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Dokumentenidentifikation DE69728697T2 14.04.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001028760
Titel VERSCHLEISSFESTES VERNETZTES POLYETHYLEN MIT OBERFLÄCHENGRADIENTEN
Anmelder University of Southern California, Los Angeles, Calif., US;
Orthopaedic Hospital, Los Angeles, Calif., US
Erfinder MCKELLOP, A., Harry, Los Angeles, US;
SHEN, Fu-Wen, Walnut, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69728697
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IE, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.10.1997
EP-Aktenzeichen 979127586
WO-Anmeldetag 14.10.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/US97/18758
WO-Veröffentlichungsnummer 0098016258
WO-Veröffentlichungsdatum 23.04.1998
EP-Offenlegungsdatum 23.08.2000
EP date of grant 14.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.04.2005
IPC-Hauptklasse A61L 2/08
IPC-Nebenklasse A61F 2/30   B32B 27/16   B32B 27/32   A61L 27/16   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

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).

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

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.

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.

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.

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.

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.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

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.

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.

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.

Bei beiden Methoden findet die Vernetzung vorzugsweise in der Oberflächenschicht statt und nimmt allmählich ab, bis sie im Inneren des PE nahezu Null beträgt.

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.

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.

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.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

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).

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.

3 ist eine graphische Darstellung der Schmelztemperaturspitze im Verhältnis zur Distanz von der mittels E-Strahl vernetzten Fläche der UHMWPE-Proben.

4 ist eine graphische Darstellung des Gelgehalts im Verhältnis zur Distanz von der mittels E-Strahl vernetzten Fläche der UHMWPE-Proben.

5 ist eine graphische Darstellung der Schmelztemperaturspitze im Verhältnis zur Distanz von der mittels Peroxid vernetzten Fläche der UHMWPE-Proben.

6 ist eine graphische Darstellung des Gelgehalts im Verhältnis zur Distanz von der mittels Peroxid vernetzten Fläche der UHMWPE-Proben.

7 ist eine graphische Darstellung der Schmelztemperatur und der Gelgehaltprofile der mittels Peroxid vernetzten Fläche der UHMWPE-Proben.

8 ist eine graphische Darstellung der Extraktion von Tertiäralkohol aus mit 1 Gewichts-% Peroxid vernetzten UHMWPE-Proben.

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.

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.

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.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG (I) IMPLANTATE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

(II) VERNETZUNG MITTELS E-STRAHL

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Im Folgenden finden sich drei Beispiele für die Durchführung des Vernetzungsverfahrens:

METHODE 1: BESTRAHLUNG EINER HÜFTPFANNE MITTELS E-STRAHL

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.

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.

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.

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.

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).

METHODE 2: BESTRAHLUNG MITTELS E-STRAHL UND ANSCHLIEßENDES UMSCHMELZEN ODER GLÜHEN

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.

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.

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.

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.

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.

ii) EINWEICHEN EINES MIT PEROXID VERNETZTEN IMPLANTATS

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.

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.

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 &agr;-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.

(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.

BEISPIELE BEISPIEL 1 OBERFLÄCHENVERNETZUNG DURCH BESTRAHLUNG MIT E-STRAHLEN NIEDRIGER ENERGIE MATERIAL

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).

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 &mgr;m 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.

GELGEHALTANALYSE

Der Gelgehalt jedes Werkstoffes wurde als eine Funktion der Tiefe in Bezug auf die vernetzte Oberfläche analysiert. 100 &mgr;m 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 &mgr;m 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.

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.

BEISPIEL 2 AN DER OBERFLÄCHE CHEMISCH VERNETZTES UHMWPE AUS PEROXID MATERIAL

Handelsübliche UHMWPE-Flocken (GUR 1050, Poly Hi Solidur) mit einem Gewichtsmittel-Molekulargewicht von 5 × 106 bis 6 × 106 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.

METHODE B

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.

ERGEBNISSE UND DISKUSSION

Die Schmelztemperaturen und Gelgehaltprofile der oberflächenvernetzten UHMWPE, die mit Methode A erzeugt wurden, sind in den 56 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.

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 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 &mgr;m 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 &mgr;m 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

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.

BEISPIEL 4 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 &mgr;m 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 &mgr;m 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).

ERGEBNISSE UND DISKUSSION

Die Oxidationsprofile als eine Funktion der Tiefe sind in 911 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.


Anspruch[de]
  1. Vernetztes Implantat mit Oberflächengradienten, umfassend eine tragende Fläche aus Polyäthylen mit einem maximalen Gelgehalt von etwa 80 bis etwa 100% innerhalb der tragenden Fläche, wobei der Gelgehalt etwa 0,5 bis etwa 2,6 mm von der tragenden Fläche allmählich auf etwa 50% des maximalen Gelgehalts abnimmt, und sich bei etwa 1,8 bis etwa 3 mm von der tragenden Fläche allmählich auf beinahe Null verringert; wobei das übrige Implantat, welches nicht Teil der tragenden Fläche ist, unvernetzt bleibt.
  2. Implantat nach Anspruch 1, bei dem der Gelgehalt etwa 1,4 bis etwa 2,6 mm von der tragenden Fläche allmählich auf etwa 50% des Maximums abnimmt.
  3. Implantat nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die tragende Fläche vernetzt ist, die Vernetzung allmählich unter der tragenden Fläche abnimmt, die Vernetzung durch Bestrahlung mittels Elektronenstrahl oder durch eine Chemikalie erreicht wird, die freie Radikale erzeugt.
  4. Implantat nach Anspruch 1 oder 3, das als Gelenkersatz verwendet werden kann.
  5. Implantat nach Anspruch 4, bei dem das zu ersetzende Gelenk ausgewählt wird aus Hüft-, Knie-, Knöchel-, Ellbogen-, Schulter-, Wirbel-, Kiefer- und Fingergelenken.
  6. Implantat nach Anspruch 5, bei dem das Implantat ausgewählt wird aus einer Hüftpfanne, einem Insert für eine Hüftpfanne, einer Verschalung für eine Hüftpfanne, einer Komponente eines Zapfenlagers, einem Zapfen, einem Tibiakopf („tibial plateau"), einem Patellaknopf einer Talusfläche, einer Wirbelscheibe und anderen tragenden Komponenten eines Hüftgelenks, Kniegelenks, Knöchelgelenks, Ellbogengelenks, Schultergelenks, Wirbelgelenks, Kiefergelenks und Fingergelenks.
  7. Implantat nach Anspruch 6, bei dem das Implantat eine Hüftpfanne ist, und die tragende Fläche eine innere konkave Fläche der Hüftpfanne ist, die mit einer gegenüberliegenden Femurkugel eine gelenkige Verbindung bildet.
  8. Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Polyäthylen UHMWPE ist.
  9. Methode zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit einer tragenden Fläche eines Implantats, bei der die tragende Fläche Polyäthylen umfasst, die Methode die den Schritt der Vernetzung der tragenden Fläche des Implantats umfasst, so dass sich eine tragende Fläche aus Polyäthylen nach Anspruch 1 ergibt, während das übrige Implantat, welches nicht Teil der tragenden Fläche ist, unvernetzt bleibt, wobei der Schritt erreicht wird durch:

    (a) Bestrahlen der tragenden Fläche des Implantats mit Elektronenstrahlen zur Vernetzung der tragenden Fläche, während das übrige Implantat, welches nicht Teil der tragenden Fläche ist, nicht der Bestrahlung mittels Elektronenstrahl ausgesetzt wird und daher unvernetzt bleibt; oder

    (b) Bestrahlen der tragenden Fläche eines teilgeformten Implantats mit Elektronenstrahlen zur Vernetzung der tragenden Fläche, während das übrige Implantat, welches nicht Teil der tragenden Fläche ist, nicht der Bestrahlung mittels Elektronenstrahl ausgesetzt wird und daher unvernetzt bleibt; oder

    (c) Vernetzen der tragenden Fläche des Implantats mit einer Chemikalie, welche freie Radikale erzeugt, wobei das übrige Implantat, welches nicht Teil der tragenden Fläche ist, unvernetzt bleibt.
  10. Methode nach Anspruch 9, bei der das bestrahlte Implantat aus Schritt (a) weiter einem oder mehreren der folgenden Schritte unterzogen wird: (1) Unter-Druck-Setzung in Wasserstoff, zur Reduzierung oder Eliminierung restlicher freier Radikale, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden, (2) Glühen, zur Reduzierung oder Eliminierung restlicher freier Radikale, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden, und (3) Behandeln des bestrahlten Implantats mit Ethylenoxid, zur Reduzierung oder Eliminierung restlicher freier Radikale, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden.
  11. Methode nach Anspruch 9, bei der das teilgeformte Implantat aus Schritt (b) im Festzustand bestrahlt wird und das bestrahlte, teilgeformte Implantat weiter einem oder mehreren der folgenden Schritte unterzogen wird: (1) Glühen oder Umschmelzen, zur Reduzierung oder Eliminierung der restlichen freien Radikale, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden, (2) Formen des bestrahlten Implantats in seine endgültige Form, und (3) Behandeln des teilgeformten Implantats oder des Implantats in seiner endgültigen Form mit Ethylenoxid, zur Reduzierung oder Eliminierung der restlichen freien Radikale, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden, (4) Einbringen des teilgeformten Implantats oder des Implantats in seiner endgültigen Form in unter Druck gesetzten Wasserstoff, zur Reduzierung oder Eliminierung restlicher freier Radikale, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden.
  12. Methode nach Anspruch 9, bei der das teilgeformte Implantat aus Schritt (b) in der Schmelze bestrahlt wird, und das bestrahlte, teilgeformte Implantat weiter einem oder mehreren der folgenden Schritte unterzogen wird: (1) Formen des bestrahlten Implantats in seine endgültige Form und (2) Behandeln des bestrahlten, teilgeformten Implantats oder des endgültig geformten Implantats mit Ethylenoxid, zur Reduzierung oder Eliminierung restlicher freier Radikale, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden, (3) Einbringen des teilgeformten Implantats oder des Implantats in seiner endgültigen Form in unter Druck gesetzten Wasserstoff, zur Reduzierung oder Eliminierung restlicher freier Radikale, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden.
  13. Methode nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei der der Formungsschritt das Entfernen der am stärksten oxidierten äußeren Schicht der tragenden Fläche des bestrahlten Implantats umfasst.
  14. Methode nach Anspruch 9, bei der nach Schritt (c) das Implantat einem oder mehreren der folgenden Schritte unterzogen wird: (1) Reduzieren oder Beseitigen von Chemikalienresten aus dem Vernetzungsprozess, (2) Glühen des an der Oberfläche vernetzten Implantats bei einer Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreicht, um seine Größe zu stabilisieren, und (3) Formen des an der Oberfläche vernetzten Implantats in seine endgültige Form.
  15. Methode nach Anspruch 14, bei der das Mittel, welches die freien Radikale erzeugt, ein Peroxid ist.
  16. Methode nach Anspruch 14, bei der Schritt (1) das Einlegen des an der Oberfläche vernetzten Implantats in ein Lösungsmittel umfasst, um die Chemikalienreste aus dem Vernetzungsprozess zu entfernen.
  17. Methode nach Anspruch 14, bei der der Formungsschritt das Entfernen der äußersten oxidierten Schicht von dem an der Oberfläche vernetzten Implantat umfasst.
Es folgen 11 Blatt Zeichnungen






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B Arbeitsverfahren; Transportieren
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