人工关节用超高分子量聚乙烯成形物及其制造方法技术

超高分子量聚乙烯成形物，是通过交联分子量超高分子量聚乙烯块料，将该块料在受热下进行压力处理，然后冷却该块料制成的。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是同名中国专利申请95190923.1号的分案申请，原案国际申请号PCT/JP95/01858，国际申请日1995年9月18日。本专利技术涉及具有分子取向和结晶取向的，适合人工关节使用的超高分子量聚乙烯成形物及其制造方法。人工关节，自其开发并临床应用于为关节疾病而苦恼的患者以来，至今已经过了30年以上的岁月。在这段期间内，许多卧床的慢性关节风湿病患者重新能够步行，从而复归社会，人工关节在社会福利方面所带来的恩惠是十分巨大的。然而，另一方面，由于人工关节手术的并发症，特别是人工关节的“松弛”的高发生率和伴随着人工关节周围的骨破坏，产生了必须再次进行手术的深刻问题。人工关节是指人工股关节、人工膝关节和人工肘关节、人工指关节、人工肩关节等。在这些人工关节中，人工股关节和人工膝关节要承受数倍于体重的重力，因此要求具有高的力学强度。因此，现在的人工关节材料都是由金属制或陶瓷制的硬质材料和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的软质臼(ソケツト)构成。虽然构成这种臼的UHMWPE与聚四氟乙烯及聚碳酸酯等高分子材料相比，其耐磨损性优良，但是，在生物机体的关节软骨本身所具有的低磨损性、对冲击负荷的应力缓和等特性方面，其性能低劣，另外，由于UHMWPE制的人工臼的磨损粉末而会导致巨噬细胞的增生，由此产生的不良肉芽组织而引起骨吸收，从而成为所谓异物反应的深刻问题。自从人工关节开发以来，关于硬质材料，例如无粘结剂的人工关节等，在材质和设计等方面也有一些改进，然而关于软质的人工白部分，除了采用UHMWPE之外，与30年前相比，没有多大的进步。因此，这些人工关节经过长期的连续使用，由于金属等硬质材料与人工臼的UHMWPE之间的摩擦而产生无数的聚乙烯磨损粉末。如果考虑到这种磨损粉末引起的异物肉芽组织所造成的骨破坏，则必须进一步提高其耐磨损性。试图降低UHMWPE的磨损，可以考虑从硬质材料的选择和UHMWPE的改良入手。为了改良UHMWPE，有人尝试用超高剂量的γ射线照射，但结果表明，其磨损系数上升，磨损量没有减少。另外，由于在进一步提高UHMWPE的分子量等方面的改良，现在已能够将UHMWPE的重均分子量提高至500万～800万，在此以上的超高分子量聚合物的制造是困难的，而且，即使能够合成例如1000万重均分子量的聚合物，要想飞跃地提高其力学性质的希望也是很微小的。这样，如果考虑到通过UHMWPE的化学改性法来提高其力学性质已经达到了极限，那末，要想获得更耐磨损的低磨擦的UHMWPE成形物将被认为是困难的。1930年代，杜邦的卡洛札斯(カロ一ザス)在世界上首先开发了作为合成纤维的尼龙，在工业上做出了重大的贡献，这是公知的事实。作为用于提高这种合成纤维的力学特性的手段，在工业上可以采用沿纤维轴向的单轴延伸法。另外，为了提高薄膜或薄板的强度，在工业上可以采用双轴延伸法或压延法。这些方法可以使分子或结晶进行单轴取向或双轴取向，是一种可以显著地提高其力学性质的方法。因此，为了提高力学性质，可以考虑使结构中的分子或结晶进行取向，然而，要使块状的大块成形物中的分子或结晶进行取向，按现在的技术完全是不可能的，因此可以认为，这种方法是不容易实现的。因此，本专利技术者们不是通过化学改性法而是通过物理改性法向最终成形物中导入分子取向或结晶取向，试图借此获得低摩擦的成形物和提高其耐磨损性。不用说在日本国内，就连在国外也全然没有做过这种尝试，因此，在人工关节聚乙烯成形物中赋予分子取向和结晶取向的这种构思是有独创性的，如果按本专利技术实施，则适用于全世界的人工关节这一点是确实无疑的。另外，过去30年间成为问题的缺点已获得改进，这种改进已成为革命性的技术改革。本专利技术涉及一种具有分子取向或结晶取向的人工关节用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)成形物及由该UHMWPE成形物构成的人工关节。这种具有分子取向或结晶取向的UHMWPE成形物可由下述方法制得，即对原料UHMWPE成形物进行低剂量的高能射线照射，从而使得在高分子链中导入了极微量的交联点以使其达到轻度的交联，然后将该交联UHMWPE成形物加热至可能发生压缩变形的温度以使其压缩变形，在保持其变形状态的条件下冷却，从而获得所需的成形物。本专利技术的具有分子取向或结晶取向的UHMWPE成形物(以下称为“取向UHMWPE成形物”)是一种低摩擦的物质，而且其耐磨性获得了明显的提高，而由取向UHMWPE成形物构成的人工关节具有光滑性，是一种减低了磨损量的人工关节。以下叙述用于实施本专利技术的最佳实施方案。本专利技术的取向UHMWPE成形物是一种在其成形物内具有分子取向或结晶取向的物质。所谓在成形物内具有分子取向是指其高分子链按照垂直于压缩方向，也就是按照分子链的流动方向进行取向，而所谓具有结晶取向是指聚乙烯结晶的(200)面和(110)面等按照平行于压缩面的方向进行取向，也就是结晶面取向。另外，具有这些取向的这一事实可通过双折射测定、红外线吸收光谱和x射线衍射而得知。由于具有这些取向，因此使得成形物的摩擦系数变小，而且磨损量降低。另外，其他的机械性质，例如抗拉强度和拉伸系数得以提高，密度和热性质(熔点、熔融性)等也得以提高。如上所述，本专利技术的取向UHMWPE成形物是通过用高能射线照射原料UHMWPE，加热使其压缩成形，然后将其冷却固化而制得。作为原料UHMWPE，可以合用重均分子量为200万～800万，优选500万～700万的物质。该物质的熔点约为136～139℃。所用的原料UHMWPE通常为块状，但也可以是棒状。作为照射用的高能射线，可以举出以γ射线和x射线等放射线为首，以及电子射线、中子射线等所有的高能射线，但从照射装置的通用性和通过材料的穿透性这两点来考虑，优选是γ射线。这种高能射线的照射可在UHMWPE的分子链中造成交联点，从而在分子间形成交联键。交联密度以能够保证较大的弹性变形，同时又不妨碍结晶化程度的极微量的交联点为住，例如，优先是在每一分子中有0.1～10个，特别优选有1～2个交联点。照射气氛中如果存在氧气，则会引起分解(断裂)，因此不好，所以优选是在真空中或N2或氩等惰性气氛中进行。气氛的湿度可以是室温，但也可以是结晶转变点(80℃)以上的高温。射线的剂量(能量)非常重要。如果照射剂量过高，则交联密度过大，从而使得在后续工序中的变形量增大并使交联结构破坏。因此，即使在熔融状态下，如果不能赋予为了获得所需分子取向或结晶取向所必要程度的弹性变形，则其结果是必定使变形的程度减小，因此在成形物的分子链中不能达到必要的分子取向或结晶取向。另一方面，如果照射剂量过低或者是不照射，则在熔融状态下使UHMWPE成形物变形时，由于粘性流动的作用而使分子链在尚未伸开的状态下就已结束了流动和塑性变形，其结果是不能获得分子取向或结晶取向。优选的照射剂量(能量)是可获得上述交联密度的剂量，该照射剂量为0.01～5.0MR，优选为0.1～3MR。通过高能射线照射而达到微量交联的UHMWPE成形物，由于交联作用而使其重均分子量达到无限大，其熔点没有太大变化，为136～139℃。然后将该微量交联的UHMWPE成形物加热至可能发生压缩变形的温度。所谓可能发生压缩变形的温度是指在交联的UHMWPE的熔点附近或熔点以上的温度，具体地说是从熔点下50本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：玄丞，冈正典，
申请(专利权)人：BMG株式会社，
类型：发明
国别省市：