DE60300403T2

DE60300403T2 - Sequentiell quervernetztes Polyethylen für medizinische Implantate

Info

Publication number: DE60300403T2
Application number: DE60300403T
Authority: DE
Inventors: Aiguo Wayne Wang; John H. Dumbleton
Original assignee: Howmedica Osteonics Corp
Current assignee: Howmedica Osteonics Corp
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: US20100197881A1; AU2003204537B2; EP1369135A1; US8324291B2; JP4184872B2; US20120029160A1; ATE291447T1; US7714036B2; US8680173B2; AU2003204537A1; CA2429930A1; JP2004043798A; US9181409B2; US20130046042A1; US8030370B2; US20160024261A1; DE60300403D1; EP1369135B1; US9650476B2; CA2429930C

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Diese Erfindung betrifft medizinische Implantate aus einem polymeren Material wie Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht, mit einer hervorragenden Oxidationsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit, die durch ein sequentielles Bestrahlungs- und Temperverfahren erzeugt werden.
Zur Herstellung künstlicher Prothesen zum Einsatz in der Biomedizin, insbesondere für orthopädische Anwendungsbereiche, wurden verschiedene Polymersysteme verwendet. Von diesen wird häufig Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht für Gelenkflächen bei künstlichen Knie-, Hüft- und anderen Gelenkersätzen verwendet. Als Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht (UHMWPE) wurden die linearen Polyethylene definiert, die bei einer Lösungskonzentration von 0,05% bei 135°C in Dekahydronaphthalin eine relative Viskosität von 2,3 oder höher aufweisen. Die nominale gewichtsdurchschnittliche Molmasse beträgt mindestens 400.000 und bis zu 10.000.000 und gewöhnlich von drei bis sechs Millionen. Das Herstellungsverfahren beginnt damit, dass das Polymer als feines Pulver bereitgestellt wird, das durch Kolbenstrangpressen oder Pressen in verschiedene Formen wie Stäbe oder Tafeln verfestigt wird. Anschließend werden die verfestigten Stäbe oder Tafeln durch maschinelle Bearbeitung in die Endform der orthopädischen Implantatbestandteile gebracht. Wahlweise kann der Bestandteil durch Pressen des UHMWPE-Harzpulvers hergestellt werden.
Sämtliche Bestandteile müssen dann vor Verwendung, jedoch üblicherweise, nachdem sie verpackt wurden, sterilisiert werden. Für medizinische Anwendungsbereiche können mehrere Sterilisationsverfahren eingesetzt werden, wie die Verwendung von Ethylenoxid, Plasma, Wärme oder Bestrahlung. Jedoch kann durch die Wärmebehandlung eines verpackten polymeren medizinischen Erzeugnisses entweder die Unversehrtheit des Verpackungsmaterials (insbesondere des Verschlusses, der Bakterien daran hindert, nach dem Sterilisationsschritt in die Packung zu gelangen) oder das Erzeugnis selbst zerstört werden.
Es wurde festgestellt, dass der starke Energiestrahl unabhängig von der Strahlungsart während der Bestrahlung in Polymeren freie Radikale erzeugt. Es wurde auch festgestellt, dass die Menge oder Anzahl der erzeugten freien Radikale von der Strahlungsdosis abhängt, die die Polymere empfangen, und dass die Verteilung der freien Radikale im polymeren Implantat abhängig ist von der Form des Bestandteils, der Polymerert, der Dosisleistung und der Art des Strahls. Die Erzeugung freier Radikale kann durch die folgende Reaktion beschrieben werden (bei der zur Veranschaulichung ein Polyolefin und Gammabestrahlung verwendet werden):
In Abhängigkeit davon, ob Sauerstoff vorhanden ist oder nicht, reagieren die primären Radikale r· nach den folgenden Reaktionen mit Sauerstoff und dem Polymer, wie es beschrieben ist in „Radiation Effects on Polymers", herausgegeben von Roger L. Clough und Shalaby W. Shalaby, veröffentlicht von der American Chemical Society, Washington, D. C., 1991.
In Gegenwart von Sauerstoff

rO₂ + Polyolefin -------- rOOH + P· (3)
P + O₀ -------- PO₂· (4)
rO₂·, PO₂· ----- einige Kettenspaltungsprodukte (6)
P· + PO₂ ------ POOP (Ester-Vernetzungen) (8)
2P· ------------- P-P (C-C-Vernetzungen) (9)

Bei Bestrahlung an der Luft reagieren primäre Radikale r· mit Sauerstoff und bilden Peroxyradikale rO₂·, die dann mit dem Polyolefin (beispielsweise UHMWPE) reagieren und die oxidativen Kettenspaltungsreaktionen (Reaktion 2 bis 6) einzuleiten. Durch diese Reaktionen verschlechtern sich die Materialeigenschaften des Kunststoffs, beispielsweise das Molekulargewicht, die Zug- und Verschleißeigenschaften.
Es wurde festgestellt, dass die Hydroperoxide (rOOH und POOH), die in den Reaktionen 3 und 5 gebildet werden, langsam zerfallen, wie in Reaktion 7 gezeigt, und somit eine Verschlechterung nach der Bestrahlung herbeiführen. Die Reaktionen 8 und 9 stellen Abbruchstufen der freien Radikale dar, die Ester- oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Vernetzungen bilden. Je nach Art des Polymers kann sich das Ausmaß der Reaktionen 8 und 9 im Verhältnis zu den Reaktionen 2 bis 7 ändern. Bei bestrahltem UHMWPE wurde ein Wert von 0,3 für das Verhältnis von Kettenspaltung zu Vernetzung gewonnen, was anzeigt, dass die Kettenspaltung bei dem bestrahlten Polyethylen einen hohen Anteil aufweist, obwohl das Vernetzen ein beherrschender Vorgang ist.
Da kein Oxidationsmittel vorhanden ist, können die primären Radikale r· oder sekundären Radikale P· bei Bestrahlung in einer inerten Atmosphäre gemäß den folgenden Reaktionen 10 bis 12 nur mit anderen benachbarten freien Radikalen reagieren und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Vernetzungen bilden. Reagieren alle freien Radikale nach den Reaktionen 10 bis 12, kommt es nicht zur Kettenspaltung und nicht zur Verschlechterung des Molekulargewichts. Außerdem ist der Grad der Vernetzung in Bezug auf das ursprüngliche Polymer vor der Bestrahlung höher. Werden andererseits nicht alle gebildeten freien Radikale nach den Reaktionen 10, 11 und 12 verbunden, verbleiben einige freie Radikale in dem Kunststoffbestandteil.
In einer inerten Atmosphäre

r· + Polyolefin -------- P· (10)
2r· ----------- r-r (C-C-Vernetzung) (11)
2P· ---------- P-P (C-C-Vernetzung) (12)

Es ist bekannt, dass, je weniger freie Radikale vorhanden sind, das Polymer über die Zeit seine physikalischen Eigenschaften umso besser beibehält. Je höher die Anzahl der freien Radikale, umso höher ist der Grad der Verschlechterung des Molekulargewichts und der Polymereigenschaften. Der Anmelder hat festgestellt, dass es von den Reaktionsgeschwindigkeiten und dem Zeitraum abhängt, der der Reaktion zum Ablauf gegeben wird, wie vollständig die Vernetzungsreaktionen der freien Radikale sind.
UHMWPE wird häufig eingesetzt, um Ersatzgelenke wie künstliche Hüftgelenke herzustellen. In den letzten Jahren wurde festgestellt, dass es aufgrund von Bruchstücken durch den Verschleiß von UHMWPE zu Gewebsnekrose und Osteolyse an Grenzflächen kommen kann. Beispielsweise können durch den Verschleiß von Hüftgelenkpfannenprothesen aus UHMWPE in künstlichen Hüftgelenken mikroskopisch kleine Bruchstücke, die durch Verschleiß verursacht sind, in das umgebende Gewebe eingebracht werden.
Durch die Verbesserung der Verschleißfestigkeit der UHMWPE-Pfanne und der damit verbundenen geringeren Erzeugung von Bruchstücken, die durch Verschleiß verursacht sind, kann die Lebensdauer künstlicher Gelenke verlängert werden und sie können erfolgreich bei jüngeren Patienten eingesetzt werden. Folglich wurden viele Änderungen der physikalischen Eigenschaften von UHMWPE vorgeschlagen, um seine Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Im Fachgebiet ist bekannt, dass Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht (UHMWPE) durch Bestrahlung mit hochenergetischer Strahlung wie Gammastrahlen in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum vernetzt werden kann. Die Bestrahlung von UHMWPE mit Gammastrahlen leitet mehrere radikalische Reaktionen in dem Polymer ein. Eine davon ist die Vernetzung. Durch diese Vernetzung entsteht in dem Polymer ein dreidimensionales Netzwerk, durch das es in mehrere Richtungen beständiger gegen Adhäsivverschleiß wird. Die freien Radikale, die sich bei der Bestrahlung von UHMWPE bilden, können sich ebenfalls an der Oxidation beteiligen, wodurch sich das Molekulargewicht des Polymers durch Kettenspaltung verringert, was zur Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften, zur Versprödung und einem starken Anstieg des Verschleißfortschritts führt. Die freien Radikale sind sehr langlebig (über acht Jahre), sodass die Oxidation sich über einen sehr langen Zeitraum fortsetzt, wodurch es aufgrund der Oxidation über die Lebensdauer des Implantats zu einem Anstieg des Verschleißfortschritts kommt.
Sun et al. offenbaren in US-Patentschrift 5,414,049 ausführlich den Einsatz von Strahlung zur Bildung freier Radikale und von Wärme zur Bildung von Vernetzungen zwischen den freien Radikalen vor der Oxidation.
US-Patentschrift 6,168,626 (Hyun et al.) betrifft ein Verfahren zur Bildung orientierter UHMWPE-Werkstoffe, die in künstlichen Gelenken eingesetzt werden können, durch Bestrahlung mit niedrigen Dosen einer hochenergetischen Strahlung in einem Inertgas oder im Vakuum zur Vernetzung des Werkstoffs in einem geringen Maße, Erhitzung des bestrahlten Werkstoffs auf eine Temperatur, bei der eine Druckformung möglich ist, vorzugsweise auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt oder höher, und Durchführen der Druckformung mit anschließender Kühlung und Verfestigung des Werkstoffs. Die orientierten UHMWPE-Werkstoffe weisen eine verbesserte Verschleißfestigkeit auf. Medizinische Implantate können maschinell aus den orientierten Werkstoffen hergestellt werden oder unmittelbar während des Druckformungsschritts geformt werden. Durch die anisotropen Eigenschaften der orientierten Werkstoffe können sie, nachdem sie maschinell zu Implantaten verarbeitet wurden, anfällig für Verformungen sein.
US-Patentschrift 6,228,900 (Salovey et al.) betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Verschleißfestigkeit von Polymeren einschließlich UHMWPE, indem sie durch Bestrahlung in der Schmelze vernetzt werden.
US-Patentschrift 6,316,158 (Saum et al.) betrifft ein Verfahren zum Behandeln von UHMWPE durch Bestrahlung mit anschließender Wärmebehandlung des Polyethylens bei einer Temperatur von über 150°C zur Rekombination von Vernetzungen und zur Beseitigung von freien Radikalen.
In verschiedenen weiteren Patenten nach dem Stand der Technik wird versucht, Verfahren bereitzustellen, die die physikalischen Eigenschaften von UHMWPE verbessern. Die europäische Patentanmeldung 0 177 522 81 betrifft UHMWPE-Pulver, die erhitzt und zu einer einheitlich geschmolzenen, kristallisierten Gestalt verdichtet werden, ohne Speicherung der ursprünglichen Granulateigenschaften der UHMWPE-Pulverteilchen und mit verbessertem Elastizitätsmodul und verbesserter Festigkeit. US-Patentschrift 5,037,928 betrifft ein vorgeschriebenes Erhitzungs- und Kühlverfahren zum Herstellen eines UHMWPE, das eine Verbindung von Eigenschaften aufweist, einschließlich einer Kriechfestigkeit von unter 1% (bei einer Temperatur von 23°C und einer relativen Luftfeuchte von 50% während 24 Stunden bei einem Druck von 1000 psi), ohne dass auf die Zug- und Biegeeigenschaften zu verzichtet werden muss. UK-Patentanmeldung GB 2 180 815 A betrifft ein Verpackungsverfahren, bei dem eine medizinische Vorrichtung, die in einem sterilen Beutel verschlossen ist, nach der Bestrahlung/Sterilisation in einem Verpackungselement aus einem sauerstoffundurchlässigem Werkstoff zusammen mit einem Desoxidationsmittel zur Vermeidung der Oxidation nach der Bestrahlung luftdicht verschlossen wird.
US-Patentschrift 5,153,039 betrifft einen Gegenstand aus Polyethylen hoher Dichte mit Sperreigenschaften gegen Sauerstoff. US-Patentschrift 5,160,464 betrifft ein Bestrahlungsverfahren von Polymeren im Vakuum.
US-Patentschrift 5,650,485 (Sun) beschreibt ein medizinisches Implantat aus einem Kunststoffharz, das getempert wird, um das Implantat zu formen, wobei das Implantat anschließend in einer Verpackung verschlossen, bestrahlt und weiter getempert wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines polymeren Werkstoffs wie UHMWPE mit hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich Oxidationsbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und Verschleiß. Zur Veranschaulichung wird UHMWPE als Beispiel verwendet, um die Erfindung zu beschreiben. Jedoch sollen alle Theorien und Verfahren, die im Folgenden beschrieben sind, auch für andere polymere Werkstoffe gelten wie Polypropylen, Polyethylen hoher Dichte, polymere Kohlenwasserstoffe, Polyester, Nylon, Polyurethan, Polykarbonate und Poly(methyhnethakrylat), sofern nicht anders angegeben. Das Verfahren umfasst den Einsatz einer Reihe von verhältnismäßig geringen Strahlungsdosen mit einem Tempervorgang nach jeder Dosis.
Wie zuvor angemerkt wurde, ist das UHMWPE-Polymer sehr stabil und weist eine sehr gute Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien auf, mit Ausnahme von stark oxidierenden Säuren. Bei Bestrahlung werden freie Radikale gebildet, durch die das UHMWPE für chemische Reaktionen und physikalische Veränderungen aktiviert wird. Zu den möglichen chemischen Reaktionen zählen die Reaktion mit Sauerstoff, Wasser, Körperflüssigkeiten und anderen chemischen Verbindungen, wohingegen zu den physikalischen Veränderungen die Dichte, Kristallinität, Farbe und andere physikalische Eigenschaften zählen. Bei der vorliegenden Erfindung verbessert das sequentielle Bestrahlungs- und Temperverfahren im Vergleich zur Bestrahlung mit der gleichen Gesamtstrahlungsdosis in einem Schritt die physikalischen Eigenschaften von UHMWPE sehr. Außerdem werden bei diesem Verfahren keine Stabilisatoren, Antioxidationsmittel oder andere chemische Verbindungen eingesetzt, die möglicherweise ungünstige Auswirkungen bei biomedizinischen oder orthopädischen Anwendungen aufweisen können.
Es ist auch bekannt, dass bei verhältnismäßig niedrigen Strahlungsdosen (< 50 kGy (< 5 MRad)) restliche freie Radikale meist im kristallinen Bereich eingefangen werden, wohingegen sich im amorphen Bereich die meisten freien Radikale vernetzen. Über die Grenze von kristallin zu amorph gibt es ein steiles Konzentrationsgefälle von freien Radikalen, wodurch die freien Radikale einen starken Antrieb erhalten, in den amorphen Bereich zu diffundieren, wo sie sich bei dem darauf folgenden Tempern vernetzen können. Wenn man jedoch das Polyethylen stetig höhere Strahlungsdosen speichern lässt, ohne dass unterbrechend getempert wird, werden die Moleküle im amorphen Bereich durch die erhöhte Vernetzung immer versteifter. Dadurch fängt der amorphe Bereich immer mehr freie Radikale ein. Dies führt zu einem geringeren Gefälle von freien Radikalen über die Grenze von kristallin zu amorph, wodurch der Antrieb für die freien Radikale, beim darauf folgenden Tempern zu diffundieren, verringert wird. Durch Begrenzung der steigenden Dosis auf unter 50 kGy (5 MRad) und vorzugsweise unter 35 kGy (3,5 MRad) und anschließendem Tempern kann ein verhältnismäßig höherer Antrieb für die freien Radikale zur Diffusion beibehalten werden, wodurch beim Tempern eine wirksamere Verringerung freier Radikale möglich ist. Wenn höhere Strahlungsdosen eingesetzt werden, könnte an den gefalteten Kristallflächen Vernetzung auftreten. Dies könnte die Bewegung der freien Radikale vom Kristall in die amorphen Bereiche behindern.
Es wurde festgestellt, dass die Kristallinität von Polyethylen durch Kettenspaltung mit steigenden Strahlungsdosen stetig ansteigt (etwa 55% vor der Bestrahlung, ansteigend auf 60% bei 30 kGy (3,0 MRad) und auf 65% bei 100 kGy (10 MRad).
Wenn die Kristallinität mit steigender Strahlungsdosis steigt, werden mehr restliche freie Radikale erzeugt und in den zusätzlichen kristallinen Bereichen gespeichert, wodurch es immer schwieriger wird, freie Radikale durch Tempern unter der Schmelztemperatur zu beseitigen. Jedoch verändert die Behandlung über der Schmelztemperatur (Wiedereinschmelzen) die Kristallinität und Kristallmorphologie erheblich, was zu einer starken Minderung mechanischer Eigenschaften wie Streckgrenze und Zugfestigkeit und Kriechfestigkeit führt und diese Eigenschaften sind wichtig für die strukturelle Unversehrtheit des Implantats.
Ein orthopädischer vorgeformter Werkstoff wie ein Stab, eine Stange oder eine gepresste Platte für die darauf folgende Herstellung eines medizinischen Implantats wie einem Hüftgelenkpfannen- oder Schienbeinimplantat mit verbesserter Verschleißfestigkeit ist aus einem Polyethylenwerkstoff hergestellt, der mindestens zweimal durch Bestrahlung vernetzt und nach jeder Bestrahlung durch Tempern wärmebehandelt wird. Der Werkstoff wird durch eine Strahlungsdosis von insgesamt ca. 20 kGy bis ca. 1000 kGy (2 MRad bis 100 MRad) und vorzugsweise zwischen 50 kGy und 100 kGy (5 MRad und 10 MRad) vernetzt. Die steigende Dosis für jede Bestrahlung liegt zwischen ca. 2 MRad und ca. 50 kGy (5 MRad). Die gewichtsdurchschnittliche Molmasse des Werkstoffs beträgt mehr als 400,000.
Das Tempern findet bei einer Temperatur von mehr als 25°C statt, vorzugsweise zwischen 110°C und 135°C, aber niedriger als der Schmelzpunkt. Im Allgemeinen findet das Tempern für eine Zeit und bei einer Temperatur statt, die so ausgewählt werden, dass sie dem Erhitzen des bestrahlten Werkstoffs bei 50°C für 144 Stunden, wie durch die Arrhenius-Gleichung 14 definiert, zumindest gleich sind. Der Werkstoff wird mindestens etwa 4 Stunden erhitzt und anschließend auf Zimmertemperatur abgekühlt, für die in der Reihe darauf folgende Bestrahlung.
Durch Begrenzung der steigenden Dosis auf unter 50 kGy (5 MRad) und vorzugsweise auf unter 35 kGy (3,5 MRad) und anschließendem Tempern schwankt die Kristallinität zwischen 55% und 60% (anstatt zwischen 55 und 65%) und damit können sowohl der Anteil der Kettenspaltung wie auch der Gehalt an restlichen freien Radikalen erheblich verringert werden.
Das Polyethylen der vorliegenden Erfindung kann in Form eines vorgeformten Stabs oder einer vorgeformten Platte vorliegen, mit darauf folgender Herstellung eines medizinischen Implantats mit verbesserter Verschleißfestigkeit. Der vorgeformte Stab oder die vorgeformte Platte wird mindestens zweimal durch Bestrahlung vernetzt und nach jeder Bestrahlung durch Tempern wärmebehandelt. Die steigende Dosis für jede Bestrahlung liegt vorzugsweise zwischen ca. 20 und 50 kGy (2 und 5 MRad), wobei die Gesamtdosis zwischen 20 und 1000 kGy (2 und 100 MRad) und vorzugsweise zwischen 50 und 100 kGy (5 und 10 MRad) liegt.
Nach jeder Bestrahlung wird das vorgeformte Material entweder an der Luft oder in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur von mehr als 25°C und vorzugsweise weniger als 135°C oder dem Schmelzpunkt getempert. Vorzugsweise findet das Tempern für eine Zeit und bei einer Temperatur statt, die so ausgewählt werden, dass sie dem Erhitzen des bestrahlten Materials bei 50°C für 144 Stunden, wie durch die Arrhenius-Gleichung 14 definiert, zumindest gleich sind. Im Allgemeinen dauert jede Wärmebehandlung mindestens 4 Stunden und vorzugsweise etwa 8 Stunden.
Der vorgeformte Polyethylenwerkstoff wird anschließend maschinell zu einem medizinischen Implantat oder einer anderen Vorrichtung verarbeitet. Erfolgte der Bestrahlungsvorgang an der Luft, wird die gesamte Außenhaut vor der maschinellen Herstellung des medizinischen Implantats oder der anderen Vorrichtung um etwa 2 mm tief von der Vorform entfernt. Erfolgte der Vorgang im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre wie Stickstoff, kann die Außenhaut erhalten bleiben.
Die Endergebnisse der verringerten Kettenspaltung und dem verringerten Gehalt an freien Radikalen sind verbesserte mechanische Eigenschaften, eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und eine bessere Verschleißfestigkeit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt die Oxidationsindexprofile der Probekörper von Beispiel 8; und
2 zeigt die Oxidationsindexprofile der Probekörper von Beispiel 11.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die in dieser Anmeldung verwendeten Ankürzungen sind:
UHMW – extrem hohes Molekulargewicht
UHMWPE – Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht
HMW – hohes Molekulargewicht
HMWPE – Polyethylen mit hohem Molekulargewicht
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Verbessern der Verschleißfestigkeit eines Polymers durch Vernetzen (vorzugsweise der Auflagefläche des Polymers) und anschließende Wärmebehandlung des Polymers sowie des entstehenden Polymers bereit. Vorzugsweise wird die am stärksten oxidierte Oberfläche des Polymers auch entfernt. Es werden auch die Verfahren zum Einsatz der polymeren Zusammensetzungen zur Herstellung von Erzeugnissen vorgestellt, und die entstehenden Erzeugnisse, z.B. in-vivo-Implantate.
Bei dem Verfahren der Erfindung werden mindestens zwei getrennte Bestrahlungen zum Vernetzen eines Polymers durchgeführt, gefolgt von einer gleichen Anzahl von Wärmebehandlungen zur Verringerung der freien Radikale, um entweder eine behandelte, vollständig geformte oder eine vorgeformte polymere Zusammensetzung herzustellen. Der Begriff „vorgeformte polymere Zusammensetzung" bedeutet, dass die polymere Zusammensetzung keine gewünschte endgültige Gestalt oder Form aufweist (d.h. kein Enderzeugnis ist). Wenn beispielsweise das Enderzeugnis aus der vorgeformten polymeren Zusammensetzung eine Hüftgelenkpfannenprothese ist, könnten die mindestens zwei Bestrahlungen und Wärmebehandlungen des Polymers an der Form erfolgen, wie sie vor der Form der Hüftgelenkpfannenprothese vorliegt, beispielsweise wenn die vorgeformte polymere Zusammensetzung die Form einer festen Stange oder eines festen Blocks aufweist. Selbstverständlich könnte das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf ein vollständig geformtes Implantat angewendet werden, wenn das Verfahren an dem Implantat in einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre erfolgt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Verschleißfestigkeit eines Polymers durch Vernetzung verbessert. Die Vernetzung kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden, die im Fachgebiet bekannt sind, beispielsweise durch Bestrahlung von einer Gammastrahlungsquelle oder von einem Elektronenstrahl oder durch photochemische Vernetzung. Das bevorzugte Verfahren zum Vernetzen des Polymers ist die Gammabestrahlung. Das Polymer wird vorzugsweise in Form einer extrudierten Stange oder eines geformten Blocks vernetzt.
Bei dem bevorzugten Verfahren erfährt das vernetzte Polymer eine Wärmebehandlung wie Tempern (d.h. Erhitzung über, bei oder unter der Schmelztemperatur des vernetzten Polymers), um die vorgeformte polymere Zusammensetzung herzustellen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die äußere Schicht der entstehenden vorgeformten polymeren Zusammensetzung entfernt, die im Allgemeinen die am stärksten oxidierte und am wenigsten vernetzte ist und damit die geringste Verschleißfestigkeit aufweist. Beispielsweise kann die Auflagefläche der vorgeformten polymeren Zusammensetzung von innen geformt werden, z.B. indem die Oberfläche der bestrahlten und wärmebehandelten Zusammensetzung vor oder während des Formens zum Enderzeugnis, z.B. zu einem Implantat, maschinell entfernt wird. Auflageflächen sind Flächen, die über Bewegung, z.B. durch Gleiten, Drehen oder Kreisen, zueinander in Verbindung stehen.
Polymere mit hohem Molekulargewicht (HMW) und extrem hohem Molekulargewicht (UHMW) werden bevorzugt, beispielsweise HMW-Polyethylen (HMWPE), Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht (UHMWPE) und UHMW-Polypropylen. HMW-Polymere weisen ein Molekulargewicht auf, das von etwa 10⁵ Gramm je Mol bis knapp unter 10⁶ reicht. UHMW-Polymere weisen ein Molekulargewicht auf, das gleich oder größer als 10⁶ Gramm je Mol ist, vorzugsweise von 10⁶ bis etwa 10⁷. Die Polymere weisen im Allgemeinen zwischen etwa 400.000 Gramm je Mol bis etwa 10.000.000 auf und sind vorzugsweise Polyolefinwerkstoffe.
Die bevorzugten Polymere für Implantate sind diejenigen, die verschleißfest sind und eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit aufweisen. UHMWPE ist das günstigste Polymer, da es für diese Eigenschaften bekannt ist und derzeit weit verbreitet zur Herstellung von Hüftgelenkpfannenprothesen für einen totalen Hüftgelenkersatz und von Bestandteilen anderer Gelenkprothesen ist. Beispiele für UHMWPE sind diejenigen, die ein Molekulargewicht von etwa 1 bis 8 × 10⁶ Gramm je Mol aufweisen, für die Beispiele sind: GUR 1150 oder 1050 (Hoechst-Celanese Corporation, League City, Texas) mit einer gewichtsdurchschnittlichen Molmasse von 5 bis 6 × 10⁶ Gramm je Mol; GUR 1130 mit einer gewichtsdurchschnittlichen Molmasse von 3 bis 4 × 10⁶; GUR 1120 oder 1020 mit einer gewichtsdurchschnittlichen Molmasse von 3 bis 4 × 10⁶; RCH 1000 (Hoechst-Celanese Corp.) mit einer gewichtsdurchschnittlichen Molmasse von 4 × 10⁶ und HiFax 1900 von 2 bis 4 × 10⁶ (HiMont, Elkton, Maryland). In der Vergangenheit haben Unternehmen, die Implantate herstellen, Polyethylene wie HIFAX 1900, GUR 1020, GUR 1050, GUR 1120 und GUR 1150 zur Herstellung von Hüftgelenkpfannenprothesen verwendet.
Sterilisationsverfahren: Alle polymeren Erzeugnisse müssen vor dem Einpflanzen in den menschlichen Körper mit einem geeigneten Verfahren sterilisiert werden. Bei den geformten vernetzten und wärmebehandelten polymeren Zusammensetzungen (d.h. den Enderzeugnissen) der vorliegenden Erfindung werden die Erzeugnisse vorzugsweise mit einem Verfahren sterilisiert, das nicht auf Bestrahlung beruht, beispielsweise mit Ethylenoxid oder Plasma, damit es zu keiner zusätzlichen Vernetzung der freien Radikale und/oder Oxidation der zuvor behandelten vorgeformten polymeren Zusammensetzung kommt. Im Vergleich zu einer Sterilisation durch Bestrahlung beeinflusst ein Sterilisationsverfahren, das nicht auf Bestrahlung beruht, die anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften des Erzeugnisses geringfügig.
Der Kristallinitätsgrad kann mithilfe von Verfahren bestimmt werden, die im Fachgebiet bekannt sind, z.B. mit der Differentialkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry, DSC), die im Allgemeinen verwendet wird, um die Kristallinität und das Schmelzverhalten eines Polymers zu beurteilen. Wang, X. & Salovey, R., J. App. Polymer Sci., 34: 593–599 (1987).
Auch die Weitwinkelröntgenstreuung aus dem entstehenden Polymer kann verwendet werden, um den Kristallinitätsgrad des Polymers weiter zu bestätigen, wie es zum Beispiel beschrieben ist in Spruiell, J. E. & Clark, E. S. in „Methods of Experimental-Physics", L. Marton & C. Marton, Eds., Vol. 16, Part B, Academic Press, New York (1980). Zu weiteren Verfahren zur Bestimmung des Kristallinitätsgrads des entstehenden Polymers kann beispielsweise die Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR) gehören, wie beschrieben in „Fourier Transform Infrared Spectroscopy And Its Application To Polymeric Materials", John Wiley and Sons, New York, U.S.A. (1982), und die Dichtemessung (ASTM D1505-68). Messungen des Gelteilchengehalts und der Quellung werden im Allgemeinen verwendet, um die Verteilung der Vernetzung in Polymeren zu beschreiben; das Verfahren ist beschrieben in Ding, Z. Y. et al., J. Polymer Sci., Polymer Chem., 29: 1035–38 (1990). FTIR kann auch zur Beurteilung der Oxidationstiefenprofile sowie anderer chemischer Veränderungen wie des ungesättigten Zustands {(Nagy, E. V. & Li, S. „A Fourier transform infrared technique for the evaluation of polyethylene orthopedic bearing materials", Trans. Soc. for Biomaterials, 13: 109 (1990); Shinde, A. & Salovey, R., J. Polymer Sci., Polym. Phys. Ed., 23: 1681–1689 (1985)} verwendet werden.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von Implantaten mithilfe der vorgeformten polymeren Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung vorgestellt. Die vorgeformte polymere Zusammensetzung kann mit Verfahren, die im Fachgebiet bekannt sind, zu den geeigneten Implantaten geformt werden, z.B. maschinell. Vorzugsweise wird durch den Formungsvorgang, beispielsweise das maschinelle Bearbeiten, die oxidierte Oberfläche der Zusammensetzung entfernt.
Die vorgeformten polymeren Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können in jeder Lage eingesetzt werden, in der ein Polymer, insbesondere UHMWPE, benötigt wird, insbesondere aber bei Gegebenheiten, bei denen eine hohe Verschleißfestigkeit erwünscht ist. Insbesondere sind diese vorgeformten polymeren Zusammensetzungen bei der Herstellung von Implantaten von Nutzen.
Nach einem wichtigen Gesichtspunkt dieser Erfindung werden Implantate vorgestellt, die mit den zuvor beschriebenen vorgeformten polymeren Zusammensetzungen oder gemäß den Verfahren hergestellt werden, die hier dargestellt sind. Insbesondere werden die Implantate aus vorgeformten polymeren Zusammensetzungen aus UHMWPE hergestellt, das mindestens zweimal bestrahlt und vernetzt wird, wobei anschließend jedes Mal getempert wird und dann die oxidierte Oberflächenschicht entfernt und die endgültige Gestalt hergestellt wird. Die vorgeformte polymere Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann zur Herstellung der Hüftgelenkpfannenprothese oder des Einsatzes oder der Auskleidung der Prothese oder der Zapfenlager (z.B. zwischen dem modularen Kopf und dem Hüftstiel) verwendet werden. Im Kniegelenk das Tibiaplateau (Oberschenkel-Schienbein-Gelenk), Bestandteile der Kniescheibe (Kniescheiben-Oberschenkel-Gelenk) und/oder weitere Bestandteile mit Lagerfunktion, in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des künstlichen Kniegelenks. Dazu würde die Anwendung auf „mobile bearing"-Knie zählen, wo die Gelenkverbindung zwischen Tibiaeinsatz und Tibiaschale liegt. Bei der Schulter kann das Verfahren bei der Schulterpfanne eingesetzt werden. Beim oberen Sprunggelenk kann die vorgeformte polymere Zusammensetzung dafür verwendet werden, die Sprungbeinfläche (Schienbein-Sprungbein-Gelenk) oder weitere Bestandteile mit Lagerfunktion herzustellen. Beim Ellenbogengelenk kann die vorgeformte polymere Zusammensetzung zur Herstellung der Articulatio humeroradialis, der Articulatio humeroulnaris und weiterer Bestandteile mit Lagerfunktion verwendet werden. Bei der Wirbelsäule kann die vorgeformte polymere Zusammensetzung zur Herstellung von einem Bandscheiben- und Facettengelenkersatz verwendet werden. Aus der vorgeformten polymeren Zusammensetzung können auch die Articulatio temporomandibularis (Kiefer) und Fingergelenke hergestellt werden. Das zuvor Ausgeführte ist beispielhaft angegeben und nicht einschränkend gemeint.
Im Folgenden werden der erste und zweite Gesichtspunkt der Erfindung ausführlicher dargelegt.
Erster Gesichtspunkt der Erfindung: Polymere Zusammensetzungen mit erhöhter Verschleißfestigkeit.
Mit dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung werden vorgeformte polymere Zusammensetzungen bereitgestellt, die verschleißfest und von Nutzen bei der Herstellung von in-vivo-Implantaten sind. Bei diesem Gesichtspunkt betragen die mindestens zwei (2) steigenden Strahlungsdosen bei Polymeren im Allgemeinen und günstiger bei UHMW- und HMW-Polymeren vorzugsweise von etwa 10 bis 100 kGy (1 bis etwa 100 MRad) und günstiger von etwa 20 kGy bis etwa 50 kGy (2 bis etwa 5 MRad). Dieser günstigste Bereich beruht darauf, ein angemessenes Gleichgewicht zwischen einer verbesserten Verschleißfestigkeit und der geringsten Verschlechterung anderer wichtiger physikalischer Eigenschaften zu erreichen. Die Gesamtdosis liegt zwischen 20 kGy und 1000 kGy (2 und 100 MRad) und günstiger zwischen 50 bis 100 kGy (5 bis etwa 10 MRad).
Es wird erwartet, dass die in-vivo-Implantate der vorliegenden Erfindung, d.h. diejenigen, die innerhalb der zuvor angegebenen Dosisbereiche bestrahlt werden, im lebenden Organismus ohne mechanisches Versagen ihre Aufgabe erfüllen. Die Hüftgelenkpfannenprothesen aus UHMWPE, die Oonishi et al. [in Radial Phys. Chem., 39: 495–504 (1992)] verwendet haben, wurden mit bis 1000 kGy (100 MRad) bestrahlt und erfüllten ihre Aufgabe im lebenden Organismus 26 Jahre lang in der klinischen Verwendung, ohne dass über mechanisches Versagen berichtet wurde. Außerdem ist es überraschend, dass, wie in den BEISPIELEN gezeigt, Hüftgelenkpfannenprothesen aus der vorgeformten polymeren Zusammensetzung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, jedoch mit viel weniger als 1000 kGy (100 MRad) bestrahlt wurden, eine viel höhere Verschleißfestigkeit aufwiesen, als es von Oonishi et al. berichtet wurde.
Wenn andererseits für einen Anwender hauptsächlich die Verringerung des Verschleißes von Bedeutung ist und andere physikalische Eigenschaften zweitrangig sind, kann eine höhere Dosis als der zuvor angegebene günstigste Bereich (z.B. 50 bis 100 kGy (5 bis 10 MRad)) angemessen sein, oder umgekehrt (wie im folgenden Abschnitt in den ausführlichen Beispielen veranschaulicht). Die bestmögliche Strahlungsdosis beruht vorzugsweise auf der Gesamtdosis, die auf der Höhe der Auflagefläche des Enderzeugnisses empfangen wurde. Gammastrahlung ist bevorzugt.
Die bevorzugte Tempertemperatur nach jeder sequentiellen Bestrahlung liegt unter der Schmelztemperatur des UHMWPE, die im Allgemeinen unter 135°C liegt.
Die Tempertemperatur ist vorzugsweise ab etwa Zimmertemperatur bis unter die Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers; günstiger von etwa 90°C bis etwa 1°C unter der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers; und am günstigsten von etwa 110°C bis etwa 130°C. Beispielsweise kann UHMWPE bei einer Temperatur von etwa 25°C bis etwa 140°C getempert werden, vorzugsweise von etwa 50°C bis etwa 135°C und günstiger von etwa 80°C bis etwa 135°C und am günstigsten zwischen 110°C und 130°C. Der Temperzeitraum beträgt vorzugsweise zwischen etwa 2 Stunden bis etwa 7 Tage und günstiger von etwa 7 Stunden bis etwa 5 Tage und am günstigsten von etwa 10 Stunden bis etwa 24 Stunden.
Anstatt den zuvor angegebenen Bereich der Strahlungsdosis als Maßstab zu verwenden, kann der geeignete Grad der Vernetzung auf der Grundlage des Quellungsgrads, des Gelteilchengehalts oder des Molekulargewichts zwischen den Vernetzungen nach der Wärmebehandlung bestimmt werden. Diese Wahlmöglichkeit beruht auf den Ergebnissen des Anmelders (im Folgenden genau ausgeführt), dass Hüftgelenkpfannenprothesen aus UHMWPE, die in einen bevorzugten Bereich dieser physikalischen Größen fallen, einen geringeren oder nicht nachweisbaren Verschleiß aufweisen. Zu den Bereichen dieser physikalischen Größen gehören ein oder mehrere der folgenden: ein Quellungsgrad von zwischen etwa 1,7 bis etwa 5,3; ein Molekulargewicht zwischen den Vernetzungen von zwischen etwa 400 bis etwa 8400 g/mol; und ein Gelteilchengehalt von zwischen etwa 95% bis etwa 99%. Ein bevorzugtes Polymer oder Enderzeugnis weist ein oder mehrere und vorzugsweise alle der zuvor genannten Merkmale auf. Diese Größen können auch als Ausgangspunkte bei dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung verwendet werden (wie es durch den Ablaufplan veranschaulicht ist, der im Folgenden besprochen ist), um die gewünschte Strahlungsdosis zu bestimmen, damit die Verbesserung der Verschleißfestigkeit und die anderen gewünschten physikalischen oder chemischen Eigenschaften im Gleichgewicht sind, beispielsweise die Festigkeit oder Steifigkeit des Polymers.
Nach dem Vernetzen und der Wärmebehandlung wird vorzugsweise die am stärksten oxidierte Oberfläche der vorgeformten polymeren Zusammensetzung entfernt. Die Oxidationstiefenprofile der vorgeformten polymeren Zusammensetzung können mit Verfahren bestimmt werden, die im Fachgebiet bekannt sind, beispielsweise FTIR. Im Allgemeinen wird die am stärksten oxidierte Oberfläche der vorgeformten polymeren Zusammensetzung, die der Luft ausgesetzt ist, z.B. durch maschinelle Bearbeitung entfernt, bevor oder während die vorgeformte polymere Zusammensetzung zum Enderzeugnis geformt wird. Da Sauerstoff mit der Zeit durch das Polyethylen diffundiert, sollte das sequentielle Bestrahlen/Tempern vorzugsweise abgeschlossen sein, bevor Sauerstoff in hohen Konzentrationen in das Gebiet der Vorform diffundiert, aus dem das endgültige Teil hergestellt wird.
Wie zuvor festgestellt worden ist, beruhte der günstigste Bereich der Gesamtstrahlungsdosis zur Vernetzung (d.h. von 50 bis 100 kGy (5 bis 10 MRad)) auf Wang et al. „Tribology International" Vol. 3, No. 123 (1998) S. 17–35. Nach Bestrahlung an der Luft beträgt die Zwischenzeit vor dem Tempern vorzugsweise sieben Tage, aber zumindest bevor Sauerstoff in den Bereich des Stabs diffundiert, aus dem das Implantat hergestellt ist. Es wurde festgestellt, dass es mindestens sieben Tage dauert, bis er durch die Oberflächenschicht diffundiert.
Freie Radikale, die bei einem Bestrahlungsschritt erzeugt werden, sollten vor Kontakt mit Sauerstoff durch Tempern auf eine annehmbare Anzahl gesenkt werden. Der Abschnitt des Werkstoffs, aus dem das Implantat hergestellt ist, enthält freie Radikale, und wenn er nach dem Herstellvorgang der Luft oder anderen Oxidationsmitteln ausgesetzt wird, kommt es zur Oxidation. Der massive Teil des Polymers, aus dem das Implantat hergestellt werden soll, sollte bei einer höheren Temperatur getempert werden, während er für eine vorgeschrieben Zeit nicht in Berührung mit Sauerstoff kommt. Der Grund dafür ist, dass die Geschwindigkeit der Radikalreaktionen (Reaktionen 10 bis 12) mit steigender Temperatur zunimmt, gemäß den folgenden allgemeinen Ausdrücken: dr·/dt = k1[r·] und dP·/dt = k2[P·] (13)
Im Vergleich zu Zimmertemperatur erhöht eine höhere Temperatur nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k₁ und k₂, sondern trägt auch dazu bei, dass die freien Radikale r· und P· in der Kunststoffmatrix herumwandern und auf andere benachbarte freie Radikale treffen, um Vernetzungsreaktionen einzugehen. Im Allgemeinen liegt die erwünschte höhere Temperatur zwischen Zimmertemperatur und unterhalb des Schmelzpunkts des Polymers. Bei UHMWPE liegt dieser Temperaturbereich zwischen etwa 25°C und etwa 140°C. Es ist festzuhalten, dass der notwendige Zeitraum zur Vereinigung freier Radikale umso kürzer ist, je höher die eingesetzte Temperatur ist. Außerdem enthält das gebildete UHMWPE aufgrund der hohen Viskosität einer UHMWPE-Schmelze häufig (innere) Restspannungen durch die unvollständige Entspannung während des Kühlvorgangs, der der letzte Schritt des Formgebungsverfahrens ist. Der hier beschriebene Tempervorgang trägt auch dazu bei, die Restspannungen zu beseitigen oder zu verringern. Restspannungen in der Kunststoffmatrix können zu Anfälligkeit für Verformungen führen und sind im Allgemeinen unerwünscht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die sequentielle Bestrahlung mit anschließendem sequentiellem Tempern nach jeder Bestrahlung an der Luft an einer Vorform wie einem extrudierten Stab, einer extrudierten Stange oder einer gepressten Platte aus Polyethylen und vorzugsweise UHMWPE. Offensichtlich muss das abschließende sequentielle Tempern stattfinden, bevor das Vollmaterial des endgültigen Teils oder Implantats der Luft ausgesetzt wird. Für gewöhnlich dauert es mindestens sieben Tage, bis atmosphärischer Sauerstoff durch die Außenschicht von Polyethylen und tief genug in den Stab, die Stange oder Platte diffundiert, um das massive Polyethylen hervorzubringen, das das endgültige Teil bildet. Deshalb sollte das letzte Tempern der Abfolge vorzugsweise vor dem Zeitpunkt stattfinden, den der Sauerstoff benötigt, um tief in den Stab zu diffundieren. Selbstverständlich kann umso länger auf den Abschluss des sequentiellen Bestrahlungs- und Temperverfahrens gewartet werden, je mehr Material maschinell abgetragen werden muss, um das fertige Teil zu erhalten.
Erfolgt das sequentielle Bestrahlungs-/Temperverfahren an einem Enderzeugnis wie einer Hüftgelenkpfannenprothese nach der maschinellen Bearbeitung, wird der polymere Bestandteil vorzugsweise in einer luftdichten Verpackung in einer Atmosphäre ohne Oxidationsmittel verpackt, d.h. weniger als 1% Volumen je Volumen. Somit muss vor dem Abdichtungsschritt sämtliche Luft und Feuchtigkeit aus der Verpackung entfernt werden. Die Maschinen hierfür sind beispielsweise von Orics Industries Inc., College Point, New York, im Handel erhältlich, die die Verpackung mit einem ausgewählten Inertgas spülen, im Behälter einen Unterdruck erzeugen, den Behälter ein zweites Mal spülen und dann den Behälter mit einem Deckel heißsiegeln. Im Allgemeinen kann ein gleichmäßiger Sauerstoffgehalt von unter 0,5% Volumen je Volumen erreicht werden. Ein Beispiel für ein geeignetes Verpackungsmaterial, das undurchlässig für Oxidationsmittel (luftdicht) ist, ist Polyethylenterephthalat (PET). Weitere Beispiele für Verpackungsmaterialien, die undurchlässig für Oxidationsmittel sind, sind Poly(ethylenvinylalkohol) und Aluminiumfolie, deren Durchlässigkeitsraten für Sauerstoff und Wasserdampf im Wesentlichen Null sind. Alle diese Werkstoffe sind im Handel erhältlich. Bei verschiedenen anderen geeigneten handelsüblichen Verpackungsmaterialien wird ein Schichtaufbau verwendet, um einen Verbundwerkstoff zu bilden, der hervorragende Sperreigenschaften gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit aufweist. Ein Beispiel dafür ist ein Schichtverbundwerkstoff aus Polypropylen/Poly(ethylenvinylalkohol)/Polypropylen.
Bei einem Enderzeugnis sollte nach jedem Bestrahlungsschritt der Schritt der Wärmebehandlung oder des Temperns erfolgen, während das Implantat nicht mit Sauerstoff in Berührung ist oder in einer inerten Atmosphäre und bei einer höheren Temperatur, damit die freien Radikale ohne Oxidation Vernetzungen bilden. Wenn geeignete Verpackungsmaterialien und -verfahren verwendet werden und die Durchlässigkeitsraten für Oxidationsmittel minimal sind, kann die Atmosphäre ohne Oxidationsmittel in der Verpackung erhalten bleiben und zur Wärmebehandlung nach der Sterilisation kann ein gewöhnlicher Ofen mit Luftumwälzung verwendet werden. Um vollständig zu gewährleisten, dass keine Oxidationsmittel in die Verpackung gelangen, kann der Ofen mit Vakuum betrieben oder mit einem Inertgas gespült werden. Im Allgemeinen ist ein kürzerer Zeitraum notwendig, um einen vorgeschriebenen Grad der Oxidationsbeständigkeit und Vernetzung zu erreichen, wenn eine höhere Temperatur verwendet wird. In vielen Fällen folgt das Verhältnis zwischen der Reaktionstemperatur und der Reaktionsgeschwindigkeit der bekannten Arrhenius-Gleichung: k1 oder k2 = A·exp(–ΔH/T) (14)wobei k₁ und k₂ Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten aus den Reaktionen 13 und 14 sind
A eine reaktionsabhängige Konstante ist
ΔH die Aktivierungsenergie der Reaktion ist
T die absolute Temperatur (K) ist.
Es ist sehr wichtig sicherzustellen, dass die Anzahl der freien Radikale durch die Wärmebehandlung auf ein Mindest- oder annehmbares Maß gesenkt wurde. Der Grund dafür ist, dass die Gegenwart eines Oxidationsmittels nicht nur die Oxidation vorher vorhandener freier Radikale verursacht, sondern über die Reaktionen 2 bis 7 auch die Bildung neuer freier Radikale. Wächst die Anzahl der freien Radikale, steigen der Grad der Oxidation und die Oxidationsgeschwindigkeit gemäß den folgenden Gleichungen: dr·/dt = k3[r·][O2] und dP·/dt = k4[P·][O2] (15) wobei die freien Radikale r· und P· in Gegenwart von Oxidationsmitteln zahlenmäßig wachsen können und wiederum die Oxidationsgeschwindigkeit erhöhen. Es ist auch festzuhalten, dass die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten der Oxidation k₃ und k₄ mit steigender Temperatur steigen, ähnlich wie k₁ und k₂. Um festzustellen, ob ein bestimmter Anteil restlicher freier Radikale annehmbar ist oder nicht, ist deshalb die Auswertung bestimmter Materialeigenschaften notwendig, nachdem die Kunststoffprobe bei Anwendungstemperatur über einen Zeitraum gelagert oder gealtert wurde, der dem Zeitraum entspricht oder länger als der Zeitraum ist, den der Kunststoffbestandteil eingesetzt werden soll. Eine Wahlmöglichkeit zu dem Verfahren zur Bewertung des Alterungseffekts ist die Erhöhung der Alterungstemperatur der Kunststoffprobe über einen kürzeren Zeitraum. Dadurch werden die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k₃ und k₄ erheblich erhöht und die Alterungszeit verkürzt. Es wurde festgestellt, dass bei UHMWPE für orthopädische Implantate ein annehmbares Maß für restliche freie Radikale 1,0 × 10¹⁷/g ist.
Beispiel I
Wie zuvor dargelegt wurde, wird der extrudierte Stab aus Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht eine ausreichende Zeit lang mit einer akkumulierten steigenden Dosis von zwischen 2 und 5 MRad (20 bis 50 kGy) bestrahlt. Nach diesem Bestrahlungsschritt wird der extrudierte Stab an der Luft getempert, vorzugsweise bei einer Temperatur unter seinem Schmelzpunkt, vorzugsweise bei weniger als 135°C und noch günstiger zwischen 110°C and 130°C. Der Schritt der Bestrahlung und des Temperns wird dann zweimal oder mehrmals wiederholt, sodass die Gesamtstrahlungsdosis zwischen 5 und 15 MRad (50 bis 150 kGy) liegt. Bei diesem Beispiel wird der Stab mit einer Gesamtdosis von 30 kGy (3 MRad) bestrahlt und anschließend 24 Stunden lang bei 130°C getempert, auf Zimmertemperatur abgekühlt und 3 Tage ruhen gelassen und anschließend wieder mit einer Dosis von 30 kGy (3,0 MRad) (Gesamtdosis von 60 kGy (6 MRad)) bestrahlt, wiederum 24 Stunden lang bei 130°C getempert, auf Zimmertemperatur abgekühlt und weitere 3 Tage ruhen gelassen und anschließend ein drittes Mal mit einer Dosis von 30 kGy (3,0 MRad) (insgesamt 90 kGy (9 MRad)) bestrahlt und wiederum 24 Stunden lang bei 130°C getempert. Der Stab wird auf Zimmertemperatur abgekühlt und dann in den Herstellungsvorgang gegeben, bei dem das orthopädische Implantat maschinell geformt wird.
Das zuvor gegebene Beispiel kann auch auf gepresste Platten angewendet werden, wobei aus dem sequentiell bestrahlten und getemperten Werkstoff beispielsweise ein Schienbeinbestandteil hergestellt wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform kann die Gesamtstrahlungsdosis beliebig zwischen 5 und 150 kGy (5 und 15 MRad) liegen, wobei die Gesamtbestrahlung in dem zuvor gegebenen Beispiel 90 kGy (9 MRad) betrug. Die Zeit zwischen der sequentiellen Bestrahlung beträgt vorzugsweise 3 bis 7 Tage. Obwohl das Tempern vorzugsweise nach dem Bestrahlen erfolgt, ist es möglich, den Stab auf die Tempertemperaturen zu erhitzen und ihn sequentiell im erhitzten Zustand zu bestrahlen. Der Stab darf zwischen den Bestrahlungen abkühlen oder er kann während der ganzen Bestrahlungsreihe auf den höheren Temperaturen gehalten werden.
Beispiel II
Ein maschinell hergestelltes Schienbeinimplantat in seiner Endform wird in einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von unter 1% Volumen je Volumen verpackt. Das verpackte Implantat wird anschließend, wie in Beispiel I beschrieben, durch eine Reihe von drei (3) Bestrahlungs- und Temperabläufen verarbeitet, wie zuvor beschrieben, wobei die Gesamtstrahlungsdosis 90 kGy (9 MRad) beträgt. Das Implantat wurde dann in Kisten gepackt und war bereit zum abschließenden Versand und Einsatz.
Beispiel III
Es wurden zwei Stäbe aus Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht (einer aus gepresstem GUR 1020 und der andere aus kolbenstranggepresstem GUR 1050) mit einem Querschnittsprofil von 2,5 Zoll × 3,5 Zoll (GUR 1020) beziehungsweise einem Durchmesser von 3,5 Zoll (GUR 1050) verwendet. Stücke dieser Stäbe wurden in Stücke von 18 Zoll geteilt; drei 18-Zoll-Stäbe (versetzt angeordnet und mit kleinen Papierkisten abgetrennt) wurden vor dem sequentiellen Bestrahlungsvorgang in einem Papierkarton verpackt. Ziel des Verpackens und der versetzten Anordnung war die Verringerung der Möglichkeit, die Strahlung (Gammastrahlen) während des Vorgangs für jeden einzelnen Stab zu blockieren.
Die Stäbe durchliefen an der Luft das folgende sequentielle Verfahren:

1. Jeder Stab empfing eine Nenndosis von 30 kGy Gammastrahlung;
2. Jeder Stab wurde dann 8 Stunden lang bei 130°C getempert; und
3. Die Schritte 1 und 2 wurden zwei weitere Male wiederholt. Vorzugsweise erfolgten die wiederholten Schritte jeweils innerhalb von drei Tagen.

Obwohl der Vorgang an der Luft erfolgte, könnte er auch in einer inerten Atmosphäre wie Stickstoff durchgeführt werden.
Die Stäbe empfingen nach Abschluss des zuvor beschriebenen sequentiellen Verfahrens eine Nenndosis von insgesamt 90 kGy Gammastrahlung. Der Stab aus GUR 1020 ist als Probe „A" bezeichnet und der Stab aus GUR 1050 als Probe „B". Erfolgt der Vorgang an der Luft, werden 2 mm der gesamten Außenfläche jedes Stabs entfernt, nachdem der gesamte Vorgang abgeschlossen ist.
Vergleich – Die folgenden Werkstoffe/Vorgänge wurden zum „Vergleich" gewählt:

1. Der herkömmlich (in Stickstoff oder Vakuum N₂VAC) verarbeitete geformte Stab aus GUR 1020 und der extrudierte Stab aus GUR 1050 empfingen in einer Einzeldosis 30 kGy Gammastrahlung zur Sterilisation in Nitrogen, wurden jedoch nicht getempert und als Probe „C" beziehungsweise „D" bezeichnet.
2. Ein Stab aus GUR 1050, der eine Gesamtdosis von 90 kGy (nicht sequentiell) empfing, mit anschließendem Tempern für 8 Stunden bei 130°C und als Probe „E" bezeichnet wurde.

Zugversuch – Für die Bewertung der Zugeigenschaften der Proben A bis E wurden Probekörper nach ASTM D 638 Typ IV verwendet. Die Zugeigenschaften wurden aus dem Durchschnitt von sechs (6) Probekörpern bestimmt. Zur Durchführung dieser Auswertung wurde ein Instron 4505 Prüfsystem verwendet. Die Geschwindigkeit der Traverse betrug 5,0 mm/min. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Messung des Gehalts an freien Radikalen – Alle Messungen der freien Radikale wurden vor der Schnellalterungsbehandlung durchgeführt. Die Probekörper sind Walzen mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 10 mm. Diese Auswertung wurde an der University of Memphis (Abteilung für Physik) durchgeführt. Der Gehalt an freien Radikalen wurde aus dem Durchschnitt von drei (3) Probekörpern gemessen und berechnet. Die Messungen der freien Radikale wurden mithilfe des Elektronenspinresonanzverfahrens durchgeführt. Dies ist das einzige Verfahren, mit dem freie Radikale in festen und flüssigen Medien unmittelbar nachgewiesen werden können. Bei dieser Auswertung wurde ein ESR-Spektrometer (Bruker EMX) verwendet.
Messung der Oxidationsbeständigkeit – Die Messung des Oxidationsindex/-profils wurde nach der Schnellalterung mithilfe des Protokolls nach ASTM F 2003 (14 Tage, 0₂-Druck von 5 atm, bei 70°C) an Probekörpern durchgeführt, die maschinell aus der Mitte der Stäbe heraus in rechteckige, 90 × 20 × 10 mm starke Blöcke aufgeteilt wurden. Die Oxidationsuntersuchung erfolgte an einem Nicolet Magna-IR^TM 750-Spektrometer gemäß ASTM F2102-01 mit einer Apertur von 100 μm × 100 μm und 256 Scans. Durch das Verhältnis des Bereichs des Carbonylpeaks (1660 bis 1790 cm^–1) zum Peakbereich bei 1370 cm^–1 (1330 bis 1390 cm^–1) wurde ein Oxidationsindex definiert. Ein Oxidationsindexprofil über die gesamte Dicke (10 mm) wird aus einem Durchschnitt von drei (3) Probekörpern erzeugt. Die Tiefen 0 und 10 mm stellen die untere und obere Fläche der Probekörper dar. Der maximale Oxidationsindex jedes Probekörpers wurde dazu verwendet, zu bestimmen, ob es einen merklichen Unterschied gab.
Statistische Untersuchung – Studentsche t-Prüfung der Signifikanz – Es wurde eine Studentsche t-Prüfung (zweiseitig, ungepaart) durchgeführt, um die statistische Signifikanz bei einem Vertrauensniveau von 95% zu messen (p < 0,05).
Ergebnisse des Zugversuchs Tabelle 1
Bei dem sequentiellen Verfahren mit den Proben „A" und „B" wird sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit erhalten (im Vergleich zu ihren jeweiligen Gegenstücken C und D). Folglich wurde die Nullhypothese bestätigt, dass durch das sequentielle Verfahren die Zugfestigkeiten erhalten bleiben (p = 0,001). Die Ergebnisse zeigten auch, dass ein sequentielles Verfahren die Bruchdehnung bei durch Strahlung vernetztem GUR 1050 um 19% (p = 0,001) im Vergleich zu einem Verfahren verbessert hat, bei dem die Vernetzung durch eine Einzeldosis von 90 kGy (nicht sequentiell) entstand und bei dem 8 Stunden lang bei 130°C getempert wurde (Probe E).
Durch das sequentielle Vernetzen wird der Gehalt an freien Radikalen bei den durch Strahlung vernetzten GUR 1020 und 1050 im Vergleich zu ihren jeweiligen Gegenstücken, den im N2VAC^TM-Verfahren erzeugten Proben C und D, um 87% (p = 0,001) beziehungsweise 94% (p = 0,001) gesenkt. Durch das sequentielle Vernetzungsverfahren wird auch der Gehalt an freien Radikalen bei dem durch Strahlung vernetzten GUR 1050 um 82% (p = 0,001) im Vergleich zu einem Verfahren gesenkt, bei dem die Vernetzung durch eine Einzeldosis von 90 kGy (nicht sequentiell) entstand und bei dem 8 Stunden lang bei 130°C getempert wurde (Probe E).
Durch das sequentielle Vernetzungsverfahren wird der maximale Oxidationsindex bei den durch Strahlung vernetzten GUR 1020 und 1050 um 82% (p = 0,001) beziehungsweise 86% (p = 0,001) gesenkt (im Vergleich zu den Vergleichsproben C und D). Durch das Verfahren wird auch der maximale Oxidationsindex bei dem durch Strahlung vernetzten GUR 1050 um 74% (p = 0,001) im Vergleich zu einem Verfahren gesenkt, bei dem die Vernetzung durch eine Einzeldosis von 90 kGy (nicht sequentiell) entstand und bei dem mindestens 8 Stunden lang bei 130°C getempert wurde (Probe E). Durch das sequentielle Bestrahlungs- und Temperverfahren bleiben die ursprüngliche Streckgrenze und Zugfestigkeit erhalten, wird der Gehalt der freien Radikale gesenkt und die Oxidationsbeständigkeit verbessert. Die sequentielle Vernetzung wird als ein schonenderes Verfahren als das Verfahren mit einer Einzeldosis betrachtet.
Außerdem weist dieses Verfahren in mindestens drei Bereichen bedeutende Vorteile gegenüber einer Einzeldosis von 90 kGy (nicht sequentiell) und Tempern für 8 Stunden bei 130°C auf. Erstens ist der Gehalt an freien Radikalen niedriger, zweitens ist die Oxidationsbeständigkeit besser und drittens ist die Dehnung bei Zugbeanspruchung besser.
Zwar besteht das bevorzugte Verfahren aus drei sequentiellen Anwendungen von 30 kGy mit jeweils anschließendem Tempern für acht (8) Stunden bei 130°C, jedoch kann auch ein zweistufiges Verfahren mit einer zweifachen Bestrahlung von 30 kGy bis 45 kGy, mit jeweils anschließendem Tempern für etwa 8 Stunden bei etwa 130°C eingesetzt werden.
Ist nach dem sequentiellen Bestrahlen und Tempern des vorgeformten Teils oder des verpackten endgültigen Teils aus Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht ein zusätzlicher Sterilisationsschritt erwünscht, dann kann das Teil über strahlungslose Verfahren wie Ethylenoxid oder Plasma sterilisiert werden und anschließend verpackt oder wieder verpackt und auf die übliche Weise versendet werden.
Beispiel IV
Auswirkung der sequentiellen Vernetzungsdosis auf die physikalischen Eigenschaften von UHMWPE.
Werkstoffe und Verfahren – Extrudierte Stangen aus UHMWPE medizinischer Güte (GUR 1050, Perplas Medical) mit einer gewichtsdurchschnittlichen Molmasse von 5 × 10⁶ Dalton und einem Durchmesser von 83 mm wurden für alle folgenden Behandlungen verwendet. Die Stangen aus GUR 1050 wiesen eine ursprüngliche Gesamtlänge von 5 Metern auf und wurden aus denselben Polymer- und Extrusionschargen extrudiert. Diese Stangen wurden in 460 mm lange Stücke geschnitten und bei Zimmertemperatur bei Umgebungsluft mit Gammastrahlen bestrahlt.
Die Art der Behandlungen dieser Werkstoffe ist in Tabelle 3 aufgeführt. Die Bezeichnung 1 × ist gleichbedeutend mit einem einzigen Bestrahlungs- und Temperzyklus, und die Bezeichnungen 2 × und 3 × bedeuten, dass das sequentielle Vernetzungsverfahren zweimal beziehungsweise dreimal an den Werkstoffen vorgenommen wurden; diese Werkstoffe empfingen während jedes Strahlungsschritts eine Nenndosis von 30 kGy (3,0 MRad). Das Tempern erfolgte nach jeder Strahlungsdosis für 8 Stunden bei 130°C.
Differentialkalorimetrie (DSC) – DSC-Proben wurden aus maschinell hergestellten, 1 mm starken Platten geschnitten. Probenkörper (–4 mg) wurden von 50°C mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10°C/min in einem Perkin-Elmer-DSC 7 auf 175°C erhitzt. Die Schmelztemperatur wurde anhand des Peaks der Schmelzendotherme bestimmt. Die Schmelzwärme wurde durch Integration der Fläche unter der Schmelzendotherme zwischen 60°C und 145°C berechnet. Die Kristallinität wurde berechnet aus der zuvor erwähnten Schmelzwärme, geteilt durch 288 J/g, der Schmelzwärme eines idealen Polyethylenkristalls.
Ergebnisse und Diskussion – Die gemessene Schmelztemperatur und Kristallinität sind in Tabelle 2 aufgeführt. Nach den drei aufeinander folgenden sequentiellen Vernetzungsverfahren; die Werkstoffe, die eine Gammastrahlung von insgesamt 30, 60 und 90 kGy (3,0, 6,0 und 9,0 MRad) empfingen, zeigten keine Veränderung der Kristallinität im Vergleich zu einem Werkstoff, der eine Gammastrahlung von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff (58% gegenüber 57,6%) empfing, wohingegen das Wiedereinschmelzen zu einer erheblichen Abnahme der Kristallinität von 57% auf 48% führte.
Tabelle 2
Beispiel V
Auswirkung der sequentiellen Vernetzungsdosis auf die Zugeigenschaften von UHMWPE.
Werkstoffe und Verfahren – Die Werkstoffe für die Bewertung der Zugeigenschaften sind die gleichen wie die Werkstoffe für die Bewertung der physikalischen Eigenschaften, die im zuvor gegebenen Beispiel N beschrieben sind. Sechs Zugproben von 1 mm Stärke wurden maschinell aus der Mitte der Stangen mit 83 mm Durchmesser gemäß ASTM F648, Typ IV hergestellt. Die Untersuchung der Zugeigenschaften erfolgte mit einem elektromechanischen Prüfgestell Instron 4505 bei einer Geschwindigkeit von 50 mm/Zoll. Die Art der Behandlungen dieser Werkstoffe ist in Tabelle 2 aufgeführt.
Ergebnisse und Diskussion – Die Zugeigenschaften (Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung) sind in Tabelle 3 dargestellt. Bei dem sequentiellen Vernetzungsverfahren erhöhte sich die Streckgrenze nach jeder Behandlung. Bei diesem Verfahren blieb auch die Zugfestigkeit in einem vernetzten UHMWPE erhalten, wohingegen bei Wiedereinschmelzverfahren sowohl die Streckgrenze wie auch die Zugfestigkeit erheblich sanken im Vergleich zu Proben, die eine Gammastrahlung von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff empfingen.
Tabelle 3
Beispiel VI
Auswirkung der sequentiellen Vernetzungsdosis auf die Verschleißeigenschaften von Hüftgelenkpfannenprothesen aus UHMWPE
Werkstoffe und Verfahren – Es wurden zwei Arten von UHMWPE-Werkstoffen behandelt, Stangen aus kolbenstranggepresstem GUR 1050 (83 mm Durchmesser) und Platten aus gepresstem GUR 1020 (Querschnitt 51 mm × 76 mm). Das sequentielle Vernetzungsverfahren wurde an den GUR 1050-Werkstoffen entweder zweimal oder dreimal durchgeführt und am GUR 1020-Werkstoff nur dreimal. Die Nenndosis der Strahlung bei jedem Bestrahlungs-/Temperzyklus betrug 30 kGy (3,0 MRad). Als Bezugsmaterial wurde ein derzeit gebräuchliches Standarderzeugnis, die Hüftgelenkpfannenprothese Trident^TM 32 mm (hergestellt von Howmedica Osteonics Corp. aus Stangenmaterial aus GUR 1050) verwendet, die in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff bei einer Gammastrahlung von 30 kGy (3,0 MRad) sterilisiert wurde.
Alle Hüftgelenkpfannenprothesen wurden gemäß den Vorlagen für den Einsatz Trident^TM 32 mm (Howmedica Osteonics Corp., Kat. nr. 620-0-32E) hergestellt. Es wurden die Standard-Oberschenkelköpfe (6260-5-132) aus Kobaltchrom beschafft, wobei diese Oberschenkelköpfe einen zum Innendurchmesser des Einsatzes von 32 mm passenden Durchmesser aufwiesen.
Zur Durchführung der Verschleißprüfung wurde ein MTS 8-Hüftsimulator verwendet. Die Prothesen wurden in Metallschalen eingesetzt wie im lebenden Organismus. Die Schalen wurden dann in Polyethylenhalterungen befestigt, die ihrerseits auf Zapfen aus Edelstall befestigt wurden. Jeder Kopf wurde auf einer Verjüngung aus Edelstahl angebracht, die Bestandteil eines Behälters war, der als Medium ein flüssiges Serum enthielt. Der Serumbehälter war auf einem um 23 Grad geneigten Block angebracht. Auf alle Prothesen wurde eine physiologische Standard-Wechselbeanspruchung bei 1 Hz zwischen zwei Höchstbelastungen von 0,64 und 2,5 kN aufgebracht. Diese Wechselbeanspruchung wurde durch die Mittelachsen der Prothese, des Kopfs und des Blocks aufgebracht.
Das Serum, das bei dieser Prüfung verwendet wurde, war ein Fötalersatz-Alphakalbfraktionsserum (Alpha Calf Fraction Serum, ACFS), das bis auf einen physiologisch relevanten Wert von etwa 20 Gramm je Liter Gesamteiweiß verdünnt wurde. Es wurde ein Konservierungsmittel (EDTA) mit etwa 0,1 Vol.-% hinzugefügt, um den bakteriellen Abbau auf ein Mindestmaß zu senken. Jeder Behälter enthielt etwa 450 Milliliter des vorerwähnten ACFS mit EDTA. Diese Flüssigkeit im Behälter wurde alle 250.000 Zyklen durch neues ACFS mit EDTA ersetzt. Während des Vorgangs des Flüssigkeitsaustauschs wurden die Proben von der Maschine genommen, gereinigt und gewogen.
Ergebnisse und Diskussion – Der Verschleißfortschritt jeder Behandlung ist in Tabelle 4 dargestellt; die angegebene Maßeinheit ist Kubikmillimeter je Million Zyklen (mm³/mc). Der Verschleißfortschritt wurde um den Effekt der Flüssigkeitsabsorption berichtigt. Bei den Prothesen in den 2 × und 3 × sequentiellen Vernetzungsverfahren wurde der Verschleißfortschritt in Hüftgelenkpfannenprothesen aus UHMWPE um 86 bis 96% erheblich verringert, im Vergleich zu Prothesen, die eine Gammastrahlung von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff empfingen.
Tabelle 4
Beispiel VII
Auswirkung der sequentiellen Vernetzungsdosis auf den Gehalt an freien Radikalen in UHMWPE.
Werkstoffe und Verfahren – Die Werkstoffe, die hinsichtlich des Gehalts an freien Radikalen ausgewertet wurden, waren:

1. GUR 1050, 30 kGy (3,0 MRad), in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff (ein Bezugsmaterial).
2. GUR 1050, 2 × 60 kGy (6,0 MRad), sequentiell vernetzt und getempert.
3. GUR 1050, 3 × 90 kGy (9,0 MRad), sequentiell vernetzt und getempert.
4. GUR 1050, eine Einzeldosis Strahlung zur Vernetzung von insgesamt 90 kGy (9,0 MRad) und 8 Stunden lang Tempern bei 130°C.

Die Probekörper sind Walzen mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 10 mm, die aus den vorerwähnten Bestandteilen gefertigt sind. Diese Auswertung wurde an der University of Memphis (Abteilung für Physik, Memphis, Tennessee) durchgeführt. Der Gehalt an freien Radikalen wurde aus einem Durchschnitt von drei (3) Probekörpern gemessen und berechnet. Die Messungen der freien Radikale wurden mithilfe des Elektronenspinresonanzverfahrens durchgeführt. Dies ist das einzige Verfahren, mit dem freie Radikale in festen und flüssigen Medien unmittelbar nachgewiesen werden können. Bei dieser Auswertung wurde ein Spitzenleistungs-ESR-Spektrometer (Bruker EMX) verwendet.
Ergebnisse und Diskussion – Der Gehalt an freien Radikalen in den Werkstoffen ist in Tabelle 5 dargestellt; die angegebene Maßeinheit ist Spin je Gramm (Spins/g). Die Werkstoffe in den 2 × und 3 × sequentiellen Vernetzungsverfahren zeigten eine erhebliche Verringerung des Gehalts an freien Radikalen um etwa 94 bis 98%, im Vergleich zu einem GUR 1050-Werkstoff, der eine Gammastrahlung von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff empfing. Die Werkstoffe in den 2 × und 3 × sequentiellen Vernetzungsverfahren zeigten auch eine erhebliche Verringerung des Gehalts an freien Radikalen um etwa 82 bis 92%, im Vergleich zu einem GUR 1050-Werkstoff, der eine Gesamtdosis Gammastrahlung von 90 kGy (9,0 MRad) empfing und 8 Stunden lang bei 130°C getempert wurde.
Tabelle 5
Beispiel VIII
Auswirkung der sequentiellen Vernetzungsdosis auf die Eigenschaft der Oxidationsbeständigkeit von UHMWPE.
Werkstoffe und Verfahren – Die Werkstoffe für die Bewertung der Oxidationsbeständigkeit waren:

1. GUR 1050, 30 kGy (3,0 MRad), in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff (ein Bezugsmaterial).
2. GUR 1050, 3 × 90 kGy (9,0 MRad), sequentiell vernetzt und getempert.
3. GUR 1050, eine Einzeldosis Strahlung zur Vernetzung von insgesamt 90 kGy (9,0 MRad) und 8 Stunden lang Tempern bei 130°C.

Bei Exponent Failure Analysis Associates (Philadelphia, Pennsylvania) wurde eine Schnellalterungsprüfung nach ASTM F 2003 (14 Tage, Sauerstoffdruck 5 atm bei 70°C) durchgeführt. Die Probekörper wurden maschinell in rechteckige Blöcke von 90 × 20 × 10 mm aufgeteilt. Die Oxidationsuntersuchung erfolgte an einem Nicolet Magna-IR^TM 750 Spektrometer gemäß ASTM F2102-01 mit einer Apertur von 100 μm × 100 μm und 256 Scans. Durch das Verhältnis des Bereichs des Carbonylpeaks (1660 bis 1790 cm^–1) zum Peakbereich bei 1370 cm^–1 (1330 bis 1390 cm^–1) wurde ein Oxidationsindex definiert. Ein Oxidationsindexprofil über die gesamte Dicke (10 mm) wurde aus einem Durchschnitt von drei (3) Probekörpern erzeugt. Die Tiefen 0 und 10 mm stellten Flächen der Probekörper dar. Der maximale Oxidationsindex jedes Probekörpers wurde dazu verwendet, zu bestimmen, ob es einen merklichen Unterschied gab.
Ergebnisse und Diskussion – Die Oxidationsindexprofile und der maximale Oxidationsindex sind in 1 beziehungsweise Tabelle 6 dargestellt. Die GUR 1050-Werkstoffe in dem 3 × sequentiellen Vernetzungsverfahren zeigten eine erhebliche Senkung sowohl eines Oxidationsindexprofils als auch des maximalen Oxidationsindex. Durch das sequentielle Vernetzungsverfahren wurde der maximale Oxidationsindex bei 3 × GUR 1050 um 86% erheblich gesenkt, im Vergleich zu einem GUR 1050-Werkstoff, der eine Gammastrahlung von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff empfing. Die GUR 1050-Werkstoffe in dem 3 × sequentiellen Vernetzungsverfahren zeigten auch eine erhebliche Verringerung des maximalen Oxidationsindex um 72%, im Vergleich zu einem GUR 1050-Werkstoff, der eine Gesamtdosis Gammastrahlung von 90 kGy (9,0 MRad) empfing und 8 Stunden lang bei 130°C getempert wurde.
Tabelle 6
Beispiel IX
Auswirkung der sequentiellen Vernetzungsdosis auf die Verschleißeigenschaften von direkt gepressten Tibiaeinsätzen aus UHMWPE.
Werkstoffe und Verfahren – Alle direkt gepressten (Direct Compression Molded, DCM) und maschinell hergestellten Tibiaeinsätze Scorpio^® PS von Howmedica Osteonics Corp. wurden aus dem UHMWPE GUR 1020 hergestellt. Die direkt gepressten und geformten Tibiaeinsätze Scorpio^® PS wurden zweimal (2 ×) dem sequentiellen Vernetzungsverfahren (Bestrahlung und Tempern) unterzogen, mit einer Nenndosis von 45 kGy (4,5 MRad) während jedes Bestrahlungsschritts. Die Gesamtanreicherung an Gammastrahlung bei diesen Bestandteilen betrug 90 kGy (9,0 MRad). Diese Bestandteile wurden in einem luftundurchlässigen Beutel mit weniger als 0,5% Sauerstoff verpackt. Die Tibiaeinsätze Scorpio^® PS (Howmedica Osteonics Corp., Kat. nr. 72-3-0708) wurden maschinell aus einem gepressten GUR 1020-Werkstoff hergestellt und stammen aus einer firmeneigenen Bestellung. Diese Bestandteile wurden dann mit Gammastrahlung bei einer Nenndosis von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff sterilisiert. Die Verschleißprüfung erfolgte mit einem MTS Kniesimulator nach ISO 14243, Teil 3.
Ergebnisse und Diskussion – Die Ergebnisse der Verschleißprüfung sind in Tabelle 7 dargestellt; die angegebene Maßeinheit ist Kubikmillimeter je Million Zyklen (mm³/mc). Der Verschleißfortschritt wurde um den Effekt der Flüssigkeitsabsorption berichtigt. Bei den direkt gepressten Tibiaeinsätzen Scorpio^® PS in dem 2 × sequentiellen Vernetzungsverfahren mit je 45 kGy (4,5 MRad) wurde der Verschleißfortschritt in Tibiaeinsätzen aus UHMWPE um 88% erheblich verringert, im Vergleich zu Tibiaeinsätzen Scorpio^® PS, die eine Gammastrahlung von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff empfingen.
Tabelle 7
Beispiel X
Auswirkung der sequentiellen Vernetzungsdosis auf den Gehalt an freien Radikalen in direkt gepressten Tibiaeinsätzen aus UHMWPE.
Werkstoffe und Verfahren – Die Werkstoffe für die Bewertung des Gehalts an freien Radikalen sind die gleichen wie die Werkstoffe für die Verschleißprüfung, die in dem zuvor gegebenen Beispiel IX beschrieben sind. Die Probekörper sind Walzen mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 10 mm, die aus den vorerwähnten Bestandteilen hergestellt sind. Diese Auswertung wurde an der University of Memphis (Abteilung für Physik, Memphis, Tennessee) durchgeführt. Der Gehalt an freien Radikalen wurde aus einem Durchschnitt von drei (3) Probekörpern gemessen und berechnet. Die Messungen der freien Radikale wurden mithilfe des Elektronenspinresonanzverfahrens durchgeführt. Dies ist das einzige Verfahren, mit dem freie Radikale in festen und flüssigen Medien unmittelbar nachgewiesen werden können. Bei dieser Auswertung wurde ein Spitzenleistungs-ESR-Spektrometer (Bruker EMX) verwendet. Ergebnisse und Diskussion – Der Gehalt an freien Radikalen in den Werkstoffen ist in Tabelle 8 dargestellt; die angegebene Maßeinheit ist Spin je Gramm (Spins/g). Die direkt gepressten Tibiaeinsätze Scorpio^® PS in den 2 × sequentiellen Vernetzungsverfahren mit je 45 kGy (4,5 MRad) zeigten eine erhebliche Verringerung des Gehalts an freien Radikalen von 97%, im Vergleich zu einem Scorpio^® PS, der maschinell aus gepresstem GUR 1020 hergestellt wurde, der eine Gammastrahlung zur Sterilisation von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff empfing.
Tabelle 8
Beispiel XI
Auswirkung der sequentiellen Vernetzungsdosis auf die Oxidationsbeständigkeit von direkt gepressten Tibiaeinsätzen aus UHMWPE.
Werkstoffe und Verfahren – Die Werkstoffe für die Bewertung der Oxidationsbeständigkeit sind die gleichen wie die Werkstoffe für die Verschleißprüfung, die im zuvor gegebenen Beispiel IX beschrieben sind. Bei Howmedica Osteonics (Mahwah, New Jersey) wurde eine Schnellalterungsprüfung nach ASTM F 2003 (14 Tage, Sauerstoffdruck 5 atm bei 70°C) durchgeführt. Die Probekörper waren maschinell hergestellte und sequentiell 2 × mit je 45 kGy (4,5 MRad) vernetzte, direkt gepresste Tibiaeinsätze Scorpio^® PS. Die Oxidationsuntersuchung erfolgte an einem Nicolet Magna-IR^TM 750 Spektrometer gemäß ASTM F2102-01 mit einer Apertur von 100 μm × 100 μm und 256 Scans. Durch das Verhältnis des Bereichs des Carbonylpeaks (1660 bis 1790 cm^–1) zum Peakbereich bei 1370 cm^–1 (1330 bis 1390 cm^–1) wurde ein Oxidationsindex definiert. Ein Oxidationsindexprofil über die gesamte Dicke (etwa 6 mm) wurde aus einem Durchschnitt von drei (3) Probekörpern erzeugt. Die Tiefen 0 und 6 mm stellten Gelenkfläche und Rückseite der Probekörper dar. Der maximale Oxidationsindex jedes Probekörpers wurde dazu verwendet, zu bestimmen, ob es einen merklichen Unterschied gab.
Ergebnisse und Diskussion – Die Oxidationsindexprofile und der maximale Oxidationsindex sind in 2 beziehungsweise Tabelle 9 dargestellt. Die direkt gepressten Tibiaeinsätze Scorpio^® PS in den 2 × sequentiellen Vernetzungsverfahren mit je 45 kGy (4,5 MRad) zeigten eine erhebliche Senkung eines Oxidationsindexprofils und des maximalen Oxidationsindex. Durch das sequentielle Vernetzungsverfahren wurde der maximale Oxidationsindex bei direkt gepressten Tibiaeinsätzen Scorpio^® PS aus GUR 1020 nach 2 × mit je 45 kGy (4,5 MRad) um 90% gesenkt, im Vergleich zu einem Scorpio^® PS, der maschinell aus gepresstem GUR 1020 hergestellt wurde, der zur Sterilisation eine Gammastrahlung von 30 kGy (3,0 MRad) in einem Behälter mit weniger als 0,5% Sauerstoff empfing.
Tabelle 9

Claims

Vorgeformtes Material für die darauffolgende Herstellung eines medizinischen Implantats mit verbesserter Verschleißfestigkeit umfassend ein Polyethylen, das mindestens zweimal durch Bestrahlung vernetzt und nach jeder Bestrahlung durch Tempern wärmebehandelt wird.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 1, wobei das Material durch eine Strahlungsdosis von insgesamt ca. 20 bis ca. 1000 kGy (ca. 2 bis ca. 100 MRad) vernetzt wird.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 2, wobei die Strahlungsdosis insgesamt zwischen ca. 50 und ca. 100 kGy (ca. 5 bis ca. 10 MRad) liegt.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 3, wobei drei Strahlungsdosen mit einer steigenden Dosis bei jeder Bestrahlung zwischen ca. 20 und ca. 50 kGy (ca. 2 und ca. 5 MRad) aufgebracht werden.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 1, wobei drei Strahlungsdosen mit einer steigenden Dosis bei jeder Bestrahlung zwischen ca. 20 und ca. 50 kGy (ca. 2 und ca. 5 MRad) aufgebracht werden.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 5, wobei die Strahlungsdosis insgesamt zwischen ca. 50 und ca. 100 kGy (ca. 5 bis ca. 10 MRad) liegt.
Orthopädisches vorgeformtes Material nach Anspruch 1, wobei das Polyethylen eine gewichtsdurchschnittliche Molmasse von mehr als 400.000 aufweist.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 1, wobei das Tempern an der Luft bei einer Temperatur von mehr als 25°C stattfindet.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 8, wobei das Tempern für eine Zeit und bei einer Temperatur stattfindet, die so ausgewählt werden, dass sie dem Erhitzen des bestrahlten Materials für 144 Stunden bei 50°C, wie durch die Arrhenius-Gleichung definiert (14), zumindest gleich sind.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 9, wobei das Material mindestens ca. vier Stunden erhitzt wird.
Orthopädisch vorgeformtes Material nach Anspruch 1, wobei das Polyethylen sich bei jeder Bestrahlung bei Raumtemperatur befindet.
Vorgeformtes Material nach Anspruch 1, wobei das Polyethylen dreimal durch Bestrahlung vernetzt und nach jeder Bestrahlung durch Tempern bei einer Temperatur zwischen 25°C und 135°C mindestens 4 Stunden wärmebehandelt wird.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit eines vorgeformten Polyethylens zur Verwendung in einem medizinischen Implantat umfassend: mindestens zweimaliges Bestrahlen des vorgeformten Polyethylens im festen Zustand; und das Tempern des vorgeformten Polyethylens nach jedem Bestrahlen.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 13, wobei das Material durch eine Strahlungsdosis von insgesamt ca. 10 bis ca. 1000 kGy (ca. 1 bis ca. 100 MRad) vernetzt wird.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 14, wobei die Strahlungsdosis insgesamt zwischen ca. 50 bis ca. 100 kGy (ca. 5 bis ca. 10 MRad) liegt.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 15, wobei eine steigende Dosis bei jeder Bestrahlung zwischen ca. 20 und ca. 50 kGy (ca. 2 und ca. 5 MRad) liegt.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 16, wobei eine steigende Dosis bei jeder Bestrahlung zwischen ca. 20 und ca. 50 kGy (ca. 2 und ca. 5 MRad) liegt
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 17, wobei die Strahlungsdosis insgesamt zwischen ca. 40 und ca. 105 kGy (ca. 4 bis ca. 10,5 MRad) liegt.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 28, wobei die gewichtsdurchschnittliche Molmasse des Polyethylens über 400.000 liegt.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 19, wobei das Tempern bei einer Temperatur von über 25°C stattfindet.
Methode nach Anspruch 20, wobei das Tempern bei 110°C bis 135°C stattfindet.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 20, wobei das Tempern für eine Zeit und bei einer Temperatur stattfindet, die so ausgewählt werden, dass sie dem Erhitzen des bestrahlten Materials für 144 Stunden bei 50°C, wie durch die Arrhenius-Gleichung definiert (14), zumindest gleich sind.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit nach Anspruch 22, wobei das Material mindestens ca. 4 Stunden erhitzt wird.
Methode nach Anspruch 13, die des Weiteren des Schritts des maschinellen Bearbeitens des vorgeformten Polyethylens zu einem medizinischen Implantat umfasst.
Methode nach Anspruch 13, wobei das Material Polyethylen dreimal durch Bestrahlung vernetzt und nach jeder Bestrahlung durch Tempern bei einer Temperatur zwischen 25°C und 135°C mindestens 4 Stunden wärmebehandelt wird.
Medizinisches Implantat umfassend ein Polyethylenmaterial, das mindestens zweimal bestrahlt und bei einer Temperatur, die geringer ist als der Schmelzpunkt des Materials, nach jeder Bestrahlung getempert wird.