由经过辐射和熔融处理的超高分子量聚乙烯制成的假体零部件制造技术

这项发明专利技术介绍一种适合体内使用的医用假体，该假体是用经过辐照处理的基本没有可检测的自由基的超高分子量聚乙烯制成的。该假体减少了在假体磨损期间由假体形成的颗粒，而且从本质上说该假体是抗氧化的。这项发明专利技术还提供了这种零部件以及所用材料的制作方法。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及整形外科领域、提供诸如髋和膝移植之类的假体以及这种假体和所用材料的制造方法。与本专利技术相关的
技术介绍
采用合成聚合物(如超高分子量聚乙烯)与金属合金已经在假体移植领域掀起一场革命，例如它们在取代整个髋或膝关节中的应用。但是，在关节中合成聚合物与金属之间的磨损可能导致严重的不利影响，这种影响在几年之后才会明显地表现出来。各种研究已经得出结论，即这种磨损可能导致超细颗粒释放到假体周围的组织中。这意味着摩擦使折叠结晶的链伸展，在关节表面形成各向异性的微纤结构。而后，伸展的微纤可能断裂，最终形成亚微米级的颗粒。随着这些聚乙烯颗粒逐渐在假体与骨组织之间累积，假体周围的骨组织开始由巨噬细胞诱发的再吸收。巨噬细胞往往不能消化这些聚乙烯颗粒，于是巨噬细胞大量地合成并释放细胞分裂因子和生长因子，这些因子最终可以导致骨组织借助破骨细胞和单核细胞的再吸收。这种骨质溶解作用对于机械地松散这些假体成分有作用，但是由此带来的问题有时需要靠矫正外科来解决。本专利技术目的本专利技术的目的是提供一种可移植的假体零部件，该零部件至少部分地由经过辐照处理的没有可检测的自由基的超高分子量聚乙烯制成，以便减少在假体磨损期间由该假体产生的细小颗粒。本专利技术第二个目的是减少由假体移植引起的骨质溶解和炎症。本专利技术第三个目的是提供一种可以移植到人体内并延长保留期的假体。本专利技术第四个目的是提供一种改进的超高分子量聚乙烯，它可以用于上述目的和(或)制造其它制品。本专利技术第五个目的是提供一种改进的超高分子量聚乙烯，它的交联密度高而且没有可检测的自由基。本专利技术第六个目的是提供一种改进的超高分子量聚乙烯，它具有改进的耐磨性能。本专利技术概述依据本专利技术，提供了一种用于人体内的医用假体，该假体是由经过辐照处理的基本上没有可检测的自由基的超高分子量聚乙烯制成的。例如，辐射可以是γ-辐射或电子辐射。该超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有交联结构。优选的是UHMWPE本质上不会被氧化、是抗氧化的。它们的变型包括诸如有三个、两个或一个熔融峰的UHMWPE。在某些实施方案中，UHMWPE具有以结晶度低于大约50％、晶片厚度小于290埃、抗张弹性模量小于940MPa为特征的聚合物结构，以便减少在假体磨损期间由假体产生的细小颗粒。例如，假体零件可以是由这种UHMWPE形成承载表面的杯形或盘形的制品。这个承载表面可以与另一个有与之配对的金属或陶瓷材料承载面的假体零件接触。本专利技术的另一方面是经辐照处理的基本没有可检测的自由基的UHMWPE。这种超高分子量聚乙烯具有交联结构。优选的是，这种UHMWPE本质上不被氧化、是抗氧化的。其变型包括诸如有三个、两个或一个熔融峰的UHMWPE。本专利技术的第三方面是用这种UHMWPE制成的制品(例如有UHMWPE承载面的制品)和耐磨涂料。实施方案之一是能借助常规方法(如机械加工)加工成型的棒状原料。本专利技术的第四方面包括制作这种基本没有可检测的自由基的交联的UHMWPE的方法。提供常规的有聚合物链的UHMWPE。让这种UHMWPE经受辐照使所述聚合物链交联。然后，将UHMWPE加热到UHMWPE熔融温度以上，以使UHMWPE中基本没有可检测的自由基。接下来将经过处理的UHMWPE冷却到室温。在某些实施方案中，冷却后的UHMWPE还可以进行机械加工和消毒处理。这种方法的一个优选的实施方案被称为CIR-SM，即冷辐射加后续熔融。提供的UHMWPE处于室温或室温以下。这种方法的第二个优选的实施方案被称为WIR-SM，即暖辐射加后续熔融。提供的UHMWPE被预热到低于UHMWPE熔融温度的温度。这种方法的第三个优选的实施方案被称为WIR-AM，即暖辐射加绝热熔融。在这个实施方案中，提供的UHMWPE被预热到低于UHMWPE熔融温度的温度，优选将UHMWPE预热到介于大约100℃至UHMWPE熔融温度之间的某个温度。优选使UHMWPE处在绝热材料之中，以减少处理期间UHMWPE的热损失。经过预热的UHMWPE接受辐照，辐照的总剂量和剂量率都足够高，足以在聚合物中产生足够的热量，使材料内的晶体全部熔融，从而消除全部可检测的自由基，例如在辐照步骤中产生的自由基。辐照步骤优选采用电子辐射，以便产生这种绝热增温。本专利技术的第五方面是按照上述方法制作的产品。本专利技术的第六方面被称为MIR，即熔体辐照，它是一种使UHMWPE交联的方法。提供常规的UHMWPE。优选使UHMWPE处于基本无氧的惰性物质环境中。将UHMWPE加热到UHMWPE熔融温度以上使所有的结晶结构完全熔融。然后，让经过加热的UHMWPE接受辐照，再将经过辐照的UHMWPE冷却到大约25℃。用MIR的实施方案制造出了高度缠结并交联的UHMWPE。提供常规的UHMWPE。优选使UHMWPE处于基本无氧的惰性物质环境中。将UHMWPE加热到UHMWPE熔融温度以上，并维持充足的时间，以便在UHMWPE中形成缠结的聚合物链。接下来UHMWPE熔体接受辐照，以便固定处于缠结状态的聚合物链，辐照后使UHMWPE冷却到大约25℃。本专利技术另一个特征是用经过辐照处理的基本没有可检测的自由基的UHMWPE制作医用假体的方法，这种假体将减少假体磨损期间由假体产生的颗粒。提供经过辐照处理的基本没有可检测的自由基的UHMWPE。用这种UHMWPE制成医用假体，由UHMWPE形成承载面，以便减少假体磨损期间由假体产生的颗粒。这种假体的制作可以借助技术上众所周知的方法(如机械加工)来完成。本专利技术还提供一种在需要医用假体时对身体进行处理的方法。提供由经过辐照处理的基本没有可检测的自由基的UHMWPE制成的成型假体。在需要该假体时将假体安装到身体里。该假体将减少假体磨损期间由假体产生的颗粒。在优选的实施方案中，UHMWPE形成假体的承载面。结合附图阅读本说明书将能更好地理解本专利技术的上述目的和其它目的、更好地理解本专利技术的特点和优点。附图的简要说明附图说明图1是通过依据本专利技术的髋关节医用假体中心的剖面图。图2是图1所示的碟形杯衬的侧视图。图3是沿图2的3-3线的剖视图。图4表示在不同的辐照剂量下经受熔体辐照的UHMWPE的结晶度和熔点。图5是常规UHMWPE的磨蚀表面的扫描电镜照片，以此说明其结晶结构。图6是经熔体辐照处理的UHMWPE的磨蚀表面的扫描电镜照片，以此说明其结晶结构，该照片的放大倍率与图5近似。图7表示经熔体辐照的UHMWPE杯在不同深度的结晶度和熔点。图8表示利用暖辐照和局部绝热熔融(WIR-AM)处理的Hoechst-Celanese GUR 4050 UHMWPE的DSC熔融吸热曲线，图中分别给出有后续加热和没有后续加热处理的材料的吸热曲线。图9表示利用暖辐照和局部绝热熔融(WIR-AM)处理的Hoechst-Celanese GUR 1050 UHMWPE的DSC熔融吸热曲线，图中分别给出有后续加热和没有后续加热处理的材料的吸热曲线。图10表示在进行WIR-AM处理(预热温度为130℃)时UHMWPE的绝热增温曲线。图11分别给出未经辐照处理的UHMWPE、经CIR-SM处理的UHMWPE和经WIR-AM处理的UHMWPE的拉伸变形特性曲线。本专利技术的详细说明本专利技术提供一种适合体内使用的医用假体，该假体由经过辐照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适合体内使用的医用假体，该假体是用经过辐照处理的基本没有可检测的自由基的超高分子量聚乙烯制成的。

【技术特征摘要】
US 1996-2-13 08/600,744;US 1996-10-2 08/726,3131．一种适合体内使用的医用假体，该假体是用经过辐照处理的基本没有可检测的自由基的超高分子量聚乙烯制成的。2．根据权利要求1所述的假体，其中所述辐射是从包括γ-辐射和电子辐射的一组辐射中选定的。3．根据权利要求1所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯具有交联结构，因此在所述假体磨损过程中，减少了由所述假体形成的颗粒。4．根据权利要求1所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯本质上不氧化。5．根据权利要求1所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯本质上是抗氧化的。6．根据权利要求1所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯具有三个熔融峰。7．根据权利要求1所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯具有两个熔融峰。8．根据权利要求1所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯具有一个熔融峰。9．根据权利要求1所述的假体，其中所述聚合物结构彻底交联，以致所述聚合物结构的主体部分在130℃的二甲苯或在150℃的萘烷中放24小时也不溶解。10．根据权利要求1所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯的初始平均分子量超过大约2百万。11．根据权利要求1所述的假体，其中所述假体零件呈杯形或盘形，并且有承载表面。12．根据权利要求9所述的假体，其中所述承载表面与所述假体的第二零件的配对的金属或陶瓷材料的承载表面接触。13．根据权利要求1所述的假体，其中所述假体的结构设计适合代替从包括髋关节、膝关节、肘关节、肩关节、踝关节和指关节的一组关节中选定的关节。14．根据权利要求1所述的假体，其中为了在所述假体磨损过程中减少由所述假体形成的细小颗粒，所述超高分子量聚乙烯具有某种的聚合物结构，该聚合物结构的结晶度小于大约50％、晶片厚度小于大约290埃、抗张弹性模量小于大约940MPa。15．根据权利要求14所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯的肖氏D级硬度小于大约65。16．根据权利要求14所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯具有高缠结密度，以便形成不完全晶形和降低结晶度。17．根据权利要求14所述的假体，其中所述超高分子量的聚乙烯的聚合物结构的结晶度大约为40％、晶片厚度大约为100埃、抗张弹性模量大约为200MPa。18．一种经过辐照处理的基本没有可检测的自由基的超高分子量聚乙烯。19．根据权利要求18所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯具有交联结构。20．根据权利要求18所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯本质上是抗氧化的。21．根据权利要求18所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯具有三个熔融峰。22．根据权利要求18所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯具有两个熔融峰。23．根据权利要求18所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯具有一个熔融峰。24．根据权利要求18所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯具有独特的聚合物结构，该聚合物结构的结晶度小于大约50％、晶片厚度小于大约290埃和抗张弹性模量小于大约940MPa。25．根据权利要求24所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯对光线具有高透明度。26．根据权利要求24所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯是薄膜或薄片，所述薄膜或薄片是透明的而且耐磨。27．一种由经过辐照处理的基本没有可检测的自由基的超高分子量聚乙烯制成的制品。28．根据权利要求26所述的制品，其中所述超高分子量的聚乙烯具有交联结构。29．根据权利要求26所述的制品，其中所述超高分子量的聚乙烯本质上是抗氧化的。30．根据权利要求27所述的制品，其中所述超高分子量的聚乙烯具有三个熔融峰。31．根据权利要求27所述的制品，其中所述超高分子量的聚乙烯具有两个熔融峰。32．根据权利要求27所述的制品，其中所述超高分子量的聚乙烯具有一个熔融峰。33．根据权利要求27所述的制品，其中所述制品是棒状原料，借助机械加工能够形成第二制品的形状。34．根据权利要求27所述的制品，其中所述制品有承载表面。35．根据权利要求27所述的超高分子量聚乙烯，其中所述超高分子量的聚乙烯具有独特的聚合物结构，该聚合物结构的结晶度小于大约50％、晶片厚度小于大约290埃和抗张弹性模量小于大约940MPa。36．一种制作交联的基本没有可检测的自由基的超高分子量聚乙烯的方法，该方法包括下述步骤A．提供常规的有聚合物主链的超高分子量聚乙烯；B．辐照所述的超高分子量聚乙烯，以使所述主链交联；C．将所述的经过辐照的超高分子量聚乙烯加热到所述超高分子量聚乙烯的熔点以上，以使所述超高分子量聚乙烯中基本没有可检测的自由基；以及D．将所述的经过加热的超高分子量聚乙烯冷却到室温。37．根据权利要求36所述的方法，进一步包括机械加工步骤，对所述的经过冷却的超高分子量聚乙烯进行机械加工。38．根据权利要求37所述的方法，进一步包括消毒步骤，对所述的经过机械加工的超高分子量聚乙烯进行消毒。39．根据权利要求36所述的方法，其中在所述步骤A中所述超高分子量聚乙烯原料是从包括棒状原料、经过成型的棒状原料、涂料和制品的一组原料中选定的。40．根据权利要求36所述的方法，其中在所述步骤A中所述超高分子量聚乙烯原料是适合假体使用的杯形或盘形制品。41．根据权利要求36所述的方法，其中在所述步骤A中所述超高分子量聚乙烯原料是经过机械加工的棒状原料。42．根据权利要求36所述的方法，其中在所述步骤A中所述超高分子量聚乙烯原料的起始平均分子量超过2百万。43．根据权利要求36所述的方法，其中在所述步骤A中所述超高分子量聚乙烯被预热，预热温度低于所述超高分子量聚乙烯的熔融温度。44．根据权利要求43所述的方法，其中所述超高分子量聚乙烯的所述预热温度从大约20℃至大约135℃。45．根据权利要求43所述的方法，其中所述超高分子量聚乙烯的所述预热温度大约是50℃。46．根据权利要求43所述的方法，其中所述预热在非惰性的环境中进行。47．根据权利要求43所述的方法，其中所述预热在惰性的环境中进行。48．根据权利要求43所述的方法，其中辐射是电子辐射，并且所述辐射的剂量率从大约0.05Mrad/min至大约10Mrad/min。49．根据权利要求43所述的方法，其中辐射是电子辐射，并且所述辐射的剂量率从大约4Mrad/min至大约5Mrad/min。50．根据权利要求43所述的方法，其中辐射是γ-辐射，并且所述辐射的剂量率从大约0.05Mrad/min至大约0.2Mrad/min。51．根据权利要求43所述的方法，其中所述辐照步骤是在惰性环境中进行的。52．根据权利要求43所述的方法，其中所述辐照步骤是在非惰性环境中进行的。53．根据权利要求43所述的方法，其中在所述步骤A中所述超高分子量聚乙烯是绝热材料，以便降低加工过程中所述超高密度聚乙烯的热损失。54．根据权利要求43所述的方法，其中在所述辐照步骤前所述超高分子量聚乙烯的所述预热温度从大约100℃至大约135℃。55．根据权利要求43所述的方法，其中在所述辐照步骤前所述超高分子量聚乙烯的所述预热温度是大约120℃。56．根据权利要求43所述的方法，其中在所述加热步骤后所述超高分子量聚乙烯的最终温度在所述超高分子量聚乙烯的熔融温度以上。57．根据权利要求56所述的方法，其中所述最终温度从大约140℃至大约200℃。58．根据权利要求56所述的方法，其中所述最终温度从大约145℃至大约190℃。59．根据权利要求56所述的方法，其中所述最终温度是大约150℃。60．根据权利要求43所述的方法，其中所述辐照步骤采用电子辐射，以便产生绝热增温。61．根据权利要求60所述的方法，其中所述受辐照的超高分子量聚乙烯的所述增温是所述绝热增温的结果62．根据权利要求61所述的方法，进一步包括在所述绝热增温之后对所述经过辐照的超高分子量聚乙烯进行补充加热，以便在所述补充加热之后使所述超高分子量聚乙烯的最终温度在所述超高分子量聚乙烯的熔融温度以上。63．根据权利要求62所述的方法，其中在所述补充加热之后所述超高分子量聚乙烯的所述最终温度从大约140℃至大约200℃。64．根据权利要求6...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱德华W梅里尔，威廉H哈里斯，缪拉里贾斯蒂，欧昂马拉特罗，查尔斯R布拉格丹，丹尼尔O欧科勒，普瑞姆拉斯温勒哥帕兰，
申请(专利权)人：麻省理工学院，通用医疗公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]