JP2010000221A - 人工関節用摺動部材の成形方法及びこの方法によって成形された人工関節用摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＶＥを均一に分散させたＵＨＭＷＰＥを素材として人工関節用摺動部材を製作することで、ルーズニングを抑制する。
【解決手段】 所定の形状に成形されて相手方金属又はセラミックと摺動する超高分子量ポリエチレンからなる人工関節用摺動用部材の成形方法において、超高分子量ポリエチレンにビタミンＥを０．０１〜０．３Ｗｔ％添加するとともに、成形前、成形中、成形後いずれかで８０〜１４０℃の温度で少なくとも３０分保持してビタミンＥを超高分子量ポリエチレン中に均一に分散させる均一分散化処理を行う。
【選択図】 図５

Description

本発明は、膝関節や股関節に置換される人工関節に用いられる超高分子量ポリエチレンからなる摺動部材の成形方法及びこの方法で成形される人工関節用摺動部材に関するものである。

人工関節は、一対の可動部材が互いに摺動するものであるが、一方は金属やセラミックといった部材で構成され、もう一方は金属やセラミックと摺動相性のよい樹脂で構成されるのが一般的である。この樹脂は、靱性と粘性に優れる超高分子量ポリエチレン（以下、ＵＨＭＷＰＥ）が多く用いられる。この場合、ＵＨＭＷＰＥには、摺動による摩耗が生じる他に酸素と反応して酸化する。また、関節に置換されて使用されている間にも体液等と反応して酸化する。

酸化が起ると、ＵＨＭＷＰＥが劣化してＵＨＭＷＰＥ粒子相互或いは相手方部材との間で界面破壊を引き起こすことが知られている。この破壊は、荷重と相関性があり、荷重が大きいほど大きな破壊を起こすことから、股関節や膝関節において問題となる。このため、酸化抑制の手段が種々試みられて来たが、下記特許文献１では、ＵＨＭＷＰＥにビタミンＥ（以下、ＶＥ）を０．００１〜１０Ｗｔ％添加することが提案されている。これによると、ＶＥには顕著な酸化抑制効果があり、かつ、人体に無害であることから、好適な添加物質である旨が述べられている。

一方で、ＵＨＭＷＰＥは、高温下での流動性が低くて成形性が悪いことも知られている。ＵＨＭＷＰＥを特定の形状に成形するには、通常は、型によるプレス成形で成形するが、成形性が悪いと、成形する形状に制約を受けたりすることがある。そこで、本発明者等は成形性の向上に努めて来たが、ＶＥはＵＨＭＷＰＥ粒子同士及び成形型との流動を容易にすることを見出して成形性を向上させるとともに、この成形を減圧下で行えば、更に一層の成形性が向上できることがわかり、下記特許文献２として提案している。

しかし、ＶＥを添加したＵＨＭＷＰＥは酸化が抑制されて界面破壊を引き起し難いとはいっても、相手方金属やセラミックとたえず摺動するから、それに伴って摩耗し、摩耗粉を発生させる。そこで、下記非特許文献１では、ＶＥが無添加のものと０．３Ｗｔ％添加したものとの比較の下で摩擦回数と摩耗粉の発生の関係を調べたものが報告されている。これによると、ＶＥが添加されたものの方が無添加のものに比べて摩耗粉の発生が少ないことが示されており、その差は摩擦回数が多いほど大きくなっている。

ところで、発生した摩耗粉は摺動面に留まらず周囲に拡散し、金属又はセラミックと骨との境界面にも浸透して行く。生体内に摩耗粉が存在していると、これを捕食するマクロファージが寄集して来ることが知られており、マクロファージはサイトカイン（ＴＮＦα等）を産出し、サイトカインは骨の吸収に関与しているといわれている。

この結果、金属やセラミックと接する骨が溶解し、人工関節が強度を保てずにグラグラする、所謂、ルーズニングという現象を呈すことがある。ルーズニングが生ずると、場合によっては、再手術が必要なことがある。再手術ということになれば、患者、特に、高齢者にとっては多大な負担となる。
特開平１１−２３９６１１号公報 特開２００１−２１２８３７号公報 人工膝関節用超高分子量ポリエチレンの摩耗機構に及ぼすdl- α- tocopherol添加の影響「Teramura S., Sakota H., Terao T., Endo M. M., Fujiwara K. and Tomita N. Reduction of Wear Volume from Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Knee Components by the Addition of Vitamin E, Jounal of Orthopaedic Research , 4 (2008), 460-464.」

本発明は、以上の課題を解決したものであり、要するに、ＶＥを均一に分散させたＵＨＭＷＰＥを素材として人工関節用摺動部材を製作すれば、摩耗粉にもＶＥは均一に含まれることになり、この均一化が高いほどＶＥの作用による蛋白等の隣在物質への表面吸着が制御されることがわかったのである．蛋白等の表面吸着が制御されると、当然ながらマクロファージによる捕食も少なくなり、ルーズニングが抑制される。さらに、ＶＥには炎症抑制作用があり、この作用に基づいて摩耗紛の生物活性が抑制されることも判明し、この効果からもルーズニングの抑制が期待できる。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、所定の形状に成形されて相手方金属又はセラミックと摺動するＵＨＭＷＰＥからなる人工関節用摺動用部材の成形方法において、ＵＨＭＷＰＥにＶＥを０．０１〜０．３Ｗｔ％添加するとともに、成形前、成形中、成形後いずれかで８０〜１４０℃の温度で少なくとも３０分保持してＶＥをＵＨＭＷＰＥ中に均一に分散させる均一分散化処理を行うことを特徴とする人工関節用摺動用部材の成形方法を提供するとともに、これにおいて、請求項２に記載した、成形及び均一分散化処理を一定の減圧下又は不活性ガス雰囲気内で行う手段を提供する。

請求項１の発明、すなわち、ＶＥを添加したＵＨＭＷＰＥを素材として人工関節用摺動部材を成形すると、ビタミンＥの炎症抑制作用や表面吸着制御作用により、結果的にルーズニングを抑制するのである。これにおいて、ＶＥの添加量はＵＨＭＷＰＥに対して０．０１〜０．３Ｗｔ％が適切であり、加えて、均一分散化処理を行うと、この効果をより完全にすることが解明できたのである。この均一分散化処理がルーズニングの抑制に関与する仕組みについてであるが、一般に、樹脂等の熱可塑性物質は高温であるほど、粒子の流動性、整列性、配向性は向上する。これらが向上すると、これにＶＥを添加する場合も、高温ほど分散は均一化する。

しかし、あまり高温であれば、ＶＥが失活して添加の役割を果さなくなる。そこで、本発明の手法であるＶＥを添加したＵＨＭＷＰＥを８０〜１４０℃で３０分以上保持するという均一分散化処理がこれを代替するのである。実際、この処理を行うと、蛋白等の表面吸着が制限されることが確認されている。さらに、この処理を減圧下や不活性ガス雰囲気中で行うと、分散を促進して均一化をより高めるし、酸化も抑制することが確認されている。なお、この処理は、ＵＨＭＷＰＥの物理的特性を高め、成形性を向上させるという一面もある。

以下、本発明の実施の形態を説明するが、まず、ＵＨＭＷＰＥの特性やＶＥを添加することの意義について説明しておく。ここでいうＵＨＭＷＰＥとは、分子量が３００〜６５０万ｇ／ｍｏｌの範囲のものをいう。このようなＵＨＭＷＰＥを使用するのは、これらが稠密性に富んで耐摩耗性、機械的強度に優れているからであるが、難成形性の材料であることが問題である。

人工関節用摺動部材に使用するＵＨＭＷＰＥは、医療用に適応されたものである必要があり、これには、Ｔｉｃｏｎａ社製のＧＵＲ１０２０、１０５０があり、これらはいずれもパウダーの形態で市販されているが、ペレット、タブレットの形態のものもある。そのいずれを使用してもよいが、成形時の熱による溶解性、気泡の生成性、添加物との均一な混合性の観点から、パウダー状のものがもっとも優れている。

成形は加圧成形によるが、樹脂を加圧成形するには、加熱下におけるプレスとインジェクションとがあり、そのいずれであってもよいが、種々の形状のものを少量生産するにはプレスによるものの方が適する。加えて、本例では、この加圧成形を減圧下又は不活性ガス雰囲気内で行うようにしている。ＵＨＭＷＰＥを減圧下で成形すると、減圧に基づいてＵＨＭＷＰＥの粒子の流動性が高まり、成形が容易になって成形時間が短縮できるということがわかってきている。また、粒子や粒子間に存在する気泡が抜け、残存する酸素量を減らして酸化による弊害を少なくするという効果もあり、残存酸素量を減らす効果からいえば、不活性ガス雰囲気内で成形するのも適する。

さらに、減圧下又は不活性ガス雰囲気内で成形や均一分散化処理をすることは、上記したＶＥの効果を減殺しないことにも寄与する。加えて、残存酸素量を減少させることは、製品にして使用中の酸化も抑制できるものとなる。この他、気泡の抜けによって稠密性が増し、衝撃強度も向上する。この意味から、減圧の程度は大きいほどよいが、０．１気圧以下であっても相当な効果があり、０．０１気圧以下であればほぼ十分である。

また、ＶＥを添加すると、成形性が更に優れたものとなる。このＶＥは、和光純薬工業株式会社から日本薬局方トコフェロール（ｄｌ−α−ＴｏｃｏｐｈｅｒｏｌＪ．Ｐ）として液状又はパウダー状で市販されており、ここでのＶＥには、αートコフェロール、βートコフェロール、γートコフェロール、δートコフェロールとこれらの異性体、誘導体、混合物を含む。これらＶＥを添加するのは、ビタミンＥの炎症抑制作用や表面吸着制御作用、抗酸化作用を期してのことは勿論のこと、成形時のＵＨＭＷＰＥからなる素材の流動性を高める目的も有する。この点で、本発明におけるＶＥの添加は重要な意義を有し、単なる酸化防止に限らず、摩耗粉の減少及び生物活性の抑制、ひいてはこれを捕食するマクロファージが産出するＴＮＦαを減少せしめ、人工関節のルーズニングを抑制するためでもある。

ＵＨＭＷＰＥに配合するＶＥの割合は、０．０１〜０．３Ｗｔ％が適する。図２は種々の添加量で添加したＵＨＭＷＰＥの板を作製し、その酸化度（カルボニル基、ケトン基の検出）と酸化の浸透深さの関係を示すものであるが、０．０１〜０．３Ｗｔ％では深部までほぼ一様な酸化抑制効果が見られる。しかし、０．００５Ｗｔ％以下であるとあまり効果がないことが示されている。なお、０．３Ｗｔ％を超える添加量のものについては示されていないが、０．０１〜０．３Ｗｔ％の範囲ではほとんど差がないことから、これ以上添加したとしても、それほどの有位性は見られないと思われる。一方で、酸化抑制と蛋白の吸着及び摩耗粉の発生とは相関していることは明らかであるので、蛋白吸着の抑制に基づくルーズニングの抑制を目的とするＶＥの添加の割合も上記した範囲のものが適する。

ＵＨＭＷＲＥに対するＶＥの添加の方法は、成形前のＵＨＭＷＲＥにＶＥを添加して混合すればよい。この混合は、ＶＥの分布を均一にするために室温〜８０℃で行うが、ＶＥの浸透性を考えれば、高い温度で行うのが望ましい。しかし、混合時に発熱したりすることもあるので、あまり長時間かけて行うと、ＶＥを失活させる虞があるのは上述のとおりである。

攪拌が終了すると、ＵＨＭＷＰＥを一旦溶解させる。この溶解は、ＵＨＭＷＰＥ粒子の表面を溶解させてその粒子同士を接着させるとともに、この溶解部分にＶＥを浸透させるものであり、ＵＨＭＷＰＥを成形素材とする場合には欠かせない操作である。溶解温度は、ＵＨＭＷＰＥが溶解する１６０〜１８０℃以上は必要であるが、２００℃以上の温度で長時間置いておくと、ＶＥを失活させるから、２２０℃程度で２０分弱加熱するのが適する。

溶解が完了すると、成形操作に入るのであるが、この成形前、成形中、成形後いずれかで次の処理を行う。それは、ＶＥをＵＨＭＷＰＥの粒子内に均一に分散させる上記した均一分散化処理を行うことであり、摩耗紛の減少及び生物活性を下げるためには不可欠な処理である。ＶＥは溶解時にＵＨＭＷＰＥの粒子間に取り込まれて分散するが、粒子内への分散を均一にするためにこの処理が必要になるのである。均一分散化はＶＥが添加されたＵＨＭＷＰＥを所定の温度で所定の時間置くことで可能になる。

ＵＨＭＷＰＥの溶解は圧力の小さい状況の下で行うのが適するのは当然であるから、これらの操作・処理は成形前に行うのがもっとも好ましい。ただし、あまり圧力をかけない状況であれば、成形中に行ってもよいことが確認されており、この加熱を成形型で行ってもよく、この場合は、成形時間を短縮できる利点がある。また、成形後に行っても効果は得られる。さらに、上述したように、この成形を減圧下又は不活性ガス雰囲気中で行えば、一層の好結果が得られる。

図３は以上の処理をしたＵＨＭＷＰＥの板を作製してこれを金属と摩擦してどれくらい摩耗粉が発生したかをＶＥの添加量との関係で調べたものであるが（摩耗粉は電子顕微鏡で観察）、０．３Ｗｔ％のものは無添加のものに比べて摩耗粉の発生量が少なくなっている。一方で、３Ｗｔ％のものは添加量が多すぎてかえって摩耗粉の発生が増えている。このことから、ＶＥの添加量にも適量があることがわかり、多すぎると、不純物的な働きをしてかえって耐摩耗性、耐強度を低下させるのではないかと思われる。ただ、０．３Ｗｔ％は適切であるのは確かである。

図４はＵＨＭＷＰＥ表面に吸着した蛋白質の分布状態を評価したものである。実験は血漿蛋白成分の中で最も存在割合の多いアルブミンを用い、実験器具へのアルブミン吸着を抑制するために、ＭＰＣポリマーで表面処理された製品を使用し、蛍光色素であるＦＩＴＣをアルブミンに標識して蛍光顕微鏡で観察した（蛍光観察像の撮影条件は統一してある）。ｄｌ−α−Ｔｏｃｏｐｈｅｒｏｌの含有量が増加すると背景のアルブミンの吸着量がほぼ均一に減少している（一部に表面粗さによると思われる不整像が見られる）。

図５はＵＨＭＷＰＥ表面上へのアルブミン吸着量を相対蛍光輝度で定量評価したグラフである。蛍光観察像の全ピクセルを輝度分類（分解能：８ビット）して平均輝度と標準偏差を算出し、ＶＥを添加しない試料の平均輝度を１として、ＶＥ添加試料の輝度と相対比較した。ここに示されるように、ＶＥを添加して分散させた試料では，ＵＨＭＷＰＥ原材料粒子の大きさである１００ミクロン以下のオーダーにおいてもＵＨＭＷＰＥ表面への蛋白質の吸着がほぼ均一に抑制されている。

このことは、数十ミクロン以下の摩耗紛の大きさのレベルにおいてもＶＥが均一に分布していることが窺い知れ、これによって、ＶＥの炎症抑制作用や表面吸着制御作用が最大限に期待できるのである。ＶＥがＵＨＭＷＰＥ中に均一に分散されていないと、ＵＨＭＷＰＥの摩耗粉によっては、ＶＥの含有が過小のものもあれば、過大のものもあり、いずれの場合も、ＶＥ添加の効果が十分でないことが推察できる。大事なのは、摩耗粉にＶＥが均一に含有されていることであり、これが蛋白吸着の抑制、発生した摩耗粉の生物活性を下げることに寄与するのである。

次に、成形について図面を参照して説明するが、本例のものは成形型によってＵＨＭＷＰＥの溶解とＶＥの均一分散化（熱）処理をするものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本発明に係る成形方法を具現するための成形装置の一例の説明図であるが、この装置は、所要の形状の成形空間（雌型）１と成形体（雄型）２とが対向して装設される上下一対の金型３、４とからなり、これら金型３、４を密閉した成形室５内に上下二つの加熱冷却盤６、７で挟んで配置できるように収容する。なお、この成形室５には、真空ポンプ（図示省略）に連結される吸気ダクト８が連通されているし、上加熱冷却盤６の上方には加圧器（図示省略）も装備されている。

成形に際しては、まず、成形室５を室温にしておき、上加熱冷却盤６と上金型３を上昇させて成形空間１を露出させ、この空間１にＶＥを添加して混合したＵＨＭＷＰＥを充填する。次いで、上金型３の成形体２が成形空間１に作用するように降ろしてその上に上加熱冷却盤６を載せ、この状態で真空ポンプを作動させて成形室５内の空気を吸引して減圧する。なお、成形室５内を減圧にしてから金型３、４や加熱冷却盤６、７を操作するものであってもよい。そして、加熱冷却盤６、７で金型３、４の温度を上げてＵＨＭＷＰＥを溶解させるが、この温度があまり高いとＶＥを失活させるから、約２２０℃で２０分弱の状況に置いておけばよい。この雰囲気であれば、ＶＥを失活させないことが確認されている。

以上の溶解処理が終了すると、加熱冷却盤６、７を冷却させて金型３、４の温度を１００℃程度に下げ、この状態で少なくとも３０分保持する。これによって、ＶＥは溶解したＵＨＭＷＰＥの粒子間に均一に分散される。このときの条件は１００℃で３０分以上が適当であるが、８０〜１４０℃の温度或いは３０分以下の時間でも許容される。また、これら温度や時間の条件は、成形時の減圧条件又は不活性ガスの充密度によって調整が可能である。

本発明に係る成形方法を具現するための成形装置の一例の説明図である。 ＶＥの種々の添加量に基づく酸化度と酸化の浸透深さの関係を示す特性である。 均一分散化処理をしたＵＨＭＷＰＥの板に金属を擦ってどれくらい摩耗粉が発生したかを添加量との関係で見た特性である。 均一分散化処理をした各試料表面への端白質吸着状態を示す結果である。 均一分散化処理をした各試料表面への蛋白質吸着を定量測定したものの結果である。

符号の説明

１ 成形空間（雌型）
２ 成形体（雄型）
３ 金型
４ 金型
５ 成形室５
６ 加熱冷却盤
７ 〃
８ 吸気ダクト

Claims (3)

1. 所定の形状に成形されて相手方金属又はセラミックと摺動する超高分子量ポリエチレンからなる人工関節用摺動用部材の成形方法において、超高分子量ポリエチレンにビタミンＥを０．０１〜０．３Ｗｔ％添加するとともに、成形前、成形中、成形後いずれかで８０〜１４０℃の温度で少なくとも３０分保持してビタミンＥを超高分子量ポリエチレン中に均一に分散させる均一分散化処理を行うことを特徴とする人工関節用摺動用部材の成形方法。
2. 成形及び均一分散化処理を一定の減圧下又は不活性ガス雰囲気内で行う請求項１の人工関節用摺動用部材の成形方法。
3. 請求項１又は２いずれかの方法で成形された人工関節用摺動部材。