DE69737356T2

DE69737356T2 - Herstellung von medizinischen Implantatan aus Quervernetztem Ultrahochmolokularem Polyethylen mit verbesserter Abstimmung von Abriebfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit

Info

Publication number: DE69737356T2
Application number: DE69737356T
Authority: DE
Inventors: Ashley Kenneth Newark SAUM; Michael William Mendenhall SANFORD; Gerald William Boothwyn DIMAIO; George Edward Hockessin HOWARD
Original assignee: DePuy Orthopaedics Inc
Current assignee: DePuy Orthopaedics Inc
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2017-10-03
Also published as: US6316158B1; WO1998014223A1; US6562540B2; EP0935474A1; JP2001523982A; US6242507B1; EP0935474B1; JP2009261978A; AU4742697A; US6017975A; JP5014528B2; DE69737356D1; US20020107300A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen medizinischer Implantate aus vernetztem ultrahochmolekularem Polyethylen mit einer verbesserten Balance von Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit.
Auf dem Gebiet ist bekannt, dass ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) durch Bestrahlung mit hochenergetischer Strahlung, zum Beispiel Gammastrahlung, in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum vernetzt werden kann. Wird UHMWPE einer Gammabestrahlung ausgesetzt, führt dies im Polymer zu einer Anzahl von Reaktionen mit freien Radikalen. Eine von diesen ist die Vernetzung. Diese Vernetzung erzeugt im Polymer ein 3-dimensionales Netz, das es in mehreren Richtungen beständiger gegen Adhäsionsabrieb macht. Die bei der Bestrahlung des UHMWPE gebildeten freien Radikale können auch an einer Oxidation teilnehmen, die durch Kettenspaltung das Molekulargewicht des Polymers verringert, was zu einer Verschlechterung von physikalischen Eigenschaften, zur Versprödung und zu einer erheblichen Zunahme der Abriebrate führt. Die freien Radikale sind sehr langlebig (mehr als acht Jahre), sodass die Oxidation über eine sehr lange Zeitdauer anhält, wodurch als Ergebnis einer über eine Zeitdauer von ungefähr 5 Jahren anhaltenden Oxidation eine 5-fache Zunahme der Abriebrate erfolgt. An sich ist die Abriebrate von herkömmlich bestrahlten Materialien erheblich höher als die von unbestrahlten Materialien.
Das hiermit durch Literaturhinweis eingefügte US-Patent 5.414.049 von Sun u. a. offenbart ein Verfahren zum Verbessern der Oxidationsbeständigkeit medizinischer Implantate, die mit Strahlung sterilisiert wurden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein polymeres Rohmaterial durch Formen eines unbehandelten Harzpulvers erhalten, aus dem vor dem Formungsprozess Luft und Feuchtigkeit entfernt wurden. Der Formungsprozess, z. B. Sinterextrusion oder Formpressen des Pulvers, wird vorzugsweise auch in einer inerten Atmosphäre mit geringem Sauerstoffgehalt durchgeführt. Aus dem Rohmaterial, z. B. einem olefinischen Material wie etwa UHMWPE, wird ein medizinisches Implantat geformt und in einer nichtreaktiven Atmosphäre mit vermindertem Sauerstoffgehalt in einer sauerstoffundurchlässigen Verpackung versiegelt sowie durch Strahlung sterilisiert, gefolgt vom Erwärmen des sterilisierten verpackten Implantats auf eine Temperatur zwischen 37°C und dem Schmelzpunkt des olefinischen Materials. Der Erwärmungsschritt erzeugt Vernetzungen zwischen verbleibenden freien Radikalen, die während des Strahlungssterilisierungs-Schritts gebildet wurden, und verbessert dadurch die Oxidationsbeständigkeit des Materials. Wenn die Tempertemperatur zu hoch ist, kann die thermische Behandlung eine Verformung des UHMWPE-Implantats hervorrufen, die bei orthopädischen Endanwendungen unerwünscht ist, bei denen die Implantate im allgemeinen bearbeitet oder auf enge Toleranzen geformt werden. Wenn das Temperaturprofil während des Temperns auf geringere Temperaturen eingestellt wird, um eine Verformung von UHMWPE-Implantaten zu vermeiden, erfolgt im allgemeinen eine unvollständige Löschung der freien Radikale, und das UHMWPE oxidiert, wenn es Luft oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird.
Die hiermit durch Literaturhinweis eingefügte veröffentlichte internationale Patentanmeldung WO 96/09330 von Hyun u. a. offenbart ein Verfahren zum Formen orientierter UHMWPE-Materialien für die Verwendung in künstlichen Gelenken durch Bestrahlung mit geringen Dosen hochenergetischer Strahlung in einem inerten Gas oder im Vakuum, um das Material in einem geringen Grad zu vernetzen, wobei das bestrahlte Material auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der eine Kompressionsverformung möglich ist, vorzugsweise auf eine Temperatur in der Nähe des Schmelzpunkts oder darüber, sowie zum Durchführen einer Kompressionsverformung, gefolgt vom Abkühlen und Erstarren des Materials.
Die orientierten UHMWPE-Materialien haben eine verbesserte Abriebbeständigkeit. Medizinische Implantate können aus den orientierten Materialien bearbeitet oder direkt während der Kompressionsverformungs-Schritts geformt werden. Die anisotrope Beschaffenheit der orientierten Materialien kann sie empfindlich gegen eine Verformung nach dem Bearbeiten zu Implantaten machen.
Die hiermit durch Literaturhinweis eingefügte veröffentlichte europäische Patentanmeldung EP 722973 von Salovey u. a. offenbart ein Verfahren zum Verbessern der Abriebbeständigkeit von Polymeren, einschließlich UHMWPE, wobei sie durch Bestrahlung in der Schmelze oder mithilfe von Peroxid oder ähnlichen chemischen Agenzien vernetzt werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beseitigt das Problem der thermischen Verformung des Implantats, indem ein verfestigtes UHMWPE-Material bestrahlt und thermisch behandelt wird, bevor daraus ein Implantat geformt wird. Durch Trennen des Bestrahlungs-Vernetzungs-Schritts vom Sterilisierungs-Schritt ermöglicht es die vorliegende Erfindung, für die Vernetzung geringere Bestrahlungsstärken zu verwenden, als sie für eine Sterilisierung von UHMWPE wirksam wären. Außerdem kann der auf die Bestrahlung folgende Wärmebehandlungsschritt bei Temperaturen beim oder oberhalb vom Schmelzpunkt durchgeführt werden, wodurch die Form eines bearbeiteten oder geformten Implantats verfälscht würde, das für die endgültige Sterilisierung verpackt wurde. Eine Wärmebehandlung beim oder oberhalb vom Schmelzpunkt führt zu einer verbesserten Molekülbeweglichkeit, zur Beseitigung freier Radikale in den kristallinen Bereichen des Polymers, die bei Temperaturen unterhalb derjenigen der Schmelze nicht erfolgen kann, und zu einer stärkeren Vernetzung sowie zu einer verminderten Oxidation in gealterten Proben. Wenn eine Wärmebehandlung bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt wird, führt die unvollständige Löschung freier Radikale zu einer Restoxidation bei der Alterung. Durch Trennen des Bestrahlungs- und des Temperschritts vermeidet das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch die Notwendigkeit, in der Schmelze zu bestrahlen, was im kommerziellen Maßstab schwierig zu realisieren ist. Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein medizinisches Implantat aus vernetztem UHMWPE mit einer verbesserten Abriebbeständigkeit herzustellen, ohne dass chemische Vernetzungsagenzien verwendet werden. Aus dem vernetzten UHMWPE-Material der vorliegenden Erfindung geformte medizinische Implantate können in einer luftdurchlässigen Verpackung verpackt und mit nichtbestrahlenden Verfahren wie etwa Gasplasma oder Ethylenoxid sterilisiert werden, wodurch die Notwendigkeit beseitigt wird, die Implantate in einer inerten Atmosphäre zu verpacken. Das vernetzte UHMWPE der vorliegenden Erfindung kann auch in nichtmedizinischen Anwendungen eingesetzt werden, die eine hohe Abriebbeständigkeit erfordern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach Anspruch 1. Optional kann die Halbzeug-Form vor der Bestrahlung in einer inerten Atmosphäre ohne Anwendung eines externen Drucks getempert werden. Die bestrahlte Halbzeug-Form wird vorzugsweise beim höchsten DSC-Schmelzpunkt oder darüber für eine Zeitdauer getempert, die ausreicht, um im wesentlichen alle freien Radikale zu rekombinieren (zu beseitigen) und das ultrahochmolekulare Polyethylen zu vernetzen. Dieser Temperschritt kann unter isostatischem oder hydrostatischem Druck durchgeführt werden. Das Implantat wird vorzugsweise mit nichtbestrahlenden Verfahren sterilisiert. Dies erfolgt vorzugsweise, indem das Implantat in einer luftdurchlässigen Verpackung verpackt und mit Gasplasma behandelt wird.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein verbessertes vernetztes ultrahochmolekulares Polyethylen nach Anspruch 19. Dieses vernetzte ultrahochmolekulare Polyethylen hat vorzugsweise eine prozentuale Bruchdehnung von mindestens 250, eine Einzelkerb-IZOD-Festigkeit von mindestens 82 mkg/m (15 foot pounds per inch [ft Ib/in]) und eine Doppelkerb-IZOD-Festigkeit von mindestens 7500 mkg/m² (35 ft Ib/sq in). Das medizinische Implantat aus diesem vernetzten ultrahochmolekularen Polyethylen zeigt eine verbesserte Balance von Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Die Abriebbeständigkeit ist höher als die von herkömmlichem ultrahochmolekularem Polyethylen, das mittels Gasplasma oder Gammabestrahlung sterilisiert wurde. Die Oxidationsbeständigkeit ist gegenüber der von herkömmlichem gammasterilisiertem ultrahochmolekularem Polyethylen wesentlich verbessert und ist vergleichbar mit der von unbestrahltem, mittels Gasplasma sterilisiertem ultrahochmolekularem Polyethylen.
Für die Zwecke dieser Erfindung ist ultrahochmolekulares Polyethylen als ein Polyethylen definiert, das ein geschätztes gewichtsgemitteltes Molekulargewicht von über ungefähr 400.000, gewöhnlich von 1.000.000 bis 10.000.000, wie es durch einen Schmelzindex (ASTM D-1238) von im wesentlichen null definiert ist, und eine reduzierte spezifische Viskosität von mehr als 8, vorzugsweise von 25 bis 30, hat.
Beim vorliegenden Verfahren wird als Ausgangsmaterial eine UHMWPE-Halbzeug-Form verwendet. Der Begriff Halbzeug-Form dient hier zur Bezeichnung eines geformten Gegenstands, der etwa mittels Sinterextrusion oder Formpressen von UHMWPE-Harzteilchen zu Stäben, Platten, Blöcken, Tafeln oder Ähnlichem verdichtet wurde. Derartige Halbzeug-Formen können aus handelsüblichem UHMWPE erhalten oder bearbeitet werden, beispielsweise aus Stäben aus sinterextrudiertem UHMWPE GUR 4150 HP von PolyHi Solidur (Fort Wayne, Indiana, USA). Die Ausgangs-Halbzeug-Form kann auch unter Druck rekristallisiert werden, wie in dem hiermit durch Literaturhinweis eingefügten US-Patent 5.478.906 von Howard beschrieben ist. Das Material der UHMWPE-Halbzeug-Form enthält keine Stabilisatoren, Antioxidanzien oder andere chemische Additive, die bei medizinischen Anwendungen potentielle nachteilige Wirkungen haben.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte der Bestrahlung einer UHMWPE-Halbzeug-Form, um dadurch freie Radikale zu bilden und das UHMWPE zu vernetzen, des Temperns der bestrahlten UHMWPE-Halbzeug-Form bei erhöhter Temperatur in einer im wesentlichen sauerstofffreien. Atmosphäre, um dadurch jegliche vom Bestrahlungsschritt verbleibenden freien Radikale zu beseitigen, wodurch weiter vernetzt und die Oxidationsbeständigkeit des bestrahlten UHMWPE verbessert sowie aus der getemperten vernetzten Halbzeug-Form ein medizinisches Implantat geformt wird. Beim Bestrahlungsschritt wird vorzugsweise Gammastrahlung verwendet, jedoch können auch ein Elektronenstrahl oder Röntgenstrahlung verwendet werden. Ultrahochmolekulares Polyethylen, das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, hat eine verbesserte Balance von Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Die stärkere Vernetzung führt zu verringerten Quellverhältnissen, im allgemeinen von weniger als ungefähr 5, und zu einer verbesserten Abriebbeständigkeit bei vergleichbarer Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu unbestrahltem UHMWPE.
Die Halbzeug-Form wird vorzugsweise im festen Zustand mit Gammastrahlung mit einer Dosis von ungefähr 0,5 bis 10 Mrad mittels Verfahren bestrahlt, die auf dem Gebiet bekannt sind. Vorzugsweise wird die Halbzeug-Form mit einer Dosis von ungefähr 1,5 bis 6 Mrad bestrahlt. Strahlungsdosen von weniger als ungefähr 0,5 Mrad ergeben im allgemeinen eine Vernetzung, die nicht ausreicht, um beim endgültigen Implantat die gewünschte Verbesserung der Abriebbeständigkeit zu erzielen. Obwohl Dosen von mehr als 10 Mrad verwendet werden können, wird die durch die höhere Dosis erzielte zusätzliche Verbesserung bei der Abriebbeständigkeit im allgemeinen durch eine Erhöhung der Sprödigkeit des UHMWPE aufgrund des höheren Vernetzungsgrades ausgeglichen. Ultrahochmolekulares Polyethylen, das mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, hat im allgemeinen eine prozentuale Bruchdehnung von mindestens ungefähr 250, eine Einzelkerb-Izod-Festigkeit von mindestens ungefähr 82 mkg/m (15 ft Ib/in), vorzugsweise von mindestens ungefähr 93 mkg/m (17 ft Ib/in) und eine Doppelkerb-Izod-Festigkeit von mindestens ungefähr 7500 mkg/m² (35 ft Ib/sq in).
UHMWPE, das bei Temperaturen von mehr als ungefähr 280°C vorgetempert oder getempert wurde, hat im allgemeinen eine prozentuale Bruchdehnung von mindestens ungefähr 400, vorzugsweise von mindestens ungefähr 500. Der Bestrahlungsschritt wird im allgemeinen bei Raumtemperatur durchgeführt, jedoch können höhere Temperaturen verwendet werden.
Die Halbzeug-Form befindet sich während des Bestrahlungsschritts optional in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum, wie etwa in einer sauerstoffundurchlässigen Verpackung. Es können inerte Gase wie etwa Stickstoff, Argon und Helium verwendet werden. Wenn ein Vakuum verwendet wird, kann das verpackte Material einem oder mehreren Spülzyklen mit einem inerten Gas sowie dem Anlegen eines Vakuums unterzogen werden, um Sauerstoff aus der Verpackung zu entfernen. Beispiele für Verpackungsmaterialien umfassen Metallfolienbeutel, etwa aus Aluminium oder mit MYLARC^®-Polyester beschichteter Verpackungsfolie, die für heißversiegelte Vakuumverpackungen handelsüblich ist. Es können auch polymere Verpackungsmaterialien wie etwa Polyethylenterephthalat und Polyethylenvinylalkohol verwendet werden, die beide handelsüblich sind. Die Bestrahlung der Halbzeug-Form in einer inerten Atmosphäre vermindert die Wirkung der Oxidation und der begleitenden Kettenspaltungsreaktionen, die während der Gammabestrahlung eintreten können. Die Oxidation, die durch Sauerstoff verursacht wird, der während der Bestrahlung in der Atmosphäre vorhanden ist, ist im allgemeinen auf die Oberfläche der Halbzeug-Form beschränkt. Da das Verfahren der vorliegenden Erfindung das UHMWPE durch Strahlung vernetzt, bevor das Implantat geformt wird, können geringe Grade der Oberflächenoxidation toleriert werden, da während einer nachfolgenden Bearbeitung des Implantats die oxidierte Oberfläche von der Halbzeug-Form entfernt werden kann.
Nachdem die UHMWPE-Halbzeug-Form gammabestrahlt wurde, wird sie wärmebehandelt, indem sie bei erhöhter Temperatur in einer im wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre, die üblicherweise durch Einführen eines inerten Gases oder durch Anlegen eines Vakuums erzeugt wird, für eine Zeitdauer gehalten wird, die ausreicht, um im wesentlichen alle vom Bestrahlungs-Vernetzungs-Schritt im Material verbleibenden freien Radikale zu rekombinieren, wodurch das Material weiter vernetzt und gegen Oxidation stabilisiert wird. Während der Wärmebehandlung kann eine thermische Verformung des Halbzeug-Form-Materials auftreten, ohne dass das endgültige Implantat beeinflusst wird, da das Implantat nach der Wärmebehandlung aus der Halbzeug-Form geformt wird. Dies ermöglicht es, höhere Temperaturen zu verwenden, als sie bei Verfahren möglich sind, bei denen die endbearbeiteten Implantate wärmebehandelt werden. Die für die Reaktion der freien Radikale erforderliche Haltezeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Daher ist beim Wärmebehandlungsschritt der vorliegenden Erfindung ein weiter Bereich von Temperaturen akzeptabel, einschließlich Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts des UHMWPE.
Die bestrahlte Halbzeug-Form wird für eine Zeitdauer von 2 bis 120 Stunden, vorzugsweise 5 bis 60 Stunden, stärker bevorzugt 12 bis 60 Stunden, auf eine Temperatur bei oder oberhalb der Temperatur des Schmelzbeginns des bestrahlten wärmebehandelten Halbzeug-Form-Materials und vorzugsweise auf eine Temperatur bei oder oberhalb der höchsten Schmelztemperatur des bestrahlten wärmebehandelten Polymers erwärmt. Die Temperatur des Schmelzbeginns ist hierin als die Temperatur am Schnittpunkt der Grundlinie und der steilsten negativen Steigung der DSC-Schmelz-Endothermkurve definiert. Die Grundlinie schneidet den Anfangsabschnitt der Schmelz-Endothermkurve und ist eine Tangente am Endabschnitt der Kurve. Die höchste Schmelztemperatur ist hierin als die Position des Spitzenwerts der Schmelz-Endothermkurve definiert. Die Temperatur des Schmelzbeginns bei bestrahltem, wärmebehandeltem UHMWPE beträgt im allgemeinen ungefähr 120°C, und die höchste Schmelztemperatur liegt im allgemeinen zwischen 135°C und 140°C. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bestrahlung mit einer Dosis von 1,5 bis 6 Mrad, gefolgt von der Wärmebehandlung bei 150°C bis 170°C für eine Zeitdauer von 6 bis 60 Stunden, stärker bevorzugt 12 bis 60 Stunden. Die Temperatur und die Haltezeit, die ausreichen, damit im wesentlichen alle freien Radikale reagieren, können durch Messung der Oxidation der Proben mit dem weiter unten beschriebenen Verfahren bestimmt werden. Vorzugsweise werden die Temperatur und die Haltezeit dergestalt gewählt, dass nach der Alterung, wie mit diesem Verfahren gemessen, Oxidationsgrade von weniger als ungefähr 8 Carbonyl Fläche/mm (0,2 Carbonyl Fläche/mil) Probendicke, vorzugsweise von weniger als ungefähr 4 Carbonyl Fläche/mm (0,1 Carbonyl Fläche/mil) Probendicke, erhalten werden. Die Wärmebehandlung bei oder oberhalb der Temperatur des Schmelzbeginns führt zu einer verbesserten Molekülbeweglichkeit und zur Beseitigung freier Radikale in den kristallinen Bereichen des Polymers sowie zu einer stärkeren Vernetzung und zur verminderten Oxidation in gealterten Proben. Wird die Wärmebehandlung bei geringeren Temperaturen durchgeführt, ist die Beseitigung freier Radikale weniger vollständig, was beim Altern zu höheren Restoxidationsgraden führt.
Standard-UHMWPE kann bestrahlt und unter Druck rekristallisiert werden, um das UHMWPE in eine gestrecktkettige Konformation umzuwandeln, indem der Wärmebehandlungsschritt bei den Temperaturen und Drücken durchgeführt wird, die in US 5.478.906 für die Rekristallisation unter Druck offenbart sind. Zur Rekristallisation des UHMWPE unter Druck wird das Polymer in ein Druckgefäß in Wasser unter einem Druck eingebracht, der dem Druck standhält, den das Wasser bei den Arbeitstemperaturen entwickelt. Die Temperatur des Gefäßes wird erhöht, um das Polyethylen zu schmelzen, das bei einer Atmosphäre im allgemeinen bei 135°C bis 150°C und bei 345 MPa (50.000 psi) bei ungefähr 200°C schmilzt. Die zum Schmelzen des Polymers erforderliche Zeit hängt von der Größe der verwendeten UHMWPE-Halbzeug-Form ab. Da UHMWPE ein schlechter Wärmeleiter ist und eine sehr hohe Kristallisationswärme hat, kann es 1 bis 2 Stunden dauern, einen Stab mit einem Durchmesser von 3 Zoll auf 200°C zu erwärmen, wobei das Gefäß eine Temperatur von 220°C hat. Sobald das Polymer heiß und geschmolzen ist, wird der Druck beaufschlagt. Bevorzugte Drücke betragen ungefähr 230 MPa (33 kpsi) bis 480 MPa (70 kpsi). Eine weitere Verbesserung in den Eigenschaften kann erreicht werden, indem das UHMWPE vor der Rekristallisation unter Druck in einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts getempert wird. Für die Rekristallisation unter Druck von Material, das vor der Rekristallisation unter Druck vorgetempert wird, sind höhere Drücke als 310 MPa (45 kpsi) bevorzugt. Die Zeitdauer für die Abkühlung von 250°C auf 75°C beträgt normalerweise ungefähr 6 Stunden, jedoch kann eine erzwungene Abkühlung des Gefäßes sie auf 1 bis 2 Stunden verkürzen, ohne dass nachteilige Einwirkungen auf das Produkt eintreten.
Vorzugsweise ist das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte UHMWPE-Material ein isotropes Material, das keine signifikante molekulare oder kristalline Orientierung aufweist. Um zu verhindern, dass im Polymer eine Restspannung herbeigeführt wird, wird die thermische Behandlung nach der Bestrahlung vorzugsweise auf eine solche Weise durchgeführt, dass keine ungleichförmigen Kräfte auftreten, die während der Wärmebehandlung zu einer Verformung des Materials führen können. Während der Wärmebehandlung kann die Halbzeug-Form einem gleichförmigen Druck, wie etwa einem isostatischen oder hydrostatischen Druck, ausgesetzt werden, oder die Halbzeug-Form kann alternativ in Abwesenheit irgendwelcher extern beaufschlagter Drücke erwärmt werden, sodass das UHMWPE nicht verformt wird. Es ist unerwünscht, die Halbzeug-Form durch Anlegen komprimierender oder anderer Kräfte zu verformen, da dies zu einem orientierten Material führt, das sich aufgrund von inneren Spannungen nach dem Bearbeiten des Implantats verformen kann.
Nach einer vorgegebenen Zeitdauer wird die vernetzte Halbzeug-Form abgekühlt, während sie sich noch in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum befindet. Die vernetzte Halbzeug-Form wird auf eine Temperatur von unter ungefähr 100°C, vorzugsweise unter ungefähr 50°C, stärker bevorzugt auf Raumtemperatur, abgekühlt, bevor die Halbzeug-Form der Luft ausgesetzt wird. Wenn die Halbzeug-Form während des Wärmebehandlungsschritts verpackt war, wird sie nach dem Abkühlen aus der Verpackung entnommen und zu einem Implantat geformt, wobei auf dem Gebiet bekannte Verfahren wie etwa eine Bearbeitung verwendet werden. Das vernetzte UHMWPE ist insbesondere als Lageroberfläche, beispielsweise bei prothetischen Hüftgelenkspfannen, und als andere prothetische Formen für den Ersatz anderer Gelenke des menschlichen Körpers nützlich, einschließlich Knien, Schultern, Fingern, Wirbelsäule und Ellbogen. Das endbearbeitete Implantat wird dann verpackt und mit nicht radikalbildenden Verfahren sterilisiert. Da das Implantat im Hinblick auf eine Oxidation stabilisiert ist, ist es nicht notwendig, das endbearbeitete Implantat in einer inerten Atmosphäre zu verpacken. Beispielsweise kann das Implantat in einer luftdurchlässigen Verpackung verpackt und mit Gasplasma- oder Ethylenoxid-Verfahren, die auf dem Gebiet bekannt sind, sterilisiert werden. Beispielsweise kann eine von Abtox (Mundelein, Illinois) hergestellte PLAZLYTE^®-Gasplasma-Sterilisierungseinheit verwendet werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die UHMWPE-Halbzeug-Form vor dem Bestrahlungsschritt vorgetempert. Beim Vortemperschritt wird die Halbzeug-Form für mindestens 0,5 Stunden, vorzugsweise mindestens 3 Stunden, in einer inerten Atmosphäre einer Temperatur von 280°C bis 355°C, vorzugsweise von 320°C bis 355°C, ausgesetzt, ohne dass ein externer Druck beaufschlagt wird. Im allgemeinen ist es wünschenswert, dass das Polymer so nahe wie möglich auf seine Zersetzungstemperatur erwärmt wird, ohne dass diese erreicht wird. Die vorgetemperte Halbzeug-Form wird dann nicht zu jäh auf eine Temperatur von ungefähr 130°C oder darunter abgekühlt, und zwar mit einer derartigen Abkühlungsrate, dass Temperaturgradienten, die im Gegenstand innere Spannungen erzeugen, im wesentlichen vermieden werden. Ein schnelles Abkühlen, wie etwa durch Eintauchen in kaltes Wasser, sollte vermieden werden, da es die Bildung innerer Hohlräume verursacht. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, die Abkühlung des Polymers zuzulassen, während es in einer Isolierung eingeschlagen ist.
Die vorgetemperte Halbzeug-Form ist gegenüber dem Ausgangs-UHMWPE hinsichtlich Dehnung, Schlagfestigkeit und Kristallinität verbessert. Die abgekühlte vorgetemperte Halbzeug-Form wird dann bestrahlt und getempert, wie oben beschrieben ist.
PRÜFVERFAHREN
Sofern nicht anders angegeben, wurden die Prüfproben aus dem Inneren der Halbzeug-Form-Stäbe hergestellt.
Typ-IV-Dehnungsproben, die ASTM D-638 entsprechen, wurden aus den UHMWPE-Probenmaterialien herausgearbeitet. Die Prüfproben wurden in einen mechanischen Prüfrahmen Lloyd LR10K montiert und gemäß ASTM D-638 auf die Zugfließspannung (TYS), die Nennzugspannung (UTS) und die prozentuale Dehnung geprüft. Für die Beispiele 1-27 und die Vergleichsbeispiele A-C wurden Typ-IV-Proben verwendet, um UTS, TYS und prozentuale Dehnung zu messen.
Typ-I-Dehnungsproben wurden aus den UHMWPE-Proben herausgearbeitet und im Prüfrahmen befestigt. Der Elastizitätsmodul bei Zug wurde bei diesen Proben gemäß ASTM D-638 gemessen. Für die Beispiele 28-37 und das Vergleichsbeispiel D wurden auch Typ-1-Dehnungsproben dazu verwendet, TYS, UTS und prozentuale Dehnung zu messen.
Sämtliche Dehnungseigenschaften stellen jeweils den Mittelwert von 5 Prüfproben dar.
Eine thermische Analyse wurde an Scheiben mit einer Dicke von ungefähr 3 mm und einem Durchmesser von 1,5 mm durchgeführt, die aus dem UHMWPE-Probenstab herausgeschnitten wurden. Die Scheibe wurde auf die Probenschale eines Differentialscanning-Kalorimeters (DSC) gelegt und gewogen. Der Deckel wurde auf die Schale gelegt und festgepresst. Die Schale wurde in einen Thermoanalysator des DuPont-Modells 2000 eingesetzt, und bei einer Temperatur von 50°C wurde die Einstellung des Gleichgewichts zugelassen. Dann wurde mit einer Rate von 20°C/Minute erwärmt. Als der höchste Schmelzpunkt wurde die Position des Spitzenwerts der Schmelz-Endothermkurve verwendet. Die Temperatur des Schmelzbeginns wurde aus der DSC-Kurve als der Schnittpunkt der Grundlinie und der steilsten negativen Steigung der DSC-Schmelz-Endothermkurve bestimmt. Die Grundlinie schneidet den Anfangsabschnitt der Schmelz-Endothermkurve und ist eine Tangente am Endabschnitt der Kurve. Die Schmelzwärme (Hf) wurde als die Fläche unter der Schmelz-Endothermkurve berechnet.
Die prozentuale Kristallinität wurde ermittelt, indem die gemessene Schmelzwärme durch die theoretische Schmelzwärme von kristallinem UHMWPE, 290 J/g, dividiert wurde.
Dichtemessungen wurden an 1,5 mm dicken Scheiben aus UHMWPE durchgeführt, die aus den UHMWPE-Probenstäben herausgeschnitten wurden. Die Scheiben wurden in einer Lösung aus 65 Gewichtsanteilen 2-Propanol histologischer Reinheit und 35 Gewichtsanteilen Wasser eingeweicht. Die Probe wurde in eine kalibrierte Dichtegradientensäule eingebracht. Die Dichte wurde aus der Gleichgewichtsposition der Probe in der Säule ermittelt und in g/cm³ angegeben.
Die Beständigkeit gegen Verformung (Kriechen) wurde gemäß mit ASTM D-621 mit den folgenden Modifikationen gemessen: Die Proben wurden ohne Verwendung von Schmierflüssigkeiten zu Zylindern oder Würfeln bearbeitet; die Proben maßen 1,27 cm × 1,27 cm × 1,27 cm (0,5 in. × 0,5 in. × 0,5 in.)
Die Schlagfestigkeit wurde mit der in ASTM D-256 angegebenen Izod- Kerbprüfung mit den folgenden Modifikationen gemessen: Die Proben wurden ohne Verwendung von Schmierflüssigkeiten zur jeweiligen Form bearbeitet; es wurde Typ-A- oder Kerb-IZOD verwendet; die Probengröße betrug 1,27 cm × 6,35 cm (0,5 in. × 2,5 in.); zwischen dem Unterteil der Spitze und der gegenüberliegenden Seite lagen 1,02 cm (0,4 in.); das Schlag-Ende (vom Ende des Stabs bis zum Scheitel der Kerbe) lag bei 3,18 cm (1,25 in.); die Kerbe sollte den vorgeschriebenen Winkel von 22,5 Grad haben. Die Schlagfestigkeit wurde auch unter Verwendung von Doppelkerb-Izod-Proben und mit dem in ASTM F-648, Anhang A1, beschriebenen Prüfverfahren gemessen.
An Proben, die in porösem Atemgerätgewebe eingewickelt waren, um eine dichte Packung der Proben zu verhindern und einen freien Gaszutritt zu allen Oberflächen zu erlauben, wurde eine oxidative Alterung durchgeführt. Die Proben wurden dann in eine zylindrische Druckbombe von 10,2 cm × 20,4 cm (4 in. × 8 in.) gegeben und luftdicht versiegelt. Die Bombe wurde mit Sauerstoff auf einen Druck von 5 Atmosphären (506 kPa; 73,5 psi) gebracht und mit zylindrischen Bandheizelementen auf 70°C erwärmt und dabei für eine Dauer von 14 Tagen gehalten. Ergebnisse von Abriebversuchen nach der Alterung wurden erhalten, indem Hüftpfannen vor der Abriebprüfung mit diesem Verfahren gealtert wurden. Auf ähnliche Weise wurden gealterte Proben für die Doppelkerb-Izod-Prüfung auf Schlagfestigkeit gemäß ASTM F-648, Anhang A1, hergestellt, gefolgt von der oxidativen Alterung vor den Festigkeitsmessungen.
Proben für Oxidationsmessungen wurden nach der Gammabestrahlung und dem Tempern aus dem Inneren der abgekühlten Halbzeug-Form-Stäbe herausgeschnitten. Die Proben waren 45-Grad-Keile, die aus 1,27 cm (0,5 in.) dicken Scheiben mit 6,35 cm (2,5 in.) Durchmesser herausgeschnitten wurden. Oxidationsmessungen wurden an 250 μm (Mikrometer) dicken Abschnitten durchgeführt, die hergestellt wurden, indem die keilförmigen Proben mithilfe einer Bandsäge quer zu ihrer Dicke durchgesägt wurden. Aus der frisch freigesetzten Oberfläche wurde mithilfe eines Mikrotoms eine 250 μm (Mikrometer) dicke Scheibe herausgeschnitten und mittels FTIR analysiert. Ergebnisse zur Oxidation nach der Alterung wurden mit Keilschnitten erhalten, die gemäß der oben beschriebenen oxidativen Alterungsprozedur vor dem Präparieren des 250 μm (Mikrometer) dicken Abschnitts gealtert wurden. Die Probe wurde in ein Digilab-FTIR eingesetzt, das mit einem Mikroskop mit einem motorgetriebenen Schlitten ausgestattet war. Die FTIR-Apertur wurde durch das Mikroskop fokussiert, damit in einem kleinen Teil (25 μm (Mikrometer) × 200 μm (Mikrometer)) der Probe eine Messung der Infrarot-Extinktion möglich wurde. Der Mikroskopschlitten wurde von einem Schrittmotor in Inkrementen von 50 μm (Mikrometer) verschoben, damit die Carbonyl-Extinktion bei einer Anzahl von Positionen von der Oberfläche bis hinunter auf eine Tiefe von 4 mm gemessen werden konnte. Die Oxidation wurde anhand der Extinktion der Carbonyl-Peaks bei Wellenzahlen von 1670 bis 1730 im Vergleich zu einem Referenz-Peak quantifiziert, der der Methylen-Streckung entlang der Polymerhauptkette bei der Wellenzahl 4250 entspricht, wobei das Verfahren von Nagy & Li, "A Fourier Transform Infrared Technique For The Evaluation of Polyethylene Bearing Materials", Transactions, 16th Annual Meeting, The Society for Biomaterials; 3:109, 1990, angewandt wurde. Es wurde ein mittlerer Oxidationsgrad berechnet, indem die Kurve der Carbonyl-Konzentration in Abhängigkeit von der Tiefe bis auf eine Tiefe von 2,05 mm integriert wurde. Die Oxidation wird als Carbonyl Fläche/mil Probendicke angegeben.
Quellverhältnisse wurden mit der Methode C nach ASTM D-2765 gemessen. Die Prüfproben waren 8,1-mm-(0,32-Zoll-)Würfel. Sämtliche Quellverhältnisse stellen jeweils den Mittelwert von 4 Prüfproben dar.
Die Gasplasma-Sterilisierung wurde durchgeführt durch: (a) Einsetzen der Komponente in einen atmungsdurchlässigen Beutel und Heißversiegeln, (b) Einsetzen der verpackten Komponenten in die Kammer eines PLAZLYTE^®-Sterilisationssystems (Abtox, Inc., Mundelein, Illinois) und Evakuieren, (c) Füllen der Kammer mit Peressigsäure-Dampf und Halten für eine vorgegebene Zeitdauer, (d) Evakuieren der Kammer, (e) Füllen der Kammer mit einem gefilterten sekundären Plasma und Halten für eine vorgegebene Zeitdauer, (f) Evakuieren der Kammer, (g) Wiederholen der Schritte (c)-(f); (h) Füllen der Kammer mit atmosphärischer Luft, (i) Evakuieren der Kammer und j) Wiederholen der Schritte (h) und (i), um den Zyklus zu vervollständigen.
Abriebraten wurden erhalten, indem Prüfhüftpfannen mit einer kugelförmigen Vertiefung von 28 mm in der Pfanne in eine die Hüfte simulierende Abriebprüfvorrichtung eingesetzt wurden, die Oberschenkelköpfe mit 28 mm Durchmesser aufwies. Die Prüfpfannen wurden aus dem Inneren der Halbzeug-Form-Stäbe herausgearbeitet und für eine Dauer von 30 Tagen in Rinderkalbserum-Lösung vorgeweicht, die 20 mM EDTA und 0,2 Gew.-% Natriumazid enthielt. Die Pfannen wurden vor der Abriebprüfung mittels Gasplasma sterilisiert. Die Abriebprüfvorrichtung simulierte den menschlichen Schritt unter Verwendung der Paul-Hüftkurve mit einer Spitzenbelastung von 1900 N und einer Frequenz von 1,1 Hz. Die Belastung wurde in der vertikalen Richtung aufgebracht. Die Prüfpfanne im Hüftsimulator wurde in Rinderkalbserum eingetaucht und um 23 Grad aus der Horizontalen ausgelenkt. Nach jeweils 500.000 Zyklen wurden die Pfannen gewaschen, getrocknet und gewogen. Jede Prüfung wurde mit 2,5 bis 5 Millionen Zyklen durchgeführt. Kontrollpfannen, die eingeweicht wurden, dienten zur Korrektur in Bezug auf die Flüssigkeitsaufnahme. Die Abriebrate ist die in Bezug auf das Einweichen korrigierte Änderung des Pfannengewichts pro Million Zyklen.
BEISPIELE
In jedem der Beispiele 1-3, 28-37 und der Vergleichsbeispiele A-D bestand die UHMWPE-Halbzeug-Form aus sinterextrudiertem UHMWPE GUR 4150 HP (PolyHi Solidur, Fort Wayne, Indiana) in Form von Stäben mit 8,9 cm (3,5 in.) Durchmesser und ungefähr 76,2 cm (30 in.) Länge. Dieses Polymer hat ein Molekulargewicht von ungefähr 6 Millionen, einen höchsten Schmelzpunkt von ungefähr 135°C und eine prozentuale Kristallinität von ungefähr 45 % bis 55 %.
Beispiele 1-3
Stäbe aus UHMWPE, wie oben beschrieben, wurden in separate Beutel aus heißversiegelbarer Verpackungsfolie mit einer MYLAR^®-Polyester-Beschichtung, SP Klasse E, Typ 1.40 Sleevestock (Shield Pack, Inc., West Monroe, La) eingebracht, die mit Stickstoff gespült und dann evakuiert wurden. Diese Prozedur wurde wiederholt, und die Beutel wurden dann unter Vakuum versiegelt. Der Stab von Beispiel 1 wurde mit einer Dosis von 1 Mrad Gammabestrahlung aus einer Cobalt-60-Quelle bestrahlt. Die Gammabestrahlung wurde mit Isomedix (Morton Grove, Illinois) durchgeführt. Die Stäbe der Beispiele 2 und 3 wurden mit Dosen von 2,5 Mrad bzw. 5 Mrad bestrahlt. Nach der Bestrahlung wurden die Stäbe einzeln in einen Trockenschrank mit einer Temperatur von 325°C eingebracht und für eine Dauer von 4,5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach Ablauf der 4,5 Stunden wurden die Stäbe in ihren Verpackungen im Trockenschrank mit ungefähr 20°C/h auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die abgekühlten Stäbe wurden dann ihren Ver packungen entnommen, und es wurden mechanische und physikalische Eigenschaften sowie die Oxidation gemessen, wie oben beschrieben. Die Ergebnisse und die Prozessbedingungen sind in Tabelle I gezeigt. Diese Beispiele zeigen gegenüber den Vergleichsbeispielen A, B und C unter den Bedingungen mit Alterung wie auch ohne Alterung eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit. Der Effekt ist (gegenüber dem Vergleichsbeispiel C) beim Beispiel 3 am ausgeprägtesten, wobei mit einer höheren Dosis von 5 Mrad bestrahlt wurde. Die Oxidationsbeständigkeit mit Alterung und ohne Alterung bei den Beispielen 1-3 ist ver gleichbar mit der beim Beispiel D ohne Bestrahlung. Dieses verbesserte Verhalten beruht auf der im wesentlichen vollständigen Löschung der freien Radikale durch Tempern bei 325°C. Diese Beispiele zeigen außerdem einen unerwarteten Nutzen einer starken, ungefähr 2-fachen, Zunahme der prozentualen Dehnung bis zum Bruch, die der Temperatur des Temperns zugeschrieben wird. Die Dehnung nimmt im allgemeinen bei Proben stark zu, die bei Temperaturen von mehr als ungefähr 280°C getempert oder vorgetempert wurden.
Vergleichsbeispiele A-C
UHMWPE-Stäbe für die Vergleichsbeispiele A und C wurden unter Vakuum verpackt, wie bei den Beispielen 1-3 beschrieben, und mit Dosen von 1 Mrad bzw. 5,0 Mrad bestrahlt. Der Stab von Vergleichsbeispiel B wurde mit 2,5 Mrad in Luft ohne Verpackung bestrahlt. Die Stäbe wurden nach der Bestrahlung nicht wärmebehandelt. Mechanische und physikalische Eigenschaften sowie die Oxidation wurden gemessen, wie oben beschrieben. Die Ergebnisse und die Prozessbedingungen sind in Tabelle I gezeigt. Prüfproben wurden aus dem Inneren des Stabs entnommen, um jegliche Effekte der Oxidation im Vergleichsbeispiel B, bei dem in Luft bestrahlt wurde, im wesentlichen auszuschließen. Beim Beispiel B wurde nach 5 Millionen Zyklen eine Abriebrate ohne Alterung von 15 mg/Million Zyklen und eine Abriebrate mit Alterung von 88 mg/Million Zyklen gemessen. Diese Beispiele zeigen bei beschleunigt gealtertem Zustand eine oxidative Verschlechterung, was die Reaktion ungelöschter freier Radikale mit Sauerstoff beweist. Beispiel B zeigt außerdem den Effekt dieser Oxidation auf die Schlagfestigkeit und den Abrieb. Die Schlagfestigkeit ist nach der Alterung um einen Faktor 10 verringert. Obwohl die Abriebrate ohne Alterung beim Beispiel B gegenüber dem Vergleichsbeispiel D verbessert ist, hat sich die Abriebrate nach der Alterung um nahezu das 6-Fache erhöht, wesentlich stärker als die Abriebrate beim Vergleichsbeispiel D.
Vergleichsbeispiel D
Die UHMWPE-Stäbe für dieses Beispiel wurden nicht bestrahlt, wärmebehandelt oder mit Druck beaufschlagt. Sie wurden mithilfe einer PLAZLYTEO-Sterilisierungseinheit (Abtox Inc., Mundelein, Illinois) mit Gasplasma sterilisiert. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften ähneln denen handelsüblicher UHMWPE-Stäbe und sind in Tabelle V gezeigt. Nach 5 Millionen Zyklen wurden eine Abriebrate ohne Alterung von 30 mg/Million Zyklen und eine Abriebrate mit Alterung von 33 mg/Million. Zyklen erhalten.
Beispiele 4-15
Stäbe aus UHMWPE Hoechst GUR 415 mit 7,6 cm (3 in.) Durchmesser, die von PolyHi Solidur erhalten wurden, wurden auf eine Länge von ungefähr 38,1 cm (15 in.) geschnitten und unter einer Stickstoffatmosphäre in Beutel aus mit Polyethylen beschichteter Aluminiumfolie versiegelt.
Die Stäbe wurden mit Co-60-Gammastrahlen bestrahlt und für eine Dauer von einem Monat in den versiegelten Beuteln gealtert, damit die freien Radikale reagieren konnten. Es wurden Bestrahlungsdosen von 0,5, 1, 2 und 5 Mrad verwendet. Die Stäbe wurden dann den Beuteln entnommen und unmittelbar in ein Druckgefäß eingebracht, wie im US-Patent 5.236.669 von Simmons u. a. beschrieben ist, welches hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Die Rekristallisation unter Druck erfolgte durch Versiegeln des Gefäßes und Druckbeaufschlagung mit Wasser auf ungefähr 34,5 MPa (5000 psi). Das Gefäß wurde dann über eine Zeitdauer von 1,5 Stunden auf 250°C erwärmt. Nach 2 Stunden wurde der Druck auf 345 MPa (50.000 psi) erhöht und für den Rest der Druckbehandlung auf diesem Wert gehalten. Nach 1 bis 2 Stunden bei 250°C konnte das Gefäß auf 75°C abkühlen, und an diesem Punkt wurde der Druck abgelassen und das Produkt entnommen. Es wurden auch zusätzliche Stäbe mit dem oben erwähnten Verfahren unter Druck bei 269 MPa (39.000 psi) und bei 234 MPa (34.000 psi) rekristallisiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle II gezeigt.
Beispiele 16-21
Bei diesen Beispielen wurden die Stäbe aus UHMWPE GUR 415 mit 3 Zoll Durchmesser für eine Dauer von 4,5 Stunden in Stickstoff bei 325°C vorgetempert, in Stickstoff mit ungefähr 20°C/h abgekühlt und dann in Aluminiumfolie/Polyethylen-Beuteln unter Stickstoff versiegelt. Die Stäbe wurden dann mit Gammastrahlen bestrahlt. Nach der Alterung für eine Dauer von einem Monat wurden die Polymere unter Druck rekristallisiert, wie oben beschrieben. Prozessbedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle III angegeben. Das Polymer wurde bei höherem Druck in eine gestrecktkettige Form umgewandelt. Die während der Rekristallisation bei 345 MPa (50.000 psi) unter Druck behandelten Proben hatten höhere Schmelzpunkte, höhere Schmelzwärmen, höhere Elastizitätsmoduli bei Zug, höhere Nennfestigkeiten, höhere Zugfestigkeit bei plastischer Verformung, höhere Izod-Schlagfestigkeit und verbesserte Kriechbeständigkeit.
Die vorgetemperten Proben der Beispiele 16-21 haben höhere Dehnungen als die entsprechenden Proben der Beispiele 4, 5, 7, 8, 10 und 11, die nicht vorgetempert waren.
Beispiele 22-23
Bei diesen Beispielen wurden. Stäbe aus UHMWPE GUR 415 mit 3 Zoll Durchmesser mit 2,5 Mrad und 5,0 Mrad in Stickstoff gammabestrahlt und unter Druck bei 272 MPa (39.500 psi) rekristallisiert, wobei das bei den Beispielen 4-15 beschriebene Verfahren zum Einsatz kam. Bestrahlungsbedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle IV angegeben.
Beispiele 24-25
Bei diesen Beispielen wurden Stäbe aus UHMWPE GUR 415 mit 3 Zoll Durchmesser mit 2,5 Mrad und 5 Mrad bestrahlt und dann der Rekristallisation unter Druck bei 231 MPa (33.500 psi) unterzogen, wobei das bei den Beispielen 4-15 beschriebene Verfahren zum Einsatz kam. Bestrahlungsbedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle IV angegeben.
Die Beispiele 22-23 und 24-25 zeigen, wie die Beispiele 1-3, sowohl in den gealterten als auch in den nicht gealterten Zuständen eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit, auch aufgrund des im wesentlichen vollständigen Löschens freier Radikale während des Schritts der Rekristallisation unter Druck. Die Proben zeigen auch eine erhöhte Kristallinität, was seinerseits die Möglichkeit anzeigt, die Kristallstruktur des Polymers sogar bei Vorliegen von Vernetzungen zu ändern.
Beispiele 26-27
Bei diesen Beispielen wurden Stäbe aus UHMWPE GUR 415 mit 3 Zoll Durchmesser vor der Gammabestrahlung für eine Dauer von 4,5 Stunden bei 325°C in Stickstoff vorgetempert, mit ungefähr 20°C/h abgekühlt, gefolgt von der Gammabestrahlung unter Stickstoff mit 2,5 Mrad und 5 Mrad, und dann der Rekristallisation unter Druck bei 272 MPa (39.500 psi) unterzogen, wobei das bei den Beispielen 4-15 beschriebene Verfahren zum Einsatz kam. Bestrahlungsbedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle IV angegeben. Diese Beispiele zeigen, dass durch Kombinieren eines Vortemperschritts (325°C) mit einer Rekristallisation unter Druck nach der Bestrahlung die Oxidationsbeständigkeit erhalten bleibt, die Dehnung zunimmt und die Kristallinität im Vergleich mit herkömmlichem UHMWPE (Vergleichsbeispiel D) erhöht wird.
Beispiele 28-30
UHMWPE-Stäbe 28-30 wurden verpackt und verarbeitet, wie beim Beispiel 2 (2,5 Mrad) beschrieben, abgesehen davon, dass die Stäbe für eine Dauer von 6, 24 bzw. 48 Stunden auf 155°C erwärmt, aus dem Trockenschrank entnommen und abgekühlt wurden. Die Prozessbedingungen sowie mechanische und physikalische Eigenschaften sind in Tabelle V gezeigt. Diese Beispiele zeigen, dass ein Tempern bei 155°C ein Material mit ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit erzeugt. Bestrahlte Proben 28-30 zeigten gegenüber dem Vergleichsbeispiel D ohne Bestrahlung eine Verringerung des Doppelkerb-Izod. Es zeigt sich außerdem, dass die durch die 2,5-Mrad-Strahlungsdosis hervorgerufene Vernetzung ein Quellverhältnis von 3,9 im Vergleich zu 24,1 beim Beispiel D liefert. Bei Hüftpfannen, die aus dem vernetzten Polymer des Beispiels 30 gefertigt waren, wurde nach 5 Millionen Zyklen eine Abriebrate ohne Alterung von 14 mg/Million Zyklen gemessen.
Beispiele 31-33
UHMWPE-Stäbe 31, 32 und 33 wurden verpackt und verarbeitet, wie beim Beispiel 3 (5 Mrad) beschrieben, abgesehen davon, dass die Stäbe für eine Dauer von 6, 24 bzw. 48 Stunden auf 155°C erwärmt, aus dem Trockenschrank entnommen und abgekühlt wurden. Die Prozessbedingungen sowie mechanische und physikalische Eigenschaften sind in Tabelle V gezeigt. Diese Beispiele zeigen, dass sich bei UHMWPE, das einer Gammabestrahlung von 5 Mrad ausgesetzt und dann bei 155°C getempert wird, ebenfalls eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit ergibt. Es zeigt sich außerdem, dass die Strahlungsdosis die Schlagfestigkeit und die Dehnung verringert. Ein Vergleich dieser Quellverhältnisse, 2,6, mit den Beispielen 28-30 und D zeigt, dass die Vernetzung mit der Strahlungsdosis zunimmt. Beim Beispiel 32 wurde nach 2,5 Millionen Zyklen eine Abriebrate ohne Alterung von 0,8 mg/Million Zyklen und eine Abriebrate mit Alterung von 0,6 mg/Million Zyklen gemessen. Die Abriebrate beim Beispiel 32 ist. im Vergleich zu der bei den Beispielen 30, B und D stark verringert. Indem sowohl der Bestrahlungs- als auch der Temperschritt durchgeführt werden, werden die Abrieb- und die Oxida tionsbeständigkeit dieses Materials im Vergleich zu solchem Material stark verbessert, das bestrahlt, jedoch nicht getempert wird. Die Oxidationsbeständigkeit ist mit der des unbestrahlten Polymers (Vergleichsbeispiel D) vergleichbar, und das Abriebverhalten ist wesentlich verbessert.
Beispiele 34-36
UHMWPE-Stäbe 34, 35 und 36 wurden verpackt und verarbeitet, wie beim Beispiel 3 (5 Mrad) beschrieben, abgesehen davon, dass die Stäbe für eine Dauer von 6, 24 bzw. 48 Stunden auf 200°C erwärmt, aus dem Trockenschrank entnommen und abgekühlt wurden. Die Prozessbedingungen sowie mechanische und physikalische Eigenschaften sind in Tabelle V gezeigt. Diese Beispiele zeigen, dass ein Tempern bei 200°C auch beim Erzeugen eines oxidationsbeständigen Materials effizient ist.
Beispiel 37
Dieser Stab wurde verpackt und verarbeitet, wie beim Beispiel 3 (5 Mrad) beschrieben, abgesehen davon, dass der Stab für eine Dauer von 48 Stunden auf 120°C erwärmt, aus dem Trockenschrank entnommen und abgekühlt wurde. Nach 5 Millionen Zyklen wurde eine Abriebrate ohne Alterung von 5 mg/Million Zyklen gemessen. Ergebnisse sind in Tabelle V gezeigt. Dieses Beispiel zeigt, dass die Abriebbeständigkeit eines Materials, das bei 5 Mrad vernetzt und bei 120°C für eine Dauer von 48 Stunden getempert wurde, verbessert ist gegenüber den Beispielen 30 (2,5 Mrad, 155°C/48 Std.), C (5 Mrad, ungetempert) und D (unbestrahlt).
Die in den folgenden Tabellen verwendeten Nicht-SI-Einheiten können folgendermaßen in SI-Einheiten umgerechnet werden:

a) Zum Umrechnen von Elastizitätsmodul-, Druck- und Festigkeitswerten von psi in kPa: Multiplizieren der psi-Werte mit 6,89.
b) Zum Umrechnen von IZOD-Kerbwerten von ft Ib/in in mkg/m: Multiplizieren der (ft Ib/in)-Werte mit 5,448.
c) Zum Umrechnen von Doppelkerb-Werten der Schlagfestigkeit von ft Ib/in² in mkg/m²: Multiplizieren der (ft Ib/in²)-Werte mit 215.
d) Zum Umrechnen von Oxidationswerten von Fläche/mil in Fläche/mm: Multiplizieren der (Fläche/mil)-Werte mit 39,4.

(* S steht für eine Schulter an der Niedertemperatur-Seite der DSC-Kurve)

Claims

Verfahren zur Herstellung eines medizinischen Implantats mit einer verbesserten Balance von Abriebbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit, umfassend folgende Schritte: Bestrahlen einer Halbzeug-Form von ultrahochmolekularem Polyethylen, um dadurch freie Radikale zu bilden; Tempern der bestrahlten Halbzeug-Form, indem man die bestrahlte Halbzeug-Form in einer sauerstofffreien Atmosphäre bei oder oberhalb der Temperatur des Schmelzbeginns erwärmt, um das ultrahochmolekulare Polyethylen zu vernetzen, in Abwesenheit von externem Druck oder unter Anwendung eines uniformen Druckes, dergestalt, dass die Bildung einer molekularen oder kristallinen Orientierung vermieden wird; Abkühlen der vernetzten Halbzeug-Form unter Aufrechterhaltung der sauerstofffreien Atmosphäre; Formen eines medizinischen Implantates aus der vernetzten Halbzeug-Form; Verpacken des medizinischen Implantates in einer luftdurchlässigen Verpackung und Sterilisierung des verpackten Implantates mittels nicht-bestrahlender Methoden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Bestrahlungsschritt die Bestrahlung der Halbzeug-Form mit Gammabestrahlung einer Dosis von 0,5 bis 10 Mrad umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Bestrahlungsschritt die Bestrahlung der Halbzeug-Form mit Gammabestrahlung einer Dosis von 1,5 bis 6 Mrad umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Halbzeug-Form sich während des Bestrahlungsschrittes in einer inerten Atmosphäre oder Vakuum befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Temperschritt bei oder oberhalb der höchsten Schmelztemperatur ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Temperschritt bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 120°C ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Temperschritt bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 135°C ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Temperschritt bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 280°C ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Temperschritt bei einer Temperatur zwischen 150°C und 170°C für eine Dauer von 12 bis 60 Stunden ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Temperschritt für eine Zeitdauer durchgeführt wird, die ausreicht, um im wesentlichen alle freien Radikale zu rekombinieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Temperschritt für eine Zeitdauer ausgeführt wird, die ausreicht, um eine vernetzte Halbzeug-Form zu bilden, die einen Oxidationsgrad von weniger als 8 Carbonyl Fläche/mm (0,2 Carbonyl Fläche/mil) Probendicke, nach einer Alterung der vernetzten Halbzeug-Form bei 70°C für 14 Tage in Sauerstoff bei einem Druck von ungefähr 5 Atmosphären, hat.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Vortempern der Halbzeug-Form bei einer Temperatur von 280 bis 355°C in einer inerten Atmosphäre ohne die Anwendung eines externen Druckes für mindestens 0,5 Stunden vor dem Bestrahlungsschritt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Vortemperschritt ein Schmelzen der Halbzeug-Form bei einer Temperatur von ungefähr 320 bis 355°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Halbzeug-Form bei einer Temperatur von ungefähr 320 bis 355°C für mindestens 3 Stunden vorgetempert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Temperschritt ein Aufschmelzen der bestrahlen Halbzeug-Form und die Anwendung eines isostatischen oder hydrostatischen Drucks von 230 bis 480 MPa (33-70 kpsi) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Implantat unter Benutzung eines Gasplasmas sterilisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Implantat unter Benutzung von Ethylenoxid sterilisiert wird.
Medizinisches Implantat, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vernetztes ultrahochmolekulares Polyethylen mit einem Quellverhältnis (swell ratio) von weniger als 5 und einem Oxidationsgrad von weniger als 8 Carbonyl Fläche/mm (0,2 Carbonyl Fläche/mil) Probendicke, nach Altern der vernetzten Halbzeug-Form bei 70°C für 14 Tage in Sauerstoff bei einem Druck von 5 Atmosphären.
Vernetzes ultrahochmolekulares Polyethylen nach Anspruch 19 mit einem Oxidationsgrad von weniger als 4 Carbonyl Fläche/mm (0,1 Carbonyl Fläche/mil) Probendicke nach Alterung der vernetzten Halbzeug-Form bei 70°C für 14 Tage in Sauerstoff bei einem Druck von ungefähr 5 Atmosphären.
Medizinisches Implantat, enthaltend das ultrahochmolekulare Polyethylen nach einem der Ansprüche 19 oder 20.