JP2005237629A

JP2005237629A - 人工関節およびその製造方法

Info

Publication number: JP2005237629A
Application number: JP2004050883A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kyomoto; 政之京本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】架橋密度を高くして摺動特性を高めるとともに、機械的特性を劣化させず、ASTM F648規格によって要求されている、人工関節用UHMWPEの引張り破断伸び特性値を充たすようにする。
【解決手段】超高分子量ポリエチレンにガンマ線を１時間あたり０．５〜１０ｋＧｙの照射速度で、１２〜２４時間の照射時間で、２５〜６０ｋＧｙの量を照射する工程と、このガンマ線を照射した前記超高分子ポリエチレンを１１０℃〜該超高分子ポリエチレンの融点の温度範囲で熱処理する工程とを含むことを特徴とする人工関節の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、人の関節を補綴するための人工関節およびその製造方法に関し、特に摺動部分に超高分子ポリエチレンを用いた人工関節およびその製造方法に関するものである。

人工股関節、人工膝関節等の人工関節の構成部材として、超高分子量ポリエチレン（以下、UHMWPEと称する）が一般に使用されている。しかし、人工関節が生体内で使用されるとき、摩擦運動により生じるUHMWPEの摩耗粉による骨の融解(osteolysis)が大きな問題となっている（非特許文献1参照）。osteolysisの解決方法はUHMWPE摩耗粉の数量を減少させることである。そのために、関節面の素材の組み合わせや素材自体の改良といった様々な試みが行われている。その一つとして、近年では電子線や放射線によるUHMWPEの架橋が盛んに研究されている。

そこで、大西啓靖等は、ガンマ線照射量500〜1000 kGyのガンマ線を照射し、これを80〜200℃で加熱処理することで、クリープ変形1%未満に抑え、耐クリープ性と耐摩耗性を著しく向上させた（特許文献１参照）。F. W. Shen等は、最も好ましい条件として、50〜100 kGyのガンマ線を照射し、これを熱処理することで、耐摩耗性を向上させた（特許文献２参照）。M. Edward等は、電子線を照射し、熱処理することで、耐摩耗性を向上させた（特許文献３参照）。

これらの試みは、高分子材料にガンマ線、電子線等の高エネルギー放射線を照射すると、分子鎖の切断によりフリーラジカルが生成し、続いて分子鎖の再結合や架橋反応等を起こすことが知られていることを利用している。

UHMWPEにおいてもガンマ線を照射すると、主鎖であるC-C結合またはC-H結合を切断し、架橋及びC=O、C=C等の化学結合を生成する（ここでは、炭素をC、水素をH、酸素をOと称する）。架橋は、UHMWPEの非晶質部分において特に形成され、より強固な高分子ネットワークを構築していく。また、ガンマ線照射量が増加にともない架橋密度が増加することは、前述においても確認されている。従って、UHMWPEの耐摩耗性の向上には、UHMWPEの架橋密度を向上させれば良いことが明らかにされている。

しかし、前述の人工関節用部材の製造方法では、耐摩耗性を向上させるための照射線量が100〜1000 kGy程度の高いガンマ線照射量であったことに加えて、ガンマ線照射速度が1時間当たり20 kGyと非常に高かったため、UHMWPEが持っている機械的特性が著しく低下する問題があった。そこで、Kurtz S.M.等は、照射速度1時間当たり0.5 kGyにてガンマ線照射線量が100 kGyになるように照射したUHMWPEの作製方法により、その機械的特性の改善を図った（非特許文献２参照）。この方法であると、引張り破断伸びの特性において若干の改善が見られたが、依然、ASTM F648（American Society for Testing and Materials F 648)規格によって要求されている、人工関節用UHMWPEの引張り破断伸びの特性値、260％を満たすことが出来ていない。

一方、製造上のコストを考慮すると、ガンマ線等の放射線照射方法による照射線量が100〜1000 kGy程度の高いガンマ線照射量の照射は、その製造コストが高騰する問題も抱えていた。また、ガンマ線照射によりUHMWPE素材表面が劣化するが、これを抑制するために、ジョン・ブイ・ハミルトン等は、真空容器を用いことによって耐摩耗性と耐酸化性を改善した（特許文献４，５，６参照）。しかし、真空容器を用いることによって酸素の存在量を減らし、酸化を抑制することは可能であるが、完全に酸素を除去することはできない。そのため、ガンマ線照射によるUHMWPE表面の一定量の酸化は避けられない。且つ、これらの製造は、多大な設備が必要であり、コスト的に不利で有益ではなかった。
国内特許発行公報第2984203号米国特許発行公報第6228900号米国特許公開番号WO78/29793号特許出願公開番号特開2001-70434号特許出願公開番号特開2001-70435号特許出願公開番号特開2001-79081号「In vivo wear of polyethylene acetabular components」 THE JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY, VOL 75-B, NO.2, 1993 「Effects of dose rate and thermal treatment on the physical and mechanical properties of highly crosslinked UHMWPE used in total joint replacements」 49th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society, 2003

しかし、前述の人工関節用部材の製造方法では、ガンマ線等の放射線照射方法によると照射線量が100〜1000 kGy程度の高いガンマ線照射量であったため、UHMWPEが本来持っている優れた機械的特性を損失し、ASTM F648（American Society for Testing and Materials F 648)規格によって要求されている、人工関節用UHMWPEの特性値を満たすことが出来なかった。したがって、生体内で使用する際に、長期間、生体に安全に使用できない恐れを有し、患者への負担を大きくする問題を抱えていた。ガンマ線照射量が多くＵＨＭＷＰＥが本来持つ優れた機械的特性を減少させる結果となっていた。ＡＴＭＳの規格を満たすことはできなかった。

したがって本発明は、架橋密度を高くして摺動特性を高めるとともに、機械的特性を劣化させず、ASTM F648規格によって要求されている、人工関節用UHMWPEの引張り破断伸び率特性値を充たすようにすることを目的とする。

前記課題を解決するため本発明者は、鋭意研究の結果、ガンマ線の架橋効率を高め熱損失を少なくすること並びに適度な熱処理とを組み合わせることで、摺動特性と機械的特性を両立させることができ、そのために比較的小さな照射量と比較的遅い照射速度と適度な照射時間、適度な熱処理温度と時間とによりASTM F648を満たすことが可能であることを見出した。

すなわち本発明の製造方法は、摺動部分に超高分子量ポリエチレンを用いた人工関節の製造方法であって、前記超高分子量ポリエチレンにガンマ線を１時間あたり０．５〜１０ｋＧｙの照射速度で、１２〜２４時間の照射時間で、２５〜６０ｋＧｙの量を照射する工程と、このガンマ線を照射した前記超高分子ポリエチレンを１１０℃〜該超高分子ポリエチレンの融点の温度範囲で熱処理する工程とを含むことを特徴とする。

かかる構成によれば、ガンマ線照射線量が25 kGy以上なので、十分な架橋が達成できる。他方、ガンマ線照射量が60 kGy以下なので材料の脆性が高くなり、生体内での使用中に破断を起こす恐れがほとんどない。更に好ましくは、35〜45 kGyの範囲であれば、引張り破断伸びや衝撃強度等の機械的特性を損なうことなく人工関節摺動部材が製造できる。

さらに、ガンマ線照射線速度が1時間当たり0.5 kGy以上なので照射中の熱量損失が小さく、架橋導入が効率的であり、他方1時間当たり10.0 kGy以下なので、ガンマ線照射時間が最短で架橋反応時間が十分に得られ架橋導入が効率的となる。

加えて、熱処理温度が１１０℃以上であるので、ガンマ線照射により発生したラジカルを効率良く架橋への消費と導くことができ、他方、UHMWPEの融点以下なのでUHMWPEの機械的特性を低下させない。熱処理時間としては、１２時間以上であるので架橋反応が十分であり、２４時間以下なのでUHMWPEの表面劣化層の深さを小さくすることができる。

以上から、摺動特性と機械的特性を両立させることができ、ASTM F648を満たすことが可能となる。

本発明によれば、ガンマ線の架橋効率を高め熱損失を少なくすること並びに適度な熱処理とを組み合わせるため、比較的小さな照射量と比較的遅い照射速度と適度な照射時間、適度な熱処理温度と時間とにより、摺動部分を構成するＵＨＭＷＰＥについて摺動特性と機械的特性を両立させることができ、ASTM F648で要求される引張り破断伸び率を満たすことが可能である。そして、このような摺動部分を備えた人工関節によれば、生体内で、十分な機械的特性を維持し、且つ、摩耗量が極微量であるので、生体に安全で、長期間、安心して使用できるという優れた効果を奏し、患者への負担を大きく軽減できるのである。

また、前記の製造方法によれば、大掛かりな機器や装置を必要とせず、非常にコスト的に有利である。さらに、表面劣化層の深さが小さくなるので、表面劣化層を除去しなければならない場合でも、機械加工により容易に除去可能である。また、ガンマ線照射中及び熱処理中に特殊な低酸素雰囲気装置等を用いる必要もないのでコスト的に有利である。

以下に、図を用いて実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。

実施例
直径90 x 500 mm³のPerplas社製UHMWPEロッドを準備した。UHMWPEロッドに対し、コバルト60を線源とするガンマ線処理装置を用いて、種々の照射速度1時間当たり0.1、0.5、1.0、5.0、10.0、15.0 kGyにて合計線量が35 kGyになるよう大気中にて、ガンマ線照射を行なった。ガンマ線照射後、110℃、12時間の熱処理を行なった。得られたガンマ線架橋UHMWPEロッドから、種々の試験片を切り出した。なお、加工の際に、表面から約1mmの部分は完全に除去した。得られた試験片を用いて、引張り試験及び架橋密度測定を行なった。引張り試験は、ASTM F648規格に従って評価した。架橋密度の測定には、F. W. Shen等が報告している手順に従って行なった（非特許文献３参照）。図1に、ガンマ線照射速度-引張り破断強度図を、図2にガンマ線照射速度-引張り破断伸び図を示す。図3に、ガンマ線照射速度-架橋密度図を示す。

図1、2及び3の結果から明らかなように、ガンマ線照射速度が1時間当たり0.5〜10.0 kGyにて35kGyの合計線量になるようにガンマ線を照射したとき、F. W. Shen等が従来方法にて100〜200 kGyのガンマ線照射量にて到達した約1.0 mol%以上の架橋密度に到達した。つまり、本発明による方法によると少ない照射線量にて、UHMWPEが本来持っている機械的特性を損なうことなく、100 kGy以上の高いガンマ線照射量を行なったのと同様の効果が得られたのである。しかも、引張り破断伸び率が290％以上（１時間当たり１．０〜１０．０ｋＧｙでは300％以上）、引張り破断強度が５０ＭＰａ以上と高値であった。一方、ガンマ線照射速度が1時間当たり15 kGyにて35kGyの合計線量になるようにガンマ線を照射したとき、引張り破断強度、引張り破断伸び、架橋密度が著しく減少した。また、図3の結果より、ガンマ線照射速度が1時間当たり0.1 kGyにて35kGyの合計線量になるようにガンマ線を照射したときにおいても、架橋密度が低下した。
「Irradiation of chemically crosslinked ultrahigh molecular weight polyethylene」 Journal of Polymer Science, Part B:Polymer Physics, Vol. 34, 1996比較例直径90 x 500 mm3のPerplas社製UHMWPEロッドを準備した。UHMWPEロッドに対し、コバルト60を線源とするガンマ線処理装置を用いて、種々の照射速度1時間当たり0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 kGyにて合計線量が100 kGyになるよう大気中にて、ガンマ線照射を行なった。ガンマ線照射後、110℃、12時間の熱処理を行なった。得られたガンマ線架橋UHMWPEロッドから、種々の試験片を切り出した。なお、加工の際に、表面から約1mmの部分は完全に除去した。得られた試験片を用いて、引張り試験及び架橋密度測定を行なった。試験方法は、実施例に記載の方法と同様に行なった。図4に、ガンマ線照射速度-引張り破断強度図を、図5にガンマ線照射速度-引張り破断伸び図を示す。図6に、ガンマ線照射速度-架橋密度図を示す。

図4、5及び6の結果から明らかなように、ガンマ線照射速度が1時間当たり0.1〜10.0 kGyにて100kGyの合計線量になるようにガンマ線を照射したとき、100kGyの合計線量になるようにガンマ線を照射すると、ガンマ線照射速度を変更しても、引張り破断伸びの特性値が260%以下で、ASTM F648規格で要求される値を満足しなかった。また、引張り破断強度も５０ＭＰａを下回っていた。

実施例のガンマ線照射速度-引張り破断強度図である。実施例のガンマ線照射速度-引張り破断伸び図である。実施例のガンマ線照射速度-架橋密度図である。比較例のガンマ線照射速度-引張り破断強度図である。比較例のガンマ線照射速度-引張り破断伸び図である。比較例のガンマ線照射速度-架橋密度図である。

符号の説明

符号なし

Claims

摺動部分に超高分子量ポリエチレンを用いた人工関節の製造方法であって、前記超高分子量ポリエチレンにガンマ線を１時間あたり０．５〜１０ｋＧｙの照射速度で、１２〜２４時間の照射時間で、２５〜６０ｋＧｙの量を照射する工程と、このガンマ線を照射した前記超高分子ポリエチレンを１１０℃〜該超高分子ポリエチレンの融点の温度範囲で熱処理する工程とを含むことを特徴とする人工関節の製造方法。
前記ガンマ線の照射量が３５〜４５ｋＧｙであることを特徴とする請求項１記載の人工関節の製造方法。
引張り破断伸び率が260％以上である架橋された超高分子量ポリエチレンを摺動部分に用いてなる人工関節。