgfältig ausgewählt werden, kann eine spezifische Konzentration des aufgelösten Vitamin E in der Superfluidmischung erreicht werden, was folglich dessen Konzentration steuert.
Die Temperatur der Superfluidmischung und die Mischungszeit sind auch wichtige Parameter für den Diffusions- und Homogenisierungsvorgang. Hohe Temperaturen führen zu höheren Diffusionsraten und eine homogenere Verteilung des Antioxidants in den UHMWPE-Partikeln wird erhalten, je länger die Mischungszeit ist. Die Antioxidantmenge der gedopten UHMWPE-Partikel nach dem Verdampfen des CO₂ ist folglich durch die Wahl einer Druck/Temperaturkombination gesteuert, welche einer geeigneten Konzentration von in dem CO₂ aufgelöstem Antioxidant entspricht.
Die Druckabfallsrate ist ebenfalls wichtig, da, wenn sie nicht gesteuert wird, sich das Vitamin E bei der Freisetzung wieder von den Partikeln zurückzieht.
Die Menge des in dem UHMWPE enthaltenen Oxidants nach dem Verdampfen des CO₂ sollte ungefähr 0,005 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 0,1 bis 1,0 Gew.-% betragen. Das Antioxidant kann auf der Oberfläche der UHMWPE-Partikel gelagert werden und/oder innerhalb der UHMWPE-Partikel feinst verteilt werden.
Ein durch das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Antioxidant gedoptes UHMWPE hat hervorragende Eigenschaften für die Herstellung von Implantaten, insbesondere Gelenkprothesen. Das UHMWPE-Pulver, welches mit Antioxidant gedopt ist, wird entweder direkt zu Implantaten druckgegossen oder zu Blöcken, aus welchen durch mechanische Bearbeitung Implantate hergestellt werden, z. B. durch Drehen usw. Schließlich werden die Implantate, die hervorragende Strapazierfähigkeit und ein markant reduziertes Abbauverhalten innerhalb des Körpers aufweisen, verpackt und sterilisiert.
Um die Strapazierfähigkeit des UHMWPE oder des Implantats weiter zu steigern, kann das mit Antioxidant gedopte UHMWPE-Material γ- oder β-Strahlung bei einer Dosis oberhalb 2 Mrad, vorzugsweise oberhalb 9 Mrad, ausgesetzt werden, gefolgt durch ein Glühen (Wiederaufschmelzen), d. h. die UHMWPE-Partikel oder das Implantat werden einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, vorzugsweise oberhalb von 80°C, wenn Vitamin E eingesetzt wird. Dieses Vorgehen führt zu einer gesteigerten Vernetzung des Polymers, wodurch dessen Strapazierfähigkeit verbessert wird. Diese Strahlungs/Aufschmelzungsbehandlung kann in jedem Stadium in dem Herstellungsprozeß durchgeführt werden; vom Pulver bis zum Implantat.
Beispiele
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele weiter beschrieben und dargestellt. Es sollte jedoch bekannt sein, daß diese Beispiele nicht als die Erfindung in irgendeiner Weise beschränkend wirken sollen.
FTIR
Die Konzentration von Vitamin E in dem UHMWPE-Pulver wurde nach dem Dopen durch die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) gemessen. Die Messung wurde direkt auf dem behandelten Pulver durchgeführt, und auch nachdem dieses gewaschen wurde (in Toluen). Die erste Messung zeigte, daß Vitamin E an der Oberfläche und/oder innerhalb der Partikel vorhanden ist, wobei die Messung nach dem Waschen zeigte, daß Vitamin E innerhalb der Teilchen vorliegt.
ESR
Die Bestimmung der freien Radikalkonzentration wurde mittels Elektronenspinresonanz (ESR) bei Raumtemperatur unmittelbar nach und 1 bis 60 Tage nach γ-Strahlung von 0 bis 200 kGy durchgeführt. Die Konzentration der Radikale wurde auf Proben ohne Vitamin E und mit 0,5 Gew.-% Vitamin E gemessen.
Beispiel 1
Polyethylen mit einem ultrahohen Molekulargewicht (0,75 g; UHMWPE) als ein Pulver (Partikel) aus medizinischem GUR 1120 zum Druckgießen mit einem Molekulargewicht von 3 bis 4,000,000 g/mol und 39 % Kristallinität, wurden einem Reaktor mit einem Volumen von 0,04 Liter in einem temperaturregulierten Bad zugeführt. Vitamin E (1 g), welches ein viskoses dunkeloranges Öl ist, wurde zu einer berechneten Endkonzentration von ungefähr 1,9 g Vitamin E pro 100 g UHMWPE (1,9 Gew.-%) zugeführt.
Die Temperatur des Bades wurde auf 80°C erhöht, wonach gasförmiges CO₂ in den Reaktor auf einen Druck von 350 bar, gesteuert durch ein Druckmeßgerät, eingepumpt wurde. Die Mischung wurde bei dieser Temperatur und diesem Druck für 48 Stunden gehalten. Dann wurde der Druck in dem Reaktor über ein Mikroventil, welches mit einem Durchflußmesser verbunden war, bei einer konstanten Fließrate von CO₂ in einem Zeitraum von 20 Minuten abgesenkt, und die Temperatur des Bades anschließend solange abgekühlt, bis Umgebungsbedingungen erreicht wurden.
Das gedopte UHMWPE-Pulver hatte eine leicht gelbe Farbe von dem Vitamin E-Gehalt, und die Farbe war sichtbar homogen (das nicht gedopte UHMWPE-Pulver ist weiß). Das UHMWPE-Pulver wurde ebenfalls der FTIR-Spektroskopie ausgesetzt, und es wurde festgestellt, daß das Vitamin E homogen innerhalb der UHMWPE-Partikel verteilt war.
Beispiel 2
Ein mit Vitamin E bei einer Konzentration von 0,5 Gew.-% gedoptes UHMWPE wurde hergestellt und zu Blöcken druckgegossen. Probenstangen von 3×3×10 mm³ wurden dann aus den Blöcken hergestellt und γ-Strahlung bei Dosen von 0 bis 200 kGy ausgesetzt. UHMWPE-Proben ohne Vitamin E wurden auf die gleiche Weise hergestellt und unter den gleichen Bedingungen bestrahlt. Die Konzentration der in dem Material befindlichen freien Radikale wurde dann mittels ESR gemessen.
Die Ergebnisse des ESR sind in der Tabelle 1 gezeigt, in welcher die Radikalkonzentration der reinen UHMWPE und der mit Vitamin E gedopten UHMWPE-Proben jeweils unmittelbar nach γ-Strahlung und nach ungefähr 1, 3, 5 und 9 Wochen gezeigt sind. Jedes Ergebnis entspricht dem Durchschnittswert, welcher von vier verschiedenen Proben errechnet wurde.
Tabelle 1
In der Tabelle 1 ist klar dargestellt, daß das Vorhandensein von 0,5 Gew.-% Vitamin E eine dramatische Wirkung auf die durch die Bestrahlung induzierte Radikalkonzentration in dem UHMWPE unmittelbar nach der γ-Strahlung hat. Vitamin E eliminiert nahezu vollständig die Bildung von Radikalen währen der γ-Strahlung. Es ist jedoch eine geringe Menge an Radikalen auch in dem UHMWPE-Proben mit Vitamin E ausgebildet.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung von einem mit Antioxidant gedoptem UHMWPE, welches in einem Implantat verwendet werden soll, in einem Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß UHMWPE-Partikel mit einem Antioxidant und einem Lösungsmittel, welches CO₂ enthält, unter überkritischen Fluidbedingungen bei erhöhter Temperatur und Druck gemischt werden, wodurch ein Suprafluidgemisch gebildet wird, und nach dem Mischen der Druck in dem Reaktor verringert wird, wodurch CO₂ aus dem Gemisch verdampft wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gemischs oberhalb der überkritischen Temperatur für CO₂ liegt.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gemischs in dem Reaktor wenigstens 50°C beträgt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Reaktor oberhalb des überkritischen Drucks für CO₂ liegt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Reaktor wenigstens 10 mPa (100 bar) beträgt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Antioxidantkonzentration des gedopten UHWMPE-Materials gesteuert wird, in dem ein Parameter für die Antioxidantlöslichkeit in dem Suprafluidgemisch verändert wird.
Ein Verfahren wie in Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter die Temperatur in dem Reaktor ist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter der Druck in dem Reaktor ist.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antioxidantkonzentration des gedopten UHMWPE-Materials durch die Menge an Antioxidant, welches mit den UHMWPE-Partikeln vermischt wird, gesteuert wird.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antioxidantkonzentration des mit dem Antioxidant gedopten UHMWPE-Materials 0,005 bis 5,0 Gew% beträgt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antioxidantkonzentration des mit Antioxidant gedopten UHMWPE-Materials etwa 0,1 bis 1,0 Gew-% beträgt.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen in dem Reaktor wenigstens 1 Stunde lang ausgeführt wird.
Ein Verfahren wie in Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen in dem Reaktor wenigstens 10 Stunden lang ausgeführt wird.
Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Antioxidant Vitamin E ist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Vitamin E α-Tocopherol ist.
Ein verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Antioxidant gedopte UHMWPE-Matieral mit γ-Strahlen in einer Dosis von wenigstens 2 Mrad bestrahlt wird.
Ein Verfahren wie in Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis wenigstens 9 Mrad beträgt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des mit Antioxi dant gedopten UHMWPE-Materials nach der γ-Bestrahlung angehoben wird.
Ein Verfahren wie in Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf wenigstens 80°C angehoben wird.