DE69922435T2

DE69922435T2 - Verfahren zur Herstellung vernetzter, geformter Kunststofflager

Info

Publication number: DE69922435T2
Application number: DE1999622435
Authority: DE
Inventors: Donald E. Warsaw McNulty; Todd Fort Wayne Smith
Original assignee: DePuy Products Inc
Current assignee: DePuy Products Inc
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: EP0963824A2; EP0963824A3; JP4503114B2; EP0963824B1; DE69922435D1; DE69934440T2; DE69934440D1; JP2000033117A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Lager zur Verwendung in einer orthopädischen Implantatprothese und insbesondere Verfahren zum Herstellen vernetzter geformter Lager aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) und Lagermaterial.
Ein solches UHMWPE-Harz wird gemeinhin für Lager in einer Hüft-, Knie-, Schulter- und Ellenbogenprothese verwendet. Typischerweise können die Lager durch direkte Kompressionsformungsverfahren oder durch Bearbeiten der erforderlichen Lagerformen aus Lieferformen, wie Bogen- oder Stangenvorratsmaterial, gebildet werden. Typischerweise werden die Vorratsmaterial- oder die geformten Lager bestrahlt und anschließend wärmebehandelt oder wärmegetempert. Die Bestrahlung erzeugt molekulare Vernetzungen und freie Radikale. Die freien Radikale werden anschließend durch die Wärmebehandlungsverfahren eliminiert.
Bezug wird wie folgt auf eine Anzahl von Verweisen des Stands der Technik genommen:
U.S.-Patente:

1. U.S.-Patent 5,414,049, Non-Oxidizing Polymeric Medical Implant, an Deh-Chuan Sun, et. al..
2. U.S.-Patent 5,449,745, Non-Oxidizing Polymeric Medical Implant, an Deh-Chuan Sun, et. al..
3. U.S.-Patent 5,543,471, Non-Oxidizing Polymeric Medical Implant, an Deh-Chuan Sun, et. al..
4. U.S.-Patent 5,650,485, Non-Oxidizing Polymeric Medical Implant, an Deh-Chuan Sun, et. al..
5. U.S.-Patent 5,728,748, Non-Oxidizing Polymeric Medical Implant, an Deh-Chuan Sun, et. al..
6. U.S.-Patent 4,586,995, Polymer and Irradiation Treatment Method, an James C. Randall.
7. U.S.-Patent 5,153,039, High Density Polyethylen Article with Oxygen Barrier Properties, an Jay P. Porter, et. al.,
8. U.S.-Patent 5,508,319, High Melt Strength Ethylene Polymer, Process for Making It, and Use Thereof, an Anthony J. DeNicola, Jr., et. al..
9. U.S.-Patent 3,352,818, Stability of Polyolefines, an Gerhard Meyer, et. al..
10. U.S.-Patent 5,577,368, Method for Improving Wear Resistance of Polymeric Bioimplantable Components, an John V. Hamilton, et. al..
11. U.S.-Patent 5,753,182, Method for Reducing the Number of Free Radicals Present in Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Orthopedic Components, an Joel Higgins.
12. U.S.-Patent 5,709,020, Method for Reducing the Generation of Wear Particulates From an Implant, an David A. Pienowski, et. al..
13. U.S.-Patent 5,702,456, Implant Having Reduced Generation of Wear Particulates, an David A. Pienowski.
14. U.S.-Patent 5,515,590, Method for Reducing the Generation of Wear Particulates From an Implant, David A. Pienowski.
15. U.S.-Patent 5,593,719, Treatments to Reduce Frictional Wear Between Components Made of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene and Metal Alloys, Geoffrey Dearnaley, et. al.
16. U.S.-Patent 4,366,618, Bone Connective Prosthesis Adapted to Maximize Strength and Durability of Protheses – Bone Cement Interface; and Methods of Forming Same, an Simon Raab.
17. U.S.-Patent 5,014,494, Method of Sterilizing Medical Articles, an Robert D. George.
18. U.S.-Patent 5,137,688, Irradiated Articles Molded From Polycarbonate – Polyamide Blends, an James L. DeRudder.
19. U.S.-Anmeldung 08/911,792, Process for Medical Implant of Cross-linked Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Having Improved Balance of Wear Properties and Oxidation, eingereicht am 15. August 1997 an Kenneth Ashley Saum, et. al.

Ausländische Patente

20. EP 0 722 973 A1 , Chemically Crosslinked Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene for Artificial Human Joints, an Ron Salovey, et. al..
21. WO 97/29793, Radiation and Melt Treated Ultra High Molecular Weight Polyethylene Prosthetic Devices, an W. Merrill, et. al.
22. WO 98/01085, Crosslinking of Polyethylene for Low Wear Using Radiation and Thermal Treatments, an Fu-Wen Shen, et. al..

Die obigen Verweise lehren die allgemeinen Konzepte, die beim Bilden von UHMWPE-Harz unmittelbar in ein Teil oder eine Vorratsform, aus welcher das Teil hergestellt wird, der Gamma- oder anderen Bestrahlung des Teils oder der Vorratsform und der anschließenden Wärmebehandlung (tempern oder wieder schmelzen) des Teils oder der Vorratform involviert sind.

23. WO 94/27651, Non-Oxidizing Polymeric Medical Implant, an Howmedica, Inc. Dieser Verweis lehrt ein Kunststoffprotheselager, welches aus einem Kunststoffharz geformt wird, wobei die geformte Prothese dann bestrahlt und anschließend getempert wird.

Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche dargelegt ist. Weitere Aspekte werden in den beigefügten abhängigen Ansprüchen dargelegt. Somit ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Bestrahlen des Kunststoffharzes gerichtet, wenn es in Pulverform vorliegt, was eine Vernetzung der molekularen Ketten ebenso wie freie Radikale erzeugt. Die freien Radikale, die aus der Gamma-Bestrahlung erzeugt werden, werden durch das folgende Formungsverfahren gequencht.
Während der Stand der Technik eine Bestrahlung geformter Lagerteile oder eines Vorrats, aus dem Lager hergestellt werden, lehrt, schließt die vorliegende Erfindung eine Bestrahlung des Kunststoffs, (bevorzugt) des UHMWPE-Harzpulvers, bevorzugt durch Gamma- oder Elektronenstrahlbestrahlung ein. Diese ionisierende Bestrahlung wird molekulare Vernetzungen und freie Radikale erzeugen, wie es gut dokumentiert ist. Mit diesen freien Radikalen befaßt man sich in der vorliegenden Erfindung im Formungsverfahren, welches Temperaturen bei oder oberhalb des Schmelzpunktes des Polymers einschließen.
Die vorliegende Erfindung ist entwickelt, um die Menge an Abnutzungsschutt zu vermindern, der von UHMWPE-Lagern erzeugt wird. Ein solcher Abnutzungsschutt ist mit einer Knochen- und Weichgewebeverschlechterung verbunden worden, was zu einer Implantatloslösung führt, was sogar eine Überholungsoperation notwendig machen kann. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Abnutzungsbeständigkeit von UHMWPE-Lagern zu verbessern.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten auf dem Gebiet bei Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich werden, welche die beste Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen, wie sie gegenwärtig zu erkennen ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Die vorliegende Erfindung schließt ein Herstellen einer vernetzten Lagerkomponente durch Vernetzung des UHMWPE-Harzpulvers und dann die Verwendung der thermischen Energie des Formungsverfahrens, um eine weitere Vernetzung durch Quenchen von freien Radikalen zu fördern, ein. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um Nettoformlager unmittelbar zu formen, um ein Finish bereitzustellen, welches für eine künstliche (Lager)-Oberfläche zufriedenstellend ist. (Der Begriff "Nettoform" ist beabsichtigt, um eine Form zu definieren, die die endgültige Form des Lagers ist, die in dem Implantat zu verwenden ist. "Nahezu Nettoform" benötigt einen gewissen Grad an Bearbeitung, um das endgültige Lager herzustellen). Es wird angenommen, daß glattere Lageroberflächen eher durch Formungsverfahren als durch Bearbeitungsverfahren hergestellt werden können.
Das Bestrahlungsverfahren kann bevorzugt unter Vakuum, in einer inerten Atmosphäre, um Sauerstoff zu eliminieren, oder in einer an Sauerstoff verminderten Atmosphäre durchgeführt werden. Sauerstoff, der vorhanden ist, wenn bestrahlt wird, hat sich dahingehend gezeigt, eine anschließende Reduktion der mechanischen Eigenschaften für UHMWPE zu bewirken. Eine Vorformungsvakuumphase ist ebenfalls durch die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogen, um eine Entfernung oder Reduktion von irgendwelchem unerwünschten Sauerstoff aus dem UHMWPE-Harzpulver zu verbessern. Beispielsweise könnte das bestrahlte Harzpulver in die gewünschte Form kaltgepreßt und dann unter Vakuum belassen werden, bevor Wärme beaufschlagt wird.
Das Formungsverfahren, welches ebenfalls bevorzugt unter Vakuum durchgeführt werden kann, kann Drücke von 7 × 10⁶ bis 483 × 10⁶ N/M² (1.000 bis 70.000 psi) und Sollwerttemperaturen von 121° bis 260°C (250° bis 500° Fahrenheit) einschließen. Das resultierende Arbeitsstück ist entweder die tatsächliche gewünschte Lagerkonfiguration oder ein Rohling, der anschließend bearbeitet werden kann, um die gewünschte Lagergeometrie herzustellen.
Es wird jedoch bewußt sein, daß annehmbare Ergebnisse erreicht werden können, wenn eines oder beide des Bestrahlungsverfahrens und des Formungsverfahrens unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden, d. h. mit etwas vorhandenem Sauerstoff. Dies kann für bestimmte Lagerkonfigurationen gut der Fall sein.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines medizinischen Implantats oder eines Vorrats, aus dem ein Implantat hergestellt werden kann, aus olefinischem Material, wie UHMWPE, umfassend die Schritte eines Anordnens eines olefinischen Harzes in einem versiegelten Behälter, bevorzugt eines Evakuierens oder Verdrängens von Luft aus dem Behälter, um eine Atmosphäre mit wenig Sauerstoff oder eine sauerstofffreie Atmosphäre herzustellen, eines Unterwerfens des Harzbehälters einer Bestrahlung, bevorzugt Gamma- oder Elektronenstrahlbestrahlung, mit einem Dosisgehalt zwischen 2 und 50 Mrad, um Vernetzungen und freie Radikale innerhalb des Polymerharzes zu erzeugen, bevorzugt eines Aufrechterhaltens einer inerten Atmosphäre, und eines Unterwerfens des freien Radikal enthaltenden Pulvers einem Formungsbetrieb, der bevorzugt in einer Vakuum- oder in der inerten Atmosphäre stattfindet. Das bestrahlte Harz kann bevorzugt aus dem versiegelten Behälter zu der Formungsausrüstung in einer Vakuum- oder in einer inerten Atmosphärenumgebung überführt werden, oder kann über eine kurze Zeit während der Überführung Luft ausgesetzt werden.
Der Formungsbetrieb kann die Schritte eines Anhebens des Pulverharzes innerhalb der Form auf eine Temperatur bei oder oberhalb des Schmelzpunkts des Harzes umfassen. Der Zweck von diesem ist, ein verfestigtes Implantat von Nettoform oder nahezu Nettoform oder ein Rohmaterial (Stange, Bogen oder Puck-Vorrat) herzustellen, während gleichzeitig die freien Radikale gequencht werden, um eine weitere Vernetzung zwischen Molekülen des Polymers zu fördern.
Der versiegelte Behälter kann mit Inertgas (Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder irgendeine Kombination derselben) gespült und mehrere Male evakuiert werden, um den Restsauerstoffgehalt weiter zu reduzieren. Anstelle eines Vakuums kann die Atmosphäre des versiegelten Behälters vor der Gamma-Bestrahlung und der Lagerung ebenfalls ein Inertgas sein, das aus Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder irgendeiner Kombination derselben besteht.
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die folgenden veranschaulichenden Beispiele der Praxis der Erfindung erreicht werden, welche Beispiele jedoch nicht beabsichtigt sind, um unverhältnismäßig für die Erfindung begrenzend zu sein.
BEISPIEL 1
Ein Polymerharz wird in Pulverform erworben, welches häufig in der Industrie als "Flocke" bezeichnet wird. Dieses Harzpulver wird in Beuteln angeordnet, welche aus einer atmungsaktiven Kunststoffmembran gebildet sind. Es ist üblich, solche Tyvek^TM-Beutel zu verwenden, um medizinische Produkte zur Sterilisation zu verpacken. Eine Vielzahl solcher Beutel wird in einem Vakuumbehälter angeordnet, d. h. einem Behälter, welcher verschlossen werden kann, und in welchem ein Vakuum gebildet werden kann. Dieser Behälter kann für eine Zeitdauer gepumpt werden, die ausreichend ist, um den Sauerstoff zu entfernen, wenigstens zu dem Ausmaß, das in den Verweisen des Stands der Technik diskutiert wird. In einigen Fällen kann es ratsam sein, innerhalb des versiegelten Behälters einen Zustand zu ziehen, der als ein "Hochvakuum" bezeichnet wird, um zu gewährleisten, daß das Harzpulver sauerstofffrei ist. Es wird in Erwägung gezogen, daß das Verfahren zum Pumpen des Vakuums in dem Behälter ein Verfahren sein kann, bei dem, nachdem ein Vakuum anfänglich in dem Behälter gezogen worden ist, der Behälter mit einem Inertgas gehüllt, und das Inertgas dann aus dem Behälter gepumpt werden kann. Dieses Spülverfahren kann zwei oder mehrere Male stattfinden, um den gewünschten sauerstofffreien Zustand zu erhalten.
Der Behälter wird versiegelt und unter einem Vakuum belassen und unter Verwendung von Standardbestrahlungsmethoden durch die Wände des Metallbehälters bestrahlt. Während die Bestrahlung von 2 bis 50 Mrad oder sogar 2 bis 100 Mrad sein kann, wird im allgemeinen angenommen, daß eine Bestrahlung von 2 bis 20 Mrad ausreichend ist. Der Behälter wird aus der Bestrahlungsstation entfernt und eine zweitägige Nachbestrahlungsabpumpung wurde durchgeführt, um restlichen Wasserstoff zu entfernen. Der Behälter wurde dann zu dem Formungsbereich gebracht, der eine oder mehrere Formungspressen umfassen kann. Es kann ratsam sein, die Beutel aus dem Behälter zu den Formungspressen unter Verwendung eines Systems zu überführen, welches die Beutel und das Pulver darin davon abhält, Sauerstoff ausgesetzt zu werden. Es wird angenommen, bevorzugt zu sein, das tatsächliche Formen in der Formungsausrüstung durchzuführen, welche in der Lage ist, unter Vakuum zu sein. Alternativ kann eine Kurzzeitexposition des bestrahlten Harzes gegenüber Luft unbedeutend sein. Im wesentlichen wird das Harzpulver aus den Beuteln in die Formungsausrüstung überführt und unter einem Vakuum oder einem Inertgas (sauerstofffreie Umgebung) geformt. Der Formungsbetrieb ist eher herkömmlich, als daß er Temperaturen beaufschlagt, die größer sind als der Schmelzpunkt des Harzes, und Drücke, um das gewünschte geformte Material zu formen, welches ein Nettoformlager, ein Lager von nahezu Nettoform oder ein Vorrat sein kann, aus dem ein Lager hergestellt werden kann.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zieht daher eine Bestrahlung des Harzpulvers und ein Formen (Wiederschmelzen) des Harzpulvers unter ausreichender Wärme und Druck in Erwägung, um das Pulver in eine gewünschte feste Kunststoffform zu bilden. Die Bestrahlung und das Formen können in einer Atmosphäre oder in einem Vakuum oder in einer Inertatmosphäre stattfinden. In dieser Beschreibung und in den Ansprüchen können ein Vakuum, ein Teilvakuum oder eine inerte Atmosphäre kollektiv als eine "an Sauerstoff verminderte Atmosphäre" bezeichnet werden. Das Formen kann in einer herkömmlichen Formungsausrüstung in Atmosphäre oder in an Sauerstoff verminderter Atmosphäre stattfinden. Der Kunststoff kann ein olefinisches Harz, wie UHMWPE, oder irgendein Kunststoff sein, welcher durch Bestrahlung vernetzt wird, und dessen freie Radikale durch Wärmebehandlung, wie durch Wiederschmelzen zum Formen, entfernt werden.
BEISPIEL 2
Ein UHMWPE-Polymerharz (GUR 1050 von Ticona) wurde in Pulverform erworben. Dieses Harzpulver wurde in einem Beutel angeordnet und in einem Vakuumbehälter angeordnet, der verschlossen wurde. Der Behälter wurde unter einem Vakuum für eine Zeitdauer angeordnet, die ausreichend war, um im wesentlichen den Sauerstoff aus dem Harzpulver zu entfernen. Der Behälter wurde unter einem Vakuum belassen und mit etwa 5 bis 10 Mrad unter Verwendung von Standardbestrahlungsmethoden bestrahlt.
Das Polymerharz wurde dann aus dem Behälter entfernt und einem zweitägigen Nachbestrahlungsabpumpen unterworfen, um restlichen Wasserstoff aus dem Polymerharz zu entfernen. Das Polymerharz wurde dann zu einer Kompressionsformungsausrüstung überführt. Das Polymerharz wurde wiederum unter einem Vakuum angeordnet, um den Sauerstoff aus dem Harzpulver im wesentlichen zu entfernen und in einer sauerstofffreien Umgebung geformt. Etwa 10 × 10⁶ N/M² (1.500 Pfund pro Quadratinch) Druck wurden auf das Harzpulver bei einer Temperatur von etwa 204°C (400°F) für 60 Minuten beaufschlagt. Das Polymerharz konnte auf Raumtemperatur abkühlen und wurde aus der Formungsausrüstung entfernt.
Es wird angenommen, daß das Verfahren zum Formen eines Kunststoffprotheselagers, eines Nettoformlagers, eines Lagers von nahezu Nettoform oder eines Kunststoffvorrats, aus dem ein solches Lager durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden kann, und viele damit verbundenen Vorteile aus der vorangehenden Beschreibung verstanden werden, und es wird offensichtlich sein, daß verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen oder alle ihre Materialvorteile zu opfern, wobei die hierin beschriebene Form lediglich eine bevorzugte oder eine beispielhafte Ausführungsform derselben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffprotheselagers, eines Nettoformlagers, eines Lagers mit nahezu Nettoform oder eines Kunststoffstiels, aus dem ein solches Lager hergestellt werden kann, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Kunststoffharzes in pulverisierter Form, Unterziehen des pulverisierten Harzes einer Bestrahlung, um das Harz zu vernetzen, und Formen des bestrahlten Pulvers durch Beaufschlagen von Wärme und Druck, um das Pulver in eine gewünschte feste Kunststoffform zu bilden, wobei das Erwärmen ausreichend ist, um das Pulver zu schmelzen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Bestrahlungsschritt in einer an Sauerstoff verminderten Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, bei welchem der Formungsschritt in einer an Sauerstoff verminderten Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem der Formungsschritt einen Druck von 7 × 10⁶ bis 483 × 10⁶ N/M² (1.000 bis 70.000 psi) einschließt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Formungsschritt bei einer Temperatur von 121°C bis 260°C (250°F bis 500°F) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Bestrahlungsschritt bei einem Gehalt von 2 bis 100 Mrad Gammastrahlung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Bestrahlungsschritt bei einem Gehalt von 2 bis 5 Mrad Gammastralung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Bestrahlungsschritt bei einem Gehalt von 2 bis 20 Mrad Gammastrahlung ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Bestrahlungsschritt die Schritte eines Anordnens von Harzpulver in Beuteln, die aus einer atmungsaktiven Kunststoffmembran gebildet sind, eines Anordnens der Beutel in einem Behälter und eines Bereitstellens einer an Sauerstoff verminderten Atmosphäre in dem Behälter während der Bestrahlung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Formungsschritt ein Überführen der das bestrahlte Harz enthaltenden Beutel zu der Formungspresse einschließt, wo die Wärme und der Druck beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Formungsschritt eine Temperatur von größer als dem Schmelzpunkt des Harzes einschließt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Kunststoff ein olefinisches Kunststoffharz ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Kunststoff UHMWPE ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Formungsschritt ein Beaufschlagen von Wärme bei einer Temperatur bei oder oberhalb des Schmelzpunkts des Harzes für eine Zeitdauer einschließt, die ausreichend ist, um das Pulver in eine gewünschte feste Kunststoffform zu bilden und die freien Radikale zu quenchen.