DE69633312T2

DE69633312T2 - Verfahren zur Verbesserung der Verschleissfestigkeit von biokompatiblen Polymerkomponenten

Info

Publication number: DE69633312T2
Application number: DE69633312T
Authority: DE
Inventors: John V. Foxborough Hamilton; Mark A. South Easton Manasas; Timothy M. Norton Flynn
Original assignee: DePuy Products Inc
Current assignee: DePuy Products Inc
Priority date: 1995-04-03
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: CA2173279A1; JP3628803B2; CA2173279C; AU705310B2; JPH08336585A; EP0737481B1; EP1481693A3; EP0737481A1; KR100549352B1; US5577368A; DE69633312D1; AU5046796A; KR960037741A; EP1481693A2

Description

Diese Erfindung betrifft bioimplantierbare Polymerartikel und insbesondere Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit solcher Artikel.
Fortschritte in der biomedizinischen Technik haben zu zahlreichen Polymerartikeln geführt, die im Körper implantiert werden können. Polymerkomponenten werden weit verbreitet in der orthopädischen Chirurgie verwendet, zum Beispiel zur Bildung von Gelenkverbindungsoberflächen in künstlichen Gelenken. Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht ("ultrahigh molecular weight polyethylene" – UHMWPE) ist ein Beispiel für ein Polymer, das für gewöhnlich zur Bildung von Komponenten künstlicher Gelenke verwendet wird.
Zu den Eigenschaften, die bioimplantierbare Polymerkomponenten benötigen, insbesondere jene, die in künstlichen Gelenken verwendet werden, zählen geringe Reibung, Biokompatibilität und gute mechanische Eigenschaften, einschließlich einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit. Solche Komponenten müssen auch vor der Implantation in einen Patienten steril sein.
Einige polymere und medizinische Vorrichtungen können durch Hitzesterilisation nachteilig beeinträchtigt werden, daher wird eine solche Technik nicht allgemein verwendet. Die Ethylenoxidsterilisation ist eine andere Technik zum Sterilisieren medizinischer Vorrichtungen, aber Ethylenoxid kann Gesundheits- und Umweltrisiken mit sich bringen, die diese Methode weniger wünschenswert machen. Daher ist eine bevorzugte Methode zum Sterilisieren vieler medizinischer Vorrichtungen, einschließlich Polymerkomponenten, die Bestrahlung mit Formen von ionisierender Strahlung wie Gammastrahlen, Röntgenstrahlen oder Elektronenstrahlstrahlung.
Gegenwärtig ist die Sterilisation durch Gammastrahlung eine bevorzugte Methode zum Sterilisieren vieler medizinischer Vorrichtungen, einschließlich bioimplantierbarer Polymerkomponenten. Eine mögliche Wirkung der Sterilisation durch Gammastrahlung ist, dass Gammastrahlen chemische Reaktionen in dem Polymer auslösen können, die die Struktur, Morphologie und einige mechanische Eigenschaften des Polymers beeinträchtigen können.
Während der Gammabestrahlung werden zahlreiche chemische Spezies, wie Ionen, angeregte Moleküle, Doppelbindungen, Oxidationsprodukte und freie Radikale in dem Polymer erzeugt. Es wird angenommen, dass freie Radikale eine Spezies sind, die während der Gammastrahlung erzeugt wird, die am stärksten zu Veränderungen in den Eigenschaften bestrahlter Polymere beitragen können.
Sobald freie Radikale in einem Polymer gebildet sind, können diese Spezies an mindestens vier Arten von Hauptreaktionen teilnehmen. Die freien Radikale können eine Rekombinationsreaktion erfahren, indem sie mit Wasserstoff zum Eliminieren des freien Radikals reagieren, indem sie mit Kohlenstoffmolekülen zur Bildung von Seitenketten reagieren, oder beides. Freie Radikale können auch eine Kettenspaltungsreaktion erfahren, die zu einer Abnahme im molekularen Gewicht des Polymers führt und zu einer Zunahme in der Dichte und Kristallinität des Polymers, wodurch eine Verschlechterung einiger mechanischer Eigenschaften des Polymers verursacht wird. Eine Vernetzungsreaktion ist eine andere Reaktion, an der freie Radikale teilnehmen können. Schließlich können die freien Radikale zunächst ohne zu reagieren in einem Polymermaterial verbleiben, wodurch sie, abhängig von den Bedingungen, für eine Reaktion im Laufe der Zeit zur Verfügung stehen.
Das Vorhandensein von Sauerstoff in Polymermaterialien und ihrer unmittelbaren Umgebung kann zu einer Oxidationsreaktion beitragen, in der freie Radikale und gelöster Sauerstoff zur Erzeugung einer Verbindung mit einer funktionalen Carbonylgruppe reagieren, was zu einer Kettenspaltung und zur Erzeugung neuer freier Radikale führt. Die Oxidation kann das molekulare Gewicht eines Polymers (aufgrund der Kettenspaltung) herabsetzen und zur Verschlechterung seiner mechanischen Eigenschaften beitragen.
Es wird angenommen, dass die Sterilisation von Polymerkomponenten durch Gammastrahlung in Luft die Verschleißfestigkeit von Polymeren teilweise wegen der Oxidationswirkungen herabsetzt. Die Verschleißfestigkeit ist eine mechanische Schlüsseleigenschaft für Polymerkomponenten, die in Gelenksprothesen verwendet werden. Daher ist eine gegenwärtige Praxis, Polymerkomponenten in einer Umgebung eines inerten Gases (z. B. Argon, Helium, Stickstoff) zu sterilisieren, um die Oxidationswirkungen zu minimieren. Siehe Kurth, M., et al., "Effects of Radiation Sterilization on UHMW-Polyethylene", Antec 87, S. 1193–1197 (1987); Streicher, R. K., Radiol., Phys, Chem., Band 31, Nr. 4–6, S. 693–698 (1988); Streicher, R. M.
"Improving UHMWPE by Ionizing Radiation Crosslinking During Sterilisation", 17th Annual Meeting of the Society for BioMaterials, S. 181 (1991). Andere haben Vakuumtechniken verwendet, um eine Sauerstoffumgebung vor der Ausführung einer Sterilisation durch Gammastrahlung zu spülen. Siehe Yong Zhao, et al., J. Appl. Polymer Sci. Band 50, S. 1797–1801 (1993).
Die Verschleißfestigkeit ist eine Eigenschaft von großer Bedeutung für künstliche Gelenkskomponenten. Natürliche Reibung in einem getauschten künstlichen Gelenk kann dazu führen, dass winzige Verschleißpartikel (z. B. Partikel von einer Polymerkomponente) sich lösen und innerhalb des Gelenks wandern. Das Phänomen von Verschleißpartikeln in künstlichen Gelenken ist ein ernsthaftes Problem, das die richtige mechanische Funktionsweise des Gelenks hemmen kann. Ferner können Verschleißpartikel zu einer Osteolyse und einer Knochenverschlechterung führen. Wenn sich eine Osteolyse um ein künstliches Gelenk entwickelt, wird diese für gewöhnlich durch chirurgische Entfernung des erkrankten Gewebes und Überprüfung des künstlichen Gelenks korrigiert.
WO-A-94 27651 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer orthopädischen Vorrichtung, Verpacken der Vorrichtung in einem luftdichten Behälter, Aussetzen des Behälters einem Vakuum, Versiegeln des Behälters, Anlegen eines atmosphärischen Drucks und Bestrahlen des Behälters.
Da eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit eine derart bedeutende Eigenschaft für Polymerkomponenten ist, die zur Bildung künstlicher Gelenke verwendet werden, wäre es vorteilhaft, sterilisierte Polymerkomponenten bereitstellen zu können, die eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit bioimplantierbarer Polymerkomponenten bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie in den Ansprüchen 1, 11 und 12 definiert, stellt Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit eines auf Polymerbasis hergestellten Bauteils bereit. Jedes Verfahren ist besonders gut für Polymerbauteile geeignet, die biokompatibel sind und zur Verwendung als Komponenten künstlicher Gelenke bestimmt sind. Eine Vielzahl von Polymermaterialien, insbesondere UHMWPE, kann gemäß der Erfindung zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit behandelt werden.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, werden ein oder mehrere auf Polymerbasis hergestellte Bauteile, wie eine bioimplantierbare Komponente, in einer oder mehreren gasundurchlässigen flexiblen Verpackungen angeordnet. Jede Verpackung weist mindestens eine heißsiegelfähige Öffnung auf. Die Verpackungen und die darin enthaltenen Bauteile werden dann einer relativ starken Vakuumkraft ausgesetzt. Die Verpackungen werden unter dem Einfluss des Vakuums heißgesiegelt und nach dem Versiegeln wird auf das Bauteil ein hydrostatischer Druck ausgeübt. Für gewöhnlich wird die Verpackung kurz nach Einleiten des Vakuums heißgesiegelt und für gewöhnlich nach nicht mehr als einer halben Stunde nach Einleiten des Vakuums. Anschließend werden die Verpackungen und die Bauteile, die in den Verpackungen enthalten sind, über eine Zeitspanne bestrahlt, die ausreichend ist, um die Bauteile zu sterilisieren und eine Vernetzung des Polymers zu fördern, das das Bauteil bildet. Zum Sterilisieren der Bauteile können verschiedene Formen einer ionisierenden Energie verwendet werden. Die Verwendung der Gammastrahlung zählt jedoch zu den bevorzugteren Gammasterilisationstechniken.
In einer anderen Ausführungsform können auf Polymerbasis hergestellte Bauteile in einem Verpackungsbehälter angeordnet werden, der entweder flexibel oder steif ist. Nach dem Minimieren oder Eliminieren der Sauerstoffkonzentration in dem Behälter wird der Behälter auf 1,5 bis 4 Atmosphären mit einem inerten Gas unter Druck gesetzt, oder mit einer Mischung aus inertem Gas und Sauerstoff. Danach werden die Bauteile und die Behälter über eine Zeitspanne bestrahlt, die zum Sterilisieren der Bauteile und zum Fördern der Vernetzung des Polymers, das das Bauteil bildet, ausreichend ist.
Es hat sich gezeigt, dass dieses Verfahren die Verschleißfestigkeit von Polymerbauteilen erhöht, während andere mechanische Eigenschaften erhalten bleiben, die für solche Bauteile wichtig sind. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist die verbesserte Fähigkeit der Bauteile, einer Oxidation zu widerstehen. Das erhaltene sterilisierte Bauteil ist durch einen Gelgehalt im Bereich von 75 bis 100% gekennzeichnet, was einen hohen Vernetzungsgrad in dem Polymer anzeigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Balkengraphik, die die Verschleißrate (Milligramm Gewichtsverlust pro 1 Million Zyklen) für verschiedene Proben zeigt, die in Beispiel 3 ausgewertet wurden.
2 ist eine Balkengraphik, die die Verschleißrate (mm³ Verschleiß pro 1 Million Zyklen) für verschiedene Proben zeigt, die in Beispiel 4 ausgewertet wurden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Viele Polymerkomponenten, wie jene, die UHMWPE umfassen, bilden Gelenkverbindungsoberflächen für künstliche Gelenke. Daher ist es wichtig, dass diese Komponenten eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von auf Polymerbasis hergestellten Bauteilen bereit. Gemäß diesem Verfahren wird das gewünschte Polymerbauteil zunächst durch bekannte Verfahren, wie Pressformen und Kolbenstrangpressen, hergestellt. Das Polymer, das das Bauteil bildet, kann ein Polyethylen mit geringer Dichte, ein Polyethylen mit hoher Dichte, ein Polyethylen mit extrem hohem molekularem Gewicht Polypropylen, Polyester, Nylon, Polyurethan, Poly(methylmethacrylat) oder ein anderes biokompatibles Polymer sein, das für gewöhnlich in biomedizinischen Anwendungen verwendet wird. Ein bevorzugtes Polymer ist UHMWPE, das allgemein in zahlreichen orthopädischen Implantaten verwendet wird, wie als Auskleidung für Hüftgelenkpfannen künstlicher Hüftgelenke, und als Tibialagerglieder in künstlichen Kniegelenken.
In einer Ausführungsform werden Polymerbauteile, die dem Verfahren der Erfindung unterzogen werden sollen, zunächst in einer flexiblen Verpackung angeordnet, die eine heißsiegelfähige Öffnung aufweist. Vorzugsweise ist jedes Bauteil einzeln verpackt, aber es können mehr als ein Bauteil in einer einzelnen Verpackung angeordnet sein. Die Verpackung und das Bauteil werden dann einer relativ hohen Vakuumkraft ausgesetzt, während die heißsiegelfähige Öffnung offen bleibt. Die Vakuumkraft wird über 10 Sekunden bis 30 Minuten aufrechterhalten und vorzugsweise über etwa 30 Sekunden. Danach wird die Verpackung heißgesiegelt, während die Vakuumkraft aufrechterhalten bleibt, wodurch die Verpackung gasundurchlässig wird. Sobald die Verpackung unter Vakuum versiegelt ist und nach Beseitigung der Vakuumkraft wird ein hydrostatischer Manometerdruck im Bereich von 48 bis 101 KN/m² (4 bis 14,7 psig) auf das Bauteil ausgeübt.
Das Verpacken der Polymerbauteile in einer heißgesiegelten Verpackung unter Vakuum ist zur Verringerung des Drucks in der Verpackung effektiv sowie zur Entfernung von Sauerstoff aus dem Polymermaterial und aus der Umgebung innerhalb der Verpackung. Ferner wird angenommen, dass der hydrostatische Druck, der auf das Polymerbauteil ausgeübt wird, die Entwicklung von Wasserstoffgas von innerhalb des Polymers während der Bestrahlung hemmt.
Nach dem Heißsiegeln unter Vakuum der Verpackung, die das Polymerbauteil enthält, wird die Verpackung und das Bauteil über eine Zeitspanne bestrahlt, die zum Sterilisieren des Bauteils und zum Einleiten einer Vernetzung von Polymerketten in dem hergestellten Bauteil ausreichend ist. Es können verschiedene annehmbare Formen einer ionisierenden Strahlung zur Durchführung der Sterilisation des Bauteils verwendet werden. Diese Strahlungsformen umfassen Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und Elektronenstrahlstrahlen. Gegenwärtig ist die Verwendung der Gammastrahlung eine bevorzugte Strahlungstechnik.
In einem Aspekt der Erfindung liegt die Konzentration von Wasserstoff in der Verpackung im Bereich von 30 bis 100 Volumenprozent. Vorzugsweise wird das Polymerbauteil in einem wasserstoffreichen Gas in dem Verpackungsbehälter über eine ausreichende Zeitspanne gehärtet, so dass sich die Wasserstoffatome mit freien Radikalen rekombinieren können, die in den Polymerbauteilen vorhanden sind. Vorzugsweise dauert eine geeignete Härtungsperiode mindestens 48 Stunden nach der Bestrahlung des Bauteils und des Verpackungsbehälters.
Das flexible Verpackungsmaterial, in dem die Polymerbauteile versiegelt werden, kann aus vielen Arten flexiblen Verpackungsmaterials mit hohen Sperrschichteigenschaften gewählt werden, die allgemein zum Verpacken medizinischer Vorrichtungen verwendet werden. Vorzugsweise ist das Verpackungsmaterial ein mehrlagiges, heißsiegelfähiges, abziehbares Verpackungsmaterial, das eine oder mehrere Folienlagen, verschiedene Polymerlagen und eine Heißsiegelbeschichtung enthält. Beispiele für geeignete Materialien sind jene, die die folgenden Lagen enthalten: Polyesterfilm-Polyethylenfolie geringer Dichte-Ionomer-Heißsiegelbeschichtung. Verpackungsmaterialien mit den folgenden Lagen können ebenso verwendet werden: Polyester-Polyethylenfolie geringer Dichte-EAA-lineares Polyethylen geringer Dichte-Heißsiegelbeschichtung; und Polyester-Surlyn-Nylon-Surly-Folie-EAA-lineares Polyethylen geringer Dichte-Heißsiegelbeschichtung. Geeignete Verpackungsmaterialien können von zahlreichen Quellen erhalten werden, einschließlich Tolas Health Care Packaging, Feasterville, Pennsylvania. Die Dicke des Verpackungsmaterials liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,18 mm (2 mil bis 7 mil).
Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird eine relativ starke Vakuumkraft verwendet, die ausreichend ist, um den gesamten oder im Wesentlichen den gesamten Sauerstoff aus dem Inneren der Verpackung und der benachbarten Umgebung zu entfernen. Die verwendete Vakuumkraft liegt im Bereich von 500 bis 1013 mbar. Eine bevorzugte Vakuumkraft ist etwa 1000 mbar. Für gewöhnlich wird die Vakuumkraft auf die Verpackung und das Polymermaterial 10 Sekunden bis 30 Minuten ausgeübt und vorzugsweise etwa 30 Sekunden. Während die Vakuumkraft aufrechterhalten wird, wird die Verpackung heißgesiegelt, wodurch sie gasundurchlässig wird. Techniken zum Heißsiegeln eines solchen Verpackungsmaterials unter Vakuumkraft stehen dem Durchschnittsfachmann leicht zur Verfügung. Eine geeignete Vakuumverpackungsausrüstung, die zum Heißsiegeln von Verpackungen unter Vakuum imstande ist, ist dem Durchschnittsfachmann bekannt. Ein Beispiel für eine geeignete Vakuumverpackungsvorrichtung ist eine MultiVac A342 Vorrichtung, die von Multivac, Inc. Kansas City, Missouri, erhältlich ist.
Wie zuvor festgehalten wurde, wird das verpackte Polymermaterial vorzugsweise unter Verwendung von Gammastrahlung bestrahlt. Die Gammastrahlung wird über eine Dauer und bei einem Dosiswert angewendet, die/der zum Sterilisieren medizinischer Vorrichtungen als annehmbar bekannt ist. Eine Dosis von 20 bis 60 KGy ist für gewöhnlich annehmbar, wobei 35 bis 50 KGy bevorzugt sind. Der Bestrahlungsschritt dauert für gewöhnlich etwa 10 Minuten bis zu etwa mehreren Stunden und insbesondere eine bis drei Stunden.
In einer anderen Ausführungsform können auf Polymerbasis hergestellte Bauteile entweder in einem steifen oder in einem flexiblen Behälter angeordnet werden. Im Wesentlichen wird der gesamte Sauerstoff in dem Behälter zunächst evakuiert. Danach wird der Behälter mit einem inerten Gas (z. B. Argon, Helium oder Stickstoff) oder mit einer Mischung aus einem inerten Gas und Wasserstoff auf einen Druck von 1,5 bis 4 Atmosphären beaufschlagt. Anschließend werden der Behälter und die eingeschlossenen Polymerbauteile (unter Verwendung von Gamma-, Röntgen- oder Elektronenstrahlstrahlung) in einem Ausmaß bestrahlt, das zum Sterilisieren der Bauteile und zur Förderung einer Vernetzung des Polymers, das die Bauteile bildet, ausreichend ist.
Eine Variation dieser Ausführungsform kann auch verwendet werden, wenn die Notwendigkeit, den Behälter zu evakuieren, nicht vorhanden ist. Gemäß dieser Variation wird der Behälter zunächst mit einer ausreichenden Menge eines inerten Gases gespült, um etwaigen Sauerstoff zu verdrängen, und dann wird der Behälter mit einem inerten Gas oder mit einer Mischung aus einem inerten Gas und Wasserstoff auf den gewünschten Wert unter Druck gesetzt.
Ein Druckgas, das eine Mischung aus einem inerten Gas und Wasserstoff ist, ist vorzugsweise mit Wasserstoff angereichert. Die mit Wasserstoff angereicherte Gasmischung sollte mindestens 2,2 × 10^–3 Mol Wasserstoffgas pro Gramm Polymermaterial in dem Verpackungsbehälter haben. Zusätzlich ist das Wasserstoffgas in dem Volumen des Verpackungsbehälters vorzugsweise im Bereich von 30 bis 95 Volumenprozent.
In dieser Ausführungsform kann es auch nützlich sein, das Polymerbauteil nach der Bestrahlung über eine Zeitspanne zu härten, die ausreichend ist, dass sich die Wasserstoffatome mit etwaigen freien Radikalen in den Polymerbauteilen rekombinieren. Eine geeignete Zeitspanne ist vorzugsweise mindestens 48 Stunden.
Ein Durchschnittsfachmann kann leicht einen geeigneten Verpackungsbehälter wählen, der für eine Druckbeaufschlagung auf 1,5 bis 4 Atmosphären mit inertem Gas geeignet ist. Jeder flexible Behälter, der verwendet wird, muss natürlich über ausreichend starke Versiegelungen verfügen, damit er den Drücken, die er ausgesetzt wird, standhalten kann.
Es ist bekannt, dass die Bestrahlung von Polymeren eine Reihe chemischer Spezies, einschließlich freier Radikale, in den Ketten des Polymers erzeugt. Freie Radikale, wie zuvor festgehalten, können an einer Reihe von Reaktionen teilnehmen. Es wird angenommen, dass die Technik der vorliegenden Erfindung eine chemische Umgebung schafft, die die Teilnahme freier Radikale an Vernetzungsreaktionen mit benachbarten Polymerketten aufgrund des Fehlens von Sauerstoff, der in dem System für Oxidationsreaktionen zur Verfügung steht, begünstigt. Ferner führt eine Bestrahlung des Polymers auch zu der Entwicklung von Wasserstoffgas in einer Menge, die zu der Menge an erzeugten freien Radikalen proportional ist. Es wird ferner angenommen, dass die Verwendung einer Technik, bei der das Polymerbauteil in einem gasundurchlässigen, flexiblen Behälter unter Vakuum verpackt wird, bewirkt, dass ein hydrostatischer Druck auf das Bulkmaterial ausgeübt wird. Es wird angenommen, dass die Verfahren der vorliegenden Erfindung wirksam sind, die Diffusion von Wasserstoff aus dem Material zu hemmen. Zusätzlich wird angenommen, dass in Ausführungsformen, in welchen der Verpackungsbehälter auf 1,5 bis 4 Atmosphären mit einem inerten Gas geladen wird, der erhöhte Druck die Wasserstoffdiffusion hemmt. In anderen Ausführungsformen wird angenommen, dass die Verwendung eines flexiblen Verpackungsbehälters ermöglicht, dass der entwickelte hydrostatische Druck die Diffusion von Wasserstoff aus dem Material hemmt. Es wird angenommen, dass diese Phänomene dazu beitragen, die Anzahl freier Radikale zu verringern, die im Bulkpolymer vorhanden sind, wodurch das Potenzial für eine Oxidation des Materials weiter verringert wird.
Wie zuvor festgehalten, wird angenommen, dass die Techniken der vorliegenden Erfindung dazu beitragen, die Menge an Wasserstoff zu verringern, die aus dem Bulkpolymer diffundiert, wodurch mehr Wasserstoff in dem Polymer gehalten wird, Es wird angenommen, dass dieses Phänomen das Ausmaß der Kettenspaltungsreaktion in dem Polymer minimiert, da der Wasserstoff in dem Polymer die Anzahl freier Radikale in dem Polymer offensichtlich verringert, die zur Teilnahme an Oxidationsreaktionen durch eine Rekombination mit freien Radikalen zur Verfügung stehen. Nach dem Verpacken wird die Wasserstoffkonzentration in dem Verpackungsbehälter unter 2,2 × 10^–5 Mol/Gramm und insbesondere bei 1,83 × 10^–5 Mol/Gramm gehalten.
Es wird auch angenommen, dass die vorliegende Erfindung zu einer starken Vernetzung in dem Polymer beiträgt. Es wird angenommen, dass diese Vernetzung für die Erhöhung der Verschleißfestigkeit des Polymers verantwortlich ist, da das molekulare Gewicht erhöht wird und die Kettenspaltung weniger vorherrschend ist.
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Veranschaulichung der Erfindung.
Beispiele
Beispiel 1
Es wurden Scheiben mit einem Durchmesser von 25,4 mm und einer Dicke von 12,7 aus druckgepresstem UHMWPE (GUR 412, erhältlich von Poly Hi Solidur/Meditech, Vreden, Deutschland) geschnitten. Die Scheiben wurden dann in flexiblen polymerbeschicheten/Aluminiumfolienverpackungen unter den folgenden Bedingungen versiegelt. Ein Satz von Proben wurde einem 1000 mbar Vakuum vor dem Versiegeln der Verpackung unterzogen, ein anderer Satz von Proben wurde verpackt und in Luft bei –300 mbar versiegelt, und ein dritter Satz von Proben wurde einer Vakuumkraft von 1000 mbar ausgesetzt und dann mit Stickstoff auf einen Druck von –300 mbar vor dem Versigeln hinterfüllt. Nach dem Versiegeln wurden alle Proben mit einer Dosis von 40 Kgy etwa 2 Stunden 20 Minuten gammabestrahlt. Die Wasserstoffgaszusammensetzung in den Verpackungen wurde nach der Sterilisation gemessen. Alle Messungen wurden bei derselben Temperatur (23°C) vorgenommen und der Druck im Inneren des Beutels war nach der Sterilisation für alle Proben gleich, d. h., die Steifigkeit der Verpackungen wirkte sich nicht auf das Endverpackungsvolumen aus. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 1 angeführt.
Tabelle 1: Wasserstoffgasmessung
Die Daten von Tabelle 1 zeigen, dass eine signifikant geringere Menge an Wasserstoff in den Verpackungen von Proben vorhanden war, die nach der Technik der vorliegenden Erfindung bearbeitet wurden. Vermutlich verbleibt mehr Wasserstoff in dem Bulkpolymer vorhanden, wenn der hydrostatische Druck, der auf das Polymer ausgeübt wird, die Diffusion von Wasserstoff aus dem Polymer hemmt.
Beispiel 2
Der Gelgehalt von UHMWPE-Proben wurde nach der Methode C von ASTM D2765-90 bestimmt, um das Ausmaß der Vernetzung in dem Polymer zu bewerten. UHMWPE-Filme, mit einer Dicke von 200 Mikron, einem Gewicht von 0,6 Gramm, wurden aus pressgeformtem GUR 412 UHMWPE abgespalten. Fünf Filme wurden in Luft verpackt, während fünf Filme unter einem 1000 mbar Vakuum auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 verpackt wurden. Nach dem Verpacken wurden alle Proben unter Verwendung einer Gammastrahlung bei 40 Kgy 2 Stunden 20 Minuten sterilisiert.
Die in Tabelle 2 angeführten Daten zeigen, dass die Proben, die in Luft bestrahlt wurden, kein Gel entwickelten. Dies legt nahe, dass das zahlenmäßige durchschnittliche molekulare Gewicht dieser Proben von etwa 3.000.000 auf weniger als 500.000 verringert war. Im Gegensatz dazu hatten die vakuumverpackten Proben einen durchschnittlichen Gelgehalt von 87,98%, was darauf hinweist, dass eine starke Vernetzung in diesen Proben stattgefunden hatte.
Tabelle 2: Gelgehalt
Die Verschleißfestigkeit von UHMWPE-Komponenten, die gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeitet wurden, wurde auch wie in Beispiel 3 und 4 erklärt ausgewertet.
Beispiel 3
Zehn Hüftschalenauskleidungen wurden aus pressgeformten GUR 412 UHMWPE hergestellt. Fünf wurden unter Vakuum verpackt und fünf wurden in Luft nach dem Verfahren verpackt, das in Beispiel 1 erklärt ist. Zehn andere Hüftschalenauskleidungen wurden aus kolbenstranggepresstem GUR 415 UHMWPE (erhältlich Poly Hi Solidur/Meditech, Vreden, Deutschland) geschnitten. Diese Proben wurden unter Verwendung eines 12-Stationen MATCO/PM-MED Hüftsimulators getestet. Dieser Simulator ist ein computergesteuertes hydraulisches System, eine biaxiale Schwenkbewegung der Schalen erzeugt, die mit der "Hip Loading Curb" nach Paul synchronisiert ist (Paul, J. P., Proc. Inst. Mech. Eng., 181 (3J): 8–15, 1966). Es wurde ein Körpergewicht von 756 N verwendet, das zu einer maximal aufgebrachten Last von 1966 N führte. Alle Simulatortests wurden bei 1,1 Hz über mindestens zwei Millionen Zyklen durchgeführt. In sieben ausgewählten Intervallen wurde der Polyethylenverschleiß auf der Basis des Probengewichtsverlustes gemessen. Alle Gewichtsverlustwerte wurden auf Probenfluidabsorption korrigiert, indem zu denselben Intervallen die Gewichtszunahme mehrerer ungetesteter Proben gemessen wurde, die in Serum eingeweicht worden waren. Verschleißraten wurden durch lineare Regression der Verschleißdaten bestimmt, beginnend nach einer anfänglichen nichtlinearen Periode (etwa 100.000 Zyklen). Der Gesamtverschleiß wurde durch Subtrahieren des Endgewichts jeder Probe von dem Ausgangsgewicht (etwa 6 Gramm) und Korrigieren auf Gewichtszunahme aufgrund der Fluidabsorption, wie zuvor beschrieben, bestimmt.
Die Daten in 1 zeigen, dass die Proben, die in Luft verpackt und bestrahlt wurden, etwa 30 Milligramm Gewicht während der Testperiode verloren, während Proben, die unter Vakuum verpackt wurden, nur etwa 16 Milligramm Gewicht während der Testperiode verloren. Ebenso führten die kolbenstranggepressten UHMWPE-Proben zu einem größeren Gewichtsverlust bei den luftverpackten Proben (etwa 28 mg) als bei den vakuumverpackten Proben (etwa 17 mg).
Der höhere Gewichtsverlust der in Luft verpackten und bestrahlten Proben weist auf eine geringere Verschleißfestigkeit hin, die offensichtlich eine Folge der Kettenspaltungsreaktionen ist, die in dem Polymer stattfinden, wodurch das molekulare Gewicht des Polymers verringert wird.
Beispiel 4
Die Verschleißfestigkeit wurde auch nach einer anderen Technik bewertet, in der eine Erosion einer Probe, die durch Drehen der Probe unter einem Metallstift verursacht wurde, ausgewertet wurde. Gemäß diesem Experiment wurden zehn Proben pressgeformter UHMWPE-(GUR 412) Scheiben gemeinsam mit zehn Proben kolbenstranggepresstem UHMWPE (GUR 415) erhalten. Alle Proben hatten die Dimensionen von 1,25 Inch Durchmesser und 0,25 Inch Dicke. Fünf Proben jeder Materialart wurde in Luft verpackt und bestrahlt, während fünf Proben jeder Materialart unter Vakuum verpackt und bestrahlt wurden, wie in Beispiel 1 beschrieben.
Nach dem Verpacken und Bestrahlen wurde die Verschleißfestigkeit jeder Probe durch eine "Stift-auf-Scheibe"-Technik bewertet. Gemäß dieser Technik wurde ein Metallstift mit einem Durchmesser von etwa 0,25 Inch in Kontakt mit einer Oberfläche jeder der Testproben angeordnet. Der Stift wurde auf 152 N belastet, während die Scheibe bei 112 U/min gedreht wurde. Die Verschleißspur, die durch den Metallstift erzeugt wurde, wurde in 5 Intervallen über 2.000.000 Zyklen mit Hilfe eines Profilometers gemessen, um Volumenänderungen in der UHMWPE-Probe zu erfassen. Eine lineare Regression wurde an den Volumenänderungen über die zweite bis fünfte Messung durchgeführt, um die Verschleißrate zu bestimmen.
Wie in 2 dargestellt, zeigten die pressgeformten GUR 412-Proben, die in Luft verpackt und bestrahlt wurden, eine deutlich höhere Verschleißrate (1,01 mm³/1.000.000 Zyklen) als die Proben, die unter Vakuum verpackt und bestrahlt wurden (0,48 mm³/1.000.000 Zyklen). Die kolbenstranggepressten GUR 415-Proben zeigten eine weniger signifikante Verringerung in der Verschleißrate für die unter Vakuum verpackten und bestrahlen Proben. Wie in 2 dargestellt, zeigten die in Luft verpackten und bestrahlten Proben eine Verschleißrate von 0,78 mm³/1.000.000 Zyklen, während die unter Vakuum verpackten und bestrahlten Proben eine Verschleißrate von 0,74 mm³/1.000.000 Zyklen zeigten.
Es wurde auch ein zweites Verschleißkriterium in Verbindung mit dieser Auswertung verwendet. Die Grübchenbildung der Verschleißspur wurde qualitativ ausgewertet, um die Wirkungen des Verschleißes näher zu bewerten. Tabelle 3 zeigt diese Daten, wenn eine Grübchenbildung in einer Verschleißspur beobachtet wurde.
Tabelle 3: Grübchenbildung in der Spur

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit eines auf Polymerbasis hergestellten Bauteils, umfassend die Schritte von Bereitstellen eines oder mehrerer auf Polymerbasis hergestellter Bauteile; Anordnen der Bauteile in einem oder mehreren gasundurchlässigen, flexiblen Verpackungsbehältern, wobei jeder Behälter zumindest eine heißsiegelfähige Öffnung darin aufweist; Aussetzen des Verpackungsbehälters und der Polymerbauteile an eine Vakuumkraft; Heißsiegeln des flexiblen Verpackungsbehälters, während er der Vakuumkraft ausgesetzt ist, und nach Versiegeln des Verpackungsbehälters Ausüben eines hydrostatischen Drucks auf das Bauteil; Bestrahlen der heißversiegelten Verpackungen und der Bauteile unter Druck für eine Zeitspanne, die ausreichend ist, um die Bauteile zu sterilisieren; und nachfolgend dem Schritt der Bestrahlung, Alterung der Polymerbauteile innerhalb der Atmosphäre des Verpackungsbehälters für eine Zeitspanne; wobei die Vakuumkraft ausreichend ist, um im Wesentlichen den gesamten Sauerstoff aus dem Verpackungsbehälter zu entfernen, wobei die Vakuumkraft im Bereich von 500 bis 1013 mbar liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydrostatische Überdruck, der auf das Bauteil ausgeübt wird, im Bereich von 48 bis 101 kN/m² (7 bis 14,7 psig) liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alles Gas innerhalb des flexiblen Verpackungsbehälters nach der Bestrahlung weniger als 2,2 × 10^–5 mol/g an Wasserstoff aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend dem Schritt der Bestrahlung das Bauteil durch einen Gelgehalt im Bereich von 75 bis 100%, bestimmt durch das Verfahren C von ASTM D2765-90, charakterisiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Verpackungsbehälter aus einer Metallfolie hergestellt ist, die von einer oder mehreren Lagen eines Polymerfilms umgeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerbauteil aus einem Polymer gebildet ist, das aus der Gruppe umfassend Polyethylen mit geringer Dichte, Polyethylen mit hoher Dichte, Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht, Polypropylen, Polyester, Nylon, Polyurethan und Poly(methylmethacrylat) ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerbauteil aus einem Polyethylen mit extrem hohem Molekulargewicht, das ein zahlenmäßiges durchschnittliches molekulares Gewicht von größer als 1,0 Mio. aufweist, gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerbauteil durch ein Pressverfahren hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerbauteil durch ein Kolbenstrangpressverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffreiche Atmosphäre innerhalb des Behälters einen Volumenanteil von 30% bis 100% Wasserstoff aufweist.
Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit eines auf Polymerbasis hergestellten Bauteils, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines oder mehrerer auf Polymerbasis hergestellter Bauteile; Anordnen der Bauteile in einem oder mehreren versiegelbaren, gasundurchlässigen Verpackungsbehältern; Entfernen im Wesentlichen des gesamten Sauerstoffs aus dem Verpackungsbehälter; unter Druck setzen der Verpackungsbehälter innerhalb eines inerten Gases bei einem Druck, der größer als 1,5 bis 4,0 Atmosphären ist; Bestrahlen der unter Druck gesetzten Behälter und der Polymerbauteile für eine Zeitspanne, die ausreichend ist, um die Bauteile zu sterilisieren; und nachfolgend dem Schritt der Bestrahlung, umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Alterung der Polymerbauteile innerhalb der Atmosphäre des Verpackungsbehälters für eine Zeitspanne.
Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit eines auf Polymerbasis hergestellten Bauteils, umfassend die Schritte von: Bereitstellen eines oder mehrerer auf Polymerbasis hergestellten Bauteile; Anordnen der Bauteile in einem oder mehreren versiegelbaren, gasundurchlässigen Verpackungsbehälter; Entfernen im Wesentlichen des gesamten Sauerstoffs aus dem Verpackungsbehälter; unter Druck setzen der Verpackungsbehälter mit einer Mischung aus Wasserstoffgas und einem inerten Gas bei einem Druck, der größer als 1,5 Atmosphären ist; Bestrahlen der unter Druck gesetzten Behälter und der Polymerbauteile für eine Zeitspanne, die ausreichend ist, um die Bauteile zu sterilisieren; und Alterung des Bauteils innerhalb der Atmosphäre des bestrahlten Verpackungsbehälters für eine Zeitspanne.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Wasserstoffgas und einem inerten Gas durch einen minimalen Anteil von 2,2 × 10³ mol an Sauerstoffgas pro g an Polymermaterial innerhalb des Verpackungsbehälters und eine Volumenkonzentration an Wasserstoff innerhalb des Behälters im Bereich von 30% bis 95% charakterisiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil innerhalb des Verpackungsbehälters für zumindest 48 Stunden gealtert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Entfernens des Sauerstoffs aus den Verpackungsbehältern durch Spülen des Behälters mit einem inerten Gas erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Entfernens des Sauerstoffs aus den Verpackungsbehältern durch Anwendung einer Vakuumkraft auf die Behälter erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas aus einer Gruppe umfassend Argon, Helium und Stickstoff, ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpackungsbehälter steif ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpackungsbehälter flexibel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestrahlens unter Verwendung von Gamma-, Röntgen- oder Elektronenstrahlstrahlung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Bestrahlung durchgeführt wird, bis eine Dosis von 20 bis 60 KGy erreicht worden ist.