DE69737325T2

DE69737325T2 - Vernetzung von polyethylen zur verringerung der abnutzung unter anwendung von strahlung und thermischer behandlung

Info

Publication number: DE69737325T2
Application number: DE69737325T
Authority: DE
Inventors: Fu-Wen Walnut SHEN; Harry A. Los Angeles MCKELLOP; Ronald Rancho Palos Verdes SALOVEY
Original assignee: ORTHOPAEDIC HOSPITAL LOS ANGELES; Orthopaedic Hospital; University of Southern California USC
Current assignee: ORTHOPAEDIC HOSPITAL LOS ANGELES; Orthopaedic Hospital; University of Southern California USC
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2017-07-09
Also published as: EP0935446B1; CA2260241A1; JP4187712B2; DE69737325D1; US8003709B2; US20040266902A1; EP0935446A1; EP0935446A4; AU3655197A; CA2260241C; US20050048096A1; US20070100016A1; US6800670B2; EP2319546A1; US20080133021A1; US20070100017A1; EP1795212A2; JP2005161029A; EP1795212A3; JP2000514481A

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Polymere. Sie offenbart Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Polymeren durch Vernetzung und Wärmebehandlung. Die hierin offenbarten Polymere sind zur Herstellung von Implantaten verwendbar, beispielsweise als Komponenten von künstlichen Gelenken, wie z. B. von Hüftgelenkpfannen.
TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ultrahochmolekulares Polyethylen (nachstehend als "UHMWPE" bezeichnet) wird gewöhnlich zur Herstellung von Gelenkprothesen wie z. B. künstlichen Hüftgelenken eingesetzt. In den letzten Jahren ist es immer offensichtlicher geworden, daß Gewebenekrose und Grenzflächenosteolyse als Reaktion auf UHMWPE-Abrieb in erster Linie an dem langfristigen Versagen von Hüftgelenkprothesen durch Lockerung beteiligt sind. Zum Beispiel gelangen durch den Verschleiß von Hüftgelenkpfannen aus UHMWPE in künstlichen Hüftgelenken viele mikroskopische Verschleißteilchen in die umgebenden Gewebe. Zur Reaktion auf diese Teilchen gehören Entzündung und Zersetzung der Gewebe, besonders des Knochens, an dem die Prothese verankert ist. Schließlich wird die Prothese schmerzhaft locker und muß ersetzt werden.
Eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit der UHMWPE-Gelenkpfanne und dadurch die Verminderung der Entstehungsrate von Verschleißpartikeln würde die Gebrauchsdauer von künstlichen Gelenken verlängern und ihren erfolgreichen Einsatz bei jüngeren Patienten ermöglichen. Folglich sind zahlreiche Modifikationen der physikalischen Eigenschaften von UHMWPE vorgeschlagen worden, um seine Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Es ist bekannt, daß UHMWPE-Komponenten nach der Herstellung eine spontane Zunahme der Kristallinität und Änderungen anderer physikalischer Eigenschaften erfahren {Siehe z. B. Rimnac, C.M., et al., J. Bone & Joint Surgery, 76-A(7): 1052-1056 (1994)}. Diese Änderungen treten sogar in gelagerten (nicht implantierten) Gelenkpfannen nach der Sterilisierung mit Gammastrahlung auf, die einen andauernden Prozeß der Kettenspaltung, Vernetzung und Oxidation oder Peroxidation unter Beteiligung der durch die Bestrahlung gebildeten freien Radikale auslöst. Diese abbauenden Veränderungen können im Gebrauch durch oxidativen Angriff von der Gelenkflüssigkeit und durch angreifende zyklische Spannungen beschleunigt werden.
In einem Versuch, die Verschleißfestigkeit zu verbessern, stellten DePuy-DuPont Orthopaedics Hüftgelenkpfannen aus herkömmlich extrudiertem Stabmaterial her, das zuvor erwärmt und einem hydrostatischen Druck ausgesetzt worden war, der Schmelzfehler verminderte und die Kristallinität, Dichte, Steifigkeit, Härte, Dehngrenze erhöhte und die Kriechfestigkeit, Oxidations- und Ermüdungsbeständigkeit erhöhte. Alternativ ist auch silanvernetztes UHMWPE (XLP) eingesetzt worden, um Hüftgelenkpfannen für totalen Hüftgelenksersatz bei Ziegen herzustellen. In diesem Fall war die Anzahl der In-vivo-Verschleißpartikel für XLP offenbar größer als für herkömmliche UHMWPE Gelenkpfannenimplantate {Ferrits, B.D., J. Exp. Path., 71: 367-373 (1990)}.
Andere Modifikationen von UHMWPE waren unter anderem: (a) Verstärkung mit Kohlefasern; und (b) Behandlungen nach der Verarbeitung, wie zum Beispiel Festphasenformpressen. Tatsächlich haben kohlefaserverstärktes Polyethylen und ein wärmebehandeltes Polyethylen bei Verwendung als Schienbeinteile einer totalen Knieprothese eine relativ schlechte Verschleißfestigkeit aufgewiesen. {Siehe z. B. Rimnac, C.M., et al., Trans. Orthopaedic Research Society, 17:330 (1992)}.
In letzter Zeit haben verschiedene Unternehmen das Verfahren der Bestrahlungssterilisation modifiziert, um die Verschleißfestigkeit von UHMWPE-Komponenten zu verbessern. Dies erforderte typischerweise das Verpacken der Polyethylen-Gelenkpfannen entweder unter Inertgas (z. B. Howmedica, Inc.), in einem Teilvakuum (z. B. Johnson & Johnson, Inc.) oder mit einer sauerstoffbindenden Chemikalie (z. B. Sulzer Orthopaedics, Inc.).
US 2948666 offenbart ein Verfahren zum Bestrahlen eines bestimmten Polyethylen-Typs. Nach dem Bestrahlen wird das Polyethylen auf eine Temperatur von 120 bis 260°C erhitzt, um es weniger kristallin zu machen. Der höchste erzielte Vernetzungsgrad (Gelgehalt) ist 34%.
WO97/29793, das aufgrund von Artikel 54(3) EPÜ Stand der Technik ist, offenbart eine medizinische Prothese für den Einsatz im Körper, die aus strahlenbehandeltem ultrahochmolekularem Polyethylen geformt wird, das im wesentlichen keine nachweisbaren freien Radikale aufweist. Die Bestrahlung erfolgt in den meisten Fällen mit Elektronenstrahlen, außer für Beispiel 15, in dem "Hockeyscheiben", die aus herkömmlichem sinterextrudiertem UHMWPE-Stabmaterial (Hoechst Celanese GUR415) ausgeschnitten werden, in Luft bei Raumtemperatur mit Gammastrahlen mit einer Dosisrate von 0,05 Mrad/min bis 4 Mrad absorbierter Gesamtdosis bestrahlt und anschließend geschmolzen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der erste Aspekt der Erfindung bietet ein Verfahren zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit eines Polymers gemäß Anspruch 5. Nicht einschränkende Beispiele der Wärmebehandlungen sind Umschmelzen und Tempern (Erhitzen mit anschließender Abkühlung). Vorzugsweise wird das Polymer durch Gammabestrahlung im festen Zustand vernetzt, bevor es zu einer gewünschten endgültigen Form oder Gestalt des Endprodukts modifiziert wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Oberflächenschicht des vernetzten und wärmebehandelten Polymer, d. h. der am stärksten oxidierte und am wenigsten vernetzte Teil des Polymers, in dem Verfahren zum Herausarbeiten des Endprodukts aus dem bestrahlten Stab und wärmebehandelten Stab oder Block entfernt. Die Strahlungsdosis wird außerdem vorzugsweise so eingestellt, daß die optimale Dosis innerhalb des massiven Polymerstabs oder -blocks auf der Ebene der Auflagefläche des Endprodukts auftritt. Die Erfindung liegt außerdem in einer vorgeformten Polymerzusammensetzung gemäß Anspruch 1, einem daraus hergestellten In-vivo-Implantat und einem Verfahren zur Ermittlung einer optimalen Strahlungsdosis und Wärmebehandlung zum Behandeln des Polymers gemäß Anspruch 17, um seine Verschleißfestigkeit zu erhöhen.
Der zweite Aspekt der Erfindung bietet ein systematisches Verfahren zur Ermittlung eines optimalen Gleichgewichts zwischen Verschleißfestigkeit und anderen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, die für das Langzeitverhalten eines Implantats in vivo als wichtig angesehen werden, und die Anwendung dieses optimalen Gleichgewichts, um die geeigneten Vernetzungs- und Wärmebehandlungsbedingungen für die Verarbeitung eines Polymers zu bestimmen. Als nicht einschränkende Veranschaulichung des Verfahrens zur Ermittlung des optimalen Gleichgewichts wird ein Ablaufdiagramm dargestellt. Außerdem werden Verfahren zur Behandlung von Polymeren unter Anwendung der obigen Vernetzungs- und Wärmebehandlungsbedingungen; die durch diese Verfahren erzeugten Polymere; Verfahren zur Herstellung von Produkten (z. B. In-vivo-Implantaten) aus diesen Polymeren und die aus diesen Polymeren hergestellten Produkte bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt den Kristallinitätsgrad als Funktion der Tiefe bei angegebenen Dosen für UHMWPE, das bei Unterdruck (d. h. in einer sauerstoffarmen Atmosphäre) bestrahlt wurde.
2 zeigt den Gelgehalt als Funktion der Tiefe bei angegebenen Dosen für UHMWPE, das bei Unterdruck (d. h. in einer sauerstoffarmen Atmosphäre) bestrahlt wurde.
3 zeigt den Gelgehalt als Funktion der Tiefe bei angegebenen Bedingungen für UHMWPE.
4 zeigt den Kristallinitätsgrad als Funktion der Tiefe bei angegebenen Bedingungen für UHMWPE.
5 zeigt den Gelgehalt als Funktion der Tiefe bei angegebenen Bedingungen für UHMWPE.
6 zeigt die Gestalt der aus dem bestrahlten UHMWPE hergestellten Hüftgelenkpfanne.
7 zeigt eine Prinzipskizze des bei den Verschleißtests verwendeten Hüftgelenksimulators.
8 zeigt den Volumenverlust durch Verschleiß jeder Gelenkpfanne aus den vier Materialien. Obere Kurven: 3,3 Megarad (Mrad) (33 Kilogray (kGy)); untere Kurven: 28 Mrad (280 kGy).
9 zeigt die mittleren Volumenverschleißkurven und Standardabweichungen von drei Gelenkpfannen aus jedem Material in jedem Intervall.
10 zeigt das Oxidationsprofil als Funktion der Tiefe bei verschiedenen Alterungszeiten.
11 zeigt das Oxidationsprofil als Funktion der Tiefe bei verschiedenen Alterungszeiten.
12 zeigt das Oxidationsprofil als Funktion der Tiefe bei verschiedenen Alterungszeiten.
13 zeigt das Oxidationsprofil als Funktion der Tiefe bei verschiedenen Alterungszeiten.
14 zeigt das Oxidationsprofil als Funktion der Tiefe für verschiedene Materialien. Die Probekörper wurden 5 Monate an der Luft gelagert und dann 20 Tage bei 80°C gealtert.
15 zeigt den Gelgehalt als Funktion der Tiefe bei verschiedenen Alterungszeiten.
16 zeigt den Gelgehalt als Funktion der Tiefe bei verschiedenen Alterungszeiten.
17 zeigt den Gelgehalt als Funktion der Tiefe bei verschiedenen Alterungszeiten.
18 zeigt den Gelgehalt als Funktion der Tiefe bei verschiedenen Alterungszeiten.
19 zeigt der Kristallinitätsgrad als Funktion der Tiefe nach 30 Tagen Alterung.
20 zeigt den kombinierten einweichkorrigierten Verschleiß für nichtgealterte und gealterte Gelenkpfannen.
21 zeigt den individuellen Verschleiß für Gelenkpfannen, die mit unterschiedlichen Dosen bestrahlt wurden.
22 zeigt die mittlere Verschleißrate als Funktion der Strahlungsdosis von nicht umgeschmolzenen und umgeschmolzenen Gelenkpfannen.
Die 23A und 23B zeigen das Ablaufdiagramm, welches das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren darstellt.
24 zeigt graphisch die Oxidationsprofile für bestrahltes und umgeschmolzenes UHMWPE als Funktion der Tiefe von der UHMWPE-Staboberfläche aus.
25 zeigt graphisch die Zugfestigkeit als Funktion der Strahlungsdosis von bestrahltem UHMWPE mit oder ohne Umschmelzen und von nicht bestrahltem und nicht umgeschmolzenem UHMWPE.
26 zeigt graphisch die Reißfestigkeit als Funktion der Strahlungsdosis von bestrahltem UHMWPE mit oder ohne Umschmelzen und von nicht bestrahltem und nicht umgeschmolzenem UHMWPE.
27 zeigt graphisch die Reißdehnung als Funktion der Strahlungsdosis von bestrahltem UHMWPE mit oder ohne Umschmelzen und von nicht bestrahltem und nicht umgeschmolzenem UHMWPE.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der vorliegenden Patentanmldung benutzte Abkürzungen sind die folgenden:

UHMW: – ultrahochmolekular
UHMWPE: – ultrahochmolekulares Polyethylen
HMW: – hochmolekular
HMWPE: – hochmolekulares Polyethylen

Die vorliegende Erfindung enthält zwei Aspekte. Der erste Aspekt der Erfindung bietet Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit eines Polymers durch Vernetzung (vorzugsweise der Auflagefläche des Polymers) und anschließende Wärmebehandlung des Polymers sowie das resultierende neuartige Polymer. Vorzugsweise wird außerdem die am stärksten oxidierte Oberfläche des Polymers entfernt. Gleichfalls bereitgestellt werden Verfahren zur Verwendung der Polymerzusammensetzungen für die Herstellung von Produkten und die resultierenden Produkte, z. B. In-vivo-Implantate. Konkrete Beispiele dieses Verfahrens werden weiter unten im Abschnitt "I. Erster Aspekt der Erfindung: Polymerzusammensetzungen mit erhöhter Verschleißfestigkeit" und "I (A) Weitere Beispiele des ersten Aspekts der Erfindung" dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt Bestrahlung zum Vernetzen eines Polymers, gefolgt von einer Wärmebehandlung zur Verminderung der freien Radikale, um eine vorgeformte Polymerzusammensetzung herzustellen. Der Begriff "vorgeformte Polymerzusammensetzung" bedeutet, daß die Polymerzusammensetzung nicht in einer endgültigen gewünschten Gestalt oder Form (d. h. nicht als Endprodukt) vorliegt. Falls das Endprodukt der vorgeformten Polymerzusammensetzung eine Hüftgelenkpfanne ist, könnten zum Beispiel die Bestrahlung und Wärmebehandlung des Polymers an der Vorform einer Hüftgelenkpfanne durchgeführt werden, wie z. B. wenn die vorgeformte Polymerzusammensetzung in Form eines massiven Stabs oder Blocks vorliegt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bietet ein systematisches Verfahren (von dem ein Beispiel weiter unten in dem Ablaufdiagramm erläutert wird) zur Ermittlung der optimalen Parameter für die oben erwähnte Vernetzung und Wärmebehandlung. Dieser zweite Aspekt bietet ein Verfahren zur Ermittlung der größtmöglichen Verbesserung der Verschleißfestigkeit, die damit vereinbar ist, daß die andere(n) physikalische(n) und/oder chemische(n) Eigenschaft(en) mit dem geringsten empirischen Testaufwand innerhalb der vom Anwender gewünschten Grenzwerte gehalten werden. Sobald die optimalen Parameter (d. h. Vernetzungsbedingungen, wie z. B. die Strahlungsdosis, wenn zum Vernetzen des Polymers Strahlung angewandt wird, und Wärmebehandlungsparameter) nach diesem Verfahren ermittelt sind, wird das Polymer dann gemäß den optimalen Parametern verarbeitet. Daher bietet dieses Protokoll die Entwicklung einer vorgeformten Polymerzusammensetzung mit bestimmten chemischen/mechanischen Eigenschaften routinemäßig ohne Anwendung übermäßigen Experimentierens. Gleichfalls dargestellt werden die Verfahren zur Verwendung der vorgeformten Polymerzusammensetzungen für die Herstellung von Produkten sowie die Produkte, zum Beispiel In-vivo-Implantate.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Verschleißfestigkeit des Polymers durch Vernetzung verbessert. Die Vernetzung kann durch verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren erreicht werden, zum Beispiel durch Bestrahlung aus einer Gammastrahlungsquelle oder durch einen Elektronenstrahl, oder durch photochemische Vernetzung. Das bevorzugte Verfahren für die Vernetzung des Polymers ist die Bestrahlung mit Gammastrahlen. Das Polymer wird vorzugsweise in Form eines extrudierten Stabs oder geformten Blocks vernetzt.
Bei dem bevorzugten Verfahren wird das vernetzte Polymer einer Wärmebehandlung ausgesetzt, wie z. B. durch Umschmelzen (d. h. Erhitzen über die Schmelztemperatur des vernetzten Polymers) oder Tempern (d. h. Erhitzen auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur des vernetzten Polymers), um die vorgeformte Polymerzusammensetzung herzustellen.
In der bevorzugten Ausführungsform sowohl des ersten als auch des zweiten Aspekts der Erfindung wird die äußere Schicht der entstehenden vorgeformten Polymerzusammensetzung entfernt, die im allgemeinen am stärksten oxidiert und am wenigsten vernetzt und daher am wenigsten verschleißfest ist. Beispielsweise kann die Auflagefläche der vorgeformten Polymerzusammensetzung von innen bearbeitet werden, z. B. durch Abtragen der Oberfläche der bestrahlten und wärmebehandelten Zusammensetzung vor oder während der Bearbeitung zu dem Endprodukt, z. B. einem Implantat. Auflageflächen sind Flächen, die im beweglichen Kontakt miteinander sind, z. B. in einer gleitenden, gelenkig angeordneten oder drehenden Beziehung zueinander.
Auswahlmöglichkeiten von Polymeren
Die Polymere sind im allgemeinen Polyester, Poly(methylmethacrylat), Nylon, Polycarbonate und polymere Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Polyethylen und Polypropylen. Hochmolekulare (HMW) und ultrahochmolekulare (UHMW) Polymere werden bevorzugt, wie z. B. HMW Polyethylen (HMWPE), UHMW Polyethylen (UHMWPE) und UHMW Polypropylen. Hochmolekulare (HMW) Polymere haben Molekulargewichte im Bereich von etwa 10⁵ g/mol bis knapp unter 10⁶ g/mol. Ultrahochmolekulare (UHMW) Polymere haben Molekulargewichte größer oder gleich 10⁶ g/mol, vorzugsweise von 10⁶ bis etwa 10⁷. Die Polymere liegen im allgemeinen zwischen etwa 400000 g/mol und etwa 10000000 g/mol und sind vorzugsweise Polyolefin-Materialien.
Für Implantate sind die bevorzugten Polymere diejenigen, die verschleißfest sind und eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit aufweisen. UHMWPE ist das am stärksten bevorzugte Polymer, da es wegen dieser Eigenschaften bekannt ist und gegenwärtig weit verbreitet zur Herstellung von Hüftgelenkpfannen für totale Hüftgelenkprothesen sowie von Komponenten anderer Ersatzgelenke eingesetzt wird. Beispiele von UHMWPE sind diejenigen mit einem Molekulargewicht im Bereich von 1 bis 8 × 10⁶ g/mol, Beispiele dafür sind: GUR 4150 oder 4050 (Hoechst-Celanese Corporation, League City, Texas) mit einem massegemittelten Molekulargewicht von 5 bis 6 × 10⁶ g/mol; GUR 4130 mit einem massegemittelten Molekulargewicht von 3 bis 4 × 10⁶; GUR 4120 oder 4020 mit einem massegemittelten Molekulargewicht von 3 bis 4 × 10⁶; RCH 1000 (Hoechst-Celanese Corp.) mit einem massegemittelten Molekulargewicht von 4 × 10⁶ und HiFax 1900 mit einem massegemittelten Molekulargewicht von 2 bis 4 × 10⁶ (HiMont, Elkton, Maryland). Historisch haben Unternehmen, die Implantate herstellen, Polyethylene, wie z. B. HiFax 1900, GUR 4020, GUR 4120 und GUR 4150 für die Herstellung von Hüftgelenkpfannen eingesetzt.
Sterilisationsmethoden
Alle Polymerprodukte müssen durch ein geeignetes Verfahren sterilisiert werden, bevor sie in den menschlichen Körper implantiert werden. Für die geformten, vernetzten und wärmebehandelten Polymerzusammensetzungen (d. h. die Endprodukte) gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, die Produkte durch ein nicht auf Strahlung basierendes Verfahren zu sterilisieren, wie z. B. durch Ethylenoxid oder Gasplasma, um keine zusätzliche Vernetzung und/oder Oxidation der zuvor behandelten vorgeformten Polymerzusammensetzung auszulösen. Im Vergleich zur Strahlungssterilisierung hat ein strahlungsfreies Sterilisationsverfahren eine geringere Auswirkung auf die anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften des Produkts.
Trotzdem kann das Verfahren in Verbindung mit Strahlungssterilisation angewandt werden. Wenn die Endprodukte durch eine zusätzliche Strahlungsdosis zu sterilisieren sind, ist es vorzuziehen, die Auswirkung dieser zusätzlichen Strahlungsdosis auf die Verschleißfestigkeit und die anderen Eigenschaften des Polymers bei der Ermittlung der optimalen Strahlungsdosis zu berücksichtigen, die bei der ursprünglichen Vernetzung eingesetzt wird. Ferner wird die Strahlungssterilisation vorzugsweise durchgeführt, während das fertige Produkt (z. B. ein In-vivo-Implantat), von einer geeigneten sauerstoffarmen Atmosphäre umgeben ist (z. B. von Teilvakuum, einem Inertgas, wie z. B. Stickstoff, oder mit einer darin enthaltenen sauerstoffbindenden Chemikalie), um die Oxidation der Oberflächenschicht des Endprodukts während und nach der Sterilisierung durch Bestrahlen zu minimieren.
Die Dosisbereiche in der vorliegenden Patentanmeldung berücksichtigen keine Strahlungssterilisation. Wenn Strahlungssterilisation angewandt wird, dann müssen die Dosisbereiche reguliert werden. Eine solche Regulierung kann unter Anwendung der hierin gegebenen Lehren leicht durchgeführt werden. Wenn beispielsweise nach Vergleich der Dosis-Wirkungs-Kurven für den Verschleiß mit denen für andere wichtige physikalische oder chemische Eigenschaften ermittelt wird, daß die optimale Gesamtstrahlungsdosis 8 Mrad (80 kGy) beträgt, und wenn die Sterilisierung des Polymers mit 2,5 Mrad (25 kGy) Gammastrahlung (der minimalen Sterilisierungsdosis nach Industriestandard) beabsichtigt ist, dann sollte die ursprüngliche Strahlungsdosis (vor der Sterilisierung) 5,5 Mrad (55 kGy) betragen, so daß die Gesamtdosis (ursprüngliche + Sterilisierungsdosis) 8 Mrad (80 kGy) beträgt. Diese Berechnungen sind Näherungsrechnungen, da die erzielte Gesamtvernetzung einer Einzeldosis von 8 Mrad (80 kGy) nicht genau äquivalent ist.
Trotzdem haben die Anmelder festgestellt, daß ein hoher Vernetzungsgrad in der Oberflächenschicht eines Polymers die Abbauwirkungen der Oberflächenoxidation deutlich reduziert, d. h. die Wirkungen, die andernfalls auftreten würden, wenn ein nicht vorvernetztes Polymer in Gegenwart von Sauerstoff bestrahlt würde (siehe z. B. 3).
Methoden zur Charakterisierung der Polymere
Der Kristallinitätsgrad kann durch Anwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren bestimmt werden, z. B. durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) die allgemein zur Einschätzung der Kristallinität und des Schmelzverhaltens eines Polymers angewandt wird. Wang, X. & und Salovey, R., J. Appl. Polymer Sci., 34:593-599 (1987).
Außerdem kann die Weitwinkel-Röntgenstreuung von dem resultierenden Polymer benutzt werden, um den Kristallinitätsgrad des Polymers weiter zu bestätigen, wie z. B. in Spruiell, J.E., & Clark, E.S., in "Methods of Experimental Physics", L. Marton & C. Marton, Hrsg., Bd. 16, Teil B, Academic Press, New York (1980) beschrieben wird. Weitere Verfahren zur Bestimmung des Kristallinitätsgrads des entstandenen Polymers können Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie (FTIR) {Painter, P.C. et al., "The Theory of Vibrational Spectroscopy and its Applications to Polymeric Materials", John Wiley and Sons, New York, USA (1982)} und die Dichtemessung (ASTM D1505-68) einschließen. Messungen des Gelgehalts und der Quellung werden im allgemeinen benutzt, um Vernetzungsverteilungen in Polymeren zu charakterisieren; das Verfahren wird beschrieben in Ding, Z.Y., et al., J. Polymer Sci., Polymer Chem., 29:1035-38 (1990). FTIR kann auch zur Einschätzung der Tiefenprofile der Oxidation sowie anderer chemischer Veränderungen angewandt werden, wie z. B. der Ungesättigtheit {Nagy, E.V., & Li, S., "A Fourier Transform Infrared Technique for the Evaluation of Polyethylene Bearing Materials" (FTIR-Verfahren zur Beurteilung von Polyethylen-Lagermaterialien), Trans. Soc. for Biomaterials, 13:109 (1990), Shinde, A. & Salovey, R., J. Polymer Sci., Polym. Phys. Ed., 23:1681-1689 (1985)}.
Verwendung vernetzter Polymere für Implantate
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bietet ein Verfahren zur Herstellung von Implantaten unter Verwendung der erfindungsgemäßen vorgeformten Polymerzusammensetzung. Die vorgeformte Polymerzusammensetzung kann unter Anwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren zu den geeigneten Implantaten geformt werden, z. B. durch spanende Bearbeitung. Vorzugsweise entfernt der Formgebungsprozeß, wie z. B. die spanende Bearbeitung, die oxidierte Oberfläche der Zusammensetzung.
Vorgeformte Polymerzusammensetzungen
Die erfindungsgemäßen vorgeformten Polymerzusammensetzungen können in jeder Situation eingesetzt werden, wo ein Polymer, speziell UHMWPE, erforderlich ist, aber besonders in Situationen, wo eine hohe Verschleißfestigkeit gewünscht wird. Genauer gesagt, diese vorgeformten Polymerzusammensetzungen sind für die Herstellung von Implantaten verwendbar.
Aus vernetzten Polymeren hergestellte Implantate
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung bietet Implantate, die mit den obigen vorgeformten Polymerzusammensetzungen oder gemäß den hierin dargestellten Verfahren hergestellt werden. Besonders die aus einer vorgeformten Polymerzusammensetzung hergestellten Implantate sind UHMW Polymere, die durch Gammastrahlung vernetzt und anschließend umgeschmolzen oder getempert werden, wobei die oxidierte Oberflächenschicht entfernt wird, und dann in eine endgültige Form gebracht werden. Die erfindungsgemäße Polymerzusammensetzung kann zur Herstellung von Implantaten für verschiedene Körperteile eingesetzt werden, wie z. B. Teile eines Gelenks im Körper. Beispielsweise kann die vorgeformte Polymerzusammensetzung in den Hüftgelenken zur Herstellung der Hüftgelenkpfanne oder des Einsatzes oder der Auskleidung der Gelenkpfanne oder zur Herstellung von Zapfenlagern (z. B. zwischen dem modularen Kopf und dem Stamm) verwendet werden. Im Kniegelenk kann die vorgeformte Polymerzusammensetzung zur Herstellung des Schienbeinplateaus (Oberschenkel-Schienbein-Gelenkverbindung), des Kniescheibenknopfes (Kniescheibe-Oberschenkel-Gelenkverbindung) und des Zapfens oder anderer Auflagerkomponenten verwendet werden, je nach der Konstruktion des künstlichen Kniegelenks. Im Sprunggelenk kann die vorgeformte Polymerzusammensetzung zur Herstellung der Sprungbeinfläche (Schienbein-Sprungbein-Gelenkverbindung) und andere Auflagerkomponenten verwendet werden. Im Ellbogengelenk kann die vorgeformte Polymerzusammensetzung zur Herstellung des Elle-Oberarm-Gelenks, des Speiche-Oberarm-Gelenks und anderer Lagerkomponenten verwendet werden. Im Schultergelenk kann die vorgeformte Polymerzusammensetzung zur Herstellung der Schultergelenk-Oberarm- Gelenkverbindung und anderer Lagerkomponenten verwendet werden. In der Wirbelsäule kann die vorgeformte Polymerzusammensetzung zur Herstellung von Bandscheibenersatz und Flächengelenkersatz verwendet werden. Die vorgeformte Polymerzusammensetzung kann außerdem zu einem Kiefergelenk (Kiefer) und zu Fingergelenken verarbeitet werden. Vorstehend sind Beispiele angegeben, die nicht als Einschränkung gedacht sind.
Im folgenden werden der erste und der zweite Aspekt der Erfindung ausführlicher diskutiert.
I. Erster Aspekt der Erfindung: Polymerzusammensetzungen mit erhöhter Verschleißfestigkeit
Der erste Aspekt der Erfindung bietet vorgeformte Polymerzusammensetzungen, die verschleißfest und für die Herstellung von In-vivo-Implantaten verwendbar sind. Nach diesem Aspekt beträgt für Polymere im allgemeinen, stärker bevorzugt für UHMW- und HMW-Polymere, und am stärksten bevorzugt für UHMWPE und HMWPE die Bestrahlungsdosis vorzugsweise 1 bis etwa 100 Mrad (10 bis 1000 kGy), stärker bevorzugt etwa 5 bis etwa 25 Mrad (50 bis 250 kGy), und am stärksten bevorzugt etwa 5 bis etwa 10 Mrad (50 bis 100 kGy). Dieser besonders bevorzugte Bereich basiert darauf, daß das erreicht wird, was die Erfinder als ein angemessenes Gleichgewicht zwischen verbesserter Verschleißfestigkeit und minimaler Verschlechterung anderer wichtiger physikalischer Eigenschaften ermittelt haben.
Es wird erwartet, daß erfindungsgemäße In-vivo-Implantate, d. h. Implantate, die innerhalb der obigen Dosisbereiche bestrahlt werden, in vivo ohne mechanischen Schaden funktionieren. Die von Oonishi et al. (in Radiat. Phys. Chem., 39:495-504 (1992)) verwendeten UHMWPE-Hüftgelenkpfannen wurden mit 100 Mrad (1000 kGy) bestrahlt und funktionierten in vivo ohne berichteten mechanischen Schaden nach so langer Zeit wie 26 Jahren klinischen Einsatzes. Ferner ist überraschend, daß, wie in den Beispielen dargestellt, Hüftgelenkpfannen aus der erfindungsgemäß hergestellten vorgeformten Polymerzusammensetzung, die aber mit weniger als 100 Mrad (1000 kGy) bestrahlt wurden, eine viel höhere Verschleißfestigkeit aufwiesen als von Oonishi et al. berichtet.
Wenn andererseits ein Anwender in erster Linie an der Verringerung des Verschleißes interessiert ist und andere physikalische Eigenschaften von sekundärer Bedeutung sind, dann kann eine höhere Dosis als der oben festgesetzte, am stärksten bevorzugte Bereich (z. B. 5 bis 10 Mrad (50 bis 100 kGy)) angemessen sein, oder umgekehrt (wie in den ausführlichen Beispielen im folgenden Abschnitt veranschaulicht wird). Die optimale Strahlungsdosis basiert vorzugsweise auf der Dosis, die auf der Ebene der Auflagerfläche im Endprodukt empfangen wird. Gammastrahlung wird bevorzugt.
Das bestrahlte Polymer wird dann vorzugsweise bei oder oberhalb der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers umgeschmolzen, z. B. in Luft. Der Begriff "Schmelztemperatur des vernetzten oder bestrahlten Polymers", wie er hier gebraucht wird, wird aus dem Maximum der Schmelzendotherme identifiziert, gemessen durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC). Vorzugsweise liegt die Umschmelztemperatur im Bereich etwa von der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers von etwa 100°C bis etwa 160°C über der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers; stärker bevorzugt im Bereich von etwa 40°C bis etwa 80°C über der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers; und am stärksten bevorzugt von etwa 1°C bis etwa 60°C über der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers. Zum Beispiel beträgt im Fall von UHMWPE die Umschmelztemperatur vorzugsweise etwa 136°C bis etwa 300°C, stärker bevorzugt etwa 136°C bis etwa 250°C, und am stärksten bevorzugt etwa 136°C bis etwa 200°C. Konkrete Bedingungen für das Umschmelzen werden weiter unten in den Beispielen 1 und 2 beschrieben.
In der Praxis ist die Umschmelztemperatur im allgemeinen umgekehrt proportional zur Umschmelzdauer. Das Polymer wird vorzugsweise während einer Zeitspanne von etwa 1 Stunde bis etwa 2 Tagen umgeschmolzen, stärker bevorzugt von etwa 1 Stunde bis etwa 1 Tag, und am stärksten bevorzugt von etwa 2 Stunden bis etwa 12 Stunden.
Da in Abhängigkeit von der Zeit und der angewandten Temperatur das Tempern eine geringere Wirkung auf physikalische Eigenschaften wie z. B. Kristallinität, Dehngrenze und Bruchfestigkeit hervorrufen kann als das Umschmelzen, kann das Tempern anstelle des Umschmelzens als Mittel zur Verminderung der freien Radikale angewandt werden, die nach der Strahlungsvernetzung im Polymer zurückbleiben, um diese physikalischen Eigenschaften innerhalb der vom Anwender geforderten Grenzwerte zu halten. Wärmebehandlung, wie z. B. Umschmelzen oder Tempern, entfernt freie Radikale und verbessert dadurch die langfristige Verschleißbeständigkeit des Polymers. Andererseits ist das Tempern langsamer und dauert daher länger als das Umschmelzen, wodurch es wahrscheinlich bei industriellen Anwendungen teurer wird.
Die Temperungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von etwa Raumtemperatur bis unterhalb der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers; stärker bevorzugt im Bereich von etwa 90°C bis etwa 1°C unter der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers; und am stärksten bevorzugt von etwa 60°C bis etwa 1°C unter der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers. Zum Beispiel kann UHMWPE bei einer Temperatur von etwa 25°C bis etwa 135°C getempert werden, vorzugsweise von etwa 50°C bis etwa 135°C, und stärker bevorzugt von etwa 80°C bis etwa 135°C. Die Temperungsdauer beträgt vorzugsweise etwa 2 Stunden bis etwa 7 Tage, stärker bevorzugt etwa 7 Stunden bis etwa 5 Tage, und am stärksten bevorzugt etwa 10 Stunden bis etwa 2 Tage.
Statt der Verwendung des obigen Strahlungsdosisbereichs als Kriterium kann der geeignete Vernetzungsgrad auf der Basis des Quellungsgrads, des Gelgehalts oder des Molekulargewichts zwischen Vernetzungen nach der Wärmebehandlung ermittelt werden. Diese Alternative basiert auf den (weiter unten ausführlich beschriebenen) Ergebnissen des Patentanmelders, daß Hüftgelenkpfannen aus UHMWPE, die innerhalb eines bevorzugten Bereichs dieser physikalischen Parameter liegen, einen verminderten oder nicht nachweisbaren Verschleiß aufweisen. Die Bereiche dieser physikalischen Parameter schließen einen oder mehrere der folgenden Bereiche ein: einen Quellungsgrad zwischen etwa 1,7 und etwa 5,3; ein Molekulargewicht zwischen Vernetzungen von etwa 400 bis etwa 8400 g/mol; und einen Gelgehalt zwischen etwa 95% und etwa 99%. Ein bevorzugtes Polymer oder Endprodukt weist eine oder mehrere, und vorzugsweise alle obigen Eigenschaften auf. Diese Parameter können auch als Ausgangspunkte beim zweiten Aspekt der Erfindung (wie durch das unten diskutierte Ablaufdiagramm veranschaulicht) für die Bestimmung der gewünschten Strahlungsdosis benutzt werden, um die Verbesserung der Verschleißfestigkeit mit anderen gewünschten physikalischen oder chemischen Eigenschaften abzugleichen, wie z. B. der Festigkeit oder Steifigkeit des Polymers.
Nach der Vernetzung und Wärmebehandlung wird vorzugsweise die am stärksten oxidierte Oberfläche der vorgeformten Polymerzusammensetzung entfernt. Die Tiefenprofile der Oxidation der vorgeformten Polymerzusammensetzung können durch dem Fachmann bekannte Verfahren bestimmt werden, wie z. B. FTIR-Spektroskopie, wie oben und in den Beispielen 3 und 6 beschrieben. Um die am stärksten oxidierte Oberfläche zu entfernen, werden im allgemeinen mindestens etwa 0,5 mm bis 1,0 mm der Oberfläche der vorgeformten Polymerzusammensetzung entfernt, die der Luft ausgesetzt ist, z. B. durch spanende Bearbeitung vor oder nach der Formgebung der vorgeformten Polymerzusammensetzung zu dem Endprodukt.
I.(A) Weitere Beispiele des ersten Aspekts der Erfindung
Wie oben festgestellt, basierte der besonders bevorzugte Dosisbereich für Vernetzungsstrahlung (d. h. von 5 bis 10 Mrad (50 bis 100 kGy)) auf dem Erreichen dessen, was die Erfinder als vernünftiges Gleichgewicht zwischen verbesserter Verschleißfestigkeit und minimaler Verschlechterung anderer wichtiger physikalischer Eigenschaften ermittelt haben. Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen Anwendungen der vorliegenden Erfindung mit alternativen Kriterien für die optimale Dosis. Diese Beispiele benutzen In-vivo-Implantate als nichteinschränkende Beispiele der Produkte und UHMWPE- und HMWPE-Stab- oder Blockmaterial als nichteinschränkendes Beispiel eines Ausgangsmaterials.
Im ersten Beispiel möchte der Anwender eine minimale Verschleißrate des In-vivo-Implantats erzielen, das aus dem UHMWPE und HMWPE besteht, und die anderen physikalischen oder chemischen Eigenschaften sind wichtig, aber von geringerer Bedeutung. In einem solchen Fall kann der Anwender entscheiden, daß UHMWPE- und HMWPE-Stab- oder Blockmaterial mit etwa 15 Mrad bis etwa 20 Mrad (150 bis 200 kGy) zu bestrahlen (wie durch 22 dargestellt). Wie weiter unten im Abschnitt "II(b) Anwendung des Ablaufdiagramms" dargestellt, ist GUR 4150 repräsentativ für UHMWPE und HMWPE. Der bestrahlte UHMWPE- oder HMWPE-Stab oder -Block wird weiterhin umgeschmolzen oder bei einer Temperatur und während einer Zeit getempert, die in dem obigen Abschnitt "I. Erster Aspekt der Erfindung: Polymerzusammensetzungen mit erhöhter Verschleißfestigkeit" beschrieben werden.
In einem zweiten Beispiel möchte der Anwender unter Umständen ein UHMWPE herstellen, das so verschleißfest wie möglich ist und gleichzeitig die Kriterien für die Reißfestigkeit, Zugfestigkeit und Reißdehnung des Standards erfüllt, der durch den Standard F-648 der American Society for Testing and Materials (nachstehend als "ASTM F648" bezeichnet) für UHMWPE für In-vivo-Gebrauch vorgeschrieben wird. Die Information über diesen Standard ist zu finden in einer aktuellen Ausgabe des Annual Book of ASTM Standards, Medical Devices and Services, "Standard Specification for Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylene Powder and Fabricated Form for Surgical Implants" (Standardspezifikation für ultrahochmolekulares Polyethylenpulver und dessen verarbeitete Form für chirurgische Implantate), American Society for Testing and Materials. Das Verfahren des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung (wie durch das Ablaufdiagramm veranschaulicht) kann angewandt werden, um die Vernetzungs- und Wärmebehandlungsparameter so zu regulieren, daß sie jedes aktuelle ASTM F648-Kriterium erfüllen.
Um beispielsweise die Kriterien von ASTM F648 von 1996 (F648-96) für UHMWPE vom Typ 1 oder 2 zu erfüllen, muß das UHMWPE aufweisen: eine Reißfestigkeit von mindestens 35 MPa (für Typ 1) und 27 MPa (für Typ 2) bei 23°C und 5,08 cm/min; eine Zugfestigkeit von mindestens 21 MPa (Typ 1) und 19 MPa (Typ 2) bei 23°C und 5,08 cm/min; und eine Reißdehnung von mindestens 300% bei 5,08 cm/min. Die Testbedingungen werden in ASTM D638, Typ IV beschrieben (Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials). Alternativ muß zur Erfüllung der 1996 ASTM F648-Kriterien für UHMWPE vom Typ 3 das UHMWPE aufweisen: eine Reißfestigkeit von mindestens 27 MPa bei 23°C und 5,08 cm/min; eine Zugfestigkeit von mindestens 19 MPa bei 23°C 5,08 cm/min und eine Reißdehnung von mindestens 250% bei 5,08 cm/min.
Die Diagramme mechanischer Eigenschaften als Funktion der Strahlungsdosis für GUR 4150 (das repräsentativ für UHMWPE vom Typ 2 ist) (25–27) zeigen, daß für alle Strahlungsdosen zwischen 5 und 25 Mrad (50 bis 250 kGy) die obigen ASTM F648-Kriterien für UHMWPE vom Typ 2 erfüllt werden, mit Ausnahme der Reißdehnung, die den Grenzwert von 300 bei etwa 6 Mrad (60 kGy) erreicht. Wenn daher die Kriterien von ASTM F648 für UHMWPE vom Typ 2 erfüllt werden sollen, beträgt die maximale (die am stärksten bevorzugte) Gammastrahlungsdosis etwa 6 Mrad (60 kGy). Wie im zweiten Aspekt der Erfindung (folgender Abschnitt) veranschaulicht, könnten die entsprechenden Kurven des Verschleißes und anderer physikalischer Eigenschaften als Funktion der Vernetzungsdosis benutzt werden, um den bevorzugten Dosisbereich für andere UHMWPE-Typen oder für andere Polymere im allgemeinen zu bestimmen.
II. Zweiter Aspekt der Erfindung: Verfahren zur Optimierung der Verschleißfestigkeit und wünschenswerter physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften einer Polymerzusammensetzung
Der zweite Aspekt der Erfindung nutzt die Ergebnisse der vorliegenden Patentanmeldung (einschließlich derjenigen, die im Abschnitt "Beispiele" weiter unten dargestellt werden), um ein Verfahren zu konstruieren, das es dem Fachmann ermöglicht, die notwendigen Bedingungen für die routinemäßige Herstellung eines Polymers mit einem optimalen Gleichgewicht zwischen Verschleißfestigkeit und physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften mit minimalen zusätzlichen Tests und minimalem Herumprobieren systematisch zu ermitteln. In einer Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung kann das Optimierungsverfahren schematisch in einem Ablaufdiagramm dargestellt werden. Sobald die optimalen Bedingungen durch dieses Verfahren ermittelt worden sind, kann das Polymer dann diesen Bedingungen für die Verarbeitung ausgesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf der Entdeckung, daß die Verschleißrate mit zunehmender Strahlungsdosis abnimmt, und es gibt eine maximale Dosis, oberhalb derer eine geringe oder gar keine zusätzliche Verbesserung des Verschleißes auftritt, sondern höhere Dosen könnten andere wichtige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Polymers verschlechtern, wie z. B. die Dehnungsgrenze oder die Reißfestigkeit, die Reißdehnung, die Schlagzähigkeit oder Ermüdungsbeständigkeit, sowie die Empfindlichkeit gegen Oxidation erhöhen. Von der Oxidation ist wiederum bekannt, daß sie eine oder mehrere dieser physikalischen Eigenschaften beeinträchtigt, und es wurde gezeigt, daß sie in den nachstehenden Beispielen für UHMWPE auftritt, das mit einer Dosis von im Mittel etwa 28 Mrad (280 kGy) vernetzt wurde, wenn keine Wärmebehandlung durchgeführt worden war. Infolgedessen kann ein mit einer hohen Strahlungsdosis bestrahltes Polymer eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen, aber seine anderen physikalischen oder chemischen Eigenschaften können außerhalb wünschenswerter oder zulässiger Grenzwerte liegen, wie z. B. derjenigen, die durch ASTM F648 für UHMWPE für In-vivo-Gebrauch spezifiziert werden.
Die Methode basiert außerdem zum Teil auf der Feststellung, daß zwar andere wichtige physikalische Eigenschaften (wie z. B. die Kristallinität oder die Reißdehnung) durch den Grad der Wärmebehandlung (z. B. des Umschmelzens oder des Temperns), die auf das Polymer nach der Strahlungsvernetzung angewandt wird, deutlich beeinflußt werden, daß aber die Verschleißfestigkeit nicht deutlich beeinflußt wird. Diese letztere Entdeckung gestattet eine Verminderung des Umfangs zusätzlicher Prüfüngen, die vom Anwender gefordert werden, um die Vernetzungsdosis zu identifizieren, die das vom Anwender geforderte Gleichgewicht zwischen Verschleißfestigkeit und anderen physikalischen Eigenschaften liefert. Diese Methode ist zum Beispiel in dem Fall brauchbar, wo die vorgeformte Polymerzusammensetzung aus UHMWPE zur Herstellung von In-vivo-Implantaten verwendet wird, wie z. B. von Hüftgelenkpfannen.
II(a) Zusammenfassung der Schritte des Optimierungsverfahrens
Daher bietet der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ein systematisches Verfahren zur Optimierung des Gleichgewichts zwischen Verschleißfestigkeit und anderen gewünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Polymers. Die Schritte in diesem Verfahren werden in dem nichteinschränkenden Beispiel des Ablaufdiagramms der 23A und 23B zusammengefaßt. In dem Ablaufdiagramm und der folgenden Diskussion wird, um die Diskussion zu erleichtern, Bestrahlung als ein Beispiel eines Vernetzungsverfahrens verwendet, und ein Implantat wird dort als ein Beispiel des Produkts benutzt, das aus dem Polymer hergestellt wird. Wie jedoch an anderer Stelle in der vorliegenden Patentanmeldung diskutiert, können andere Vernetzungsverfahren und Produkte verwendet werden.
Schritt 1: Das Verfahren beginnt typischerweise mit dem Polymer in fester Form, wie z. B. einem extrudierten Stab oder Block.
Schritt 2: Der Stab wird über einen Dosisbereich bis zum Maximum bestrahlt, bei dem wahrscheinlich ein Material mit der gewünschten Verschleißfestigkeit und den gewünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften erzeugt wird. Diese Bestrahlung kann z. B. im Fall von Gammastrahlung mittels einer Cobalt 60-Gammastrahlungseinrichtung erfolgen, wie sie gegenwärtig zur Sterilisation von Implantaten im industriellen Maßstab eingesetzt wird.
Schritt 3: Die bestrahlten Stäbe werden dann umgeschmolzen. Die Anmelder haben festgestellt, daß das Umschmelzen eines bestrahlten Polymers die während der Bestrahlung erzeugten freien Radikale beträchtlich reduziert und damit eine langfristige Oxidation und Kettenspaltung minimiert. Durch Verbesserung der Beständigkeit der Polymerzusammensetzung gegen langfristige Oxidation verbessert das Umschmelzen auch die langfristige Verschleißfestigkeit der Polymerzusammensetzung. Zur weiteren Diskussion des Themas siehe die Beispiele 2, 3 und 4 weiter unten.
Obwohl der Stab während des Umschmelzens in einer sauerstoffarmen Atmosphäre enthalten sein kann, ist dies unter Umständen nicht wesentlich, da auch dann, wenn der Stab in Umgebungsluft umgeschmolzen wird, die resultierende Oxidation nur die Oberflächenschicht des Polymers beeinflussen kann (z. B. weisen im folgenden Abschnitt "Beispiele" die 2, 5 und 24 Oxidation bis zu einer Tiefe von etwa 1 mm auf). In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die oxidierte Oberflächenschicht der vorgeformten Polymerzusammensetzung entfernt, z. B. während der anschließenden Herausarbeitung der Produkte aus dem behandelten Stab.
Schritt 4A: Die Strahlungsdosis ist mit der Verschleißfestigkeit der Produkte korreliert, die aus der bestrahlten, umgeschmolzenen Polymerzusammensetzung hergestellt werden, wie in einem Verschleißtest ermittelt wird, der die Verschleißbedingungen der Produkte angemessen simuliert. Wenn z. B. die Polymerzusammensetzung zu einem Implantat verarbeitet wird, dann sollte der Verschleißtest vorzugsweise die Verschleißbedingungen derartiger Implantate in vivo angemessen simulieren. Die Korrelation kann durch Auftragen einer Dosis-Wirkungs-Kurve für die Strahlungsdosis als Funktion des Verschleißes ermittelt werden.
Schritt 4B: Entsprechend ist die Strahlungsdosis mit jeder der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften korreliert, die durch die Strahlungsdosis deutlich beeinflußt werden können und ihrerseits das Verhalten des Implantats in vivo erheblich beeinflussen können, sowohl für nicht umgeschmolzenes als auch für umgeschmolzenes Polymer. Die Korrelation kann wiederum durch Auftragen einer Dosis-Wirkungs-Kurve für die Bestrahlungsdosis als Funktion jeder dieser physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften ermittelt werden.
Der Anwender braucht nicht die Beziehung zwischen Dosis und Eigenschaften für jede Eigenschaft zu ermitteln, die beeinflußt werden könnte, sondern nur für diejenigen Eigenschaften, die als wichtig für die einwandfreie Funktion des Implantats in vivo betrachtet werden. Welche dieser Eigenschaften für die beabsichtigte Anwendung wichtig ist, und die Grenzwerte dieser Eigenschaften, können für verschiedene Polymerzusammensetzungen und für verschiedene Anwendungstypen variieren (z. B. für Hüftprothesen im Vergleich zu Knieprothesen) und muß daher durch den Anwender ermittelt werden, bevor das Ablaufdiagramm angewandt wird.
Schritt 5 ist der erste Versuch einer Optimierung. Der Anwender kann zunächst über den gewünschten Verbesserungsgrad der Verschleißfestigkeit entscheiden, d. h. über die maximale Verschleißrate, die für die vom Nutzer gewünschte Anwendung zulässig ist. Die Dosis-Wirkungs-Kurve für den Verschleiß (Schritt 4A) zeigt dann die minimale Strahlungsdosis, die notwendig ist, um diesen Verbesserungsgrad der Verschleißfestigkeit zu liefern.
Entsprechend liefern die Dosis-Wirkungs-Kurven für die anderen physikalischen oder chemischen Eigenschaften, die für entscheidend oder wichtig gehalten werden (Schritt 4B) die Werte dieser Eigenschaften, die der konkreten Strahlungsdosis entsprechen, die im Schritt 4A als notwendig ermittelt wird, um die gewünschte Verbesserung der Verschleißfestigkeit zu liefern. Wenn jede dieser anderen physikalischen oder chemischen Eigenschaften innerhalb zulässiger Grenzwerte für das vernetzte und umgeschmolzene Polymer liegt, dann ist ein optimales Verfahren ermittelt worden (Schritt 6). Mit anderen Worten, das Implantat kann durch Bestrahlen des festen Polymerstabs, Umschmelzen des Stabs und Herausarbeiten des Implantats hergestellt werden, wobei der gesamte Prozeß so durchgeführt wird, daß das resultierende Implantat an seiner Auflagefläche die optimale Dosis empfangen hat.
Alternativ kann der Nutzer zunächst über die kritischen Werte für eine oder mehrere Eigenschaften entscheiden, wie z. B. die Reißfestigkeit, die Ermüdungsbeständigkeit usw., dann die entsprechenden Dosis-Wirkungs-Kurven für das umgeschmolzene Polymer auf die maximal zulässige Dosis prüfen und dann die Kurve des Verschleißes als Funktion der Dosis prüfen, um festzustellen, ob diese Dosis eine ausreichende Verbesserung des Verschleißes liefert (d. h. der Nutzer braucht nicht unbedingt mit der Auswahl des gewünschten Verbesserungsgrades des Verschleißes zu beginnen).
Wenn jedoch keine ausreichende Verschleißverbesserung erzielt wird, während diese anderen chemischen und physikalischen Eigenschaften innerhalb zulässiger Grenzwerte gehalten werden, oder umgekehrt, wenn die für die gewünschte Verschleißverbesserung erforderliche Dosis dazu führt, daß eine oder mehrere dieser Eigenschaften außerhalb zulässiger Grenzwerte liegen, dann kann der Nutzer eine niedrigere Strahlungsdosis anwenden (d. h. eine höhere Verschleißrate akzeptieren), wenn er die Materialien umschmelzen möchte oder wenn alternativ anstelle des Umschmelzens das Tempern angewandt werden kann (Schritt 7). Für ein vernetztes Material ist das Tempern beim Entfernen von freien Radikalen weniger wirksam als das Umschmelzen, kann aber eine geringere Verschlechterung anderer wichtiger physikalischer Eigenschaften bewirken.
Ob das Tempern eine praktische Option ist, wird aus den Dosis-Wirkungs-Kurven für die nicht umgeschmolzenen und umgeschmolzenen Polymere ersichtlich. Das heißt, wenn der gewünschte Wert der fraglichen Eigenschaft zwischen den beiden Kurven liegt (siehe z. B. die 25 und 26), dann kann ein Polymer mit dem gewünschten Grenzwert durch ein Temperungsverfahren mit einer geeigneten Zeit/Temperatur-Kombination hergestellt werden.
Es ist nicht notwendig, für jede der möglichen Kombinationen von Temperungszeit und – temperatur zusätzliche Dosis-Wirkungs-Kurven für den Verschleiß zu erzeugen. Es wird erwartet, daß die für die gewünschte Verschleißminderung notwendige Strahlungsdosis, die aus der Dosis-Wirkungs-Kurve für den Verschleiß für umgeschmolzenes Polymer im Schritt 4A ermittelt wird, auch für ein im Schritt 7 erzeugtes getempertes Polymer gültig ist.
Schritt 7: Proben eines Stab- oder Blockmaterials, die mit der Dosis bestrahlt worden sind, die im Schritt 4A als notwendig ermittelt wurde, um die gewünschte Verbesserung der Verschleißfestigkeit zu liefern, sind in verschiedenen Zeit/Temperatur-Kombinationen zu tempern, um ein Polymer mit den entscheidenden Eigenschaften zwischen denjenigen für nicht umgeschmolzene und umgeschmolzene Materialien herzustellen.
Schritt 8: Die interessierende(n) physikalische(n) oder chemische(n) Eigenschaft(en) der bestrahlten und getemperten Proben des Polymers werden mit Temperungszeiten und -temperaturen korreliert.
Schritt 9: Unter Verwendung der Reißfestigkeit als Beispiel der interessierenden physikalischen Eigenschaft sollte, in Abhängigkeit von der resultierenden Kurve für die Temperungszeit und/oder – temperatur als Funktion der Reißfestigkeit, die im Schritt 4A (oben) ermittelte, zum Erzielen der gewünschten Verschleißfestigkeit erforderliche Strahlungsdosis ein Polymer mit einer Reißfestigkeit innerhalb zulässiger Grenzwerte erzeugen.
Entsprechend ist jede der anderen wichtigen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften zu untersuchen, indem individuelle Kurven dieser Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperungszeit und/oder -temperatur erzeugt werden. Wenn jede dieser Eigenschaften bei einer bestimmten Kombination der Temperungszeit und -temperatur innerhalb zulässiger Grenzen liegt, dann ist ein geeignetes Verfahren ermittelt worden (Schritt 10).
Wenn kein Temperungsverfahren ermittelt werden kann, das die Eigenschaften innerhalb zulässiger Grenzwerte hält, dann kann der Nutzer entscheiden, eine niedrigere Strahlungsdosis zu akzeptieren (Schritt 11), d. h. eine geringere Verbesserung der Verschleißfestigkeit zu akzeptieren. Wenn jedoch eine niedrigere Strahlungsdosis (und daher eine höhere Verschleißrate) akzeptierbar ist, dann sollten die entsprechenden physikalischen und chemischen Eigenschaften wieder für das umgeschmolzene Polymer überprüft werden (unter Anwendung der früher im Schritt 4B ermittelten Korrelation), da diese bei der niedrigeren Strahlungsdosis innerhalb der Grenzwerte liegen können.
Wenn die Eigenschaften für das umgeschmolzene Polymer bei der niedrigeren Strahlungsdosis innerhalb der Grenzwerte liegen, dann kann das Umschmelzen anstelle des Temperns angewandt werden, um ein Polymer mit der gewünschten Verbesserung der Verschleißfestigkeit zu erzeugen (Schritt 6). Wenn nicht, dann sollte der Anwender wie zuvor mit dem Tempern fortfahren (Schritte 7 bis 10 oder 11), aber bei dieser niedrigeren Strahlungsdosis.
Der Anwender möchte unter Umständen den erforderlichen Strahlungsvernetzungsgrad fortschreitend reduzieren (d. h. eine noch höhere Verschleißrate akzeptieren), bis eine Dosis ermittelt wird, für die alle anderen Eigenschaften, die als wesentlich angesehen werden, innerhalb der vom Nutzer geforderten Grenzwerte liegen. Die resultierende Dosis repräsentiert die maximale Verbesserung der Verschleißfestigkeit, die innerhalb der Kriterien des Nutzers erreichbar ist.
II (b) Anwendungsbeisniele des Ablaufdiagramms
Als Ausgangspunkte für das Ablaufdiagramm können die Bereiche für Strahlungsdosen, Umschmelz- und Temperungstemperaturen und -zeiten, die weiter oben in den Abschnitten "I. Erster Aspekt der Erfindung: Polymerzusammensetzungen mit erhöhter Verschleißfestigkeit" und "I(A) Weitere Beispiele des ersten Aspekts der Erfindung" beschrieben werden, in Bezug auf Polymere im allgemeinen, UHMW- und HMW-Polymere im besonderen, und speziell in Bezug auf HMWPE und UHMWPE verwendet werden.
Um die Diskussion zu erleichtern, veranschaulichen die folgenden Beispiele die Anwendung des Ablaufdiagramms unter Verwendung von UHMWPE (das sich auch ähnlich wie HMWPE verhält) als Beispiel eines Polymers und einer Hüftgelenkpfanne als Beispiel eines Implantats. GUR 4150 ist repräsentativ für eine solche Klasse von UHMWPE. Entsprechend benutzt die Beschreibung Gammastrahlung als Beispiel für die Vernetzung des Polymers. Diese Beispiele sind als Erläuterung und nicht als Einschränkung der Erfindung gemeint.
Die durch das Ablaufdiagramm beschriebene Methode ist auf andere Polymere, Implantate oder andere, aus derartigen Polymeren hergestellte Produkte und Vernetzungsverfahren anwendbar (von denen Beispiele an anderer Stelle in der vorliegenden Patentanmeldung beschrieben werden), sowie auf Verfahren zur Herstellung eines Implantats oder Produkts aus der vorgeformten Polymerzusammensetzung.
Aus den Daten, die durch die BEISPIELE (folgende Abschnitte) geliefert werden, wurden eine Reihe von allgemeinen Regeln ermittelt, die eine Vereinfachung der Anwendung des Ablaufdiagramms zuließen, d. h. eine Minimierung des zusätzlichen Prüfungsumfangs, der von einem Anwender gefordert wird, der das Verfahren auf andere Polymere oder auf das GUR 4150 der BEISPIELE anwenden möchte, aber mit verschiedenen Optimierungskriterien.
Um die kritische Kurve für den reduzierten In-vivo-Verschleiß zu ermitteln (Schritt 4A), wird der UHMWPE-Stab oder -Block vorzugsweise im Schritt 2 bestrahlt und im Schritt 3 umgeschmolzen, auf eine Weise und mit einer Dosis und Temperatur und einer Zeit, wie für UHMWPE in den Abschnitten "I. Erster Aspekt der Erfindung: Polymerzusammensetzungen mit erhöhter Verschleißfestigkeit" und "I(A) Weitere Beispiele des ersten Aspekts der Erfindung" weiter oben beschrieben.
Im Schritt 4A werden Hüftgelenkpfannen aus dem bestrahlten Stab herausgearbeitet, und der Verschleiß wird unter Bedingungen getestet, die auf geeignete Weise für die vorgesehene In-vivo-Anwendung repräsentativ sind (z. B. durch das Verfahren, das weiter unten im Abschnitt BEISPIELE beschrieben wird), um eine Dosis-Wirkungs-Kurve des Verschleißes als Funktion der Bestrahlung für das konkrete Polymer zu ermitteln. BEISPIEL 5 und 22 zeigen eine Dosis-Wirkungs-Kurve des Verschleißes für gammabestrahltes GUR 4150-UHMWPE.
Die Anmelder haben entdeckt, daß es nicht notwendig ist, für jede der vielen möglichen Kombinationen von Temperungszeit und -temperatur zusätzliche Dosis-Wirkungs-Kurven für den Verschleiß zu ermitteln. Dies folgt aus den Ergebnissen von BEISPIEL 2. Da das Tempern bei einer niedrigeren Temperatur ausgeführt wird als das Umschmelzen und daher eine weniger ausgeprägte Wirkung auf physikalische Eigenschaften im allgemeinen hat, kann erwartet werden, daß das Tempern eine noch geringere Wirkung auf die Verschleißfestigkeit hat als das Umschmelzen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Entdeckung, daß die Verschleißfestigkeit von GUR 4150 durch Umschmelzen nicht deutlich beeinflußt wurde und daher wahrscheinlich nicht durch die Temperungszeit und -temperatur deutlich beeinflußt wird. Daher ist zu erwarten, daß die notwendige Strahlungsdosis für die Erzeugung der gewünschten Verschleißminderung, die aus der Dosis-Wirkungs-Kurve für den Verschleiß für umgeschmolzenes Polymer in Schritt 4A ermittelt wird, auch für ein im Schritt 7 erzeugtes getempertes Polymer gilt. Daher muß der Anwender zwar seine eigenen Tests durchführen, um die Zugfestigkeit als Funktion der Dosis usw. zu ermitteln, kann sich aber auf die für das umgeschmolzene Material entwickelte Verschleiß-Dosis-Kurve verlassen, statt für jede Temperungsbedingung eine zusätzliche Gruppe von Verschleißkurven zu bestimmen. Dies bedeutet eine erhebliche Einsparung an Versuchskosten, da die Zugfestigkeitsprüfungen typischerweise in wenigen Tagen abgeschlossen werden können (unter Verwendung üblicher Zugprüfgeräte), aber die Tests des Verschleißes als Funktion der Dosis Monate bis zum Abschluß erfordern (und hochspezialisierte Geräte und Verfahren benötigen, die nur in wenigen Labors weltweit verfügbar sind).
Wenn der Anwender mit GUR 4150 arbeitet, kann er ferner die Dosis-Verschleiß-Kurve von 22 (sowie die Diagramme anderer mechanischer Eigenschaften, 25-27) verwenden, ohne irgendwelche Verschleiß- oder Zugfestigkeitstests ausführen zu müssen. Schließlich kann er, wenn er mit einer anderen Sorte von UHMW-Polyethylen arbeitet, wahrscheinlich 22 benutzen, da andere Tests gezeigt haben, daß die Verschleißfestigkeit dieser Materialien derjenigen von GUR 4150 für eine gegebene Sterilisationsbehandlung sehr ähnlich ist. Zumindest legt 22 den Bereich fest, auf den der Anwender seine Verschleiß-Dosis-Experimente für andere Sorten von UHMW-Polyethylen konzentrieren kann, um die notwendigen Prüfungen zur Ermittlung der optimalen Dosis zu minimieren.
Für andere Polymere könnten vergleichbare Verschleißtests an jedem Ende des interessierenden Bereichs für die Strahlungsdosis angewandt werden, um zu überprüfen, ob Umschmelzen oder Tempern ihre Verschleißfestigkeit gleichfalls nicht deutlich beeinflußt. Nichtsdestoweniger ist GUR 4150 in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften repräsentativ für UHMWPEs, besonders für diejenigen, die für Implantate verwendbar sind, und die Anmelder haben beobachtet, daß andere UHMWPEs mit unterschiedlichen Molekulargewichten und mit oder ohne Calciumstearat, wie z. B. GUR 1020 (calciumstearatfreie Qualität von niedrigerem Molekulargewicht) sich nach einer Strahlungssterilisation in Luft in ihrer Verschleißfestigkeit ähnlich wie GUR 4150 verhielten. McKellop, H. et al., Trans. Society for Biomaterials, Bd. 20, S. 43 (1997).
Ferner ist beobachtet worden, daß zwar die physikalischen Ausgangseigenschaften von HMWPE sich von denjenigen von UHMWPE unterscheiden, daß aber diese Unterschiede nach ausreichender Vernetzung erheblich reduziert sind. Zum Beispiel sind sie nach einer Strahlungsbehandlung mit Elektronenstrahlen von 300 kGy (30 Mrad) für Eigenschaften wie Gelgehalt, Quellung und Festigkeit nahezu gleich. Streicher, R. M., Beta-Gamma 1/89: 34-43, S. 42, rechte Spalte, vierter voller Abschnitt. Sogar die Verschleißeigenschaften waren die gleichen, nachdem die Unterschiede in der Molekülanordnung zwischen HMWPE und UHMWPE durch den Bestrahlungsvorgang ausgeglichen wurden. Daher wird vorausgesagt, daß die Ergebnisse auf der Basis von GUR 4150 und die obige Diskussion auf Polymere im allgemeinen und auf UHMW- und HMV-Polymere im besonderen, und speziell auf HMWPE und UHMWPE anwendbar sind. Folglich können die Strahlungs-, Umschmelz- und Temperungsbereiche, die für GUR 4150 ermittelt wurden, auf Polymere im allgemeinen, stärker bevorzugt auf HMW- und UHMW-Polymere, und am stärksten bevorzugt auf HMWPE und UHMWPE angewandt werden; und diese Bereiche können zumindest als Ausgangspunkte in dem Ablaufdiagramm zur Ermittlung der konkreten Bereiche für andere Polymere benutzt werden, und die Daten im Abschnitt "BEISPIELE" weiter unten werden es dem Anwender erleichtern, die richtigen Bedingungen für GUR 4150, UHMWPE vom Typ 2 gemäß ASTM F648 und UHMWPE und HMWPE im allgemeinen zu ermitteln.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Anwendung dieser allgemeinen Regeln in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm. Wenn der Anwender im ersten Beispiel mit GUR 4150 oder mit einem UHMWPE arbeitet, das die Kriterien von ASTM F648, Typ 2 im allgemeinen erfüllt, dann liegt auf der Basis der 25–27 innerhalb des interessierenden Dosisbereichs, d. h. 0 bis 25 Mrad, nur die Dehnung unterhalb des ASTM-Grenzwerts (d. h. 300%), und dieser tritt bei etwa 6 Mrad (60 kGy) auf. Daher ist die maximal zulässige Dosis 6 Mrad (60 kGy), und aus dem Diagramm für den Verschleiß als Funktion der Dosis (22) ist ersichtlich, daß eine Dosis von 6 Mrad (60 kGy) eine Verschleißrate von etwa 7 bis 8 mm³ pro Million Zyklen liefert. Dies ist eine Verminderung um etwa 78% oder mehr gegenüber den 33,1 mm³ pro Million Zyklen, die für nicht umgeschmolzenes Polyethylen angegeben wurden, das mit Gammastrahlung von 3,1 Mrad (31 kGy) in Luft bestrahlt wurde. Wenn diese Verminderung der Verschleißrate für den Zweck des Anwenders ausreicht, dann ist sein Ziel erreicht. Zu beachten ist jedoch, daß das Diagramm der Dehnung als Funktion der Dosis (27) praktisch das gleiche Verhalten zeigt, gleichgültig ob das Polyethylen umgeschmolzen wird oder nicht; wenn daher die obige Minderung um 78% für den Zweck des Anwenders nicht ausreicht, dann hätte der Anwender keine Wahl, als die Strahlungsdosis zu erhöhen, da Tempern aus den oben diskutierten Gründen gleichfalls die Reißdehnung wahrscheinlich nicht beeinflußt.
In einem zweiten Beispiel fordert ein Anwender einen unteren Grenzwert der Reißfestigkeit bei 40 MPa und möchte ein Material mit einem Verschleiß von nicht mehr als 1 mm³ pro Million Zyklen herstellen. Die Verschleiß-Dosis-Kurve (22) zeigt, daß zur Herstellung eines Polyethylens mit dem gewünschten Verschleißfestigkeitsgrad eine Dosis von etwa 15 Mrad (150 kGy) erforderlich ist. Die Reißfestigkeit-Dosis-Kurve zeigt jedoch, daß die Reißfestigkeit bei 15 Mrad (150 kGy) für ein umgeschmolzenes Material etwa 36 MPa beträgt. Da dieser Wert unter dem akzeptierbaren Grenzwert des Anwenders von 40 MPa liegt, kann er entweder eine niedrigere Strahlungsdosis anwenden und daher eine geringere Verbesserung der Verschleißrate akzeptieren (d. h. wenn er sein Material umschmelzen möchte), oder er kann anstelle des Umschmelzens das Tempern probieren, da zu erwarten ist, daß das Tempern in Abhängigkeit von der verwendeten Zeit/Temperatur-Kombination ein Polymer mit einem Zugfestigkeitswert zwischen den Grenzwerten erzeugt, die durch die Kurven für nicht umgeschmolzenes und umgeschmolzenes Polymer angezeigt werden (25 und 26). Wie in diesen Figuren dargestellt, beträgt die Zugfestigkeit bei 15 Mrad (150 kGy) für ein nicht umgeschmolzenes Material etwa 46 MPa, was weit über dem vom Anwender geforderten Grenzwert von 40 liegt. Daher kann der Anwender mit minimalem Herumprobieren eine Temperungszeit und -temperatur ermitteln, die bei der Anwendung auf ein Polyethylen, das einer Bestrahlung von 15 Mrad (150 kGy) ausgesetzt worden ist, die geforderte Zugfestigkeit von 40 MPa erzeugt. Wiederum auf der Basis der Verschleißtestergebnisse weiß der Anwender, daß er die Verschleiß-Dosis-Kurve nicht für alle die verschiedenen, von ihm ausprobierten Temperungsbehandlungen von neuem ermitteln muß, um die notwendige Dosis für die Erzeugung der gewünschten Verbesserung der Verschleißfestigkeit zu ermitteln.
Nachdem die Erfindung beschrieben worden ist, werden die folgenden Beispiele dargestellt, um die Erfindung zu veranschaulichen und zu begründen, und die Beispiele sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung aufzufassen.
BEISPIELE
Die nominelle Strahlungsdosis, die auf Implantate in einer kommerziellen Bestrahlungseinrichtung angewandt wird, variiert typischerweise innerhalb eines Bereichs. Daher werden in den folgenden Beispielen die mittleren Gammastrahlungsdosen angegeben, wie z. B. mittlere Gammastrahlungsdosen von 3,3, 26,5 und 28 Mrad (33, 265 und 280 kGy). Der Mittelwert von 3,3 Mrad (33 kGy) wurde durch Mittelung der minimalen und maximalen Dosen bestimmt, z. B. einer minimalen Dosis von 3,28 und einer maximalen Dosis von 3,45 Mrad (32,8 und 34,5 kGy). Entsprechend basierte z. B. der Mittelwert von 26,5 Mrad (265 kGy) auf der Mittelung einer minimalen Dosis von 25,14 und einer maximalen Dosis von 27,70 Mrad (251, 4 und 277 kGy), und der Mittelwert von 28 Mrad (280 kGy) basierte auf der Mittelung einer minimalen Dosis von 26,01 und einer maximalen Dosis von 30,30 Mrad (260,1 und 303 kGy).
BEISPIEL 1: Wirkung der Strahlungsatmosphäre und -dosis auf die physikalischen Eigenschaften von UHMWPE
Experimentelle Details
Handelsübliche extrudierte UHMWPE-Stäbe (GUR 4150, Poly Hi Solidur) mit einem massegemittelten Molekulargewicht von 5–6 × 10⁶ wurden im Anlieferungszustand verwendet. Die 8 min dicken Probekörper wurden aus den Stäben ausgeschnitten und mit Gammastrahlung bei Raumtemperatur entweder in Umgebungsluft oder in einer Vakuumkammer bei SteriGenics International (Tustin, CA) mit mittleren Dosen im Bereich von 3,3 bis 250 Mrad (33 bis 2500 kGy) bestrahlt. Die Strahlung wurde mit einer Dosisleistung von 0,2 Mrad/h (2 kGy/h) abgegeben. Für 250 Mrad (2500 kGy) war die Dosisleistung 4 Mrad/h (40 kGy/h). Als Gammastrahlungsquelle wurde Cobalt-60 verwendet. Eine Teilmenge der 8 mm dicken Probekörper, die im Vakuum bestrahlt worden waren, wurde in einem Vakuumofen durch langsames Erhitzen von Raumtemperatur auf 145°C (mit etwa 0,3°C/min) und einstündiges Halten der Temperatur auf 145°C umgeschmolzen. Nach dem Umschmelzen wurden die Probekörper allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die physikalischen Eigenschaften der scheibenförmigen Probekörper vor und nach der Bestrahlung und dem Umschmelzen wurden durch Digitalscanningkalorimetrie (DSC), Gelgehaltsanalyse und FTIR-Spektroskopie analysiert.
Gelgehaltsanalyse
Der Gelgehalt jedes Materials wurde als Funktion der Tiefe von der Oberfläche aus analysiert. 100 μm dicke Schnitte (etwa 50 mg) wurden quer über dem Probekörper durch Mikrotomschnitt präpariert. Die Extraktion der Sol-Fraktion wurde durch Sieden in p-Xylol über 24 Stunden durchgeführt, wobei zur Verhinderung der Oxidation 0,5 Gew.-% Antioxidationsmittel (2,6-Di-t-butyl-4-methylphenol) zugesetzt wurde. Für stark oxidierte Schnitte von der Oberflächenschicht aus, die beim Sieden zum Bruch neigten, wurden die Probekörper in PTFE-Membranfilter (0,5 μm Porengröße) gewickelt, um Gelverlust zu vermeiden. Nach der Extraktion wurden die Probekörper in Aceton entquollen und bei 60°C in einem Vakuumofen auf konstantes Gewicht getrocknet. Die Gelfraktion wurde aus dem Gewichtsverhältnis des getrockneten und extrahierten Materials zum getrockneten und nicht extrahierten Material bestimmt.
Differentialscanningkalorimetrie (DSC)
Für DSC-Messungen wurden Proben entkernt und durch Mikrotomschnitt quer über die Tiefe zu 200 μm dicken Schnitten präpariert. Probekörper (~4 mg) wurden von 50°C mit 10°C/min in einem Differentialscanningkalorimeter (Perkin-Elmer DSC-4) auf 170°C erhitzt. Die Schmelztemperatur wurde aus dem Maximum der Schmelzendotherme ermittelt. Zur Eichung der Temperatur und der Schmelzwärme wurde Indium verwendet. Die Schmelzwärme wurde durch Vergleich der Fläche unter der Schmelzendotherme mit der Schmelzfläche einer Indiumprobe mit bekannter Schmelzwärme von 28,4 J/g bestimmt und durch 292 J/g dividiert, die Schmelzwärme eines idealen Polyethylenkristalls, um den Kristallinitätsgrad zu erhalten.
Ergebnisse und Diskussion
Wie in 1 dargestellt, erhöhte die Bestrahlung die Kristallinität der 8 mm dicken Probekörper aus UHMWPE von etwa 55% auf 60-66% mit erheblicher Überlappung für die unterschiedlichen Dosen.
Ähnliche Änderungen wurden bei den Proben beobachtet, die in Luft bestrahlt wurden. Der Gelgehalt (d. h. der Vernetzungsgrad) (2) nahm mit steigender Strahlungsdosis gleichfalls zu. Wichtig ist, daß die Vernetzung beim Übergang von der Oberfläche zur Mitte jeder Probe deutlich zunahm und für die Dosis von 3,3 Mrad (33 kGy) etwa 92% erreichte. Offenbar war der in der Vakuumkammer vorhandene Sauerstoff ausreichend, um die erhöhte Oxidation und die verminderte Vernetzung der Oberflächenschicht zu verursachen. Daher ist unser Verfahren, d. h. die Bestrahlung eines Stabs und das Entfernen der Oberfläche durch spanende Bearbeitung, effektiver und rationeller als die Verwendung eines Vakuums oder einer anderen sauerstoffarmen Atmosphäre bei der Herstellung eines Endprodukts mit minimaler Oxidation der Auflagefläche. Zum Vergleich (3) hat chemisch vernetztes Polyethylen (PE) (1% Peroxid, bestrahlt in Luft) (Shen, F.W., et al., J. of Poly. Sci. Teil B: Poly. Phys. 34: 1063-1077 (1996)), das einen sehr niedrigen Verschleiß aufweist, einen Gelgehalt von etwa 90% in einer Tiefe von etwa 100 μm von der Oberfläche aus, der in der Mitte auf ein Maximum von nahezu 100% ansteigt.
In einer zweiten Phase dieses Beispiels wurden die 8 mm dicken Scheiben, die im Vakuum bestrahlt worden waren, durch einstündiges Erhitzen auf 145°C und allmähliches Abkühlen umgeschmolzen. Dadurch wurden die maximale Schmelztemperatur, der Kristallinitätsgrad und die Kristallgröße vermindert. Zum Beispiel (4) wurde die Kristallinität der mit 3,3 Mrad (33 kGy) bestrahlten Probekörper durch Umschmelzen aus dem Bereich von 60-65% in den Bereich von 50-53% reduziert.
Außerdem rekombinierten offenbar während des Umschmelzens restliche freie Radikale, die durch die Bestrahlung gebildet wurden, und erhöhten die Gesamtvernetzung (wie aus dem erhöhten Gelgehalt ersichtlich, 5). Die Vernichtung freier Radikale auf diese Weise führte ihrerseits zu einer weiteren Verminderung der Oxidation, die andernfalls auftreten würde, wenn die Pfannen im Regal gelagert werden oder nach der Implantation Körperflüssigkeiten ausgesetzt sind.
Der niedrigere Gelgehalt (Vernetzung) in der Nähe der Oberfläche (3) war auf die Oxidation der Oberflächenschicht zur Zeit der Bestrahlung zurückzuführen. Daher ist zu erwarten, daß das Polymer der Oberflächenschicht eine geringere Verschleißfestigkeit aufweist als das Polymer in der Mitte des Probekörpers. Bei dem in der vorliegenden Anmeldung dargestellten Verfahren war dieser Gradient nicht vorhanden, da die Oberflächenschicht beim Herausarbeiten des fertigen Implantats aus dem bestrahlten Stab oder Block entfernt wurde.
Die Kristallinität und der Gelgehalt der bestrahlten, 8 mm dicken Scheiben mit und ohne Umschmelzen werden in den 4 bzw. 5 verglichen.
BEISPIEL 2: Verschleißtests von strahlungsvernetzten (Hüftgelenk-) Pfannen mit und ohne Umschmelzen
Experimentelle Details
Sechs extrudierte Stäbe aus UHMWPE (GUR 4150) mit einem Durchmesser von jeweils 7,62 cm (3 Zoll) wurden mit Gammastrahlung von 3,3 oder 28 Mrad (33 oder 280 kGy) mit einer Dosisleistung von 0,2 Mrad (2 kGy) pro Stunde in Umgebungsluft bestrahlt (SteriGenics, Inc., Tustin, CA). Für jede Strahlungsdosis wurden dann zwei Stäbe umgeschmolzen, indem sie in einem Ofen in Umgebungsatmosphäre von Raumtemperatur auf 150°C mit etwa 0,3°C/min erhitzt und 5 Stunden lang auf 150°C gehalten wurden und dann allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Die Kristallinität und der Gelgehalt dieser vier Materialien wurden an dem Querschnitt von zusätzlichen Proben jedes Stabs mittels Differenscanningkalorimetrie (DSC) und Gelgehaltsanalyse gemessen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 zusammengefaßt.
Vier Gruppen von Hüftgelenkpfannen wurden aus jedem der vier Materialien in Stabform in einer kommerziellen Bearbeitungswerkstatt (Bradford and Meneghini Manufacturing Co., Santa Fe Springs, CA) herausgearbeitet. Jede Pfanne hatte einen Außendurchmesser (OD) von 5,08 cm (2 Zoll) und einen Innendurchmesser (ID) von 3,2 cm (1,26 Zoll), und einen Außenradius von 2,54 cm (1 Zoll) sowie einen Innenradius von 1,61 cm (0,633 Zoll) (6). An zwei Gruppen von drei Pfannen für jede Strahlungsdosis, die umgeschmolzen worden waren, und an zwei Gruppen von drei Pfannen für jede Dosis, die nicht umgeschmolzen worden waren, wurden Verschleißtests durchgeführt. Die Stäbe wurden absichtlich mit größeren Durchmessern verwendet als denen der fertigen Pfannen, so daß durch den Bearbeitungsprozeß zum Entfernen der äußeren 1,27 cm (0,5 Zoll) von jedem Stab die am stärksten oxidierte, am stärksten kristalline, am wenigsten vernetzte Oberflächenschicht entfernt wurde, die etwa 0,5 bis 1,0 mm dick ist. Auf diese Weise bestand die Auflagefläche jeder Pfanne aus Material in der Nähe der Mitte des Stabs, d. h. aus dem am stärksten vernetzten, am wenigsten kristallinen, am wenigsten oxidierten Bereich, von dem vorausgesagt wird, daß er die höchste Verschleißfestigkeit aufweist.
Da Hüftgelenkpfannen, die in Patienten eingesetzt werden, zunächst durch irgendein akzeptierbares Mittel sterilisiert werden müssen, wurden die Testpfannen in dieser Untersuchung unter Verwendung von Ethylenoxid in der geeigneten Dosis für klinische Implantate vor den Verschleißtests sterilisiert. Ethylenoxid wurde anstelle zusätzlicher Gammastrahlung gewählt (z. B. 2,5-4.0 Mrad (25-40 kGy)) um die Ergebnisse auf die Wirkungen der ursprünglichen Dosen von 3,3 oder 28 Mrad (33 oder 280 kGy) zu beschränken, die zum Vernetzen der Materialien angewandt wurden.
Vor den Verschleißtests wurden die Pfannen 3 Wochen lang in destilliertem Wasser eingeweicht, um die zusätzliche Flüssigkeitsaufnahme während des Verschleißtests zu minimieren, wodurch die Genauigkeit des Gewichtsverlustverfahrens für die Verschleißmessung erhöht wurde. Für den Verschleißtest wurden die Pfannen in Polyurethanformen eingeschlossen und in Edelstahlhalterungen gepreßt (7). Jede Halterung war mit einer Acrylkammerwand für die Aufnahme des Schmiermittels ausgestattet. Die Kammern wurden an der Hüftsimulator-Verschleißmaschine montiert, wobei jede Pfanne an einer Kugel aus Cobalt-Chrom-Legierung anlag (es wurden herkömmliche Hüftprothesen-Oberschenkelkugeln mit Implantat-Oberflächengüte verwendet). Die Kugel-Pfannen-Paare wurden einer physiologischen Wechselbeanspruchung mit einer Spitzenlast von etwa 2000 Newton ausgesetzt (Paul, J. P., "Forces transmitted by joints in the human body" (Kräfte, die durch Gelenke im menschlichen Körper übertragen werden), in Lubrication and Wear in Living and Artificial Human Joints, Proc. Instn. Mech. Engrs. 1967; 181, Teil 3J: 8-15), und die Pfannen wurden gegen die Kugeln über einen zweiachsigen 46°-Bogen mit 68 Zyklen pro Minute in Schwingung versetzt. Jede Teststation auf dem Simulator (7) enthält eine selbstzentrierende Einheit 5, die Hüftgelenkpfanne 6, einen exzentrischen Doppelachsenantriebsblock 7, eine Testkammer 8, Serumschmiermittel 9 und eine Oberschenkelkugel 10. Der Pfeil zeigt die Richtung der computergesteuerten simulierten physiologischen Last an, die an das simulierte Hüftgelenk angelegt wurde.
Während des Tests wurden die Auflageflächen ständig in Rinderblutserum getaucht, um die Schmierung im menschlichen Körper zu simulieren. Dem Serum wurde 0,2% Natriumazid zugesetzt, um die bakterielle Zersetzung zu verzögern, und 20 mmol Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) wurden zugesetzt, um die Abscheidung von Calciumphosphat auf die Oberfläche der Kugeln zu verhindern (McKellop, H. und Lu, B., "Friction and Wear of Polyethylene-metal and Polyethylene-ceramic Hip Prostheses on a Joint Simulator" (Reibung und Verschleiß von Polyethylen-Metall- und Polyethylen-Keramik-Hüftprothesen auf einem Gelenksimulator), Transactions of the Fourth World Biomaterials Congress, Berlin, Apr. 1992, S. 118). Eine Polyethylenschürze bedeckte jede Testkammer, um luftübertragene Verunreinigungen zu minimieren.
In Intervallen von 250.000 Zyklen wurden die Pfannen aus der Maschine entfernt, gespült, unter dem Lichtmikroskop untersucht und wieder in frisches Schmiermittel eingesetzt. In Intervallen von 500.000 Zyklen wurden die Pfannen entfernt, gereinigt, getrocknet und gewogen, um den Verschleißgrad anzuzeigen. Nach der Untersuchung unter dem Lichtmikroskop wurden die Pfannen wieder mit frischem Schmiermittel auf die Verschleißmaschine aufgesetzt, und die Tests wurden bis zu insgesamt 3 Millionen Zyklen fortgesetzt. Eine Million Zyklen entspricht annähernd einem Jahr Gehbewegungsaktivität eines typischen Patienten.
Der Gewichtsverlust wurde bezüglich der Wirkungen der Fluidabsorption (die den Verschleiß maskiert) korrigiert, indem der scheinbare Gewichtsverlust der Verschleißtestpfannen um die mittlere Gewichtszunahme der drei Kontrollpfannen aus jedem Material erhöht wurde, die gleichfalls in Serum eingetaucht und auf einem getrennten Rahmen zyklisch belastet wurden, aber ohne Schwingung. Die korrigierte Gewichtsverlustrate wurde in Volumenverlust umgerechnet, indem sie durch die angenäherte Dichte von UHMWPE (0,94 g/cm³) dividiert wurde. Der mittlere Gewichtsverlust (nach der Einweichkorrektur) und die Standardabweichung wurden für jeden der vier Materialtypen in jedem Wägeintervall berechnet. Die Verschleißrate jeder Pfanne wurde durch Anwendung der linearen Regression auf die Verschleißdaten für die gesamten drei Millionen Zyklen berechnet. Die mittleren Verschleißraten und Standardabweichungen wurden außerdem für jeden Materialtyp berechnet.
Ergebnisse
8 zeigt den einweichkorrigierten Verschleiß (Volumenverlust) der drei Pfannen aus jedem Material als Funktion der Verschleißzyklen. 9 zeigt den mittleren Verschleiß (Volumenverlust) der drei Pfannen aus jedem Material als Funktion der Verschleißzyklen. Die individuellen Verschleißraten und die Mittelwerte für jeden Materialtyp sind in Tabelle 3 aufgeführt. Der stärkste Verschleiß trat bei den Pfannen auf, die einer Strahlung von 3,3 Mrad (33 kGy) ohne Umschmelzen ausgesetzt wurden. Diese hatten einen mittleren Verschleiß von 21,1 mm³ pro Million Zyklen.
Der Verschleiß der Pfannen, die 3,3 Mrad (33 kGy) mit Umschmelzen ausgesetzt wurden, betrug im Mittel 18,6 mm³ pro Million Zyklen, oder der Verschleiß war um 12% niedriger als für die nicht umgeschmolzenen Pfannen mit 3,3 Mrad (33 kGy). Die Pfannen, die 28 Mrad (280 kGy) ausgesetzt wurden, wiesen viel niedrigere Verschleißraten als die Pfannen mit 3,3 Mrad (33 kGy) auf, und die Raten waren ähnlich, gleichgültig ob das Material umgeschmolzen worden war oder nicht. Das heißt, die mittlere Verschleißrate der nicht umgeschmolzenen Pfannen mit 28 Mrad (280 kGy) betrug etwa 1,2% derjenigen der nicht umgeschmolzenen Kontrollen mit 3,3 Mrad (33 kGy), und die mittlere Verschleißrate der umgeschmolzenen Pfannen mit 28 Mrad (280 kGy) betrug etwa 1,7% der gleichen Kontrollen.
Diskussion
Die Ergebnisse des Verschleißtests demonstrierten klar die verbesserte Verschleißfestigkeit der UHMWPE-Hüftgelenkpfannen, die durch das Bestrahlen mit Gammastrahlung von 28 Mrad (280 kGy) entstand. Offensichtlich verminderte die durch die höhere Strahlungsdosis erzeugte Vernetzung die Verschleißraten auf weniger als einige Prozent des Kontrollwerts (3,3 Mrad (33 kGy)). Die minimale Abriebmenge, die zur Auslösung einer klinisch signifikanten Osteolyse und anderer Probleme bei einem bestimmten Patienten notwendig ist, ist nicht ermittelt worden, und kann zwischen Patienten variieren. Nichtsdestoweniger würde ein Material, das die Verschleißrate auf die sehr niedrigen Werte reduziert, welche die Pfannen mit 28 Mrad (280 kGy) in dieser Untersuchung aufwiesen, sehr wahrscheinlich eine große Sicherheitsspanne gegenüber gegenwärtig verwendeten Materialien bieten.
Die Verschleißkurven für beide Probekörper mit 28 Mrad (280 kGy) (8 und 9) waren beim ersten Wägen nach 0,5 Millionen Zyklen leicht negativ. Dies war höchstwahrscheinlich auf eine leichte Unterkorrektur der Fluidabsorption zurückzuführen (d. h., die Verschleißtestpfannen absorbierten etwas mehr Wasser als die Einweichkontrollen, und der Fehler zwischen den beiden war größer als der Gewichtsverlust durch Verschleiß, so daß ein negativer Verschleißwert erzeugt wurde). Wenn diese Annahme richtig ist, dann waren die Gesamtverschleißraten für die beiden Gruppen mit 28 Mrad (280 kGy) etwas niedriger und lagen möglicherweise dichter zusammen als die in Tabelle 3 angegebenen Werte.
BEISPIEL 3: Künstliche Alterung von strahlungsvernetztem UHMWPE
Materialien
Sechs extrudierte UHMWPE-Stäbe (GUR 4150) (Durchmesser 7,62 cm (3 Zoll)) wurden in Luft mit Gammastrahlung behandelt, je drei Stäbe mit 3,3 bzw. 28 Mrad (33 bzw. 280 kGy), mit einer Dosisleistung von 0,2 Mrad (2 kGy). Für jede Strahlungsdosis wurden dann zwei Stäbe umgeschmolzen, indem sie in einem Ofen in Umgebungsatmosphäre von Raumtemperatur mit etwa 0,3°C/min auf 150°C erhitzt, 5 Stunden auf 150°C gehalten und allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt wurden, und der dritte Stab wurde nicht umgeschmolzen. Eine 13 mm (0,5 Zoll) dicke Schicht des Außendurchmessers der behandelten (umgeschmolzenen) und unbehandelten (nicht umgeschmolzenen) Stäbe wurde abgetragen, um die am stärksten oxidierte, am wenigsten vernetzte Oberflächenschicht zu entfernen. Die Stäbe wurden zur Herstellung von Probekörpern für die hier beschriebenen künstlichen Alterungstests und für die in Beispiel 2 beschriebenen Verschleißtests verwendet.
Um die Wirkung der künstlichen Alterung auf diese vier Materialien (3,3 und 28 Mrad (33 und 280 kGy), umgeschmolzen und nicht umgeschmolzen) zu untersuchen, wurden 8 mm dicke Scheiben aus diesen Kernen von 5,08 cm (2 Zoll) Durchmesser ausgeschnitten und in einem Ofen langsam (~0,2°C/min) in Umgebungsatmosphäre auf 80°C erhitzt und 10, 20 oder 30 Tage lang auf 80°C gehalten. Außerdem wurde für jede der vier Bedingungen (3,3 und 28 Mrad (33 und 280 kGy), umgeschmolzen und nicht umgeschmolzen) eine Hüftgelenkpfanne, die gleichzeitig mit den Verschleißtestpfannen von Beispiel 2 hergestellt und etwa 5 Monate lang in Luft gelagert worden war, in vier Stücke geschnitten und über die gleichen Zeiträume bei 80°C gealtert.
Die Gelgehaltsanalyse und das DSC-Verfahren entsprechen der Beschreibung im obigen BEISPIEL 1.
Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR)
An den obigen Probekörpern wurden FTIR-Messungen durchgeführt. Segmente von etwa 5 min Breite wurden aus jedem Polyethylen-Probekörper ausgeschnitten, und die Segmente wurden durch Mikrotomschnitt zu 200 μm dicken Scheiben präpariert. Die Oxidationsprofile, wie durch die Carbonylkonzentration angezeigt, wurden unter Verwendung eines Mattson Polaris FTIR (Modell IR 10410) mit einem Spectra-Tech IR-Planmikroskop gemessen. Spektren wurden in Schritten von 100 μm von der Oberfläche bis zur Mitte des Probekörpers erfaßt, wobei über 64 Abtastungen mit einer Auflösung von 16 cm^-1 mit einem MCT-(Quecksilber-Cadmiumtellurid-)Detektor summiert wurde. Die Carbonylgruppenkonzentration wurde durch das Verhältnis der Peakhöhe der Keton-Absorptionsbande bei 1717 cm^-1 zur Höhe der Bezugsbande bei 2022 cm^-1 (-CH₂-Vibration) angezeigt.
Ergebnisse
Die Oxidationsprofile als Funktion der Tiefe sind in den 10–13 dargestellt. Wie in 10 für das nicht umgeschmolzene Material mit 3,3 Mrad (33 kGy) dargestellt, nahm die Oxidation mit zunehmender Alterungszeit zu. Im Gegensatz dazu zeigte das umgeschmolzene Material mit 3,3 Mrad (33 kGy) (11) fast keine Oxidation für die Alterung über 10 und 20 Tage, aber eine gewisse Oxidation für die Alterung von 30 Tagen. Das Oxidationsmaximum an der Oberfläche mit Umschmelzen betrug jedoch 50% der maximalen Oxidation an der Oberfläche ohne Umschmelzen (10). Für das nicht umgeschmolzene UHMWPE mit 28 Mrad (280 kGy) (12) zeigte die Oxidation mit zunehmender Alterungszeit eine stärkere Zunahme als für das nicht umgeschmolzene Material mit 3,3 Mrad (33 kGy). Wieder war die Oxidation mit Umschmelzen viel niedriger, d. h. das umgeschmolzene UHMWPE mit 28 Mrad (280 kGy) (13) wies im wesentlichen keine Oxidation nach 20 Tagen Alterung auf (11), und das Oxidationsmaximum an der Oberfläche nach 30 Tagen betrug nur etwa 1/3 der Oxidation ohne Umschmelzen (12).
Entsprechend zeigten bei den Hüftgelenkpfannen, die 5 Monate in Luft gelagert und dann 20 Tage bei 80°C gealtert wurden, die umgeschmolzenen Materialien (3,3 oder 28 Mrad (33 oder 280 kGy)) keine Oxidation (14), während die nicht umgeschmolzenen Pfannen (3,3 oder 28 Mrad (33 oder 280 kGy)) eine beträchtliche Oxidation zeigten (14), besonders für UHMWPE mit 28 Mrad (280 kGy), und mit einem unter der Oberfläche liegenden Oxidationsmaximum in beiden nicht umgeschmolzenen Materialien.
Da die Vernetzung von UHMWPE seine Löslichkeit reduziert, ist der Gehalt an ungelöstem Material (Gelgehalt) eine indirekte Anzeige des Vernetzungsgrades. Der Gelgehalt als Funktion der Tiefe für verschiedene Bedingungen ist in den 15 bis 18 dargestellt. Wie in 15 für 3,3 Mrad (33 kGy), nicht umgeschmolzenes Material, dargestellt, nahm der Gelgehalt (d. h. die Vernetzung) mit zunehmender Alterungszeit ab. In den stark oxidierten Oberflächenbereichen trat nach 30 Tagen Alterung ein starker Gradient des Gelgehalts auf, d. h. eine Zunahme von einem Minimum an der Oberfläche zu einem Maximum etwa 2 mm unter der Oberfläche. In der Nähe der Oberfläche war der Gelgehalt in dem nicht gealterten Probekörper am höchsten (91%) und nahm für den 30 Tage gealterten Probekörper im gleichen Bereich mit zunehmender Alterungszeit auf weniger als 5% ab. Im Gegensatz dazu zeigten die umgeschmolzenen Materialien (16) eine viel geringere Reduktion des Gelgehalts in den Oberflächenbereichen als die nicht umgeschmolzenen Materialien. Das heißt, ein Vergleich von 17 (28 Mrad (280 kGy), nicht umgeschmolzen) und 18 (28 Mrad (280 kGy), umgeschmolzen) zeigte, daß das umgeschmolzene UHMWPE eine viel höhere Retention des Gelgehalts (d. h. der Vernetzung) aufwies.
Die Ergebnisse der DSC-Messungen zeigten den Kristallinitätsgrad als Funktion der Tiefe für verschiedene Materialien an, die 30 Tage bei 80°C gealtert wurden, wie in 19 dargestellt. In der Nähe der Oberfläche betrug der Kristallinitätsgrad 83% für das nicht umgeschmolzene Material mit 28 Mrad (280 kGy) nach der Alterung, im Vergleich zu 65% vor der Alterung. Der hohe Kristallinitätsgrad und die erhöhte Sprödigkeit der Oberflächenzone des gealterten Materials führten oft zur Fragmentierung einer Schicht von etwa 1 mm Dicke während der Mikrotombearbeitung. Im Gegensatz dazu zeigte das umgeschmolzene Material mit 28 Mrad (280 kGy) eine geringere Zunahme der Kristallinität in den Oberflächenbereichen infolge der Alterung, und es wurde keine spröde Zone beobachtet. Entsprechend wies das nicht umgeschmolzene Material mit 3,3 Mrad (33 kGy) infolge der Alterung eine Zunahme der Kristallinität von 60% auf etwa 78% auf, und die Oberflächenschicht war wieder spröde, obwohl nicht so spröde wie bei dem nicht umgeschmolzenem Material mit 28 Mrad (280 kGy).
Diskussion
Die Bestrahlung von UHMWPE führt zu Vernetzung, Kettenspaltung und zur Bildung freier Radikale. Wenn Sauerstoff anwesend ist, kann er mit den freien Radikalen zu oxidierten Spezies reagieren, was zu einer zusätzlichen Kettenspaltung (Reduktion des Molekulargewichts) und einer Zunahme der Kristallinität führt. Da Polymerkristallite oberhalb der Schmelztemperatur schmelzen und amorph werden, verstärken sich die Bewegungen und Drehungen der Molekülkette und begünstigen die Rekombination freier Radikale. Die Ergebnisse der vorliegenden Experimente zeigten, daß das Umschmelzen bei 150°C offenbar dazu führte, daß die restlichen freien Radikale zerfielen und/oder zu Vernetzungen rekombinierten, was zu einem erhöhten Gelgehalt führte. Daher ist das Umschmelzen eine wirksame Möglichkeit zur Vernichtung von freien Radikalen und macht die Materialien weniger empfindlich gegen langfristige Oxidation und verbessert möglicherweise die langfristige Verschleißfestigkeit, wie aus den Ergebnissen der künstlichen Alterungsversuche ersichtlich ist, wo eine viel geringere Oxidation der umgeschmolzenen Materialien auftrat.
Für ein vernetztes Polymer spaltet die oxidative Zersetzung die Moleküle und führt zu einer Reduktion des Gelgehalts. Dies war in den vorliegenden Experimenten aus dem reduzierten Gelgehalt nach der Alterung ersichtlich, besonders bei den nicht umgeschmolzenen Materialien (15 bis 18). Das heißt, die Verteilung der Oxidation, wie sie durch die mittels FTIR-Spektroskopie gemessenen Profile angezeigt wird, war invers zum Gelgehalt innerhalb des Materials; je höher die Oxidation, desto niedriger der Gelgehalt (die Vernetzung). Da das Umschmelzen freie Radikale vernichtet und den Gelgehalt erhöht, wodurch die Empfindlichkeit gegen Oxidation reduziert wird, hatten die umgeschmolzenen Materialien (3,3 und 28 Mrad (33 und 280 kGy)) nach der künstlichen Alterung einen viel höheren Gelgehalt als die nicht umgeschmolzenen Materialien.
Ein angemessener Vernetzungsgrad von UHMWPE kann seine Verschleißfestigkeit verbessern. Der hohe Vernetzungsgrad in dem UHMWPE, der durch die Gammastrahlung von 28 Mrad (280 kGy) verursacht wurde, wie aus dem hohen Gelgehalt (BEISPIEL 2) ersichtlich, trug offenbar zu der viel höheren Verschleißfestigkeit bei, die durch die in BEISPIEL 2 getesteten Hüftgelenkpfannen aufgewiesen wurde.
Wie in BEISPIEL 3 gezeigt, reduzierte außerdem das Umschmelzen des bestrahlten UHMWPE deutlich die restlichen freien Radikale und machte das Material viel beständiger gegen spätere Oxidation und daher beständig gegen eine Verminderung der Vernetzung, was für Implantate im langfristigen klinischen Gebrauch von erheblichem Vorteil sein kann.
BEISPIEL 4: Verschleißtest von bestrahlten Hüftgelenkpfannen mit und ohne künstliche Alterung
Materialien und Methoden
Der Verschleißtest von bestrahlten Hüftgelenkpfannen mit und ohne Umschmelzen wurde in BEISPIEL 2 beschrieben. Auswirkungen der künstlichen Alterung auf die physikalischen Eigenschaften von bestrahltem UHMWPE mit und ohne Umschmelzen wurden in BEISPIEL 3 beschrieben. Um die Beständigkeit vernetzter Hüftgelenkpfannen gegen thermisch induzierte Oxidation und den Effekt dieser Oxidation auf den Verschleiß von bestrahlten Hüftgelenkpfannen mit und ohne Umschmelzen zu untersuchen, wurden zwei Hüftgelenkpfannen für jede der vier Bedingungen (3,3 und 28 Mrad, umgeschmolzen und nicht umgeschmolzen), deren Verschleiß für 3 Millionen Zyklen getestet worden war, wie in BEISPIEL 2 beschrieben, in einem Ofen langsam (~0,2°C/min) in Umgebungsatmosphäre auf 80°C erhitzt und 20 Tage lang auf 80°C gehalten, wobei eine Hüftgelenkpfanne für jede der vier Bedingungen in Umgebungsluft gelagert wurde. Das Oxidationsprofil nach 20 Tagen Alterung für jede Bedingung wurde in 14, BEISPIEL 3, dargestellt.
Vor dem Verschleißtest wurden die Pfannen vier Wochen lang in destilliertem Wasser eingeweicht, um zusätzliche Fluidabsorption während des Verschleißtests zu minimieren, wodurch das Gewichtsverlustverfahren für die Verschleißmessung genauer wurde. Die Details für den Verschleißtest wurden in BEISPIEL 2 beschrieben.
Ergebnisse
20 zeigt den kombinierten einweichkorrigierten Verschleiß (Volumenverlust) für die Pfannen vor der Alterung (3,3 und 280 Mrad (33 und 280 kGy), umgeschmolzen und nicht umgeschmolzen) während der ersten 3 Millionen Zyklen (gleiche Daten wie in BEISPIEL 2) und für die gleichen Pfannen, nachdem zwei Pfannen aus jedem Material künstlich gealtert worden waren, von 3 bis 7 Millionen Zyklen. Die individuellen Verschleißraten und die Mittelwerte für jeden Materialtyp, berechnet durch lineare Regression, sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Alle Pfannen, die einer Bestrahlung von 3,3 Mrad (33 kGy) mit Umschmelzen ausgesetzt wurden, zeigten vergleichbare Verschleißraten, gleichgültig ob das Material umgeschmolzen oder umgeschmolzen und gealtert wurde oder nicht. Der Verschleiß war für alle Pfannen, die 28 Mrad (280 kGy) ausgesetzt wurden, vernachlässigbar, gleichgültig ob diese umgeschmolzen wurden oder nicht, und ob sie gealtert worden oder nicht.
Diskussion
Die Ergebnisse des Verschleißtests demonstrierten deutlich die verbesserte Verschleißfestigkeit von UHMWPE-Hüftgelenkpfannen, die sich aus der Bestrahlung mit 28 Mrad (280 kGy) Gammastrahlung ergab. Offenbar hatte die durch die künstliche Alterung ausgelöste geringere Oxidation an der Oberfläche (14) der stark vernetzten Hüftgelenkpfannen (28 Mrad (280 kGy), ohne Umschmelzen) eine sehr begrenzte Wirkung auf die Verschleißfestigkeit. Obwohl ein erhebliches Oxidationsmaximum etwa 0,4 mm unter der Oberfläche auftrat, war wegen der sehr hohen Verschleißfestigkeit der Pfannen mit 28 Mrad (280 kGy) die gesamte Eindringtiefe infolge Verschleiß zu flach, um diese oxidierte Zone unter der Oberfläche zu erreichen, auch nach 4 Millionen Zyklen.
Für die nicht umgeschmolzenen Pfannen mit 3,3 Mrad (33 kGy) trat die oberflächennahe Oxidation, die ihr Maximum bei etwa 1 mm unter der Oberfläche erreichte (14) nach Alterung in Luft bei 80°C über 20 Tage auf. Da die Gesamteindringtiefe dieser Pfannen etwa 300 μm (bei 7 Millionen Zyklen) betrug, wurde die volle Wirkung dieser oberflächennahen Oxidation bis zu einer viel höheren Anzahl von Verschleißzyklen nicht offensichtlich.
Nichtsdestoweniger führt die oberflächennahe Oxidation in den nicht umgeschmolzenen Pfannen (BEISPIEL 3, besonders für die Probekörper mit 28 Mrad (280 kGy)) zu einem reduzierten Molekulargewicht, einer Verminderung der Vernetzung (wie durch den Gelgehalt angezeigt) und einer erhöhten Kristallinität und Sprödigkeit, die alle zu Verminderungen der mechanischen Eigenschaften beitragen können, wie z. B. der Ermüdungsbeständigkeit, und schließlich zu einer Verminderung der Verschleißfestigkeit. Obwohl im vorliegenden BEISPIEL das Umschmelzen keine offensichtliche Wirkung auf die Verschleißfestigkeit der gealterten Pfannen hatte, verbessert die Beseitigung der freien Radikale durch Umschmelzen die langfristige Oxidationsbeständigkeit und verbessert dadurch die langfristige Verschleißfestigkeit in vivo.
BEISPIEL 5: Verschleißtest von gammabestrahltem UHMWPE mit Mehrfachdosen
Materialien und Methoden
In BEISPIEL 2 demonstrierten wir die verbesserte Verschleißfestigkeit von UHMWPE-Hüftgelenkpfannen, die sich aus der Bestrahlung mit 28 Mrad (280 kGy) Gammastrahlung ergab, im Vergleich zu Pfannen, die mit 3,3 Mrad (33 kGy) bestrahlt wurden. Die mittlere Verschleißrate der Pfannen mit 28 Mrad (280 kGy) war niedriger als 2% der Verschleißrate der Pfannen mit 3,3 Mrad (33 kGy) (d. h. eine Dosis innerhalb des normalen Bereichs von 2,5 bis 4,0 Mrad (25 bis 40 kGy)), die zur Sterilisation von Implantaten verwendet wird. Um den Verschleiß als Funktion der Strahlungsdosis zu untersuchen und dadurch eine optimale Dosis für die Verschleißminderung zu ermitteln, wurden extrudierte Stäbe aus GUR 4150 UHMWPE von 7,62 cm Durchmesser × 38,1 cm Länge (3 Zoll × 15 Zoll) in Luft mit Gammastrahlung bestrahlt, drei Stäbe mit jeder Dosis von 4,5, 9,5, 14,5, 20,2 oder 24 Mrad (45, 95, 145, 202 oder 240 kGy) (SteriGenics, Inc., Corona, CA), mit einer Dosisleistung von 0,45 Mrad/h (4,5 kGy/h). Zusätzliche Stäbe wurden in Luft mit 50 oder 100 Mrad (500 oder 1000 kGy) bestrahlt (SteriGenics, Inc., Tuscin, CA), mit einer Dosisleistung von 0,67 Mrad/h (6,7 kGy/h). Für jede Strahlungsdosis wurden dann zwei Stäbe umgeschmolzen, indem sie in einem Ofen in Umgebungsatmosphäre von Raumtemperatur mit etwa 0,3°C/min auf 150°C erhitzt worden, 5 Stunden auf 150°C gehalten und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt wurden, wobei der dritte Stab nicht umgeschmolzen wurde. Die bestrahlten und umgeschmolzenen Stäbe wurden zur Herstellung von Hüftgelenkpfannen für die Verschleißtests verwendet.
Sieben Gruppen von Hüftgelenkpfannen wurden in einer kommerziellen Bearbeitungswerkstatt (Bradford and Meneghini Manufacturing Co., Santa Fe Springs, CA) aus den bestrahlten und umgeschmolzenen Stäben für jede der sieben Dosen herausgearbeitet. Jede Pfanne hatte einen Außendurchmesser von 5,08 cm (2 Zoll) und einen Innendurchmesser von 3,2 cm (1,26 Zoll), mit einem Außenradius von 2,54 cm (1 Zoll) und einem Innenradius von 1,6 cm (0,63 Zoll) (6). Verschleißtests wurden auch an den umgeschmolzenen Probekörpern unter Verwendung von zwei Pfannen für jede Strahlungsdosis von 4,5 bis 24 Mrad (45 bis 240 kGy) und je einer Pfanne für 50 und 100 Mrad (500 und 1000 kGy) durchgeführt. Die Stäbe wurden absichtlich mit größeren Durchmessern verwendet als die fertigen Pfannen, so daß der Bearbeitungsprozeß zum Entfernen der äußeren Schicht jedes Stabs von etwa 1,27 cm (0,5 Zoll) Dicke die am stärksten oxidierte, am stärksten kristalline, am wenigsten vernetzte Oberflächenschicht (etwa 0,5 bis 1,0 mm) wirksam entfernte. Auf diese Weise bestand die Auflagefläche jeder Pfanne aus Material aus der Nähe der Mitte des Stabs, d. h. dem am stärksten vernetzten, am wenigsten kristallinen, am wenigsten oxidierten Bereich, von dem die höchste Verschleißfestigkeit erwartet wurde.
Da Hüftgelenkpfannen, die in Patienten eingesetzt werden, zunächst durch irgendein akzeptierbares Mittel sterilisiert werden müssen, wurden die Testpfannen in dieser Untersuchung vor dem Verschleißtest mittels Ethylenoxid in der geeigneten Dosis für klinische Implantate sterilisiert. Ethylenoxid wurde anstelle zusätzlicher Gammastrahlung (z. B. 2,5-4,0 Mrad (25 bis 40 kGy)) gewählt, um die Ergebnisse auf die Wirkungen der Strahlungsdosen zu konzentrieren, die angewandt wurden, um die Materialien zu vernetzen. Vor dem Verschleißtest wurden die Pfannen 4 Wochen lang in destilliertem Wasser eingeweicht, um die zusätzliche Flüssigkeitsabsorption während des Verschleißtests zu minimieren, wodurch das Gewichtsverlustverfahren für die Verschleißmessung genauer wurde. Die Details für das Verschleißtestverfahren wurden in BEISPIEL 2 beschrieben.
Ergebnisse
21 zeigt den einweichkorrigierten Verschleiß (Volumenverlust) jedes Materials (drei Pfannen für 3,3 Mrad (33 kGy) aus BEISPIEL 2, jeweils zwei Pfannen für eine Strahlungsdosis von 4,5 bis 24,5 Mrad (45 bis 245 kGy), und je eine Pfanne für 50 und 100 Mrad (500 und 1000 kGy)). Die individuellen Verschleißraten, die durch lineare Regression ermittelt wurden, und die Mittelwerte für jeden Materialtyp sind in Tabelle 5 aufgeführt. Bei etwa 2,1 Millionen Zyklen trat eine zeitweilige Überlastung der Testpfannen infolge Funktionsstörung der Computersteuereinrichtung auf. Obwohl diese Überlastung nur eine geringe Wirkung auf die Verschleißraten der Pfannen hatte, platzte die mit 100 Mrad (1000 kGy) bestrahlte Pfanne und wurde daher aus dem Test entfernt.
22 zeigt die mittlere Verschleißrate (Volumenverlust nach 1 bis 5 Millionen Zyklen) jedes Materialtyps, der umgeschmolzen (in der Figur durch dunkle Kreise bezeichnet) bzw. nicht umgeschmolzen worden war (in der Figur durch einen leeren Kreis bezeichnet) als Funktion der Dosis.
Der Verschleiß der Pfannen, die 3,3 oder 4,5 Mrad (33 oder 45 kGy) ausgesetzt wurden, betrug im Mittel 17,5 bzw. 9,3 mm³ pro Million Zyklen, was einen um etwa 13% bzw. 54% niedrigeren Verschleiß als für die nicht umgeschmolzenen Becher mit 3,3 Mrad (33 kGy) zeigt (20,1 mm³ pro Million Zyklen). Im Gegensatz dazu betrug die Verschleißrate der umgeschmolzenen Pfannen mit 9,5 Mrad (95 kGy) im Mittel 2,2 mm³ pro Million Zyklen, d. h. etwa 89% weniger als für die nicht umgeschmolzenen Pfannen mit 3,3 Mrad (33 kGy). Für höhere Strahlungsdosen als 9,5 Mrad (95 kGy) trat ein minimaler systematischer Verschleiß auf, so daß im Vergleich zu dem Wert bei nicht umgeschmolzenen Pfannen mit 3,3 Mrad (33 kGy) die Verschleißraten für die umgeschmolzenen Pfannen mit 14,5 Mrad (145 kGy) um etwa 94% niedriger waren, und ein minimaler Verschleiß (> 99% Minderung) trat für die umgeschmolzenen Pfannen mit 20,2 Mrad (202 kGy) auf.
Für die mit 24 Mrad (240 kGy) oder höheren Dosen bestrahlten Pfannen wurden "negative" Verschleißraten berechnet. Offensichtlich absorbierten diese Pfannen mehr Wasser als die Einweichkontrollpfannen, und der Fehler zwischen den beiden war größer als der Gewichtsverlust durch Verschleiß, so daß sich eine Netto-Gewichtszunahme ergab.
Diskussion
Die Ergebnisse demonstrierten deutlich, daß die Verschleißfestigkeit von UHMWPE-Hüftgelenkpfannen mit zunehmender Strahlungsdosis über den Bereich von 4,5 bis 9,5 Mrad (45 bis 95 kGy) (d. h. mit zunehmender Vernetzung) verbessert wurde, so daß der Verschleiß zu gering war, um ihn für Dosen über etwa 20 Mrad (200 kGy) genau quantitativ zu bestimmen. Da die strahlungsinduzierte Vernetzung außer der Verbesserung der Verschleißfestigkeit andere physikalische Eigenschaften verschlechtern kann, wie z. B. die Reißdehnung und die Ermüdungsbeständigkeit, bietet die in dem vorliegenden BEISPIEL entwickelte Dosis-Wirkungs-Kurve die Gelegenheit, eine optimale Dosis auszuwählen, d. h. eine Dosis, die den gewünschten Verbesserungsgrad der Verschleißfestigkeit bei minimaler Verminderung anderer physikalischer Eigenschaften liefert. Das Verfahren, um für eine bestimmte In-vivo-Anwendung zur Auswahl einer Dosis zu gelangen, wird in der vorliegenden Patentanmeldung beschrieben.
UHMWPE-Hüftgelenkpfannen, die formgepreßt und dann einer Gammastrahlung von 3,1 Mrad (31 kGy) in Luft ausgesetzt worden waren, aber nicht wärmebehandelt wurden (d. h. die typisch für kommerziell eingesetzte Implantate während der letzten zwei Jahrzehnte sind) zeigten eine angenäherte Verschleißrate von 33,1 mm³/Million Zyklen bei Anwendung des im obigen BEISPIEL 2 beschriebenen Verschleißtestverfahrens. Im Vergleich mit diesen herkömmlichen UHMWPE-Hüftgelenkpfannen zeigen die Hüftgelenkpfannen gemäß der vorliegenden Erfindung (d. h. bestrahltes Stabmaterial, das umgeschmolzen und zu Pfannen verarbeitet wurde) die folgende prozentuale Minderung der Verschleißrate: für die umgeschmolzene Hüftgelenkpfanne mit 3,3 Mrad (33 kGy) aus dem obigen BEISPIEL 2 (etwa 47% Minderung der Verschleißrate); die umgeschmolzene Hüftgelenkpfanne mit 4,5 Mrad (45 kGy) aus dem obigen BEISPIEL 5 (etwa 72% Minderung der Verschleißrate); die umgeschmolzene Hüftgelenkpfanne mit 9,5 Mrad (95 kGy) aus dem obigen BEISPIEL 5 (etwa 93% Minderung der Verschleißrate).
BEISPIEL 6: Physikalische Charakterisierung von gammabestrahltem UHMWPE mit oder ohne Umschmelzen
Materialien und Methoden
Die Materialien für die physikalische Charakterisierung waren die gleichen wie die in BEISPIEL 5 beschriebenen, auf Verschleiß getesteten Materialien. Zu den Materialien gehörten extrudierte UHMWPE-Stäbe (Durchmesser 7,62 cm (3 Zoll)), die mit Gammastrahlung (3,3, 4,5, 9,5, 14,5, 20,2, 24, 50 und 100 Mrad (33,45, 45, 95, 145, 202, 240, 500 und 1000 kGy) bestrahlt wurden, mit oder ohne Umschmelzen, und die nicht bestrahlten Stäbe. 8 min dicke Scheiben wurden aus den bestrahlten Stäben mit oder ohne Umschmelzen ausgeschnitten und mit Ethylenoxid sterilisiert. Die Probekörper für DSC- und Quellungsmessungen wurden aus der Mitte der 8 mm dicken Scheiben ausgeschnitten. Die DSC-Messung für Kristallinität und Schmelztemperatur mit einem Probengewicht von etwa 4 mg wurde in BEISPIEL 1 beschrieben. Für Quellungsmessungen wurde eine 1 mm dicke Tafel mit einem Gewicht von etwa 0,5 g aus der Mitte der 8 mm dicken Scheibe ausgeschnitten, und die Extraktion der Sol-Fraktion wurde 72 Stunden in siedendem p-Xylol durchgeführt, wobei 0,5 Gew.% Antioxidationsmittel (2,6-Di-t-butyl-4-methylphenol) zur Verhinderung der Oxidation zugesetzt wurde. Nach der Extraktion wurde das Gel in frisches p-Xylol übertragen und 2 Stunden zur Gleichgewichtseinstellung bei 120°C stehengelassen. Das gequollene Gel wurde dann schnell in ein Wägeglas übertragen, abgedeckt und gewogen. Die Daten wurden als Mittelwert aus fünf Messungen ermittelt. Nach den Messungen wurden die Proben in Aceton entquollen und dann bei 60°C in einem Vakuumofen bis zum Erreichen eines konstanten Gewichts getrocknet. Die Gelfraktion wurde als das Verhältnis des Gewichts des getrockneten extrahierten zum ursprünglichen nichtextrahierten Netzwerk bestimmt. Der Quellungsgrad wurde als das Gewichtsverhältnis des gequollenen Gels zu dem getrockneten extrahierten Gel berechnet. Der Quellungsgrad wurde benutzt, um entsprechend der Theorie von Flory und Rehner (Shen et al., J. Polym. Sci., Polym. Phys., 34: 1063-1077 (1996) die Kettendichte des Netzwerks, das zahlengemittelte Molekulargewicht zwischen Vernetzungen und die Vernetzungsdichte zu berechnen. Für die Untersuchung der Oxidationsprofile der bestrahlten und in Luft umgeschmolzenen extrudierten Stäbe wurde ein hundert Mikrometer dicker Schnitt mittels Mikrotom senkrecht zur Staboberfläche hergestellt und durch FTIR-Spektroskopie als Funktion der Tiefe von der Staboberfläche aus untersucht.
Ergebnisse und Diskussion
Die Schmelztemperatur und die Kristallinität für nicht bestrahlte und bestrahlte Materialien (mit und ohne Umschmelzen) sind in Tabelle 6 dargestellt. Quellungsgrad, mittleres Molekulargewicht zwischen Vernetzungen, Vernetzungsdichte und Gelgehalt sind in Tabelle 7 dargestellt. Nach der Bestrahlung nahmen die Schmelztemperatur und die Kristallinität zu und lagen über den untersuchten Dosisbereich im Bereich von 135,3 bis 140,2°C bzw. 60 bis 70%. Das Umschmelzen der bestrahlten Stäbe führte zu Verminderungen der Schmelztemperatur und der Kristallinität, die im Bereich von etwa 131 bis 135°C bzw. etwa 51 bis 53% lagen.
Wie in Tabelle 7 dargestellt, nahmen mit steigender Strahlungsdosis der Quellungsgrad und das mittlere Molekulargewicht zwischen Vernetzungen ab, während die Vernetzungsdichte zunahm. Der Gelgehalt nahm im allgemeinen mit der Strahlungsdosis zu, erreichte aber bei etwa 9,5 Mrad (95 kGy) einen Plateaubereich. Mit Umschmelzen wurden der Quellungsgrad und das mittlere Molekulargewicht zwischen Vernetzungen für bestrahlte Stäbe bis zu 9,5 Mrad (95 kGy) signifikant reduziert, blieben aber oberhalb 9,5 Mrad (95 kGy) nahezu unverändert. Die Vernetzungsdichte nahm nach dem Umschmelzen mit der Dosis bis zu 9,5 Mrad (95 kGy) zu und blieb dann nahezu unverändert. Der Gelgehalt nahm im allgemeinen nach dem Umschmelzen zu.
Die Oxidationsprofile für die mit 9,5 und 24 Mrad (95 und 240 kGy) bestrahlten Materialien nach 5-stündigem Umschmelzen in Luft bei 150°C sind als Funktion der Tiefe von der Staboberfläche aus in 24 dargestellt. Die Ergebnisse zeigten deutlich, daß nach Bestrahlung und Umschmelzen in Luft die Oxidation innerhalb 1 mm enorm abnimmt und die am stärksten oxidierte Schicht etwa 1 mm tief unter der Oberfläche liegt.
BEISPIEL 7: Zugfestigkeitseigenschaften von gammabestrahltem UHMWPE bei verschiedenen Dosen, mit und ohne Umschmelzen
Materialien und Methoden
Die Materialien für die Zugfestigkeitsprüfung waren die gleichen wie die im obigen BEISPIEL 5 beschriebenen Materialien für den Verschleißtest. Zu den Materialien gehörten extrudierte UHMWPE-Stäbe (Durchmesser 7,62 cm (3 Zoll)), die mit Gammastrahlung von 4,5, 9,5, 14,5, 20,2 und 24 Mrad (45,45, 145, 202 und 240 kGy) ohne Umschmelzen bestrahlt wurden, und nicht bestrahlte Stäbe. Gemäß ASTM F648-96 und D-638 (Typ IV) wurden jeweils fünf Probekörper für Zugversuche aus der Mitte der Stäbe von 7,62 cm (3 Zoll) Durchmesser herausgearbeitet. Zugversuche wurden unter Verwendung einer servohydraulischen Zugprüfmaschine mit einer Geschwindigkeit von 5,08 cm/min (2 Zoll/min) durchgeführt.
Ergebnisse und Diskussion
Die Zugfestigkeit, Reißdehnung und Reißfestigkeit sind in Tabelle 8 dargestellt. Die mittleren Zugfestigkeitseigenschaften als Funktion der Strahlungsdosis sind in den 25-27 dargestellt. Die Zugfestigkeit nach dem Bestrahlen war höher als die des unbestrahlten Materials und nahm mit der Strahlungsdosis leicht zu. Umschmelzen der bestrahlten Stäbe filterte zu einer Verminderung der Zugfestigkeit, und die Festigkeit blieb über den untersuchten Dosisbereich nahezu konstant (25). Die Reißfestigkeit und die Reißdehnung nahmen mit steigenden Dosen ab (26-27). Umschmelzen führte zu einer weiteren Verminderung der Reißfestigkeit über den Dosisbereich. Umschmelzen hatte jedoch über den gleichen Dosisbereich fast keine Wirkung auf die Reißdehnung.
Die vorstehende Erfindung ist zwar zu Zwecken der Klarheit und des Verständisses durch Erläuterung und BEISPIELe einigermaßen ausführlich beschrieben worden, aber es ist offensichtlich, daß verschiedene, vom Fachmann ausführbare Modifikationen und Änderungen als zum Umfang der beigefügten Patentansprüche gehörend angesehen werden. Zukünftige technologische Fortschritte, die offensichtliche Änderungen an der hier zugrunde liegenden Erfindung ermöglichen, sind gleichfalls in den Ansprüchen einbegriffen. TABELLE 1: 3,3 Mrad (33 kGy)
TABELLE 2: 2,8 Mrad (28 kGy)
TABELLE 3
TABELLE 4
TABELLE 5 (1-5 Millionen Zyklen)

* Die Verschleißdaten der Materialien mit 3,3 Mrad (33 kGy) in BEISPIEL 2.
** Die Verschleißrate im Zeitraum von 1-2 Millionen Zyklen.

Claims

Vorgeformte Polymerzusammensetzung umfassend ein vernetztes wärmbehandeltes Polymer, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung folgende Charakteristiken aufweist: einen Aufquellgrad zwischen etwa 1,7 und etwa 5,3; eine Molmasse zwischen Vernetzungen zwischen etwa 400 und etwa 8400 g/Mol und einen Gelgehalt zwischen etwa 95 und etwa 99%.
Vorgeformte Polymerzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung eine vorgeformte Polyethylenzusammensetzung ist.
Vorgeformte Polymerzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei das Polyethylen ein ultrahochmolekulares Polyethylen oder ein hochmolekulares Polyethylen ist.
In vivo-Implantat umfassend eine Polymerzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Methode zum Erhöhen der Verschleißfestigkeit einer vorgeformten Polymerzusammensetzung, umfassend die Schritte des: (a) Vernetzens der Polymerzusammensetzung in einem festen Zustand; und (b) Unterwerfens der vernetzten Polymerzusammensetzung einer Wärmebehandlung, um eine Polymerzusammensetzung zu bilden, die folgende Charakteristiken aufweist: einen Aufquellgrad zwischen etwa 1,7 und etwa 5,3; eine Molmasse zwischen Vernetzungen zwischen etwa 400 und etwa 8400 g/Mol und einen Gelgehalt zwischen etwa 95 und etwa 99%.
Methode nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend der Schritt des Entfernens der am stärksten oxidierten Oberfläche der wärmebehandelten vernetzten Polymerzusammensetzung.
Methode nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Vernetzen durch Gammastrahlung erfolgt.
Methode nach Anspruch 7, wobei die Gammastrahlung mit einer Dosis von etwa 1 bis etwa 100 Mrad (10 bis 1000 kGy) erfolgt.
Methode nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Vernetzen durch Gammastrahlung mit einer Dosis von mindestens etwa 5 Mrad (50 kGy) erfolgt.
Methode nach Anspruch 9, wobei die Gammastrahlung mit einer Dosis von etwa 5 bis etwa 25 Mrad (50 bis 250 kGy) erfolgt.
Methode nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die Wärmebehandlung das erneute Schmelzen der vernetzten Polymerzusammensetzung umfasst.
Methode nach Anspruch 11, wobei die Temperatur des erneuten Schmelzens zwischen der Schmelztemperatur der vernetzten Polymerzusammensetzung und etwa 160°C über der Schmelztemperatur der vernetzten Polymerzusammensetzung liegt.
Methode nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die Wärmebehandlung die Temperung der vernetzten Polymerzusammensetzung umfasst.
Methode nach Anspruch 13, wobei die Temperungstemperatur zwischen etwa 90°C unter bis etwa 1°C unter der Schmelztemperatur der vernetzten Polymerzusammensetzung liegt.
Methode nach einem der Ansprüche 5 bis 14, wobei die vorgeformte Polymerzusammensetzung Polyethylen ist.
Methode nach Anspruch 15, wobei das Polyethylen ultahochmolekulares Polyethylen oder hochmolekulares Polyethylen ist.
Methode für das Bestimmen einer optimalen Strahlungsdosis und optimalen Wärmebehandlung für das Behandeln eines Polymers zum Erhöhen seiner Verschleißfestigkeit, wenn es zu einem erwünschten Produkt verarbeitet wird, während seine erwünschten physikalische und/oder chemischen Eigenschaften beibehalten werden, wobei die Methode folgende Schritte umfasst: (a) Bestrahlen des Polymers im festen Zustand innerhalb eines Strahlungsdosisbereichs, der wahrscheinlicherweise die erwünschte Verschleißfestigkeit und die erwünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften hervorruft; (b) Erneutes Schmelzen des Polymers; (c) Korrelieren der Strahlungsdosis mit der Verschleißrate des erwünschten Produkts, das aus dem bestrahlten, erneut geschmolzenen Polymer hergestellt ist, unter Anwendung der tatsächlichen oder simulierten Verschleißbedingungen für das erwünschte Produkt; (d) Korrelieren der Strahlungsdosis mit jeder der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des erwünschten Produkts, das aus dem bestrahlten erneut geschmolzenen Polymer hergestellt ist, unter Anwendung der tatsächlichen oder simulierten Verschleißbedingungen für das erwünschte Produkt; (e) Vergleichen der Korrelationen in den Schritten (c) und (d) zum Bestimmen der optimalen Strahlungsdosis, die zu einer erwünschten Verschleißrate führt, während die erwünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften beibehalten werden, wenn eine derartige Strahlungsdosis erreicht wird, unter Anwendung dieser optimalen Strahlungsdosis für die künftige Behandlung des Polymers; (f) wenn die optimale Strahlungsdosis in Schritt (e) nicht erreicht werden kann, Bestimmen einer Dosis, die zu einer erwünschte Verschleißrate führen würde, auf der Basis der Korrelation von Schritt (c), und Tempern anstatt erneutes Schmelzen des Polymers, das mit dieser Dosis bestrahlt worden ist; (g) Korrelieren der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des erwünschten Produkts, das aus dem bestrahlten und getemperten Polymer hergestellt ist, unter Anwendung der tatsächlichen oder simulierten Verschleißbedingungen für das erwünschte Produkt, mit verschiedenen Temperungszeiten und -temperaturen; (h) Bestimmen einer Temperungstemperatur und -zeit, die zu der erwünschten Verschleißrate und den erwünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften führt, falls dies möglich ist, daraufhin Anwenden der in diesem Schritt bestimmten Strahlungsdosis und Temperungsbedingungen für die künftige Behandlung des Polymers; (i) wenn Schritt (h) nicht die erwünschte Verschleißrate und die erwünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften bietet, Aufbringen einer geringeren Strahlungsdosis und Wiederholen der Schritte (d) bis (i) oder (h), bis die optimale Strahlungsdosis und die optimalen Temperungsbedingungen bestimmt sind oder der Schritt bestätigt, dass keine optimale Strahlungsdosis und optimalen Temperungsbedingungen für die erwünschte Verschleißrate und die erwünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften erreicht werden können, wobei die erwünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften folgende sind: ein Aufquellgrad zwischen etwa 1,7 und etwa 5,3; eine Molmasse zwischen Vernetzungen zwischen etwa 400 und etwa 8400 g/Mol und ein Gelgehalt zwischen etwa 95 und etwa 99%.
Methode nach Anspruch 17, wobei die Strahlung Gammastrahlung im Bereich zwischen etwa 1 bis 100 Mrad (10 bis 1000 kGy) ist; die Temperatur des erneuten Schmelzens zwischen der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers und etwa 160°C über der Schmelztemperatur des bestrahlen Polymers liegt und die Temperungstemperatur zwischen etwa 90°C unter und etwa 1°C unter der Schmelztemperatur des bestrahlten Polymers liegt.
Methode nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Polymer Polyethylen ist.
Methode nach Anspruch 19, wobei das Polyethylen ultrahochmolekulares Polyethylen oder hochmolekulares Polyethylen ist.
Verfahren für die Behandlung eins Polymers nach einem der Ansprüche 5 bis 16, wobei bei dem Verfahren eine Strahlungsdosis und erneute Schmelz- oder Temperaturbedingungen angewendet werden, die durch die Methode nach Anspruch 17 oder 18 bestimmt werden.