DE69434462T2

DE69434462T2 - Nicht-oxydierendes, medizinisches Polymerimplantat

Info

Publication number: DE69434462T2
Application number: DE69434462T
Authority: DE
Inventors: Deh Chuan Sun; Casper F. Stark
Original assignee: Howmedica Osteonics Corp
Current assignee: Howmedica Osteonics Corp
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2014-04-27
Also published as: US6818020B2; AU684500B2; US6664308B2; DE69425838D1; ATE171078T1; ATE196095T1; EP0701453B1; ATE302032T1; EP1598086A2; US20050059750A1; US20020107299A1; EP0701453A1; CA2162927C; US6174934B1; US5728748A; DE69413395D1; EP0847765B1; DE69425838T2; ES2122260T3; JPH08509148A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft medizinische Implantate, die aus einem Polymermaterial, wie beispielsweise Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, gebildet wurden, mit einer besseren Oxidationsbeständigkeit nach einer Bestrahlung und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Beschreibung des Standes der Technik
Verschiedene Polymersysteme sind für die Herstellung von künstlichen Prothesen für eine biomedizinische Verwendung, insbesondere für orthopädische Anwendungsfälle, eingesetzt worden. Unter ihnen wird Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht in breitem Umfang für Artikulationsoberflächen in künstlichen Knie- und Hüftprothesen verwendet. Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) ist als diejenigen linearen Polyethylene definiert worden, welche bei einer Lösungskonzentration von 0,05 bei 135°C in Decahydronaphthalin eine relative Viskosität von 2,3 oder mehr besitzen. Das Nenngewicht – das mittlere Molekulargewicht beträgt mindestens 400 000 und bis zu 10 000 000 und gewöhnlich von drei bis sechs Millionen. Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem als feinkörniges Pulver gelieferten Polymer, welches durch Sinter-Extrusion oder Formpressen zu verschiedenen Formen, wie beispielsweise Stangen und Platten, verfestigt wird. Danach werden die verfestigten Stangen oder Platten durch maschinelle Bearbeitung in die endgültige Form der orthopädischen Implantatkomponenten gebracht. Alternativ kann die Komponente durch Formpressen des UHMWPE-Harzpulvers hergestellt werden.
Sämtliche Komponenten müssen dann vor einer Verwendung ein Sterilisationsverfahren durchlaufen, jedoch gewöhnlich nachdem sie verpackt werden. Es gibt mehrere Sterilisationsverfahren, die für medizinische Anwendungsfälle eingesetzt werden können, wie beispielsweise die Verwendung von Ethylenoxid, Hitze oder Strahlung. Jedoch kann die Zufuhr von Hitze zu einem verpackten polymeren medizinischen Erzeugnis entweder die Unversehrtheit des Verpackungsmaterials (insbesondere die Dichtung, welche verhindert, dass Bakterien nach dem Sterilisationsschritt in die Packung eintreten) oder das Erzeugnis selbst zerstören.
Da Ethylenoxid die Sicherheit der Umwelt und der Beschäftigten nachteilig beeinträchtigen kann, ist eine Bestrahlung mit Gamma-, Röntgen- oder Elektronenstrahlen als bevorzugtes Sterilisationsmittel eingesetzt worden. Diese Bestrahlungsarten verwenden einen Hochenergiestrahl zum Abtöten von Bakterien, Viren oder anderen Mikrobenarten, welche in den verpackten medizinischen Erzeugnissen enthalten sind, wobei das Ziel einer Sterilität des Erzeugnisses erreicht wird.
Jedoch hat man erkannt, dass der Hochenergiestrahl ungeachtet der Strahlungsart während der Bestrahlung in Polymeren die Erzeugung von freien Radikalen bewirkt. Man hat auch erkannt, dass die Menge an erzeugten freien Radikalen von der von den Polymeren aufgenommenen Strahlungsdosis abhängt, und dass die Verteilung von freien Radikalen im Polymerimplantat von der Geometrie der Komponente, der Art des Polymers, der Dosisleistung und der Art des zur Bestrahlung eingesetzten Strahls abhängt. Die Erzeugung von freien Radikalen kann durch die folgende Reaktion beschrieben werden (welche zur Veranschaulichung Polyolefin und Bestrahlung mit Gammastrahlen verwendet):

*(durch C-C-Kettenspaltung oder C-H-Spaltung)

Je nachdem, ob Sauerstoff vorhanden ist oder nicht, werden primäre freie Radikale r^· mit Sauerstoff und dem Polymer gemäß den folgenden Reaktionen reagieren, wie sie in "Radiation Effects on Polymers", herausgegeben von Roger L. Clough und Shalaby W. Shalaby, veröffentlicht von der American Chemical Society, Washington D. C., 1991 beschrieben sind. Bei Vorhandensein von Sauerstoff
rO₂· + Polyolefin → rOOH + PP· (3) P· + O₂ → PO₂· (4)
rO₂·, PO₂· → Einige Kettenspaltprodukte (6)
P· + PO₂· → POOP (Estervernetzungen) (8) 2 P· → P-P (C-C-Vernetzungen) (9)
Bei Bestrahlung in Luft reagieren primäre freie Radikale r^· mit Sauerstoff unter Bildung von freien Peroxylradikalen rO₂ ^·, welche dann mit Polyolefin (wie beispielsweise UHMWPE) reagieren, und so die oxidativen Kettenspaltungsreaktionen (Reaktionen 2 bis 6) in Gang setzen. Durch diese Reaktionen werden Materialeigenschaften des Kunststoffs, wie beispielsweise Molekulargewicht, Biegefestigkeits- und Verschleißeigenschaften, verschlechtert.
Neuerdings hat man gefunden, dass sich die bei den Reaktionen 3 und 5 gebildeten Hydroperoxide (rOOH und POOH) langsam aufspalten, wie in Reaktion 7 dargestellt, und eine nach der Bestrahlung erfolgende Zerlegung einleiten. Die Reaktionen 8 und 9 stellen Endstufen von freien Radikalen unter Bildung von Ester- oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Vernetzungen dar. Je nach Art des Polymers kann das Ausmaß der Reaktion 8 und 9 im Verhältnis zu den Reaktionen 2 bis 7 schwanken. Bei bestrahltem UHMWPE hat man einen Wert von 0,3 für das Verhältnis der Kettenspaltung zur Bildung von Vernetzungen erhalten, was anzeigt, dass ein bedeutendes Ausmaß an Kettenspaltung in bestrahltem Polyethylen stattfindet, obwohl die Bildung von Vernetzungen ein dominanter Mechanismus ist.
Durch Bestrahlung in einer inerten Atmosphäre können die primären freien Radikale r^· oder die sekundären freien Radikale P^· nur gemäß den unten angeführten Reaktionen 10 bis 12 mit anderen benachbarten freien Radikalen reagieren und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Vernetzungen bilden, da kein Oxidationsmittel vorhanden ist. Wenn alle freien Radikale über die Reaktionen 10 bis 12 reagieren, gibt es keine Kettenspaltung und eine Verringerung des Molekulargewichts findet nicht statt. Außerdem ist das Ausmaß, in dem Vernetzung auftritt, gegenüber dem ursprünglichen Polymer vor der Bestrahlung größer. Wenn andererseits nicht alle gebildeten freien Radikale durch die Reaktionen 10, 11 und 12 miteinander kombiniert werden, bleiben einige freie Radikale in der Kunststoffkomponente zurück.
In einer inerten Atmosphäre

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

Man hat erkannt, dass das Polymer seine physikalischen Eigenschaften über die Zeit umso besser bewahrt, je kleiner die Anzahl der freien Radikale ist. Je größer die Anzahl an freien Radikalen ist, umso größer ist das Ausmaß, in dem eine Verringerung des Molekulargewichts und eine Verschlechterung der Polymereigenschaften stattfinden. Der Anmelder hat herausgefunden, dass das Ausmaß einer Vervollständigung der Vernetzungsreaktionen zwischen freien Radikalen von den Reaktionsgeschwindigkeiten und dem für einen Reaktionsablauf gegebenen Zeitraum abhängig ist.
Mehrere Patente aus dem Stand der Technik trachten danach, Verfahren bereitzustellen, welche die physikalischen Eigenschaften von UHMWPE verbessern. Die Europäische Patentanmeldung 0 177 522 B1 offenbart UHMWPE-Pulver, die erwärmt und zusammengedrückt werden, sodass eine homogen aufgeschmolzene kristallisierte Morphologie mit höherem Modul und höherer Festigkeit ohne Erinnerung an die Korngrenzen der UHMWPE-Pulverpartikel entsteht. Das U.S. Patent 5 037 928 offenbart ein vorgeschriebenes Aufheiz- und Abkühlverfahren zur Herstellung eines UHMWPE, welches eine Kombination von Eigenschaften zeigt, einschließlich einer Kriechbeständigkeit von weniger als 1% (bei Einwirkung einer Temperatur von 23°C und einer relativen Feuchtigkeit von 50% über 24 Stunden unter einem Druck von 1000 psi), ohne dass sich Zug- und Biegefestigkeits-Eigenschaften verschlechtern. Die U.K. Patentanmeldung GB 2 180 815 A offenbart ein Verpackungsverfahren, bei dem eine medizinische Vorrichtung, die in einem sterilen Beutel versiegelt wird, nach einer Bestrahlung/Sterilisation zusammen mit einem Desoxidationsmittel gasdicht in einem Umhüllungselement aus sauerstoffundurchlässigem Material versiegelt wird, um eine Oxidation nach der Bestrahlung zu verhindern.
Das U.S. Patent 5 153 039 betrifft einen Gegenstand aus Polyethylen hoher Dichte mit Sauerstoffsperrschicht-Eigenschaften. Das U.S. Patent 5 160 464 betrifft ein Polymerbestrahlungsverfahren unter Vakuum.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein medizinisches Implantat, das ein olefinisches Material, wie UHMWPE, um fasst, mit einer ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit nach einer Bestrahlung. Zu Veranschaulichungszwecken wird UHMWPE als Beispiel verwendet, um die Erfindung zu beschreiben. Jedoch sollten sämtliche der nachfolgend beschriebenen Theorien und Verfahren auch auf andere Polymermaterialien, wie beispielsweise Polypropylen, Polyethylen hoher Dichte, Polyester, Nylon, Polyurethan und Poly(methylmethacrylat), anwendbar sein, falls nicht anders ausgeführt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein medizinisches Implantat mit einer ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit nach der Bestrahlung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein medizinisches Implantat gemäß Anspruch 1 gelöst.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bei dem bevorzugten Verfahren erhält man ein polymeres Rohmaterial, wie beispielsweise UHMWPE, zum Beispiel durch Sinter-Extrusion, Formpressen oder andere Formgebungsverfahren. Diese Verfahren verwenden unbearbeitetes Polymerpulver als Ausgangsmaterial. Jedoch kann unbearbeitetes Polymerharzpulver Luft oder Feuchtigkeit enthalten, welche in der Harzmikrostruktur vorhanden oder einfach an den Harzoberflächen angelagert sein kann. Falls Luft oder Feuchtigkeit nicht vor dem Formgebungsverfahren aus dem Harzpulver entfernt wird, kann es nach der Formgebung in der Kunststoffmatrix eingeschlossen sein und kann nicht austreten. Dies gilt sogar bei Verwendung von Vakuum- oder Gasspül-Verfahren. Während des Bestrahlungsverfahrens zur Sterilisation reagiert die eingeschlossene Luft oder Feuchtigkeit oder beide mit im Kunststoff erzeugten freien Radikalen, sodass eine Oxidation hervorgerufen wird. Die eingeschlossene Feuchtigkeit kann auch Strahlungsenergie absorbieren und in freie Sauerstoff- und Hydroxylradikale dissoziieren, welche ebenfalls mit dem Kunststoff reagieren und eine Oxidation hervorrufen. Durch Entfernung von Luft und Feuchtigkeit vor dem Formgebungsver fahren kann daher eine Oxidation während der Bestrahlung zur Sterilisation vermieden werden.
Das bevorzugte Verfahren zum Beseitigen von Luft und Feuchtigkeit besteht darin, ein Vakuum von weniger als 3'' Quecksilber (76 Torr) über eine vorgeschriebene Zeit am Polymerharz anzulegen, um den Luft- und Feuchtigkeitsgehalt auf einen minimalen oder annehmbaren Wert abzusenken. Der Sauerstoffgehalt beträgt vorzugsweise 0,5% (volumenbezogen und nicht mehr als 1%). Der Feuchtigkeitsgehalt beträgt vorzugsweise 10% relative Feuchtigkeit (und nicht mehr als 20% relative Feuchtigkeit). Dann werden ausreichende Mengen an Desoxidationsmitteln, wie Sauerstoffabsorptionsmittel und Feuchtigkeitstrocknungsmittel, zusammen mit dem Polymerharz in einen abgedichteten Behälter eingebracht, um die Luft- und Feuchtigkeitsgehalte auf den minimalen oder annehmbaren Wert zu verringern. Ein Beispiel eines Sauerstoffabsorptionsmittels ist AGELESS^®, welches eine Eisenoxidverbindung ist und im Handel über die Cryovac Division, W. R. Grate & Co., Duncan, S. C. erhältlich ist. Ein Beispiel eines Feuchtigkeitstrocknungsmittels ist Silicagel, welches im Handel erhältlich ist. Diese Stoffe werden zusammen mit dem Harz ungefähr 10 Stunden lang in den abgedichteten Behälter eingebracht. Alternativ oder in Kombination wird ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium oder Neon, verwendet, um den Behälter zu spülen, welcher das Polymerharzpulver enthält, bis die Luft- und Feuchtigkeitsgehalte auf den akzeptierten Wert verringert worden sind. Selbstverständlich kann auch eine beliebige Kombination der obigen Verfahren verwendet werden.
Um ein Rohmaterial für ein orthopädisches Implantat ohne Sauerstoff sicherzustellen, muss das UHMWPE-Harzpulver nicht nur frei von Luft und Feuchtigkeit sein, sondern der gesamte Formgebungsvorgang, zum Beispiel durch Sinter-Extrusion, Formpressen oder ein anderes Formgebungsverfahren, sollte ebenfalls in einer inerten Atmosphäre oder einer Atmosphäre mit niedrigem Sauerstoffgehalt durchgeführt werden. Während des Formgebungsverfahrens können aufgrund einer hohen Temperatur und eines hohen Drucks, die bei dem Verfahren aufgebracht werden, UHMWPE-Polymerketten aufgebrochen und freie Radikale und Vernetzungen erzeugt werden. Während beim Formgebungsverfahren erzeugte Vernetzungen keine nachteiligen Auswirkungen auf die Materialeigenschaften haben, können die erzeugten freien Radikale, wie oben beschrieben, mit Luft oder anderen Oxidationsmitteln reagieren. Daher ist es wichtig, die inerte Atmosphäre während des Formgebungsverfahrens aufrechtzuerhalten, um die Oxidation zu minimieren.
Jegliche freie Radikale, die erzeugt worden sind, sollten sobald das Formgebungsverfahren abgeschlossen ist, durch Tempern beseitigt werden. Wenn das gebildete UHMWPE freie Radikale enthält und nach dem Formgebungsverfahren einer Einwirkung von Luft oder anderen Oxidationsmitteln ausgesetzt ist, wird eine Oxidation stattfinden. Das Polymer sollte über eine vorgeschriebene Zeit bei einer erhöhten Temperatur in einer inerten Atmosphäre getempert werden. Der Grund dafür liegt darin, dass die Geschwindigkeit der Reaktionen von freien Radikalen (Reaktionen 10 bis 12) mit zunehmender Temperatur größer wird, gemäß den folgenden allgemeinen Ausdrücken.
Verglichen mit Raumtemperatur vergrößert eine erhöhte Temperatur nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k₁ und k₂, sondern trägt auch dazu bei, dass freie Radikale r^· und P^· in die Kunststoffmatrix migrieren und für Reaktionen zur Bildung von Vernetzungen mit anderen benachbarten freien Radikalen zusammentreffen. Im Allgemeinen liegt die gewünschte erhöhte Temperatur zwischen der Raumtemperatur und dem Schmelzpunkt des Polymers. Bei UHMWPE liegt dieser Temperaturbereich zwischen etwa 25°C und etwa 140°C. Jedoch reicht der bevorzugte Temperaturbereich beim Tempern von etwa 37°C bis etwa 135°C. Die bevorzugte Zeit und Temperatur betragen 130°C über 20 Stunden, wobei die Mindesttemperzeit etwa 4 Stunden beträgt (wobei eine Temperatur am oberen Ende des Bereichs erforderlich ist). Es soll angemerkt werden, dass der zum Kombinieren freier Radikale benötigte Zeitraum umso kürzer ist, je höher die benutzte Temperatur ist. Aufgrund der hohen Viskosität einer UHMWPE-Schmelze enthält das gebildete UHMWPE zudem häufig (innere) Restspannungen, welche durch eine unvollständige Entspannung während des Abkühlungsverfahrens hervorgerufen werden, welches der letzte Schritt des Formgebungsverfahrens ist. Das hier beschriebene Temperverfahren trägt auch dazu bei, die Restspannung zu beseitigen oder zu verringern. Eine in einer Kunststoffmatrix enthaltene Restspannung kann eine Instabilität hinsichtlich der Abmessungen verursachen und ist im Allgemeinen unerwünscht.
In Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei orthopädischen Implantaten, wird das gebildete UHMWPE weiter durch maschinelle Bearbeitung in gewünschte Formen gebracht. Allgemein erfolgt die maschinelle Bearbeitung bei Raumtemperatur, und es findet keine Schädigung des Kunststoffs statt. Jedoch können gewisse Maschinenwerkzeuge, wenn sie bei hoher Geschwindigkeit arbeiten, eine örtliche Erwärmung hervorrufen und eine thermische Spaltung von UHMWPE-Polymerketten verursachen. In diesem Fall kann das oben beschriebene Temperverfahren verwendet werden, um jegliche neu gebildeten freien Radikale vor dem Verpacken zu beseitigen.
Nach der maschinellen Bearbeitung wird die polymere Komponente in einer oxidationsmittelfreien Atmosphäre in einer luftdichten Packung verpackt. Somit muss vor dem Versiegelungsschritt die gesamte Luft und Feuchtigkeit aus der Packung entfernt werden. Maschinen, um dies zu erreichen, sind im Handel erhältlich, wie beispielsweise bei Orics Industries Inc., College Point, New York, welche die Packung mit einem ausgewählten Inertgas spülen, den Behälter mit einem Vakuum beaufschlagen, den Behälter ein zweites Mal spülen und dann den Behälter mit einem Deckel Wärmeversiegeln. Im Allgemeinen kann man eine Sauerstoffkonzentration von weniger als 0,5% {volumenbezogen) dauerhaft erhalten. Ein Beispiel eines geeigneten, für Oxidationsmittel undurchlässigen (luftdichten) Verpackungsmaterials ist Polyethylenterephthalat (PET). Andere Beispiele von oxidationsmittelundurchlässigem Verpackungsmaterial sind Polyethylenvinylalkohol und Aluminiumfolie, deren Sauerstoff- und Wasserdampfdurchlässigkeit im Wesentlichen gleich null sind. Sämtliche dieser Materialien sind im Handel erhältlich. Mehrere andere geeignete kommerzielle Verpackungsmaterialien verwenden eine Schichtstruktur, um ein Verbundmaterial mit besseren Sauerstoff- und Feuchtigkeitssperrschicht-Eigenschaften zu bilden. Ein Beispiel dieser Art ist ein geschichteter Verbundwerkstoff, bestehend aus Polypropylen/Poly(ethylenvinylalkohol)/Polypropylen.
Im Allgemeinen kann es einige Stunden dauern, bis der Bestrahlungsschritt zur Sterilisation des verpackten Implantats beendet ist. Wie oben beschrieben, ist es unbedingt erforderlich, dass während dieses Zeitraums der Durchtritt von Oxidationsmitteln, wie beispielsweise Sauerstoff und Feuchtigkeit, in die Packung auf einem minimalen oder auf einem annehmbaren Wert gehalten wird, um eine Oxidation zu vermeiden.
Im Anschluss an die Bestrahlung zur Sterilisation sollte ein Wärmebehandlungsschritt in einer inerten Atmosphäre und bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt werden, um zu bewirken, dass freie Radikale ohne eine Oxidation vernetzen. Wenn geeignete Verpackungsmaterialien und -verfahren verwendet werden und die Oxidationsmitteldurchlässigkeiten minimal sind, dann kann die oxidationsmittelfreie Atmosphäre in der Packung aufrechterhalten werden, und es kann ein normaler Ofen mit Luftzirkulation für die Wärmebehandlung nach der Sterilisation verwendet werden. Um absolut sicherzustellen, dass keine Oxidationsmittel in die Packung einsickern, kann der Ofen unter einem Vakuum betrieben oder mit einem Inertgas gespült werden. Wenn eine höhere Temperatur verwendet wird, ist allgemein ein kürzerer Zeitraum erforderlich, um einen vorgeschriebenen Grad an Oxidationsbeständigkeit und Vernetzung zu erreichen. In vielen Fällen folgt die Beziehung zwischen der Reaktionstemperatur und der Reaktionsgeschwindigkeit der wohlbekannten Arrheniusgleichung:
wobei k₁ und k₂ Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten aus den Reaktionen 13 und 14 sind,
A eine reaktionsabhängige Konstante,
ΔH die Aktivierungsenergie der Reaktion,
T die Absoluttemperatur (K) ist.
Jedoch sollte die Temperatur weder die Verformungstemperatur des Verpackungsmaterials noch diejenige der Kunststoffkomponenten überschreiten. Bei UHMWPE liegt der Temperaturbereich zwischen etwa 25°C und etwa 140°C. Unter Berücksichtigung der Verformung des Verpackungsmaterials beträgt die bevorzugte Temperatur jedoch 37°C bis 70°C.
Es ist sehr wichtig, sicherzustellen, dass die Anzahl freier Radikale durch die Wärmebehandlung auf ein minimales oder annehmbares Niveau verringert worden ist. Der Grund dafür ist, dass die Anwesenheit eines Oxidationsmittels nicht nur die Oxidation von zuvor vorhandenen freien Radikalen, sondern auch die Bildung von neuen freien Radikalen über die Reaktionen 2 bis 7 verursacht. Wenn die Anzahl freier Radikale wächst, nehmen das Ausmaß der Oxidation und die Oxidationsgeschwindigkeit gemäß der folgenden Gleichung zu:
Dort, wo die Anzahl der freien Radikale r^· und P^· bei Vorhandensein von Oxidationsmitteln wachsen kann, nehmen wiederum die Oxidationsgeschwindigkeiten zu. Es soll auch angemerkt werden, dass die Geschwindigkeitskonstanten k₃ und k₄ der Oxidationsreaktion ähnlich wie k₁ und k₂ mit zunehmender Temperatur größer werden. Um festzustellen, ob ein gewisser Gehalt an restlichen freien Radikalen annehmbar ist oder nicht, ist es daher erforderlich, spezielle Materialeigenschaften zu beurteilen, nachdem die Kunststoffprobe bei der Anwendungstemperatur über einen Zeitraum hinweg gelagert worden oder gealtert ist, welcher gleich oder länger als der Zeitraum ist, der für den Einsatz der Kunststoffkomponente vorgesehen ist. Eine Alternative zu dem Verfahren zur Beurteilung der Alterungswirkung besteht darin, die Alterungstemperatur der Kunststoffprobe über einen kürzeren Zeitraum zu erhöhen. Dies vergrößert die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k₃ und k₄ merklich und verkürzt die Alterungszeit. Man hat gefunden, dass ein akzeptabler Gehalt an restlichen freien Radikalen bei einer Verwendung von UHMWPE für orthopädische Implantate 1,0 × 10¹⁷/g beträgt.
Nach der Wärmebehandlung ist die bestrahlte verpackte Kunststoffkomponente nun gebrauchsfertig. Die Packung kann geöffnet und einer Luft- oder Feuchtigkeitseinwirkung ausgesetzt werden, ohne eine Oxidation zu verursachen. Die Oxidationsbeständigkeit der sterilisierten Kunststoffkomponente gegenüber anderen Oxidationsmitteln ist ähnlich derjenigen des unbehandelten, unbestrahlten Polymers.
Probenherstellung

Eine durch Sinter-Extrusion erzeugte Stange aus einem für chirurgische Zwecke geeigneten UHMWPE wurde durch maschinelle Bearbeitung in Proben mit gewünschten Formen gebracht. Vier Gruppen von Proben wurden unter Verwendung dieser maschinell bearbeiteten Proben mit den folgenden Verfahren hergestellt:

Verfahren A:	eine UHMWPE-Probe, wie maschinell bearbeitet und unbestrahlt
Verfahren B:	eine UHMWPE-Probe wurde in einem glykolmodifizierten Polyethylenterephthalat (PETG, hergestellt von Eastman Plastics, Inc., Kingsport, Tennessee)-Blister in Luft mit einem Aluminiumdeckel von 0,1 mm Dicke wärmeversiegelt. Der versiegelte Blister, welcher den UHMWPE-Bogen enthielt, wurde durch Bestrahlung mit Gammastrahlen in einer Dosis von 2,5 Mrad sterilisiert. Die Packung wurde dann geöffnet und einer Einwirkung von Raumluft ausgesetzt.
Verfahren C:	eine UHMWPE-Probe wurde in einen PETG-Blister eingebracht und in trockenem Stickstoff mit einem Aluminiumdeckel von 0,1 mm Dicke mittels der Orics Vacuum Gas Flush Heat Seal Machine (Modell SLS-VGF-100M für eine Verpackung in einer modifizierten Atmosphäre, hergestellt von Orics Industries Inc., College Point, New York) wärmeversiegelt, welche die folgenden Zyklen durchlief: i) Spülung mit (feuchtigkeitsfreiem) Stickstoffgas über fünf Sekunden ii) Vakuum bis zu einem Druck von gleich oder unter 3'' Quecksilber iii) Stickstoffgasspülung (feuchtigkeitsfrei) über fünf Sekunden iv) Wärmeversiegelung Die Sauerstoffkonzentration im versiegelten Blister wurde mit einem Mocon Sauerstoff-Analysator gemessen und betrug 0,325 (volumenbezogen). Der die UHMWPE-Probe enthaltende versiegelte Blister wurde durch Bestrahlung mit Gammastrahlen in einer Dosis von 2,5 Mrad sterilisiert. Die Sauerstoffkonzentration im versiegelten Blister nach der Bestrahlung zur Sterilisation wurde gemessen und betrug 0,350%. Die Packung wurde dann geöffnet und der Einwirkung der Raumluft ausgesetzt.

Verfahren D:

dasselbe wie Verfahren C, außer dass der die UHMWPE-Probe enthaltende versiegelte Blister nach der Bestrahlung mit Gammastrahlen bei 50°C über 144 Stunden in einem Ofen wärmebehandelt wurde, dann aus dem Ofen zum Abkühlen in Raumtemperatur überführt wurde. Nachdem die Packung auf Raumtemperatur abgekühlt war, wurde die Sauerstoffkonzentration mit einem Mocon Sauerstoff-Analysator gemessen und betrug 0,360. Die Packung wurde dann geöffnet und der Einwirkung von Raumluft ausgesetzt.

Die mit den obigen Verfahren hergestellten Proben wurden in den folgenden Beispielen zur Auswertung verwendet.
Beispiel 1:
Zwei Gruppen von 1 mm dicken UHMWPE-Bögen, welche mit den obigen Verfahren A bis D hergestellt worden waren, ließ man in einem Ofen in Luft bei 80°C über 11 bzw. 23 Tage altern. Nachdem diese Bögen bei Raumtemperatur abgekühlt waren, wurde eine dünne Filmprobe von etwa 100 μm Dicke von jedem der 1 mm dicken gealterten UHMWPE-Bögen abgeschnitten und für ein Transmissionsspektrum mit einem Standard-FTIR (es wurde ein Nicolet 710 FTIR-System verwendet) in einem IR-Fenster angebracht. Insgesamt 32 Spektren (Scans) wurden aufgenommen und gemittelt. Um das Ausmaß der Oxidation zu bestimmen, wurden die IR-Absorptionspeaks im Frequenzbereich zwischen 1660 und 1800 cm^–1, entsprechend funktionellen Carbonyl(C-O)Gruppen über die Peakflache integriert. Die Peakflache ist proportional der Menge an oxidiertem UHMWPE in der Probe. Zur Korrek tur einer unterschiedlichen Probendicke wurde die integrierte Peakfläche dann durch Dividieren durch die Fläche des 1463 cm^–1 (Methyl)Peaks, welche zur Probendicke proportional ist, hinsichtlich der Probendicke normiert. Das erhaltene Verhältnis wurde als Oxidationsindex definiert. Eine dritte Gruppe von 1 mm dicken UHMWPE-Bögen, welche mit den Verfahren A bis D, jedoch ohne Ofenalterung, hergestellt worden war, wurde zum Vergleich ebenfalls mit demselben FTIR-Verfahren ausgewertet. Die erhaltenen Oxidationsindices sind in Tabelle 1 dargestellt:
TABELLE 1
Aus den Ergebnissen der Tabelle 1 wird ersichtlich, dass die unbestrahlte UHMWPE-Probe (Verfahren A) selbst nach 23 Tagen Alterung im Ofen in Luft bei 80°C frei von Oxidation (unterhalb des Erfassungspegels des FTIR) war. Andererseits zeigte die in Luft bestrahlte UHMWPE-Probe (Verfahren B) eine starke Oxidation, und das Ausmaß der Oxidation (wie durch den Oxidationsindex angezeigt) nahm mit zunehmender Alterungszeit zu. Nach 23 Tagen Alterung im Ofen erreichte der Oxidationsindex 0,11. Bei der in Stickstoff bestrahlten UHMWPE-Probe (Verfahren C) betrug der anfängliche Oxidationsindex vor einer Alterung im Ofen 0,01, was nicht signifikant war. Jedoch stieg der Oxidationsindex während der Alterung im Ofen über 11 Tage auf 0,04, bzw. über 23 Tage auf 0,08. Die Ergebnisse zeigen an, dass die Bestrahlung in einer inerten Atmosphäre zwar eine Verbesserung gegenüber einer Oxidation in Luft darstellt, die bestrahlte Kunststoffkomponente jedoch mit der Zeit weiteroxidiert, sobald sie einer Einwirkung von Luft oder anderen Oxidationsmitteln ausgesetzt ist. Im Gegensatz dazu zeigte die UHMWPE-Probe nach einer Bestrahlung in Stickstoff gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 50°C über 144 Stunden (Verfahren D) einen anfänglichen Oxidationsindex von lediglich 0,01, welcher nach 11 oder 23 Tagen Alterung im Ofen nicht zunahm, was anzeigt, dass diese Probe eine bessere Oxidationsbeständigkeit als die mit den Verfahren B oder C hergestellten Proben aufweist.
Beispiel 2:
Zwei Gruppen von 1 mm dicken UHMWPE-Bögen, die mit den bei der Probenherstellung aufgeführten Verfahren B bis D hergestellt worden waren, ließ man in einem Ofen in Luft bei 80°C über 11 bzw. 23 Tage altern. Nachdem diese Bögen bei Raumtemperatur abgekühlt waren, wurden sechs Zugfestigkeitsproben mit einer Dumbbell-Form bzw. Hantel-Form gemäß ASTM D638 (Typ IV) aus jedem der 1 mm dicken gealterten UHMWPE-Bögen herausgeschnitten. Eine Standard-Zugfestigkeitsprüfung wurde für jede Probe bei einer Geschwindigkeit von 2 Inches/min durchgeführt. Eine andere Gruppe von 1 mm dicken UHMWPE-Bögen, die mit den bei der Probenherstellung genannten Verfahren B bis D, jedoch ohne Alterung im Ofen hergestellt worden waren, wurde zum Vergleich mit demselben Zugfestigkeitsprüfverfahren ausgewertet. Die Ergebnisse der Reißfestigkeit unter Zug (Durchschnitt von sechs Prüfungen für jeden Zustand) sind in Tabelle 2 dargestellt:
TABELLE 2
Aus Tabelle 2 wird ersichtlich, dass die Reißfestigkeit unter Zug bei der in Luft bestrahlten Probe (Verfahren B) die größte Abnahme zeigt. Die in Stickstoff bestrahlte Probe (Verfahren C) zeigt eine gewisse Verbesserung gegenüber der mit dem Verfahren B hergestellten Probe. Jedoch tritt noch immer eine Abnahme der Reißfestigkeit unter Zug nach der Alterung im Ofen auf. Im Gegensatz dazu zeigt die Probe nach einer Bestrahlung in Stickstoff gefolgt von einer Wärmebehandlung (50°C über 144 Stunden, Verfahren D) keine Veränderung der Reißfestigkeit unter Zug, was eine bessere Oxidationsbeständigkeit anzeigt.
Beispiel 3:
Zwei Gruppen von 1 mm dicken UHMWPE-Bögen, die mit den bei der Probenherstellung aufgeführten Verfahren B und D hergestellt worden waren, ließ man in einem Ofen in Luft bei 80°C über 11 bzw. 23 Tage altern. Nachdem diese Bögen bei Raumtemperatur abgekühlt waren, wurden aus den Bögen herausgeschnittene Proben mittels einer Hochtemperatur-Gelpermeations-Chromatographie(GPC)säule hinsichtlich der Molekulargewichts-Verteilung charakterisiert. Die Proben wurden in heißem Trichlorbenzol (TCB) aufgelöst. Dann ließ man sie im zuvor genannten Lösungsmittel unter Verwendung einer Jordi Gel-Mischbettsäule, 50 cm × 10,0 mm Innendurchmesser, bei einer Säulenofentemperatur von 145°C auf dem Waters 150C Chroma tographen mit 1,2 ml/min durchlaufen. Die Injektionsgröße betrug 250 μl einer 0,1%-igen Lösung. Ein Oxidationsinhibitor (N-Phenyl-2-naphthylamin) wurde sämtlichen Hochtemperatur-GPC-Proben zugegeben, um einen Polymerabbau zu verhindern.
Vor den Probendurchläufen wurde die Säule unter Verwendung schmaler MW-Polystyrol-Standards kalibriert. Da die Proben aufgrund der Bildung von Vernetzungen im Lösungsmittel nur teilweise löslich waren, betraf die derart bestimmte Molekulargewichtsverteilung nur den löslichen Teil. Um das Ausmaß der Bildung von Vernetzung (Löslichkeit) zu bestimmen, wurde eine von den Bögen abgeschnittene Zweihundert-Milligramm-Probe in 100 cm³ 1,2,4-Trichlorbenzol aufgelöst. Jede Probe wurde dann unter Zugabe des Oxidationsinhibitors N-Phenyl-2-naphthylamin über sechs Stunden auf etwa 170°C erwärmt. Die Proben wurden dann unter Verwendung getrennter, zuvor gewogener Hochtemperaturfilter für jede Probe bei etwa 170°C heiß gefiltert.
Nach der Filtration wurden die Filter auf Raumtemperatur abgekühlt und einzeln mit Dichlormethan gewaschen. Sie wurden dann zum Trocknen für sechs Stunden bei 105°C in einen Konvektionsofen eingebracht und dann von neuem gewogen. Der Gewichtsanteil des ungelösten (vernetzten) Teils wurde dann auf der Grundlage des Anfangsgewichts von 200 mg bestimmt. Um den in jeder Probe vorhandenen Anteil mit niedrigem Molekulargewicht zu bestimmen, wurde der mittels GPC bestimmte Gewichtsanteil mit einem Molekulargewicht unter 10⁵ im löslichen Teil mit der prozentualen Löslichkeit multipliziert, sodass sich der Gewichtsprozentsatz des niedrigmolekularen Gewichtsanteils in jeder Probe ergab. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt:
TABELLE 3
Aus Tabelle 3 wird ersichtlich, dass die mit dem Verfahren D hergestellte Probe mehr Vernetzungen enthält (d.h. weniger löslich ist) als eine mit dem Verfahren B hergestellte Probe. Beim Altern im Ofen nimmt der niedrigmolekulare (als unter 10⁵ liegend definierte) Gewichtsanteil in der mit dem Verfahren B hergestellten Probe von 0,275 auf 0,481 zu, während derjenige der mit dem Verfahren D hergestellten Probe nach 23 Tagen Alterung im Ofen praktisch unverändert bei etwa 0,18 bleibt. Die Zunahme des niedrigmolekularen Gewichtsanteils war auf Kettenspaltung zurückzuführen, die durch oxidative Reaktionen verursacht wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vorgehensweise des Verfahrens D ein bestrahltes Polymer mit einer besseren Oxidationsbeständigkeit erzeugen kann.
Beispiel 4:
UHMWPE-Proben in Form von 0,5 Inch-Würfeln, die mit den bei der Probenherstellung aufgeführten Verfahren B und D hergestellt worden waren, wurden hinsichtlich ihrer Verformung unter Belastung (Kriechbeständigkeit) bewertet. Es wurden Untersuchungsverfahren gemäß ASTM-D 621 (A) (24h/23°C/ 1000 psi/90 min Erholungszeit) verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst:
TABELLE 4
Aus Tabelle 4 wird geschlossen, dass die mit dem Verfahren D hergestellte Probe, die Erfindung, eine bessere Kriechbeständigkeit (0,6%) gegenüber einer mit dem Verfahren B hergestellten Probe (0,8%) besitzt.
Beispiel 5:
Zwei 1 mm dicke UHMWPE-Proben wurden in einem mit Luft bzw. trockenem Stickstoff (Sauerstoffkonzentration liegt unter 0,2%) gefüllten Ofen jeweils bei 130°C über 20 Stunden getempert, um eine Restspannung in den Proben zu beseitigen. Nachdem die Bögen im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt waren, wurden sie aus dem Ofen entnommen und zur Auswertung in hantelförmige Zugfestigkeitsproben (ASTM D 628, Typ V) geschnitten. Eine Standard-Zugfestigkeitsprüfung gemäß ASTM D 638 wurde mit einer Geschwindigkeit von 2 Inches/min bei jeder von sechs Proben durchgeführt, die in Luft bzw. trockenem Stickstoff getempert worden waren. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt:
TABELLE 5
Aus der obigen Tabelle wird ersichtlich, dass die in Stickstoff getemperte Probe eine größere Dehnung beim Reißen, eine höhere Reißfestigkeit und eine größere Zähigkeit im Vergleich zu einer in Luft getemperten Probe zeigt, während die Streckgrenze bei den beiden Proben ähnlich ist. Die Ergebnisse zeigen an, dass die in Stickstoff getemperte Probe dehnbarer ist als die in Luft getemperte Probe. Der Dehnbarkeitsverlust bei der in Luft getemperten Probe ist auf eine oxidative Kettenspaltung zurückzuführen.
Um in diesen beiden Proben Oxidationsindices zu bestimmen, wurde eine dünne Filmprobe mit etwa 100 μm Dicke von jedem der 1 mm dicken getemperten UHMWPE-Bögen abgeschnitten und für ein Transmissionsspektrum mit einem Standard-FTIR (es wurde ein Nicolet 710 FTIR-System verwendet) in einem IR-Fenster angebracht, wobei die bei der Probenherstellung verwendeten Verfahren und Berechnungen angewandt wurden. Die erhaltenen Oxidationsindices sind in Tabelle 6 dargestellt.
TABELLE 6
Aus den obigen Ergebnissen wird ersichtlich, dass die nach einer Sinter-Extrusion in Luft getemperte UHMWPE-Probe eine merkliche Oxidation aufgrund von freien Radikalen zeigte, die beim Formgebungsverfahren erzeugt wurden. Im Gegensatz dazu zeigte die in Stickstoff getemperte UHMWPE-Probe keine Oxidation (unter dem FTIR-Erfassungspegel). Daraus wird geschlossen, dass eine Temperung in Stickstoff eine Oxidation des Polymers verhindern und ein Polymer mit einer besseren Dehnbarkeit erzeugen kann.
Es ist augenscheinlich, dass zahlreiche Änderungen und Modifizierungen der verschiedenen Beispiele, die für die Erfindung beschrieben wurden, möglich sind, ohne dabei den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den angefügten An sprüchen definiert wird.

Claims

Medizinisches Implantat, das einen olefinischen Werkstoff mit einem Molekulargewicht von größer als 400 000 aufweist, wobei der Werkstoff zum Bilden freier Radikale, während er sich nicht mit Sauerstoff in einer Konzentration mit mehr als 1% Volumen/Volumen in Kontakt befindet, bestrahlt wird, und dann, während er sich nicht mit Sauerstoff in einer Konzentration mit mehr als 1% Volumen/Volumen in Kontakt befindet, bei einer Temperatur mit mehr als 25°C eine ausreichende Zeit lang erhitzt wird, um einen Anteil von Vernetzungen zwischen freien Radikalen, mindestens äquivalent zu dem Anteil, gebildet durch Erhitzen des olefinischen Werkstoffs auf 50°C für 144 Stunden, zu bilden.
Medizinisches Implantat nach Anspruch 1, wobei die Temperatur und die Zeit durch die Arrhenius-Gleichung als äquivalent zu mindestens dem Vernetzen, das durch Erhitzen des olefinischen Werkstoffs auf 50°C für 144 Stunden erzeugt wird, definiert wird.
Medizinisches Implantat nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die freien Radikale Peroxy- und Hydroperoxy-Gruppen an der Polymerkette aufweisen.
Medizinisches Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestrahlen eine Elektronenstrahl-Bestrahlung ist.
Medizinisches Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, in welchem der Olefinwerkstoff ultrahochmolekulares Polyethylen ist.
Medizinisches Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der olefinische Werkstoff von einer Schicht aus einem Werkstoff umgeben ist, dessen Funktion es ist, einen Kontakt des olefinische Werkstoffs mit Sauerstoff zu verhindern und die Schicht erhitzt wird, während sie von einer sauerstoffenthaltenden Atmosphäre umgeben ist.
Medizinisches Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der olefinische Werkstoff auf eine Temperatur zwischen 25°C und dem Schmelzpunkt des Werkstoffs, um Vernetzungen zu bilden, erhitzt wird.
Medizinisches Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erhitzen mehr als vier Stunden beträgt.
Medizinisches Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bestrahlung ein Hochenergiestrahl mit einer Dosis ist, die Bakterien, Viren oder andere mikrobielle Spezies töten kann.
Medizinisches Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erhitzen eine obere Temperaturgrenze des Schmelzpunktes des olefinischen Werkstoffs aufweist.
Medizinisches Implantat nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der olefinische Werkstoff auf eine Temperatur von etwa 37°C bis zu dem Schmelzpunkt des Werkstoffs erhitzt wird.
Medizinisches Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Erhitzen eine obere Grenze aufweist, die die Verformungstemperatur des olefinischen Werkstoffs nicht überschreitet.