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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der medizinischen Implantate
aus Polyethylen (PE), insbesondere PE mit extrem hohem Molekulargewicht
(UHMWPE) und PE mit hohem Molekulargewicht (HMWPE).
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Polyethylen
mit extrem hohem Molekulargewicht (nachfolgend als "UHMWPE" bezeichnet) wird allgemein
zur Herstellung von Gelenkprothesen, beispielsweise künstlichen
Hüftgelenken,
verwendet. Durch den Verschleiß von
Hüftpfannen
aus UHMWPE in künstlichen
Gelenken gelangen viele mikroskopisch kleine Verschleißteilchen
in das umgebende Gewebe. Die Reaktion auf diese Verschleißteilchen sind
Entzündungen
und eine Schädigung
der Gewebe, insbesondere des Knochens, in dem die Prothese verankert
ist. Es kommt schließlich
zu einer schmerzhaften Lockerung der Prothese und diese muss ersetzt
werden. Unter orthopädischen
Chirurgen und Biomaterial-Wissenschaftlern gilt die Gewebereaktion
auf Verschleißteilchen
allgemein als die Hauptursache für
das langfristige Versagen dieser Prothesen.
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Die
Literatur beschreibt zahlreiche Versuche zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit
von Polyethylen (nachfolgend "PE") beim Gelenkersatz.
Grobbelaar et al. [J. Bone & Joint
Surgery, 60-B(3): 370–374
(1978)] versuchten, durch ein Bestrahlungs-Vernetzungsverfahren
die Kaltfließeigenschaften "hochdichter" PE-Prothesen aus
Hostalen RCH 1000 C zu verbessern, ohne dabei die Vorteile der geringen
Reibung dieses Materials zu opfern. Grobbelaar et al vernetzten
das PE durch Gammastrahlen mit hoher Eindringtiefe in Anwesenheit
von Vernetzungsgasen, z. B. Azetylen und Chlortrifluorethylen, oder
in einer inerten Stickstoffatmosphäre. Weil die Vernetzungsgase
absorbiert wurden, war das Polyethylen an der Oberfläche stärker vernetzt,
als im Inneren. Trotzdem wurde aufgrund der hohen Eindringtiefe
der Gammastrahlen das PE durch und durch vernetzt.
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Um
die Verschleißbeständigkeit
einer medizinischen Prothese zu verbessern, wandte Farrar, WO 95/21212,
zur Vernetzung der Verschleißfläche eine
Plasmabehandlung an. Diese Verschleißfläche umfasst ein Kunststoffmaterial,
beispielsweise UHMWPE. Die Annahme, dass es zu einer Vernetzung
gekommen war, beruhte auf dem Vorhandensein von Fourier-Transformations-Infrarot-Absorptionsbanden
bei 2890 cm–1.
Farrar beansprucht, dass seine ATR-Daten implizieren, dass er eine
Eindringtiefe von 0,5 Mikron erreicht hatte, jedoch wird der Vernetzungsgrad
nicht beschrieben.
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Streicher,
Beta-Gamma 1/89: 34–43,
verwendete Gammastrahlen mit hoher Eindringtiefe oder Elektronenstrahlen
mit hoher Eindringtiefe (d. h. 10 MeV) zur Vernetzung von UHMWPE-
und HMWPE-Proben
in ihrer gesamten Dicke. Streicher glühte das mit Gammastrahlen bestrahlte
Material in einer Stickstoffatmosphäre, um eine bessere Vernetzung zu
erreichen und bei längerer
Lagerung die Oxidation zu verringern. Streicher fand heraus, dass
der Materialverschleiß nach
der Vernetzung durch Elektronenstrahlen größer war.
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Higgins
et al [Transactions of the 42nd Ann. Mtg., Orthopaedic Res. Soc.,
Feb. 19–22,
1996, S. 485] versuchten, UHMWPE nach Bestrahlen mit Gammastrahlen
mit hoher Eindringtiefe (bei der die gesamten Proben vernetzt wurden)
gegen Oxidation zu stabilisieren, indem sie die Konzentration der
freien Radikale reduzierten. Sie wandten hierbei nach der Bestrahlung
folgende Behandlungen an: (1) Unterdrucksetzung in Wasserstoff bei
0,103 mPa (15 psi) für
zwei Stunden, oder (2) Erwärmen
bei 50°C für 182 Stunden.
Die Menge der in dem PE zurückbleibenden
freien Radikale wurde mittels Elektronenspinresonanz (ESR) verglichen,
jedoch beurteilten sie nicht die Auswirkungen dieser Behandlungen
auf die mechanischen Eigenschaften oder die Verschleißeigenschaften
des UHMWPE, noch auf die Beständigkeit
gegenüber
einer Oxidation.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird in den selbständigen Ansprüchen 1 und
9 im Anhang definiert. Ein Aspekt der Erfindung stellt vernetztes
PE mit Oberflächengradienten
und medizinische Implantate dar. Bei dem PE handelt es sich vorzugsweise
um UHMWPE oder HMWPE. Das am meisten bevorzugte Implantat ist eine
Hüftpfanne.
Das PE und die Implantate können
mit den nachfolgend beschriebenen Methoden hergestellt werden.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung stellt eine Methode dar zur Verbesserung
der Verschleißfestigkeit
der tragenden Fläche
eines Implantats. Das Implantat oder seine tragende Fläche sind
aus PE gefertigt, vorzugsweise UHMWPE oder HMWPE. In einem Ausführungsbeispiel
umfasst die Methode das Bestrahlen des Implantats mit einem Elektronenstrahl (für "Elektronenstrahl" wird im Folgenden "E-Strahl" verwendet), wobei
das Energieniveau speziell so ausgewählt wird, dass bei der tragenden
Fläche
des Implantats die Vernetzung so erfolgt, dass die Verschleißfestigkeit
nur bis in eine Tiefe verbessert wird, die ausreicht, damit die
vernetzte Schicht während der
Lebensdauer des Patienten nicht verschleißt, während das übrige Implantat unvernetzt
bleibt, wodurch jede Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften,
die sonst durch eine Vernetzung entsteht, vermieden wird.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die tragende Fläche des Implantats nicht durch
Bestrahlung mit einem E-Strahl vernetzt, sondern mit einer freie
Radikale erzeugenden Chemikalie, wobei der Rest des Implantats aus
den oben genannten Gründen
wieder unvernetzt bleibt. Die freie Radikale erzeugende Chemikalie
ist vorzugsweise ein Peroxid.
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Bei
beiden Methoden findet die Vernetzung vorzugsweise in der Oberflächenschicht
statt und nimmt allmählich
ab, bis sie im Inneren des PE nahezu Null beträgt.
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Bei
der E-Strahl-Vernetzung wird bevorzugt, dass das Implantat während der
Bestrahlung in eine sauerstoffarme Atmosphäre, beispielsweise ein Inertgas
(z. B. Stickstoff), oder in ein Vakuum gepackt wird, um die Oxidation
zu minimieren und die Vernetzung der Oberflächenschicht zu maximieren.
Wird ein Implantat jedoch in Luft mit einem E-Strahl bestrahlt,
kann die äußere Schicht
der tragenden Fläche
anschließend
entfernt werden, beispielsweise durch maschinelle Bearbeitung, um
das stärker
oxidierte und weniger vernetzte Material abzutragen. In einem solchen
Fall kann die Eindringtiefe des E-Strahls bei der Vernetzung erhöht werden,
um die Dicke des abzutragenden Materials zu berücksichtigen.
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Vorzugsweise
soll das an der Oberfläche vernetzte
Material behandelt werden, um restliche freie Radikale, die durch
den Vernetzungsprozess entstehen, zu beseitigen, damit das Material
langfristig gegen Oxidation geschützt ist. Diese Behandlung kann
mit einer oder mehreren der folgenden Methoden erfolgen: (1) Umschmelzen
des teilgeformten vernetzten Materials nach der Vernetzungsbestrahlung,
jedoch vor der endgültigen
Formung des Implantats, (2) Glühen
des teilgeformten vernetzten Materials oder des endgültig geformten
Implantats, (3) Einbringen des vernetzten Materials oder Implantats in
unter Druck gesetzten Wasserstoff und/oder (4) Behandeln des Implantats
mit Ethylenoxid.
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Bei
der chemischen Vernetzung kann das Implantat nach dem Vernetzen
zur Größenstabilisierung
geglüht
werden. Außerdem
kann das Implantat in geeignete Lösungsmittel eingelegt werden,
um aus der vernetzten Oberflächenschicht
alle Restchemikalien durch Zersetzung der freie Radikale erzeugenden
Chemikalie herauszuziehen, um ein Auslaugen dieser Chemikalien während des
Einsatzes in vivo und langfristig eine Oxidation des vernetzten
Materials zu minimieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt das Schema einer
UHMWPE-Hüftpfanne,
die einer Bestrahlung mittels E-Strahl ausgesetzt wird. Eine dünne Abschirmung aus
Stahl oder einem anderen geeigneten Material kann über denjenigen
Regionen angebracht werden, wo eine Vernetzung nicht gewünscht wird
(z. B. die nicht tragenden Flächen).
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2 zeigt schematisch eine
UHMWPE-Hüftpfanne
in einer Pfannenform, mit einer dünnen Schicht UHMWPE-Pulver,
das mit Peroxid gemischt wurde, um an der tragenden Fläche eine
dünne vernetzte
Schicht zu bilden, wobei sich unter dieser Schicht unvernetztes
UHMWPE befindet, um die ursprünglichen
physikalischen Eigenschaften des UHMWPE zu erhalten.
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3 ist eine graphische Darstellung
der Schmelztemperaturspitze im Verhältnis zur Distanz von der mittels
E-Strahl vernetzten Fläche
der UHMWPE-Proben.
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4 ist eine graphische Darstellung
des Gelgehalts im Verhältnis
zur Distanz von der mittels E-Strahl
vernetzten Fläche
der UHMWPE-Proben.
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5 ist eine graphische Darstellung
der Schmelztemperaturspitze im Verhältnis zur Distanz von der mittels
Peroxid vernetzten Fläche
der UHMWPE-Proben.
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6 ist eine graphische Darstellung
des Gelgehalts im Verhältnis
zur Distanz von der mittels Peroxid vernetzten Fläche der
UHMWPE-Proben.
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7 ist eine graphische Darstellung
der Schmelztemperatur und der Gelgehaltprofile der mittels Peroxid
vernetzten Fläche
der UHMWPE-Proben.
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8 ist eine graphische Darstellung
der Extraktion von Tertiäralkohol
aus mit 1 Gewichts-% Peroxid vernetzten UHMWPE-Proben.
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9 ist eine graphische Darstellung
der Oxidationstiefenprofile von gealterten, mittels E-Strahl (bei
5 Mrad) vernetzten UHMWPE-Proben mit oder ohne Wasserstoff- und/oder
Ethylenoxidbehandlung.
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10 ist eine graphische Darstellung
der Oxidationstiefenprofile von gealterten, mittels E-Strahl (bei
10 Mrad) vernetzten UHMWPE-Proben mit oder ohne Wasserstoff und/oder
Ethylenoxidbehandlung.
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11 ist eine graphische Darstellung
der Oxidationstiefenprofile von gealterten, mittels E-Strahl (bei
15 Mrad) vernetzten UHMWPW-Proben mit oder ohne Wasserstoff und/oder
Ethylenoxidbehandlung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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(I) IMPLANTATE DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
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Die
chemische Vernetzung von UHMWPE führt nachweislich zu einem wesentlich
geringeren Verschleiß von
Hüftpfannen
aus UHMWPE, wenn diese in einem Verschleißsimulator getestet werden.
EP 0722973 A1 , "Chemically Crosslinked
Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene for Artificial Human Joints" von R. Salovey,
et al., veröffentlicht
am 24. Juli 1996. Darüber
hinaus konnten mit der geeigneten Vernetzung, die durch Bestrahlung
mit Gammastrahlen oder E-Strahlen induziert wurde, durch welche
eine Vernetzung der gesamten Masse der UHMWPE-Probe erreicht wurde,
vergleichsweise geringe Verschleißraten erzielt werden (Vorläufige U.S.-Patentanmeldung
mit den Seriennummern 60/017,852, 60/025,712 und 60/044,390 von
Fu-Wen Shen et al.; Jasty, M., et al., "Marked Improvement in the Wear Resistance
of a New Form of UHMWPE in Physiologic Hip Simulator", Transactions of
the 43rd Ann. Mtg., Orthopaedic Research Society, Seite 785, 9.–13. Feb.
1997, San Francisco, CA).
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Eine
Vernetzung von PE kann jedoch dessen übrige physikalische Eigenschaften
nachteilig beeinflussen, was dazu führt, dass eine oder mehrere
der folgenden Eigenschaften sich verschlechtern: Elastizitätsmodul,
Schlagfestigkeit, Dauerfestigkeit, Fließfestigkeit, Bruch-Zugfestigkeit
und Bruchdehnung. Die Verschlechterung dieser Eigenschaften kann wiederum
zu einer negativen Beeinflussung der in vivo-Performance eines aus
dem vernetzten PE gefertigten Implantats insgesamt führen. Eine
Methode, welche die Verschleißfestigkeit
der tragenden Fläche eines
PE-Implantats verbessert, während
sie die Verschlechterung dieser mechanischen Eigenschaften in der
Gesamtheit des Implantats minimiert, wäre also von Vorteil, insbesondere
für den
Einsatz in medizinischen Implantaten (nachfolgend kurz "Implantate" genannt).
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Da
sich die klinische Verschleißrate
des herkömmlichen
UHMWPE, wie es zur Herstellung von Hüftpfannen für den Hüftgelenksersatz verwendet wird,
laut verschiedener in der Literatur beschriebener Studien auf durchschnittlich
etwa 100 bis 200 Mikron pro Jahr beläuft, und da ein entsprechend
vernetztes UHMWPE (z. B. chemisch oder mittels Bestrahlung vernetztes
UHMWPE aus
EP 0722973
A1 und aus der Vorläufigen
U.S.-Patentanmeldung mit den Seriennummern 60/017,852, 60/025,712
und 60/044,390 von Fu-Wen Shen et al., siehe oben) eine mindestens
zwanzigfach geringere Verschleißrate aufweist,
kann erwartet werden, dass ein entsprechend vernetztes UHMWPE in
einem typischen klinischen Einsatz nur um etwa 5 bis 10 Mikron/Jahr
verschleißt.
Die Anmelder haben erkannt, dass es bei dieser geringen Verschleißrate etwa
100 bis 200 Jahre dauern würde,
bis eine ein Millimeter (d. h. 1000 Mikron) dicke Oberflächenschicht
eines vernetzten UHMWPE verschlissen wäre, was wesentlich über der
Lebenserwartung des Patienten läge.
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Ein
Aspekt der Erfindung stellt demnach ein neues vernetztes PE mit
Oberflächengradienten
oder ein Implantat mit vernetztem PE mit Oberflächengradienten vor. Diese PE
und Implantate sind in der vernetzten Oberflächenschicht verschleißbeständiger als
ihre nicht vernetzten Gegenstücke,
während
die guten physikalischen Eigenschaften des Implantats insgesamt
erhalten bleiben. Das PE ist vorzugsweise HMWPE und/oder UHMWPE.
Die tragende Fläche des
Implantats, die jede einem Verschleiß unterworfene Oberfläche sein
kann, ist in geeigneter Weise vernetzt, wobei die Vernetzung unter
dieser Schicht vorzugsweise allmählich
abnimmt, vorzugsweise bis auf eine Vernetzung von Null, um einen
allmählichen Übergang
der physikalischen Eigenschaften zu denen des herkömmlichen
HMWPE oder UHMWPE zu schaffen. Der allmähliche Übergang wird bevorzugt, so
dass es keine schwache Übergangszone
gibt, die abblättern
könnte,
beispielsweise aufgrund eines plötzlichen
Wechsels vom vernetzten zum nicht vernetzten Material.
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Zwar
ist es sehr wünschenswert,
dass die geplante tragende Fläche,
beispielsweise die innere konkave Fläche einer Hüftpfanne, die mit der gegenüberliegenden
Femurkugel eine Gelenkverbindung bildet, vernetzt ist, doch kann
es auch erwünscht sein,
jede Fläche
zu vernetzen, die aufgrund eines beweglichen Kontakts mit einer
anderen Fläche
(z. B. wenn die Flächen
in einer Gleit-, Schwenk-, oder Drehbeziehung zueinander stehen)
verschleißanfällig ist,
unabhängig
davon, ob eine solche Bewegung beabsichtigt ist, oder nicht, beispielsweise
die Rückseite
eines UHMWPE-Liners einer Hüftpfanne,
wo diese gegen die Innenseite der Metallschale drückt. Die
Bezeichnung "tragende
Fläche" kann also auch für jede Fläche stehen,
die verschleißanfällig ist
oder bei der ein Benutzer die Verschleißbeständigkeit verbessern möchte.
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Bei
einem bestimmten Implantat aus PE entspricht die Vernetzungstiefe
der tragenden Fläche also
vorzugsweise der Dicke des PE, das während der Lebenszeit des Patienten
abgetragen würde
oder größer ist
als diese. In der vorliegenden Erfindung hat das Implantat einen
maximalen Gelgehalt von etwa 80 bis etwa 100% (vorzugsweise von
etwa 90 bis etwa 100%, am besten etwa 95%) innerhalb der tragenden
Fläche,
der bei etwa 1,5 mm von der Implantatoberfläche allmählich auf etwa 50% des maximalen
Werts abnimmt, und sich bei etwa 2,5 mm von der Implantatoberfläche auf
fast Null verringert hat. Diese Wertebereiche sind für eine Hüftpfanne
besonders gut geeignet, wo die tragende Fläche die innere tragende Fläche und/oder
die Rückseite
der Hüftpfanne ist,
wo diese gegen die Innenseite der Metallschale drückt; diese
Bereiche lassen den Kern der Hüftpfanne
beinahe unvernetzt.
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Beispiele
von Methoden, mit denen derartige vernetzte PE und Implantate mit
Oberflächengradienten
hergestellt werden können,
finden sich in der folgenden Beschreibung. Ein Fachmann wird natürlich erkennen,
dass sich diese Implantate und PE auch mit anderen in der Technik
bekannten Vernetzungsmethoden herstellen lassen, die dann entsprechend
der hier vorgestellten Lehre modifiziert werden, um diese Materialien
herzustellen.
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Das
für die
vorliegende Erfindung bevorzugte PE hat im Allgemeinen ein Molekulargewicht
von etwa 105 Gramm oder mehr pro Mol. Die
PE liegen generell zwischen etwa 4 × 105 bis
etwa 107 Gramm pro Mol. HMWPE und UHMWPE
werden bevorzugt. HMWPE haben Molekulargewichte zwischen etwa 105 Gramm pro Mol bis etwas unter 106. UHMWPE haben Molekulargewichte entsprechend
oder höher als
106 Gramm pro Mol, vorzugsweise von 106 bis etwa 107.
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Für Implantate
werden verschleißfeste
PE mit einer außergewöhnlich guten
Beständigkeit
gegen Chemikalien bevorzugt. UHMWPE ist das am meisten bevorzugte
PE, da es sich durch diese Eigenschaften auszeichnet und derzeit
breite Verwendung in der Herstellung von Hüftpfannen für Totalendoprothesen und Komponenten
für den
Ersatz anderer Gelenke findet. Beispiele für UHMWPE sind solche mit einem
Molekulargewicht von etwa 1 bis 8 × 106 Gramm
pro Mol, wie z. B.: GUR 4150 oder 4050 (Hoechst-Celanese Corporation, League City, Texas) mit
einem Gewichtsmittel-Molekulargewicht von 5 bis 6 × 106 Gramm pro Mol; GUR 4130 mit einem Gewichtsmittel-Molekulargewicht
von 3 bis 4 × 106; GUR 4120 oder 4020 mit einem Gewichtsmittel-Molekulargewicht
von 3 bis 4 × 106; RCH 1000 (Hoechst-Celanese Corp.) mit
einem Gewichtsmittel-Molekulargewicht von 4 × 106 und
HiFax 1900 von 2 bis 4 × 106 (HiMont, Elkton, Maryland). Implantathersteller
verwendeten bisher PE wie HIFAX 1900, GUR 4020, GUR 4120 und GUR
4150 zur Herstellung von Hüftpfannen.
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Vernetzte
PE und Implantate mit Oberflächengradienten
sind als Prothesen für
verschiedene Körperteile
einsetzbar, beispielsweise auch als Komponenten von Körpergelenken.
Im Hüftgelenk
können
sie beispielsweise als Hüftpfannenprothese
dienen (wie im obigen Beispiel erläutert), oder als Insert oder
Liner für
die Hüftpfanne,
oder als Komponente eines Zapfenlagers (z. B. zwischen dem Kopf-
und dem Schaftmodul). Im Kniegelenk können sie als Tibiakopfprothese
(femorotibiale Gelenkverbindung), als Patellakopf (patellofemorale
Gelenkverbindung) sowie als Zapfen oder andere tragende Komponenten
eingesetzt werden, je nach Entwurf des künstlichen Kniegelenks. Bei
Knietypen mit Meniskuslager können
beispielsweise die obere und die untere Fläche der UHMWPE-Komponente oberflächenvernetzt sein,
d. h. diejenigen Flächen,
die mit metallischen oder keramischen Flächen eine Gelenkverbindung bilden.
Im Knöchelgelenk
können
sie als prothetische Talusoberfläche
(tibiotalare Gelenkverbindung) und andere tragende Komponenten eingesetzt
werden. Im Ellbogengelenk können
sie als prothetisches radiohumerales Gelenk, ulnohumerales Gelenk
und andere tragende Komponenten eingesetzt werden. Im Schultergelenk
können
sie in der glenorohumeralen Gelenkverbindung und für andere
tragende Komponenten eingesetzt werden. In der Wirbelsäule können sie
zum Ersatz von Wirbelscheiben und Zwischenwirbelgelenken verwendet
werden. Auch die Herstellung von temporomandibulären Gelenken (Kiefer) und Fingergelenken
ist möglich.
Die hier genannten Verwendungsmöglichkeiten
sind Beispiele und nicht einschränkend
zu verstehen.
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Zu
Vereinfachung der Beschreibung werden im folgenden Text häufig UHMWPE
und Hüftpfannenimplantate
als Beispiele für
PE bzw. für
Implantate verwendet. Die vorliegende Erfindung wäre jedoch auch
auf PE im Allgemeinen sowie auch auf Implantate im Allgemeinen anwendbar.
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(II) VERNETZUNG MITTELS
E-STRAHL
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In
einem Aspekt der Erfindung wird die tragende Fläche der UHMWPE-Pfanne durch
Bestrahlung mittels E-Strahl vernetzt. Je höher die Energie des E-Strahls,
desto tiefer ist das Eindringen in das PE und damit die daraus resultierende
Vernetzung. Ein E-Strahl mit 10 MeV, wie er z. B. von Streicher
sowie von Jasty, M., et al., siehe oben, sowie auch kommerziell
verwendet wird, würde
etwa 40 bis 50 Millimeter tief in eine UHMWPE-Probe eindringen.
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Im
Gegensatz dazu verwendet die vorliegende Erfindung einen E-Strahl
mit einer wesentlich geringeren Energie als 10 MeV, vorzugsweise
unter etwa 1 MeV. In dem weiter unten beschriebenen BEISPIEL 1 wurden
0,875 und 0,650 MeV verwendet. Mit einer MeV-Dosis in diesem unteren
Bereich kann die tragende Fläche
einer Hüftpfanne
verschleißbeständiger gemacht
werden, bis in eine ausreichende Tiefe, die während der Lebenszeit des Patienten nicht
verschleißen
wird, während
der restliche Teil der Hüftpfanne
unvernetzt bleibt, um die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften
des herkömmlichen
UHMWPE zu erhalten.
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Die
Bestrahlungsdosis des E-Strahls liegt in der Oberflächenschicht
der bestrahlten Hüftpfanne vorzugsweise
zwischen etwa 1 bis etwa 25 Mrad, besser zwischen etwa 5 bis etwa
15 Mrad, und am besten bei etwa 10 Mrad. In etwa 0,5 mm bis 2 mm Tiefe
nimmt die Dosis vorzugsweise bis etwa 50% des Maximalwerts ab. In
der Schicht der tragenden Fläche
der Hüftpfanne
können
beispielsweise 10 Mrad angewendet werden, wobei die Bestrahlungsdosis
in einer Tiefe von etwa 1 mm allmählich bis auf 50% des Maximalwerts
abnimmt, d. h. 5 Mrad, und sich schließlich in einer Tiefe von 2
mm in der Hüftpfanne
bis auf Null verringert.
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Während der
Vernetzung mittels E-Strahl können
die UHMWPE-Hüftpfannen
oder die teilgeformten Pfannen (z. B. der weiter unten beschriebenen
Methoden 1 bis 3) in eine sauerstoffarme Atmosphäre gegeben werden, beispielsweise
in eine Inertgasatmosphäre,
z. B. Stickstoff, oder in ein Vakuum, um die Oxidation der Oberflächenschicht
während der
Bestrahlung zu minimieren.
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Insbesondere
bei in Luft bestrahlten Hüftpfannen
kann das Implantat zunächst
auch mit einem geringen Übermaß gefertigt
werden; anschließend kann
dann nach der Bestrahlung und Behandlung zur Verringerung der restlichen
freien Radikale die äußerste Oberflächenschicht
(z. B. wenige Hundert Mikron, beispielsweise 100 bis 300 Mikron)
in der tragenden Zone maschinell abgetragen werden, um das am meisten
oxidierte Material zu entfernen, das im Vergleich zu dem weniger
oxidierten Material unmittelbar unterhalb dieser Schicht typischerweise
eine geringere Verschleißbeständigkeit
hat. In diesem Fall würde
die Tiefe der anfänglichen
Vernetzung erhöht, so
dass nach dem Abtragen der oxidierten Fläche die verbleibende vernetzte
Schicht die gewünschte
Dicke hätte.
Die am meisten oxidierte und abzutragende Oberflächenschicht kann bei einem
gegebenen Verfahren ermittelt werden, indem man beispielsweise seine
Gelgehaltprofile mittels der in BEISPIEL 1 gezeigten Methode feststellt
und eine Graphik ähnlich
der in 4 erzeugt, welche
die Tiefe des Bereichs mit geringerem Gelgehalt (am wenigsten vernetzt)
im Bereich der bestrahlten Fläche
zeigt.
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Eine
Behandlung mit Ethylenoxid, z. B. mit Methoden, die in der Technik
für die
Ethylenoxidsterilisation von Implantaten bekannt sind, hat den zusätzlichen
Vorteil, dass die Oxidationsbereitschaft von mit E-Strahl bestrahltem
PE verringert wird (und damit seine langfristige Verschleißfestigkeit
erhöht wird,
siehe BEISPIEL 4 weiter unten), indem alle restlichen freien Radikale
aus der Bestrahlung mittels E-Strahl reduziert werden. Die Dauer
der Ethylenoxidbehandlung kann verkürzt oder verlängert werden,
je nachdem, in welchem Umfang freie Radikale reduziert werden sollen.
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Im
Folgenden finden sich drei Beispiele für die Durchführung des
Vernetzungsverfahrens:
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METHODE 1: BESTRAHLUNG
EINER HÜFTPFANNE
MITTELS E-STRAHL
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Bei
dieser Methode wird eine Hüftpfanne
bei Raumtemperatur mit einem E-Strahl bestrahlt, um auf ihrer tragenden
Fläche
eine Vernetzung mit Oberflächengradienten
zu bewirken. Bei gekrümmten
tragenden Flächen,
beispielsweise der inneren konkaven Fläche der Hüftpfanne, können verschiedene Methoden
eingesetzt werden, um die Vernetzungsdosis über der gesamten tragenden
Fläche
zu verteilen. Beispielsweise kann das Implantat in mehreren Durchgängen dem
E-Strahl ausgesetzt werden, wobei man es nach jeder Teilbestrahlung
in eine andere Position bringt, um eine Verteilung über der
gesamten tragenden Fläche
zu erzeugen. Alternativ kann das Implantat auch durch den E-Strahl
gerollt werden, so dass die Dosis gleichmäßig über die bestrahlte Fläche verteilt
wird. Unabhängig
von der verwendeten Technik kann die geeignete Kombination von Strahloszillationswinkel
und Bestrahlungszeit zur Erzeugung der gewünschten Dosis in der Oberflächenschicht
des Implantats von einem Fachmann berechnet werden. Diese Techniken
werden in der E-Strahlindustrie routinemäßig auf den Innenflächen von
Getränkebehältern angewendet,
um beispielsweise aseptische Verpackungen herzustellen.
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Da
es erwünscht
sein kann, nur die tragenden Flächen
zu vernetzen, kann eine Abschirmung (z. B. aus Metall, beispielsweise
Stahl) über
denjenigen Bereichen der Hüftpfanne
platziert werden, die nicht vernetzt werden sollen, um diese gegen
den E-Strahl abzuschirmen. Obwohl in 1 schematisch
ein abrupter Grenzbereich zwischen der vernetzten Oberflächenschicht
und dem nicht vernetzten Material dargestellt ist, handelt es sich
hier in der Praxis vorzugsweise um einen allmählichen Übergang auf unvernetztes Material
unterhalb der Oberflächenschicht.
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Um
langfristig eine Oxidation zu minimieren, die durch die während der
Vernetzungsbestrahlung gebildeten restlichen freien Radikale verursacht
wird (und damit die langfristige Verschleißbeständigkeit zu verbessern), können die
bestrahlten Hüftpfannen durch
eines oder mehrere der folgenden Verfahren behandelt werden: Unterdrucksetzung
in Wasserstoff, Glühen
und Behandlung mit Ethylenoxid zur Reduzierung oder Eliminierung
der restlichen freien Radikale.
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Die
bestrahlte Hüftpfanne
wird geglüht,
indem man sie bis unter die Schmelztemperatur des nicht vernetzten
PE erwärmt.
In dieser Patentanmeldung wird die Schmelztemperatur ermittelt aus
dem endothermen Schmelzpeak, der mittels Differentialkalorimetrie
(DSC) gemessen wird. Die Glühtemperatur
liegt vorzugsweise ungefähr
zwischen Raumtemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur; besser
zwischen etwa 90°C
und etwa 10°C
unter der Schmelztemperatur; und am besten zwischen etwa 80°C und etwa
50°C unter
der Schmelztemperatur. UHMWPE kann bei einer Temperatur von etwa
25°C bis
etwa 132°C
geglüht
werden, vorzugsweise von etwa 40°C
bis etwa 120°C
und am besten von etwa 50°C
bis etwa 80°C.
Die Glühzeit
liegt vorzugsweise zwischen etwa 2 Stunden und etwa 7 Tagen, besser zwischen
etwa 7 Stunden und etwa 6 Tagen, und am besten zwischen etwa 10
Stunden und etwa 5 Tagen.
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Das
bestrahlte Implantat kann mit Wasserstoff behandelt werden, um freie
Radikale weiter zu reduzieren oder ganz zu beseitigen. Eine Behandlungsmethode
mit Wasserstoff ist weiter unten in BEISPIEL 4 dargestellt. Ein
Fachmann wäre
anhand des BEISPIELS 4 in der Lage, einfach nach dem Prinzip "trial and error" die geeigneten Parameter
zur Beseitigung oder Reduzierung der gewünschten Menge freier Radikale
herauszufinden. Beispiele für
zwei Ausgangspunkte wären
die Unterdrucksetzung der Hüftpfanne
in Wasserstoff über
einen Zeitraum von 18 Stunden bei etwa 0,21 mPa (30 psi) und über einen
Zeitraum von 72 Stunden bei 0,62 mPa (90 psi).
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METHODE 2: BESTRAHLUNG
MITTELS E-STRAHL UND ANSCHLIEßENDES
UMSCHMELZEN ODER GLÜHEN
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Bei
dieser Methode beginnt man nicht mit einer Hüftpfanne, sondern mit einer
teilgeformten Hüftpfanne.
Diese teilgeformte Hüftpfanne
besteht aus dem ursprünglichen
Grundmaterial (z. B. einer extrudierten Stange oder einem Formblock),
in das die vorgesehene tragende Fläche der Hüftpfanne eingeformt wird, beispielsweise
durch maschinelle Bearbeitung. Diese tragende Fläche wird dann mit Elektronenstrahlen
bestrahlt, wie in der oben beschriebenen Methode 1 (auch bei Raumtemperatur).
Die bestrahlte, teilgeformte Hüftpfanne
wird dann umgeschmolzen oder geglüht, entweder in Luft oder in
einer sauerstoffarmen Atmosphäre,
um freie Radikale zu reduzieren und langfristig die Verschleißbeständigkeit
zu erhöhen.
Umschmelzen ist eine sehr effektive und effiziente Methode zur Reduzierung
freier Radikale.
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Die
Umschmelztemperatur liegt an oder oberhalb der Schmelztemperatur
des maximal vernetzten Bereichs der Hüftpfanne. Vorzugsweise liegt die
Umschmelztemperatur zwischen dieser Schmelztemperatur und etwa 100°C bis etwa
160°C über der Schmelztemperatur;
besser zwischen etwa 40°C
und etwa 80°C über der
Schmelztemperatur; und am besten zwischen etwa 1°C und etwa 60°C über der Schmelztemperatur.
Bei UHMWPE liegt die Umschmelztemperatur vorzugsweise zwischen etwa 134°C und etwa
300°C, besser
zwischen etwa 134°C und
etwa 250°C,
und am besten zwischen etwa 134°C
und etwa 200°C.
-
Die
Glühtemperatur
liegt unterhalb der Schmelztemperatur des maximal vernetzten Bereichs
der Hüftpfanne,
vorzugsweise von etwa Raumtemperatur bis unterhalb dieser Schmelztemperatur;
besser zwischen etwa 90°C
und etwa 1°C unter
der Schmelztemperatur; und am besten von etwa 60°C bis etwa 1°C unter der Schmelztemperatur.
UHMWPE kann beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 25°C bis etwa
132°C, vorzugsweise von
etwa 50°C
bis etwa 132°C,
und am besten zwischen etwa 80°C
bis etwa 130°C
geglüht
werden. Die Glühdauer
beträgt
vorzugsweise etwa 2 Stunden bis etwa 7 Tage, besser etwa 7 Stunden
bis etwa 5 Tage, und am besten etwa 10 Stunden bis etwa 2 Tage.
-
Nach
dem Umschmelzen und Glühen
wird die endgültige
Form der Hüftpfanne
gestaltet, z. B. durch maschinelles Bearbeiten der teilgeformten Pfanne.
Durch den Umschmelz- oder Glühvorgang verursachte
Verziehungen oder oxidierte Schichten des PE werden während der
endgültigen
Formgebung beseitigt bzw. korrigiert. In diesem Fall würde die
Tiefe der anfänglichen
Vernetzung erhöht,
so dass die verbleibende vernetzte Schicht nach der endgültigen Formung
die gewünschte
Dicke hätte.
-
METHODE 3: BESTRAHLEN
MIT E-STRAHL IN DER SCHMELZE
-
Methode
3 unterscheidet sich von Methode 2 dadurch, dass die teilgeformte
Pfanne nicht bei Raumtemperatur, sondern in der Schmelze bestrahlt wird
(bei oder oberhalb der Schmelztemperatur des UHMWPE).
-
Mit
der Lehre dieser Patentanmeldung kann ein Fachmann ein vernetztes
PE und Implantat mit den von ihm gewünschten Oberflächengradienten
erzielen. Ein Fachmann kann beispielsweise anhand der gewünschten
Eindringtiefe bzw. des gewünschten
Vernetzungsprofils sowie der Dichte eines PE die gewünschte Dosierung
berechnen. Wie BEISPIEL 1 zeigt, kann ein Fachmann anhand vorläufiger Berechnungen
und dem einfachen trial-and-error-Prinzip die Kombination von E-Strahl-Energie
und Bestrahlungszeit entsprechend anpassen, um eine gewünschte maximale
Vernetzung in der Oberflächenschicht
und eine Abnahme der Vernetzung unterhalb dieser Schicht zu erzielen,
und so die gewünschte Verbesserung
der Verschleißbeständigkeit
in einer Oberflächenschicht
mit der gewünschten
Dicke erreichen.
-
(III) CHEMISCHE VERNETZUNG
-
In
einem anderen Aspekt der Erfindung wird die tragende Oberflächenschicht
der Hüftpfanne
chemisch vernetzt, während
unter der chemisch vernetzten Oberflächenschicht das UHMWPE unvernetzt bleibt. 2 zeigt die Struktur dieser
Hüftpfanne schematisch.
Obwohl die Zeichnung eine abrupte Grenze zwischen der vernetzten
Oberflächenschicht und
dem nicht vernetzten Material zeigt, ist dies in der Praxis vorzugsweise
ein allmählicher Übergang, der
das Innere des PE unvernetzt lässt
(siehe z. B. 7). Im
Folgenden werden zwei Methoden beschrieben, mit denen man ein vernetztes
Material mit Oberflächengradient
erhalten kann. Die Methoden wurden nur als Beispiele gewählt und
schließen
andere Möglichkeiten
nicht aus.
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METHODE A
-
PE-Pulver
wird in eine Implantatform eingebracht und anschließend ausreichend
lange kaltgepresst, um das Pulver bis auf ein geringes Untermaß zu kompaktieren,
damit später
eine vernetzte Schicht aufgebracht werden kann. Anschließend wird
weiteres PE-Pulver mit einer freie Radikale erzeugenden Chemikalie
gemischt. Die Bezeichnung "freie
Radikale erzeugende Chemikalie" wird
nachfolgend mit "FREC" abgekürzt. Handelt
es sich bei der FREC um ein Peroxid, kann dieses in einem inerten
Lösungsmittel
gelöst
und anschließend
dem PE-Pulver zugegeben werden. Beispiele für inerte Lösungsmittel sind Alkohol und
Azeton. Nachdem das PE-Pulver mit dem inerten Lösungsmittel, welches das Peroxid enthält, vermischt
wurde, wird das inerte Lösungsmittel
verdampft.
-
Eine
dünne Schicht
PE-Pulver mit der FREC wird dann auf das zuvor kompaktierte Pulver
in dem Bereich aufgebracht, der tragende Fläche sein soll; anschließend werden
beide zusammen erneut kaltgepresst, um beide Pulverschichten zu
kompaktieren. Die kompaktierten Schichten werden dann mit den in
der Technik bekannten Standardformmethoden für PE formgepresst.
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METHODE B
-
Bei
dieser Methode wird PE-Pulver in eine Implantatform gegeben und
mit den in der Technik bekannten Methoden auf ein geringes Untermaß formgepresst,
um später
eine weitere vernetzte Schicht aufbringen zu können. Anschließend wird eine
dünne Schicht
mit FREC gemischtes PE-Pulver über
der geplanten tragenden Fläche
aufgebracht und zur Kompaktierung kaltgepresst, anschließend mit
den in der Technik bekannten Methoden formgepresst, wobei gleichzeitig
die Oberflächenschicht
vernetzt und mit dem Implantatmaterial verschmolzen wird. Die FREC
kann wieder Peroxid sein.
-
Alternativ
kann ein PE-Implantat durch Bearbeiten in der üblichen Weise vorgeformt werden,
jedoch mit einem geringen Untermaß, und anschließend in
eine Form eingebracht werden, wobei die tragende Fläche mit
einer Schicht aus PE-Pulver, das mit einer FREC gemischt wurde,
beschichtet und anschließend
Wärme und
Druck aufgebracht wird, um die Mischung zu vernetzen und sie gleichzeitig
mit dem vorgeformten Implantat zu verschmelzen.
-
Ein
Fachmann kann also nach dem routinemäßigen trial-and-error-Prinzip
die Methoden in BEISPIEL 2 modifizieren, um die Konzentration der
verwendeten FREC und/oder die Dicke der Schicht des mit der FREC
gemischten PE-Pulvers anzupassen und kann die vorliegende Erfindung
verwenden, um einen bestimmten maximalen Vernetzungsgrad in der
Oberflächenschicht
sowie eine gewünschte
maximale Vernetzungstiefe zu erreichen.
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i) GLÜHEN EINES CHEMISCH VERNETZTEN
IMPLANTATS
-
Ein
chemisch vernetztes Implantat kann geglüht werden, um es auf eine stabile
Größe zu schrumpfen,
bevor die Hüftpfanne
zum endgültigen Produkt
geformt wird. Die geglühte
Hüftpfanne
kann in Größe oder
Form verändert
werden, beispielsweise durch maschinelle Bearbeitung, um das Produkt mit
den gewünschten
Dimensionen herzustellen. Die Glühtemperatur
wird vorzugsweise so ausgewählt, dass
eine thermische Oxidation des vernetzten PE vermieden und ein Verziehen
der Pfanne minimiert werden. Die Glühtemperatur liegt also vorzugsweise unterhalb
des Schmelzpunktes des geformten PE. Beispiel: die Schmelztemperaturen
von geformtem UHMWPE und geformtem UHMWPE, das mit 1 Gewichts-%
Peroxid vernetzt wurde, liegen bei etwa 132°C bzw. bei etwa 126°C. Die bevorzugte
Glühtemperatur
für diese
beiden geformten UHMWPE liegt zwischen 60°C und 125°C, vorzugsweise bei etwa 100°C. Die Glühzeit beträgt generell
1 bis 6 Stunden, vorzugsweise 2 bis 4 Stunden. Bei UHMWPE liegt
die Glühzeit
vorzugsweise zwischen 2 bis 4 Stunden, besser bei etwa 2 Stunden.
Um eine weitere thermische Oxidation des vernetzten PE zu vermeiden,
wird der Glühvorgang
am besten in einer sauerstoffarmen Umgebung durchgeführt, z.
B. in einem Vakuumofen oder in einer inerten Atmosphäre.
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ii) EINWEICHEN EINES MIT
PEROXID VERNETZTEN IMPLANTATS
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Bei
mit Peroxid vernetzten Implantaten können nach der Vernetzung Restchemikalien
aus der vernetzten Schicht entfernt werden, indem man das Implantat
z. B. zwischen 1 und 10 Tagen in geeigneten Lösungsmitteln, beispielsweise
Azeton oder 95%igen Alkohol, einweicht. Ein Fachmann kann mit der
in BEISPIEL 3 beschriebenen Methode bestimmen, wie lange ein bestimmtes
PE oder Implantat eingeweicht werden muss, um die gewünschte Reduzierung
oder Beseitigung des Peroxids zu erreichen.
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iii) BEISPIELE FÜR FREC
-
Konventionelle
Methoden zur chemischen Vernetzung von UHMWPE, die modifiziert werden können, um
das vernetzte UHMWPE und die Implantate mit Oberflächengradient
der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, werden z. B. beschrieben
bei de Boer, J. & Pennings,
A. J., Makromol. Chem. Rapid Commun., 2: 749 (1981); de Boer, J. & Pennings, A. J.,
Polymer, 23: 1944 (1982); de Boer, J., et al., Polymer, 25: 513
(1984) und Narkis, M., et al., J. Macromol. Sci. Phys., B 26: 37,
58 (1987). Die in
EP 0722973
A1 , weiter oben, beschriebene Methode kann ebenfalls modifiziert
werden, um das vorliegende neuartige UHMWPE und die Implantate zu
erzeugen. Die Vernetzungschemikalie FREC kann beispielsweise jede
Chemikalie sein, die sich bei Formungstemperatur zersetzt und hoch
reaktive Zwischenformen, freie Radikale, bildet, die dann mit dem PE
reagieren, um das Vernetzungsnetz zu bilden. Beispiele für FREC sind
Peroxide, Perester, Azoverbindungen, Disulfide, Dimethacrylate,
Tetrazene und Divinylbenzene. Beispiele für Azoverbindungen sind: Azobis-Isobutyronitrid,
Azobis-Isobutyronitril und Dimethylazodi-Isobutyrat. Beispiele für Perester
sind t-Butyl Perazetat und t-Butyl Perbenzoat.
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Vorzugsweise
wird das PE durch Behandeln mit einem organischen Peroxid vernetzt.
Die bevorzugten Peroxide sind 2,5-Dimethyl-2,5-bis(tert-Butylperoxy)-3-Hexyn
(Lupersol 130, Atochem Inc., Philadelphia, Pennsylvania); 2,5-Dimethyl-2,5-Di-(t-Butylperoxy)-Hexan;
t-Butyl α-Cumylperoxid;
Di-Butylperoxid;
t-Butyl-Hydroperoxid; Benzoylperoxid; Dichlorbenzoylperoxid; Dicumylperoxid;
Di-tertiär-Butylperoxid; 2,5-Dimethyl-2,5
Di(Peroxybenzoat)-Hexyn-3; 1,3-bis(t-Butylperoxy-Isopropyl)-Benzen;
Lauroylperoxid; Di-t-Amylperoxid; 1,1-di-(t-Butylperoxy)-Cyclohexan;
2,2-di-(t-Butylperoxy)Butan; und 2,2-di-(t-Amylperoxy)Propan. Das
bevorzugtere Peroxid ist 2,5-Dimethyl-2,5-bis(tert-Butylperoxy)-3-Hexyn. Die bevorzugten
Peroxide haben eine Halbwertzeit zwischen 2 Minuten bis 1 Stunde;
am meisten zu bevorzugen ist eine Halbwertzeit zwischen 5 Minuten bis
50 Minuten bei Formungstemperatur. Die bevorzugte Peroxidkonzentration
reicht von 0,2 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis 2 Gew.-%; vorzugsweise
von 0,2 Gew.-% bis 1 Gew.-%; und liegt am besten zwischen 0,4 Gew.-%
bis 1,0 Gew.-%. Das Peroxid kann in einem inerten Lösungsmittel
gelöst
werden, bevor man es dem Polymerpulver zusetzt. Das inerte Lösungsmittel
verdampft vorzugsweise, bevor das Polymer geformt ist. Beispiele
für inerte
Lösungsmittel sind
Alkohol und Azeton.
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(IV) STERILISATION
-
Die
Implantate der vorliegenden Erfindung können mit den in der Technik
bekannten Methoden sterilisiert werden, beispielsweise mit Ethylenoxid, Gasplasma
oder Gammastrahlen. Eine Sterilisation mit Ethylenoxid hat den zusätzlichen
Vorteil, die Oxidationsanfälligkeit
von mittels Elektronen bestrahltem PE zu senken (und damit auch
die langfristige Verschleißbeständigkeit
zu erhöhen,
siehe z. B. BEISPIEL 4, weiter unten), indem alle restlichen freien Radikale,
die sich durch die Bestrahlung mit E-Strahlen ergeben, reduziert
werden.
-
Die
Erfindung wird besser verständlich
bei Bezugnahme auf die beiliegenden Beispiele, die nur der Illustration
dienen sollen und nicht so zu verstehen sind, dass sie den Geltungsbereich
der Erfindung, wie er in den Ansprüchen im Anhang definiert wird,
einschränken.
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BEISPIELE
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BEISPIEL 1
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OBERFLÄCHENVERNETZUNG
DURCH BESTRAHLUNG MIT E-STRAHLEN NIEDRIGER ENERGIE
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MATERIAL
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Handelsübliche extrudierte
UHMWPE-Stangen (GUR 1050, 3'' Durchmesser, Poly
Hi Solidur, Ft Wayne, IN), mit einem Gewichtsmittel-Molekulargewicht
zwischen 5 × 106 und 6 × 106 Gramm pro Mol, wurden wie geliefert verwendet.
Die 8 mm dicken scheibenförmigen
Proben wurden aus den Stangen geschnitten und bei Raumtemperatur
in Stickstoffatmosphäre
bei Radiation Dynamics Inc. (New York, New York) mit einem E-Strahl
bestrahlt, wobei die Strahlungsdosen zwischen 5 und 15 Mrad lagen.
Um Werkstoffe mit vernetzter Oberfläche zu erzeugen, deren Inneres
jedoch unvernetzt blieb, wurde ein Probensatz bei 0,875 MeV bei
einer Dosisleistung von 1,35 Mrad/Sek. bestrahlt, wobei eine Oberflächendosis
von 5 Mrad erzeugt wurde, die in einer Tiefe von etwa 2 mm auf 2,5
Mrad und bei etwa 2,5 mm auf beinahe Null abfiel (3); ein anderer Probensatz wurde bei
0,650 MeV bei einer Dosisleistung von 1,35 Mrad/Sek. bestrahlt,
um eine Oberflächendosis von
10 Mrad zu erhalten, die in einer Tiefe von 1 mm auf etwa 5 Mrad
und bei etwa 1,5 mm auf fast Null abnahm; ein dritter Probensatz
wurde bei 650 kV bei einer Dosisleistung von 1,35 Mrad/Sek. bestrahlt,
um eine Oberflächendosis
von 15 Mrad zu erzielen, die in einer Tiefe von 1 mm auf etwa 7,5
Mrad und bei etwa 1,5 mm Tiefe auf beinahe Null abnahm. Nach der
Bestrahlung wurden die Proben in Stickstoffatmosphäre gelagert.
Die physikalischen Eigenschaften der bestrahlten Proben wurden mittels
Differentialkalorimetrie (DSC) und durch eine Analyse des Gelgehalts
bestimmt (um den Vernetzungsgrad festzustellen).
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DSC
-
Für die DSC-Messungen
wurde aus der Probe ein Kern von etwa 5 mm Durchmesser herausgeschnitten,
dieser wurde in Tiefenrichtung mit einem Mikrotom in 200 μm dicke Scheiben
geschnitten. Die Proben mit einem Gewicht von etwa 4 mg wurden von
50°C bei
10°C/Min.
in einem Differentialkalorimeter (Perkin-Eimer DSC-4) auf 170°C erhitzt.
Die Schmelztemperatur wurde aus dem Peak-Wert der endothermen Schmelztemperatur
ermittelt. Zur Temperaturkalibrierung wurde Indium eingesetzt.
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GELGEHALTANALYSE
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Der
Gelgehalt jedes Werkstoffes wurde als eine Funktion der Tiefe in
Bezug auf die vernetzte Oberfläche
analysiert. 100 μm
dicke Scheiben (von jeweils etwa 30–50 mg) wurden aus der Probe
mit dem Mikrotom hergestellt. Die Extraktion der Solfraktion wurde
durch 24-stündiges
Kochen in p-Xylen durchgeführt,
wobei zur Verhinderung der Oxidation 0,5 Gew.-% eines Antioxidans
(2,6-di-t-Butyl-4-Methylphenol)
zugesetzt wurde. Für
die leicht vernetzten Abschnitte unter der stark vernetzten Oberfläche wurden
die Proben in Membranfilter (0,5 μm
Porengröße) aus
PTFE (Teflon) eingewickelt, um einen Gelverlust zu vermeiden. Nach
der Extraktion wurden die Proben in Azeton zum Abschwellen gebracht und
bei 60°C
in einem Vakuumofen bis zum konstanten Gewicht getrocknet. Die Gelfraktion
wurde aus dem Verhältnis
des Gewichts des trockenen extrahierten Materials zum Gewicht des
trockenen nicht extrahierten Materials ermittelt.
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ERGEBNISSE
UND DISKUSSION
-
Wie
in 3 gezeigt wird, wurde
durch die Bestrahlung mittels E-Strahl die Schmelztemperatur der
vernetzten Oberflächenschicht
der 8 mm dicken UHMWPE-Proben erhöht. Bei allen bestrahlten Proben
fand sich ein starkes Gefälle
der Schmelztemperatur. Die Schmelztemperatur nahm allmählich mit zunehmender
Tiefe ab, bis der Temperaturanstieg im Inneren schließlich nicht
mehr vorhanden war, was darauf hinwies, dass keine Vernetzung stattgefunden hatte.
Die Vernetzungstiefe war abhängig
von der Energie des E-Strahls. Die Dosis in einer gegebenen Tiefe
hing von der Bestrahlungszeit ab. Die Vernetzungstiefe erhöhte sich
beispielsweise bis auf etwa 3 mm bei dem 0,875 MeV-Strahl (5 Mrad-Proben) und etwa
1,8 mm bei dem 0,650 MeV-Strahl (10- und 15-Mrad-Proben). Mit zunehmender
Bestrahlungsdosis nahm die Schmelztemperatur stärker zu (3). Der Gelgehalt (d. h. der Vernetzungsgrad, 4) nahm ebenfalls mit zunehmender
Bestrahlungsdosis zu, wobei die maximalen Gelgehalte der 5-, 10-
und 15-Mrad-Proben bei etwa 93, 95 bzw. 96% lagen.
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BEISPIEL 2
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AN DER OBERFLÄCHE CHEMISCH
VERNETZTES UHMWPE AUS PEROXID
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MATERIAL
-
Handelsübliche UHMWPE-Flocken
(GUR 1050, Poly Hi Solidur) mit einem Gewichtsmittel-Molekulargewicht
von 5 × 10
6 bis 6 × 10
6 Gramm pro Mol wurde wie geliefert verwendet.
Bei dem Peroxid handelte es sich um 2,5-Dimethyl-2,5-bis(tert-Butylperoxy)-3-Hexyn
(Lupersol 130, Atochem Inc., Philadelphia). Eine Vermischung des
UHMWPE und des Peroxids erreichte man durch Dispergieren des UHMWPE-Pulvers
in einer Azetonlösung
des Peroxid und anschließendem
Verdampfen des Azetons (unter Verwendung der in
EP 0722973 A1 , "Chemically Crosslinked
Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene for Artificial Human Joints" von R. Salovey,
et al. beschriebenen Methode). Die an der Oberfläche vernetzten UHMWPE-Proben
wurden nach den folgenden Verfahren synthetisiert:
-
METHODE A
-
Das
ursprüngliche
UHMWPE-Pulver wurde in eine rechteckige Form (Abmessungen: 8,8 × 3,7 × 2,8 cm)
gegeben und dann bei Raumtemperatur und einem Druck von 13,79 mPa
(2000 psi) für
10 Minuten kaltgepresst. Eine Schicht aus UHMWPE-Pulver, gemischt
mit entweder 1 Gew.-% oder 0,2 Gew.-% Peroxid (die Schicht war etwa
0,5 mm für
1 Gew.-% Peroxid und etwa 1,0 mm für 0,2 Gew.-% Peroxid) wurde
dann auf das kompaktierte Pulver aufgebracht und beide wurden dann
weiter bei Raumtemperatur und einem Druck von 13,79 mPa (2000 psi)
10 Minuten kaltgepresst. Die kompaktierte Mischung wurde dann bei
einem Druck von 6,897 mPa (1000 psi) bei 170°C für 2 Stunden erwärmt und
dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt, während ein Druck von 13,79 mPa
(2000 psi) gehalten wurde.
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METHODE B
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Das
ursprüngliche
UHMWPE-Pulver wurde in die rechteckige Form gegeben, bei 6,897 mPa (1000
psi) auf 170°C
für 1 Stunde
erhitzt und dann langsam bei einem Druck von 13,79 mPa (2000 psi) auf
unter 100°C
abgekühlt.
Eine etwa 0,5 mm dicke Schicht aus UHMWPE-Pulver, gemischt mit 1 Gew.-%
Peroxid, wurde dann oben auf den geformten Block aufgegeben und
der Block wurde bei 13,79 mPa (2000 psi) Druck 10 Minuten kaltgepresst,
für 2 Stunden
bei 6,897 mPa (1000 psi) auf 170°C
erwärmt und
dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt, während ein Druck von 13,79 mPa
(2000 psi) gehalten wurde. Die physikalischen Eigenschaften der Probenoberflächen, die
mit den Methoden A oder B vernetzt worden waren, wurden mittels
DSC und Gelgehaltanalyse ermittelt, wie in BEISPIEL 1.
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ERGEBNISSE
UND DISKUSSION
-
Die
Schmelztemperaturen und Gelgehaltprofile der oberflächenvernetzten
UHMWPE, die mit Methode A erzeugt wurden, sind in den 5–6 dargestellt.
Anders als bei durch Bestrahlung vernetzten Proben (3), für
die die Schmelztemperatur durch Vernetzung erhöht wurde, mit Peroxidvernetzung während des
Formens, nahm die Schmelztemperatur der Proben nach der Vernetzung
ab, weil die Proben in einer vernetzten Schmelze rekristallisierten.
Je mehr Peroxid vorhanden war, desto geringer war die Schmelztemperatur
(5). Bei Proben, die
sowohl mit 0,2 als auch mit 1 Gew.-% Peroxid vernetzt wurden, fand
sich ein starkes Gefälle
in der Schmelztemperatur. Die gegenseitige Durchdringung des mit
Peroxid gemischten und des nicht mit Peroxid gemischten UHMWPE und
die Diffusion des Peroxids während
der Formung führten
dazu, dass die vernetzte Schicht etwa 4 mm in das PE eindrang. Mit
einer Peroxidvernetzung von 1 Gew.-% wies die Oberflächenschicht
(etwa 1 mm dick) fast einen 100%-igen Gelgehalt auf (6), der allmählich in
etwa 4 mm Tiefe auf etwa 60% abnahm. Im Gegensatz dazu betrug der
Gelgehalt bei einer Peroxidvernetzung mit 0,2 Gew.-% etwa 90% in
der Oberflächenschicht
und nahm mit zunehmender Tiefe schneller ab, um schließlich in
einer Tiefe von etwa 3,3 mm effektiv bis auf Null abzusinken.
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Die
Schmelztemperatur- und Gelgehaltprofile der an der Oberfläche vernetzten
UHMWPE-Proben bei Anwendung der Methode B sind in 7 dargestellt. Im Vergleich der mit Methode
A hergestellten vernetzten Probe mit 1 Gew.-% Peroxid wiesen die mit
Methode B hergestellten Proben steilere Gradienten sowohl bei der
Schmelztemperaturspitze als auch beim Gelgehalt auf (d. h. beim
Vergleich von 7 mit
den 5 und 6).
-
BEISPIEL 3
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EXTRAKTION
VON RESTCHEMIKALIEN AUS DEM PEROXIDZERFALL
-
MATERIAL
-
Handelslübliches
GUR 4150 UHMWPE in der ursprüngichen
Flockenform (Hoechst, Texas), mit einem Gewichtsmittel-Molekulargewicht
von etwa 5 × 106 bis 6 × 106 Gramm pro Mol, wurde wie geliefert verwendet.
Das Mischen von 1 Gew.-% Peroxid mit dem UHMWPE wie in BEISPIEL
2, die vernetzten Blöcke,
8 mm dick, wurden vorbereitet, indem das gemischte Pulver bei 170°C und einem
Druck von 6,897 mPa (1000 psi) auf das Pulver 2 Stunden erhitzt
wurde. Nach 2 Stunden wurde der Druck auf die Probe erhöht auf 13,79
mPA (2000 psi) und die Probe wurde in der Presse langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese
Proben wurden nicht, wie in BEISPIEL 2, an der Oberfläche vernetzt,
sondern in ihrer gesamten Dicke, um die Extraktionstiefe der Lösungsmittel
festzustellen.
-
Die
zu extrahierenden Proben wurden in Ethanol oder Azeton bei Raumtemperatur
7 Tage eingeweicht und dann in einem Vakuumofen bei 50°C über Nacht
getrocknet. Die Konzentration der Restchemikalien, wie durch die
Tertiäralkohole
angezeigt, wurde anhand der Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie
(FTIR) geprüft.
-
FTIR
-
FTIR-Messungen
wurden mit den extrahierten und den nicht extrahierten Proben durchgeführt.
-
Von
jeder PE-Probe wurden etwa 5 mm breite Segmente geschnitten, die
dann mit dem Mikrotom in 200 μm
dicke Scheiben geschnitten werden. Die Tertiäralkoholprofile wurden mit
einem Mattson Polaris Spektrophotometer (Modell IR 10410) mit einem Spectra-Tech
IR Planmikroskop gemessen. Die Spektren wurden in Schritten von
100 μm durch
die gesamte Probe festgehalten, wobei eine Summation von 64 Scans
bei einer Auflösung
von 16 cm–1 mit
einem MCT-Detektor (MCT = Mercury Cadmium Telluride) verwendet wurde.
Die Tertiäralkoholkonzentration
wurde angegeben durch das Verhältnis
der Peakhöhe
des Absorptionsbands bei 1173 cm–1 bis
zur Höhe
des Referenzbands bei 2022 cm–1 (d. h. als Darstellung
der CH2-Vibration).
-
ERGEBNISSE
UND DISKUSSION
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Wie
in 8 gezeigt wird, werden
durch Extraktion mit Ethanol oder Azeton die Tertiäralkohole an
der Oberfläche
auf Null reduziert, wobei die Konzentration der Tertiäralkohole
in einer Tiefe von etwa 0,5 mm auf etwa 40–50% der Konzentration der
nicht extrahierten Proben ansteigt. Durch die Begrenzung der chemischen
Vernetzung auf nur eine Oberflächenschicht
ist also ein weiterer Vorteil der, dass die Tertiäralkohole
primär
in der Oberflächenschicht
vorhanden sind und deswegen durch Einweichen in einem Lösungsmittel
leichter extrahiert werden können.
Längere
Einweichzeiten hätten
eine tiefere Extraktion zur Folge.
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BEISPIEL 4
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THERMISCHES ALTERN VON
UHMWPE, DAS DURCH BESTRAHLEN MIT E-STRAHL AN DER OBERFLÄCHE VERNETZT
WURDE
-
MATERIAL
-
Werkstoffe
und Bestrahlungsmethoden waren wie in BEISPIEL 1 beschrieben. Die
8 mm dicken UHMWPE-Proben wurden durch E-Strahl-Bestrahlung mit
5, 10 oder 15 Mrad an der Oberfläche
vernetzt, während
sie sich in einer Stickstoffatmosphäre befanden. Nach der Bestrahlung
wurden die Proben aus jeder Bestrahlungsdosis wie folgt behandelt;
(1) Lagerung in Wasserstoffatmosphäre bei einem Druck von 0,21
mPa (30 psi) und Raumtemperatur für 18 Stunden; (2) Sterilisation
mit Ethylenoxid nach Wasserstoffbehandlung mit den üblichen
Sterilisationsverfahren; oder (3) Sterilisation mit Ethylenoxid
ohne Wasserstoffbehandlung. Ein Probensatz jeder Bestrahlungsdosis
diente als Kontrolle, d. h. er wurde nach der Bestrahlung nicht
weiter behandelt.
-
Um
die Beständigkeit
der bestrahlten Proben gegen Oxidation, mit oder ohne Behandlung
nach der Bestrahlung, prüfen
zu können,
wurden die o. g. Proben in einem Ofen langsam (bei etwa 0,2°C/Min.) auf 80°C bei Umgebungsatmosphäre erwärmt und
für etwa
11 Tage auf 80°C
gehalten. Nach dieser thermischen Alterung wurde die Oxidation der
gealterten Proben mit FTIR als eine Funktion der Tiefe geprüft.
-
FTIR
-
Von
jeder PE-Probe wurden etwa 5 mm breite Segmente geschnitten, die
dann mit dem Mikrotom in 200 μm
dicke Scheiben geschnitten wurden. Die Oxidationsprofile, die durch
die Karbonylkonzentration angezeigt wurden, wurden mit einem Mattson
Polaris FTIR-Spektrophotometer (Modell IR 10410) mit einem Spectra-Tech
IR Planmikroskop gemessen. Die Spektren wurden in Schritten von
100 μm von
der Oberfläche
bis zur Mitte der Probe festgehalten, wobei eine Summation von 64
Scans bei einer Auflösung
von 16 cm–1 mit
einem MCT-Detektor (MCT = Mercury Cadmium Telluride) verwendet wurde.
Die Konzentration der Karbonylgruppe wurde angegeben durch das Verhältnis der
Peakhöhe
der Ketonabsorptionsbande bei 1717 cm–1 bis
zur Höhe
der Referenzbande bei 2022 cm–1 (CH2-Vibration).
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ERGEBNISSE
UND DISKUSSION
-
Die
Oxidationsprofile als eine Funktion der Tiefe sind in 9–11 dargestellt.
Wie in 9 für die 5
Mrad-Werkstoffe gezeigt wird, wurde die Empfindlichkeit des Werkstoffs
gegenüber
einer Oxidation durch die Wasserstoffbehandlung oder Ethylenoxidsterilisation
offensichtlich im Vergleich zu dem nicht behandelten Werkstoff reduziert,
wie das niedrige Oxidationsverhältnis
zeigt. Das mit Wasserstoff behandelte und dann mit Ethylenoxid sterilisierte
Material hatte eine geringere Oxidation, d. h., diese war in der
Nähe der
Oberfläche
etwa 70% geringer, als bei dem nicht behandelten Material, was ein
Hinweis dafür
war, dass sowohl durch die Behandlung mit Wasserstoff als auch durch
eine Sterilisation mit Ethylenoxid die restlichen freien Radikale,
die aufgrund einer Bestrahlung mit E-Strahlen gebildet werden, wirksam
reduziert werden können.
-
Nach
der thermischen Alterung war die Oxidation bei der höheren Bestrahlungsdosis
(9 bis 11) stärker. Bei den 10 Mrad-Werkstoffen
(10) wurden die restlichen
freien Radikale durch eine Sterilisation mit Ethylenoxid oder durch
eine Behandlung mit Wasserstoff mit anschließender Sterilisation mit Ethylenoxid
wesentlich reduziert, was zu einer wesentlich geringeren Oxidation
führte,
jedoch war die Wirkung einer Behandlung nur mit Wasserstoff gering
und es gab nur einen geringen Unterschied zwischen den Ethylenoxidproben
mit oder ohne Wasserstoffbehandlung. Ähnliche Ergebnisse wurden für die 15
Mrad-Werkstoffe erzielt (11).
-
Obwohl
die Wasserstoffbehandlung mit den Zeiten und Drücken des vorliegenden Beispiels
nur bei den Proben mit der geringeren Strahlendosis (5 Mrad) eine
ausgeprägte
Wirkung hatte, konnte die Wirksamkeit für die höheren Dosen durch Erhöhen der
Zeit und/oder des Drucks entweder bei Raumtemperatur oder bei einer
erhöhten
Temperatur verstärkt
werden, wodurch der Widerstand der vernetzten Oberflächenschicht
gegenüber
einer längerfristigen
Oxidation verbessert wurde. Ein Fachmann kann diese Bedingungen
nach dem Routineprinzip von Trial und Error anpassen, um langfristig
eine Oxidation zu verringern.