DE60002015T2 - Tieftemperatur-Druckstabilisation von Implantkomponenten - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein bioimplantierbares Erzeugnis und im einzelnen betrifft sie Materialbehandlungsverfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und der Oxidationsbeständigkeit solcher Erzeugnisse.
• Fortschritte in der biomedizinischen Technik haben zahlreiche Polymer-Erzeugnisse zum Ergebnis gehabt, deren Eigenschaften sie für prothetische Anwendungen im Körper geeignet machen. Polymerteile werden in der orthopädischen Chirurgie in großem Umfange eingesetzt, beispielsweise zur Formung von Gelenkflächen in künstlichen Gelenken. Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) ist ein Beispiel eines Polymers, das allgemein bei der Formung von Teilen künstlicher Gelenke verwendet wird. Unter den erforderlichen Eigenschaften für bioimplantable Teile, insbesondere solche, die in künstlichen Gelenken verwendet werden, sind zu nennen: geringe Reibung, biologische Verträglichkeit sowie gute mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise Oberflächenhärte, Zähigkeit bzw. mechanische Festigkeit, Verschleiß- und Kriechfestigkeit. Solche Teile müssen auch vor der Implantation beim Patienten steril sein.
• Manche Polymere und medizinische Vorrichtungen können schlimmstenfalls der Wärmesterilisation ausgesetzt werden, wenn dieses Verfahren auch nicht weit verbreitet ist. Die Sterilisation mittels Ethylenoxid, die gewöhnlich zur Sterilisation anderer medizinischer Erzeugnisse verwendet wird, kann Gesundheits- und Umweltgefahren mit sich bringen, die dieses Verfahren weniger wünschenswert machen. Im Ergebnis ist ein bevorzugtes Verfahren zur Sterilisation vieler medizinischer Vorrichtungen, welche Polymer-Bauteile enthalten, die Behandlung mit ionisierender Strahlung, wie Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und Elektronenstrahlen.
• Gegenwärtig wird die Gammastrahlung vom Einreicher sowohl zum Vernetzen als auch zur Sterilisation bioimplantabler Polymerteile bevorzugt. Eine potentielle Auswirkung der Gammabestrahlung besteht darin, daß die Gammastrahlen chemische Reaktionen im Polymer auslösen können, die sich auf die Struktur, auf die Morphologie und auf gewisse mechanische Eigenschaften des Polymers auswirken können. Während der Gammabestrahlung können im Polymer die verschiedensten Typen chemischer Produkte auftreten, wie Ionen, angeregte Moleküle, Doppelbindungen, Oxidationsprodukte sowie freie Radikale. Es wird angenommen, daß die freien Radikale diejenigen von der Gammastrahlung erzeugten Produkte sind, welche die Eigenschaften des bestrahlten Polymers am stärksten verändern können.
• Wenn in einem Polymer freie Radikale gebildet worden sind, dann kann dieser Typ von Reaktionsprodukten an vier Haupttypen von Reaktionen teilnehmen. Die freien Radikale können einer Rekombinationsreaktion mit Wasserstoff unterliegen, wobei das freie Radikal verschwindet, oder es kann mit Kohlenstoffmolekülen reagieren, um Seitenketten zu bilden, oder es finden beide Arten von Reaktionen statt. Freie Radikale können auch eine Kettentrennungsreaktion auslösen oder an ihr beteiligt sein, was zu einer Abnahme des Molekulargewichtes und/oder zu einer Änderung der Dichte oder der Kristallstruktur des Polymers führt, was eine Verschlechterung einiger mechanischer Eigenschaften des Polymers bewirkt. Die Vernetzung ist eine andere Reaktion, an welcher freie Radikale teilnehmen können. Schließlich können die freien Radikale für längere Zeit in dem Polymer-Material eingefangen werden, und sie bleiben dort reaktionsfähig, bis die Bedingungen eine Reaktion auslösen.
• Die Anwesenheit von Sauerstoff im Polymer-Material oder in dessen Umgebung kann zu einer Oxidationsreaktion beitragen, bei welcher freie Radikale und gelöster Sauerstoff zu einer Verbindung mit funktionalen Carbonylgruppen reagieren, wodurch eine Trennung der Ketten sowie die Bildung neuer Radikale erfolgen. Dadurch kann die Oxidation das Molekulargewicht eines Polymers vermindern (infolge der Kettenaufttrennung), was wiederum zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften beiträgt. Da Sauerstoff in der Atmosphäre und in biologischen Flüssigkeiten allgegenwärtig ist, kann dieser Zersetzungsmechanismus immer auftreten, wenn in dem bestrahlten Polymer eine wesentliche Konzentration freier Radikale zurückbleibt. Von der Vernetzung bzw. Sterilisation von Polymer- Materialien oder Verbindungen durch Gammabestrahlung in Luft wird angenommen, daß dadurch die Verschleißfestigkeit von Polymeren zumindest teilweise infolge solcher Oxidationseffekte abnimmt.
• Da die Verschleißfestigkeit eine entscheidende mechanische Eigenschaft für Polymerteile ist, welche in Gelenkprothesen verwendet werden, ist dieses Problem bisher durch Verfahren angegangen worden, wie das Behandeln in sauerstofffreier Atmosphäre mit anschließender Entfernung der geschädigten Oberflächenschicht oder andere Verfahren. Daher befaßt sich die gegenwärtige Praxis mit diesem Problem durch Bestrahlung von Polymerteilen in einer inerten Gasatmosphäre (beispielsweise Argon, Helium, Stickstoff), um die Oxidationseffekte zu minimieren. Siehe Kurth, M. u. a., "Effects of Radiation Sterilization on UHMW- Polyehtylene", Antec 87, S. 1193-1197; Streicher, R. K., Radiol. Phys. Chem., Band 31, Nr. 4-6, S. 693-698 (1988); Streicher, R. M., "Improving UHMWPE by Ionizing Radiation Cross Linking During Sterilization", 17th Annual Meeting of the Society for BioMaterials, S. 181 (1991). Andere haben Vakuumverfahren angewandt, um eine Sauerstoff- Umgebung vor der Durchführung der Gammastrahlen-Sterilisation zu reinigen. Siehe Yong Zhao u. a., J. Appl. Polymer Sci., Band 50; S. 1797-1801 (1993) sowie US-Patent Nr. 5.577.368.
• Die Verschleißfestigkeit ist eine Eigenschaft von großer Wichtigkeit für Teile künstlicher Gelenke. Die natürliche Reibung in einem ersetzten künstlichen Gelenk kann kleine Abriebteilchen erzeugen (beispielsweise Teilchen von dem Polymerteil), die sich verlagern und im Gelenk wandern. Diese Erscheinung des Verschleißabriebes in künstlichen Gelenken ist ein ernstes Problem, welches die ordnungsgemäße mechanische Funktion des Gelenkes verhindern kann. Verschleißabrieb kann auch zu Osteolyse und Knochenzerstärung führen. Wenn sich rund um ein künstliches Gelenk Osteolyse entwickelt, erfordert deren Beseitigung gewöhnlich eine chirurgische Entfernung des geschädigten Gewebes und eine Nachbearbeitung des künstlichen Gelenkes. Daher ist die Erreichung einer guten Verschleißfestigkeit eine der wichtigsten Materialeigenschaften, welche sowohl die Menge des Abriebes begrenzt als auch Art und Typ des erzeugten Abriebes.
• Die Verschleißfestigkeit hängt von vielen Faktoren ab, wie Härte und Zähigkeit des Polymer-Materials, welche ihrerseits wiederum von speziellen Eigenschaften, wie Mokekulargewicht der Kunststoffe, Grad der Vernetzung des Materials sowie relative Größe, Anteil und Verteilung der Bereiche amorphen und kristallinen Polymers in der Mikrostruktur des fertig bearbeiteten Materials abhängen können. Jede dieser Grundeigenschaften kann durch Anwendung von Strahlung, von Wärme oder von chemischen Stoffen geändert werden. Darüber hinaus geht die Herstellung von Polymerteilen von einem Ausgangsmaterial bzw.- kunststoff aus, das bzw. der entweder als Pulver oder Granulat oder auch als verfestigter Rohling, beispielsweise als Platte oder Block bereitgestellt werden kann, wobei letztere zur endgültigen Form bearbeitet und nach der vollständigen Formgebung dann sterilisiert werden. Wärme und Druck, die Solvation oder andere im Verfestigungsschritt einwirkende Faktoren können die abhängigen physikalischen Faktoren beeinflussen, und die Vernetzungsbestrahlung kann vor oder nach der endgültigen Formgebung erforderlich sein, um das Material ausreichend zu härten und ein verschleißfestes Erzeugnis zu erhalten. Unterschiedliche Formen der Bestrahlung können jeweils unterschiedliche Absorptions- oder Wechselwirkungseigenschaften haben oder auch Wärme erzeugen, welche die Kristallstruktur oder andere Eigenschaften der Materialmikrostruktur weiter beeinflussen. Ferner können auch verschiedene Formen der Nachbehandlung erforderlich sein, um in den Stufen der Formgebung und der Vernetzung geänderte Eigenschaften einzustellen. Daher hängt die Verschleißfestigkeit in einer sehr komplexen Weise von einer Anzahl von Bearbeitungsschritten ab, die angewandt werden können, um das Polymerteil zu behandeln oder körperlich zu formen.
• Die Vernetzung kann in vielen Fällen zumindest teilweise bei den gleichen Verfahrensschritten erfolgen, die bei der Sterilisation angewandt werden, wie Erwärmung oder Bestrahlung unterschiedlicher Art. Im allgemeinen kann die zur Erreichung eines wesentlichen Vernetzungs-Niveaus erforderliche Bestrahlungsdosis größer sein als die zur Sterilisation erforderliche Bestrahlungsdosis. Während beispielsweise eine Dosis von 15 kGy bis 25 kGy zur Sterilisation wirksam ist, kann ein Mehrfaches davon erforderlich sein, um ein UHMWPE-Teil wirksam zu vernetzen. Auf einem solchen Niveau kann die Entstehung spezieller chemischer Stoffe und freier Radikale im Polymer einen beträchtlichen Umfang annehmen. Während das so erreichte Niveau der Vernetzung zu einer beträchtlich erhöhten Härte bzw. Zähigkeit führen kann, kann die Bestrahlung zum anderen mechanische Eigenschaften, wie Größe oder Verteilung der kristallinen oder amorphen Bereiche beeinträchtigen und zwar entweder unmittelbar oder infolge solcher Faktoren wie der Erwärmung oder schließlich durch Beeinträchtigung der Polymereigenschaften mit der Zeit infolge der oben besprochenen chemischen Erscheinungen.
• Die auf diesem Fachgebiet Tätigen haben verschiedene technische Lösungen entwickelt, um Polymermaterialien oder fertigbearbeitete Teile so zu behandeln, daß ein wirksames Niveau der Vernetzung und zugleich geeignete Materialeigenschaften erreicht bzw. Bearbeitungsschäden ausgeglichen werden. Diese technischen Lösungen umfassen die Bestrahlung im Vakuum, kalte Bestrahlung mit anschließendem Aufschmelzen des Blockmaterials, chemische Vernetzung und Gasplasma-Behandlung. Jedes dieser Verfahren scheint mindestens einen Parameter zu verbessern. Jedoch das Erfordernis der Mehrschrittbehandlung, die Anzahl der beteiligten physikalischen Prozesse sowie der empirische Charakter der Bewertung des Langzeitverhaltens der Festigkeits- und Verschleißeigenschaften der Prothesen haben alle dazu geführt, daß weiterhin ein Bedürfnis nach Verfahren besteht, um die Polymerfestigkeit bzw. -verschleißfestigkeit zu verbessern.
• Weil eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit für künstliche Gelenkteile aus Polymer eine Eigenschaft von solcher Bedeutung ist, wäre es vorteilhaft, wenn hochvernetzte und sterilisierte Polymerteile bereitgestellt werden könnten, die eine verbesserte und stabile Verschleißfestigkeit aufweisen.
• Das US-Patent Nr. 5.753.182 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung des Polymers eines Gelenkprothesenteiles, welches die Auslösung einer Vernetzungsreaktion unter Verwendung von Gammastrahlung, während das Teil unter Vakuum verpackt ist, beschreibt. Nach dem Bestrahlungsschritt wird die Verpackung geöffnet, um den Einlaß von Wasserstoff unter Druck zu ermöglichen, dem das Bauteil eine Reihe von Stunden ausgesetzt wird, und mit welchem die nach dem Bestrahlungsschritt verbliebenen freien Radikale reagieren können.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit bioimplantabler Polymerteile zu schaffen.
• Es ist auch eine Aufgabe, Sterilisationsverfahren für den medizinischen Anforderungen genügende implantable Polymerteile zu schaffen, welche den Teilen wichtige Eigenschaften verleihen oder diese bewahren.
• Es ist ferner eine Aufgabe, ein bioimplantables Polymer-Bauteil zu schaffen, welches eine verbesserte Verschleißfestigkeit hat und weniger zu Oxidationserscheinungen neigt.
• Diese und andere Aufgaben werden für einen Fachmann verständlicher, wenn er die folgende Beschreibung liest.
• Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Polymerteilen geschaffen. Das Verfahren ist besonders gut geeignet für Teile aus biokompatiblem Polymer zur Verwendung für die Bestandteile künstlicher Gelenke. Eine Vielzahl von Polymermaterialien, insbesondere Polyolefine, wie Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE), können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden, um die Verschleißfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern.
• Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden das Polymer-Grundmaterial, ein unbearbeitetes Teil zur Formung eines fertigbearbeiteten Polymerteiles oder ein fertigbearbeitetes Teil, wie ein bioimplantables Prothesenteil, in einer gasdichten und dicht verschließbaren Verpackung oder in einem solchen Behälter plaziert. Der Verpackung und dem darin befindlichen Material wird dann durch ein Vakuum oder ein Teilvakuum der das Material umgebende Sauerstoff entzogen und die Verpackung durch Wärmeanwendung dicht verschlossen. Als nächstes werden die Verpackung und ihr Inhalt über einen Zeitraum mit einer Strahlungsdosis bestrahlt, welche die Erreichung eines hohen Zielwertes der Vernetzung des Polymers, welches das Teil bildet, gewährleistet. Es wird eine durchdringende Strahlung, insbesondere eine Gammastrahlung und ganz speziell eine Gammastrahlung mit einer Energie über 8 · 10&supmin;¹&sup4; J (0,5 MeV), vorteilhafterweise mit einer Energie in der Nähe von 2 · 10 ¹³ J (1,25 MeV), angewandt.
• Während sich das Material oder Teil noch in der Verpackung befindet, wird es über einen Schwellwert erwärmt bzw. erhitzt, der höher ist als die Umgebungstemperatur, aber noch unter dem Schmelzpunkt des Materials liegt, und der umgebende Druck wird auf mindestens 2 MPa, vorzugsweise auf einen Werte zwischen 3,0 MPa und 10,1 MPa (zwischen 30 Atmosphären und 100 Atmosphären) und mehr erhöht. Diese Bedingungen werden dann über einen Zeitraum aufrechterhalten, in welchem das während der Bestrahlung freigesetzte und in der Verpackung eingeschlossene Gas mit dem Polymer rekombiniert, um freie Radikale abzubinden und deren Aktivität auf ein geringes Restniveau abzusenken. Die Anmelder dieses Patentes haben gefunden, daß dieses Stabilisierungsverfahren die große Zahl freier Radikale, wie sie typischerweise bei der Vernetzung mit hohen Strahlungsdosen entstehen, wirksam beseitigt und das behandelte Material gegen eine spätere Oxidation stabilisiert. Ferner kann die Behandlung bei einer Temperatur unter dem Polymer-Schmelzpunkt durchgeführt werden, ohne daß eine weitere Vernetzung stattfindet, wobei die Abmessungs- Stabilität gewahrt bleibt. Im Anschluß an den Erwärmungs-Druck-Behandlungszyklus wird das Material langsam auf Umgebungstemperatur abgekühlt, beispielsweise mit etwa 5 grd pro Stunde. Im allgemeinen wird die Nach-Bestrahlungs-Behandlung bei einer Temperatur über 30ºC und unter 135ºC, vorzugsweise über etwa 50ºC und unter 120ºC, durchgeführt und zwar bei einem Druck zwischen etwa 3,4 MPa und 9,0 MPa (500 psi bis 1300 psi), und diese Bedingungen werden für eine Zeit von vier Stunden bis sieben Tage aufrechterhalten mit einer Abkühlzeit von etwa 4 bis 20 Stunden Mit dem Material in einem abgedichteten, gasundurchlässigen Beutel kann der Druck aufgebracht werden, indem der bestrahlte Beutel in eine Druckkammer gebracht und die Kammer mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllt wird. Dies kann Stickstoff oder ein anderes inertes Gas oder sogar Hydrauliköl sein. Dieses Druckfluid kann auch auf die gewünschte Aushärtetemperatur erwärmt werden.
• Das Verfahren nutzt die während der Bestrahlung in der verschlossenen Verpackung freigesetzten Gase, um freie Radikale abzubinden und das Material gegen eine nachfolgende Oxidation oder gegen Spaltungsreaktionen zu stabilisieren. Es vermag den für eine Erhitzung typischen Abbau mechanischer Eigenschaften zu vermeiden, und dadurch wird ein vereinfachtes Verfahren zur Stabilisierung eines strahlungsvernetzten Bauteiles geschaffen, welches für den kommerziellen Einsatz geeignet ist
• Ferner werden durch einen die Abmessungen bewahrenden Stabilisationsprozeß, der auf verpackte Teile einwirkt, die Handhabung nach der Bearbeitung sowie die Sterilisationsschritte beträchtlich vereinfacht.
• Diese und andere erwünschte Merkmale werden aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung zusammen mit den Zeichnungen, die ein Flußschaubild der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen, verständlich werden.
• Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit hergestellter Polymerteile geschaffen. Nach diesem Verfahren wird das Material für ein gewünschtes Polymerteil zuerst aus einer Kunststoffmasse oder einem Pulver nach bekannten Verfahren, wie Preßformung, Stempel-Strangpressen, Spritzgießen und spanende Bearbeitung verfestigt und/oder zu einem Block, zu einen bearbeiteten oder sogar zu einem fertigbearbeiteten Teil geformt. Das Polymer, welches das Teil bildet kann Polyethylen geringer Dichte, Polyethylen hoher Dichte, Poylethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, Polypropylen, Polyester, Nylon, Polyurethan, Poly(Methylenacrylat) oder ein anderes biokompatibles Polymer sein, wie es typischerweise für biomedizinische Zwecke verwendet wird. Das bevorzugte Polymer ist ein Polyolefin, und das am meisten bevorzugte Polymer ist UHMWPE, welches gewöhnlich bei vielen verschiedenen orthopädischen Implantaten verwendet wird, wie beispielsweise bei der Auskleidung von Gelenkschalen künstlicher Hüftgelenke und bei Tibia-Lagerelementen in künstlichen Kniegelenken. Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf ein Teil aus UHMWPE beschrieben werden.
• Bei einer Ausführungsform werden das Polymer-Blockmaterial oder nicht fertigbearbeitete Teile, welche dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen werden sollen, zuerst in einem Isolationsbehälter, wie beispielsweise in einer flexiblen Vakuumträger-Verpackung plaziert, die aus einer gasundurchlässigen Folie besteht und eine durch Wärme dicht verschließbare Öffung aufweist. Das Material kann die Form von Platten, Pfeilern, Stangen, Stäben, Blöcken oder anderen üblichen Formen haben, wie sie sich beim Verfestigungsprozeß ergeben, der beim Ausgangs-Kunststoff angewandt wird. Das nicht fertigbearbeitete Teil kann beispielsweise ein preßgeformter Übermaß-Rohling oder ein aus einem zuvor verfestigten Rohlings- oder Block-Material teilweise fertigbearbeitetes Teil sein. Bei der Anwendung an einem fertigbearbeiteten Teil kann es sich um ein vollständig fertigbearbeitetes Teil handeln. Dieses Ausgangs-Teil oder -Material wird hinfort austauschbar entweder als Polymer-Gegenstand oder als Prothese bezeichnet werden. Es kann mehr als ein Polymer-Gegenstand in einer einzigen Verpackung plaziert werden. Die Verpackung und der Gegenstand werden dann einem Vakuum ausgesetzt, während die durch Wärme verschließbare Öffnung offen bleibt, und das Vakuum wird für etwa 10 Sekunden bis 30 Minuten, vorzugsweise für etwa 30 Sekunden, aufrechterhalten, wonach die Verpackung unter Aufrechterhaltung des Vakuums durch Anwendung von Wärme verschlossen wird, wodurch die zumindest teilweise, vorzugsweise im wesentlichen evakuierte, gasundurchlässige Verpackung fertiggestellt ist.
• Dieser Verpackungsvorgang des Polymer-Gegenstandes in einer unter Vakuum durch Wärme dicht verschlossenen Verpackung wird durchgeführt, um Sauerstoff aus dem Polymermaterial und aus dessen Umgebung in der Verpackung zu entfernen und vorzugsweise auch, um den Druck in der Verpackung zu reduzieren. Die Verpackung weist vorzugsweise eine oder mehrere Barriereschicht(en) auf, welche sie für Wasserstoffgas undurchdringlich machen, so daß der bei der Stahlungsbehandlung freigesetzte Wasserstoff in der Verpackung eingefangen bleibt. Dann folgt das Verschließen der Verpackung mit dem Polymer- Gegenstand unter Vakuum. Die Verpackung und der Gegenstand werden über einen Zeitraum mit durchdringender Strahlung bestrahlt, welcher ausreicht, ein wesentliches Niveau der Vernetzung der Polymerketten in dem Polymermaterial zu erreichen. Verschiedene akzeptable Formen ionisierender Strahlung können zur Sterilisation des Gegenstandes eingesetzt werden. Diese Strahlung umfaßt Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und Elektronenstrahlen. Gammastrahlung durchdringt Verpackung und Material sehr wirksam, und es wird eine solche im Energiebereich zwischen 8 · 10¹&sup4; J und 2,4 · 10¹³ J (0,5 MeV bis 1,5 MeV) allgemein bevorzugt.
• Das flexible Verpackungsmaterial, in welchem die Polymerteile dicht verschlossen werden, kann unter vielen Typen flexibler Verpackungsmaterialien mit hoher Barrierewirkung ausgewählt werden, wie sie allgemein zum Umhüllen medizinischer Vorrichtungen verwendet werden. Vorzugsweise ist das Verpackungsmaterial ein durch Wärme verschließbares Verpackungsmaterial mit einer Barriere-Lage, welche den Durchgang von Wasserstoff wirksam blockiert, sowie mit mehreren durch Wärme verschließbaren Lagen. Ein Beispiel für ein geeignetes Material weist die folgenden Lagen auf Polyester-Folien, Folie aus Polyethylen geringer Dichte mit einer Ionomer-Wärmeverschluß-Beschlchtung. Verpackungsmaterialien mit folgenden Lagen können ebenfalls verwendet werden: Polyester-Folie aus Polyethylen geringer Dichte - EAA-Wärmeabdichtungsbeschlchtung aus linearem Polyester geringer Dichte sowie Polyester-SurlynTM-Nylon-Surlyn-Folie - EAA- Wärmeabdichtungsbeschichtung aus linearem Polyester geringer Dichte. Geeignete Verpackungsmaterialien können von einer Reihe von Lieferanten bezogen werden einschließlich der Firma Tolas Health Care Packaging in Feasterville, Pennsylvanien. Die Dicke des Verpackungsmaterials liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 50 um bis 175 um (2 Tausendstel Zoll bis 7 Tausendstel Zoll), und sie ist derart bemessen, daß sich der Vakuumfolienbeutel leicht der Form der darin verpackten Gegenstände anpaßt. Geeignete Vakuum-Verpackungsausrüstungen zum dichten Verschließen der Verpackungen unter Vakuum mittels Wärme sind dem Fachmann bekannt. Ein Beispiel für eine geeignete Vakuum-Verpackungsvorrichtung ist die Vorrichtung MultVacTMA342, lieferbar von Multvac, Inc. aus Kansas City, Missouri.
• Wie oben angemerkt, wird das verpackte Polymermaterial unter Anwendung durchdringender Strahlung, vorzugsweise einer Gammastrahlung von einer Kobalt-60-Quelle, bestrahlt. Die Gammastrahlung wird für eine Dauer und bei einem Dosierungsniveau angewandt, welche bewirken, daß die Vernetzung wirksam zu einer Vernetzung auf hohem Niveau führt. So hat der Anmelder dieses Patentes zuvor gefunden, daß eine Strahlungsdosis von 40 kGy ein ausreichendes Niveau der Vernetzung bewirkt, um die grundlegenden Standards und Vorschriften einzuhalten, die hinsichtlich der Festigkeit und der Verschleißfestigkeit von Implantat-Teilen einzuhalten sind. Die vorliegende Erfindung beinhaltet, daß die Bestrahlungsdosis oberhalb dieses Bereiches liegt. Eine Dosis von etwa 40 kGy bis 120 kGy kann für ein Prothesenteil angewandt werden, und eine Dosis von 60 kGy bis 90 kGy wird bevorzugt. Die Bestrahlung kann als Gammastrahlung über eine Zeit von mehreren Stunden bis zu etwa einem Tag zugeführt werden, und die besonders bevorzugte Dauer liegt bei etwa fünfzehn Stunden, wobei die Zeit von der Stärke der Quelle abhängt. Wie oben angemerkt, wird der Gegenstand vorzugsweise in einem überwiegendem Vakuum bestrahlt. Dies hat die Auswirkung, daß eine relativ geringe Menge an Gasen in der Verpackung bzw. in dem Behälter eingeschlossen ist und durch die Bestrahlung hauptsächlich Wasserstoff freigesetzt wird.
• Daher wird das Material in einer sauerstofffreien Atmosphäre plaziert und mit durchdringender Strahlung bestrahlt; um eine wesentliche Vernetzung zu erzeugen. Es wurde gefunden, daß eine Dosis von 80 kGy ein Material GUR 1020 bis zu einem wirksamen Niveau vernetzen kann. Mit wirksamem Niveau ist ein Niveau gemeint, das ein wenig über demjenigen liegt, das auf einer handelsüblichen Anlage angewandt wird, um die erforderlichen Festigkeits- und Verschleißfestigkeitseigenschaften zu erreichen und vorzugsweise auch über einem Niveau, das unzureichende Härte und Zähigkeit bei vernachlässigbarem Verschleiß ergibt.
• Im Anschluß an die Bestrahlung wird der Polymer-Gegenstand auf eine Schwellwert-Temperatur erwärmt, die über der Raumtemperatur, aber reichlich unter dem Polymer-Schmelzpunkt liegt, d. h. über 23ºC, und reichlich unter dem Schmelzpunkt (beispielsweise 135ºC für das UHMWPE-Material mit dem Kunststoff GUR 1020). Dies kann ein Erwärmungs- Niveau sein, das in einem begrenzten Umfang das Biegen langer Kettenmoleküle fördert, ohne jedoch eine thermische Vernetzung oder gar eine Diffusion des eingefangenen bzw. gelösten Wasserstoffes zu bewirken. Diese leichte Temperaturerhöhung soll unzureichend sein, um Auswirkungen von Stahlenschäden im Material wesentlich zu ändern. Jedoch wird als weiterer Schritt unter Beibehaltung der Temperaturerhöhung der äußere Druck auf den abgedichteten Beutel wesentlich erhöht, beispielsweise auf einen Druck zwischen 2 MPa und 9,1 MPa (20 Atmosphären bis 90 Atmosphären) oder mehr. Eine solche Erwärmung und der erhöhte Druck können gleichzeitig angewandt werden, beispielsweise durch Einpumpen eines erwärmten Druck-Fluids in das Druckgefäß mit dem abgedichteten Vakuumbeutel. Diese Bedingungen von unterkritischer Erwärmung und erhöhtem Druck werden dann für eine längere Zeit zwischen vier Stunden und sieben Tagen aufrechterhalten, so daß isolierte oder immobilisierte freie Radikale rekombinieren und abgebunden werden. Das Polymer wird dann langsam von der Prozeß-Stabilisierungstemperatur mit etwa 5 grd pro Stunde auf die Umgebungstemperatur abgekühlt.
• Die vorgenannten Schritte einer beträchtlichen Strahlungsvernetzung, gefolgt von einer Niedertemperatur-Hochdruck-Stabilisierungsbehandlung, bewahren die Abmessungen des behandelten Polymer-Gegenstandes und ergeben ein Material bzw. einen Gegenstand, welcher gleichmäßig und stark vernetzt ist und stabilisiert worden ist, so daß er keine nennenswerte Menge freier Radikale enthält und nicht anfällig für Verschlechterungen ist, wenn er anschließend eine Zeit lang einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt bzw. in einer solchen gelagert wird. Die Oxidationsbeständigkeit ist somit verbessert, weil ein hoher Grad der Vernetzung erreicht wurde.
• Vorzugsweise wird das Verfahren an fertigbearbeiteten Teilen durchgeführt, und in diesen Fällen bewirkt die Strahlungsdosis sowohl eine Vernetzung als auch eine Sterilisation des Teiles. Das Verfahren kann aber auch bei nicht fertigbearbeiteten Teilen oder bei Blockmaterial bzw. an Teilen angewandt werden, die aus anderen Gründen zur weiteren Bearbeitung aus den Verpackungen entnommen werden müssen. In diesen Fällen können die Teile anschließend nach irgendeinem anderen bekannten Verfahren sterilisiert werden. Wenn das Ausgangsteil ein Blockmaterial oder ein halbfertig bearbeitetes Teil ist, kann es dann zu einem fertigen Prothesenteil, wie einer Auskleidung oder einer Schale für eine implantierbare Prothese bearbeitet werden. Um beispielsweise eine Auskleidung für eine Hüftgelenk- Pfanne herzustellen, wenn das Material oder ein nicht fertigbearbeitetes Teil, wie oben beschrieben, bestrahlt und druckbehandelt wurden, wird sie aus der Verpackung entnommen und zu den endgültigen Abmessungen und Konturen bearbeitet. Anschließend an eine solche Bearbeitung und Fertigstellung, wird das fertigbearbeitete Teil dann sterilisiert. Nach einem bevorzugten Verfahren erfolgt dies, indem das fertigbearbeitete Teil wiederum in einer Vakuumfolie verpackt und mit einer Sterilisationsdosis von durchdringender Strahlung behandelt wird. Eine geeignete Sterilisation kann durch Bestrahlung mit Gammastrahlen mit einer Dosis von etwa 20 kGy erfolgen. Wenn es gewünscht wird, kann diese zweite Dosis auch ein Niveau haben, das ausreicht, um eine weitere merkliche Vernetzung zu bewirken. In diesem Falle wird die erste Stufe mit einer geringeren Strahlendosis durchgeführt, als sie zur vollständigen Vernetzung erforderlich wäre, und auf den zweiten Vernetzungsschritt kann ein zweiter Stabilisierungs- oder Druck-Aushärtungsschritt folgen. Vorzugsweise wird die zweite Strahlungsdosis ausreichend niedrig gehalten, so daß sie wohl zur Sterilisation des Teiles ausreicht, aber kein merkliches Niveau an freien Radikalen im fertigbearbeiteten Gegenstand erzeugt. Wenn eine sehr geringe Dosis vorgesehen ist, sollte die biologische Belastung des Teiles, während der auf den ersten Schritt folgenden Herstellungsschritte Vernetzung und Druckstabilisierung, auf einem niedrigen Niveau gehalten werden.
• Somit umfaßt die Behandlung nach der vorliegenden Erfindung das Verpacken und Bestrahlen des Gegenstandes, um eine wesentliche Vernetzung auszulösen, gefolgt vom Erwärmen auf einen unterkritischen Schwellwert und das Unterdrucksetzen des bestrahlten verpackten Gegenstandes, wobei dieser unter der Schmelztemperatur gehalten wird. Wenn der Gegenstand nicht fertigbearbeitet ist, kann das Verfahren auch das Bearbeiten und das Sterilisieren des behandelten Gegenstandes umfassen. Im letzteren Falle wird das Material bzw. der Rohling in einem Zwischenschritt stabilisiert, nachdem es bzw. er im wesentlichen vernetzt wurde, was es ermöglicht, die Sterilisation späteren Schritten zuzuordnen oder die mechanischen Eigenschaften des Polymers im wesentlichen unabhängig vom wesentlichen Vernetzen einzustellen, ohne daß freie Radikale im wesentlichen Umfang schließlich die mechanischen Eigenschaften des Materials verschlechtern könnten.
Beispiel
• Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden LTHMWPE-Erzeugnisse in Aluminiumfolien-Verpackungen plaziert, bis auf einen Druck von etwa 20 mbar evakuiert und dicht verschlossen. Die Verpackungen werden dann mit Gammastrahlen von einer Kobalt-60-Quelle mit einer hohen Dosis von über 40 kGy bis zu etwa 120 kGy bestrahlt. Noch im verpackten Zustand wird der Druck auf mehr als 3 MPa (30 Atmosphären) erhöht, ebenso wird die Temperatur auf einen Behandlungs-Schwellwert über 50ºC, aber unter der Schmelztemperatur angehoben. Dadurch werden die bestrahlten Erzeugnisse dem während der Behandlung freigesetzten Wasserstoffgas ausgesetzt und zwar unter Bedingungen, welche sowohl die Diffusion des Wasserstoffes als auch die kinetische Energie der Polymermoleküle erhöhen. Der erhöhte Druck und die Erwärmung werden für eine längere Zeit aufrechterhalten, die beispielsweise von vier Stunden bis zu sieben Tage dauern kann, wonach das Material langsam abgekühlt wird, beispielsweise mit einer Rate von 5 grd pro Stunde. Niedrigere Temperaturen und Drücke erfordern längere Aushärtungszyklen, während Temperaturen bis zu 120ºC und Drücke bis zu 10,3 MPa (1500 psi) die Anwendung eines kürzeren Aushärtungszyklus erlaubten. Die ausgehärteten Teile können getestet werden, um ihre Oxidationsbeständigkeit zu bestimmen oder zu bestätigen. Dies kann beispielsweise durch Messung ihres Oxidationsindexes geschehen, der als ein Maß für den Anteil restlicher freier Radikale in dem behandelten Material dient.
• Das Verfahren nutzt effektiv den bei der anfänglichen Strahlenbehandlung freigesetzten Wasserstoff, um im Material verbliebene freie Radikale zu eliminieren, ohne den Grad der Vernetzung zu erhöhen. Durch die Anwendung von Druck, um die Reaktion bis in die Tiefe der abgedichteten Beutel voranzutreiben, wird die Handhabung und Behandlungsmechanik stark vereinfacht, und die Stabilisierung wird ohne weitere Vernetzung erreicht. Die Druckerhöhung kann sicher und bequem realisiert werden, indem die bestrahlten Verpackungen in einem Druckkessel plaziert werden und dieser mit einem geeigneten Gas oder einem Hydraulik-Druckfluid unter Druck gesetzt wird. Die mäßige Erwärmung kann gleichmäßig und wirksam durch Erwärmung des Druckfluides oder durch Erwärmung des umgebenden Kessels erfolgen. Die Folienverpackung hat die doppelte Funktion des Ausschlusses von Luft und des Druckfluides während der verschiedenen Behandlungsschritte sowie der Zurückhaltung des im ersten Behandlungsschritt freigesetzten Wasserstoffes. Diese kleine aber ausreichende Menge des freigesetzten Wasserstoffes wird erforderlichenfalls in den behandelten und gehandhabten Verpackungen auf dem Wege von der Bestrahlungsstation zur Druckbehandlungsstation einer Fertigungslinie sicher zurückgehalten; und der zurückgehaltene Wasserstoff beseitigt in bequemer Weise die restlichen Radikale während der Druck-Stabilisierungsphase.
• Die vorhergehende Beschreibung des Herstellungsverfahrens und die dargestellten Ausführungsformen wurden angegeben, um den Bereich von Ausführungen zu umreißen, auf welche die Erfindung angewandt werden kann. Varianten der verwendeten Polymermaterialien, der Vakuumdrücke, der Strahlungsquellen und dergleichen können angewandt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Prothesen-Verschleißflächenteiles aus Polymermaterial mit den Schritten:

Bereitstellung eines Polymergegenstandes,

Verpacken des Polymergegenstandes in einem Vakuumisolationsbeutel,

zumindest teilweises Evakuieren des Beutels, um den Sauerstoff zu entfernen, welcher den Gegenstand umgibt sowie dichtes Verschließen des Beutels,

Bestrahlen des Beutels mit einer Dosis durchdringender Strahlung, um das Polymermaterial des Gegenstandes zu vernetzen, wobei als Ergebnis der Vernetzungsreaktion Wasserstoff freigesetzt wird und

Aushärten des Polymergegenstandes, der sich noch in dem dicht verschlossenen Vakuumisolationsbeutel befindet, durch Erwärmen des Polymergegenstandes auf einen niedrigen Temperatur-Schwellwert über etwa 30ºC während ein äußerer Druck über 2 Mpa (20 bar) angelegt wird, damit der Wasserstoff rekombiniert und den Polymergegenstand stabilisiert, wodurch ein vernetztes Bauteil verbesserter Oxidationsbeständigkeit entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Polymermaterial ein Polyolefinmaterial ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Polymermaterial ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Bestrahlungsschritt das Bestrahlen mit Gammastrahlung mit einer Energie über 8 · 10&supmin;¹&sup4; J (0,5 MeV) umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Polymermaterial UHMWPE ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5. bei welchem der Schritt des Anlegens von Druck das Ausüben hydrostatischen Druckes auf den Isolationsbeutel umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der Aushärteschritt das Anheben der Temperatur über 50ºC und unter 120ºC gefolgt von einer langsamen Abkühlung auf Umgebungstemperatur umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Aushärteschritt das Halten der Temperatur über eine Zeit von 4 Stunden bis 7 Tagen umfaßt:

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt der Bereitstellung eines Polymergegenstandes die Bereitstellung eines fertigbearbeiteten Prothesenimplantates umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der während des Aushärteschrittes angelegte äußere Druck mindestens 30 MPa beträgt.