生产滑动表面元件的方法、滑动表面元件和膝关节假体与流程

1.本发明涉及一种生产用于关节假体、特别是膝关节假体的基于超高分子量聚乙烯(uhmwpe)的滑动表面元件的方法。
2.本发明还涉及一种根据该方法生产出的用于关节假体的滑动表面元件。
3.最后，本发明涉及一种具有股骨部件和胫骨部件的膝关节假体，其中这种滑动表面元件固定到胫骨元件上。


背景技术：

4.关节假体早已为人所知，其包括由超高分子量聚乙烯(uhmwpe)制成的滑动表面元件。这里，由uhmwpe制成的滑动表面元件通常与由金属材料制成的相应元件协同工作，从而这种材料组合导致低摩擦系数。在髋关节假体中，由uhmwpe制成的滑动表面元件通常被形成为髋关节头植入物的镶嵌体，而在膝关节假体中，其通常固定到胫骨部件并且也被称为半月板元件。由uhmwpe制成的滑动表面也可用于膝盖骨假体(髌骨假体)。
5.滑动表面元件在机械性能、耐磨性和抗老化性方面必须满足一定的要求，由此为了这个目的所需的uhmwpe材料特性是部分地相反的。为了增加耐磨性，uhmwpe可以用电离辐射交联，例如，如ep 0 995 450 a1所述的。然而，与此同时，交联降低了材料的延展性，这增加了结构材料疲劳、分层以及滑动表面元件失效(视情况而定)的风险。
6.由于在uhmwpe的辐射交联过程中形成自由基并部分留在材料中，这往往导致因氧化过程而带来的较差的耐老化性。这个问题可以通过添加抗氧化剂来至少部分抵消，例如a-生育酚(维生素e)，其中抗氧化剂要么在生产模制体之前添加到uhmwpe中，要么仅在交联后通过扩散引入模制体(例如，参见ep 3 111 895a1)。鉴于越来越多的年轻患者接受关节假体治疗，同时随着预期寿命的增加，患者在老年仍然保持活动，关节假体中uhmwpe的抗衰老性变得越来越重要。
7.根据关节假体的类型，对uhmwpe的性能情况的需求也有所不同。在髋关节假体中，配合的滑动表面是基本上一致的(半球形)，因此产生的力可以或多或少地均匀分布在整个接触表面上。因此，材料的延展性在这里不起重要作用。膝关节假体的情况完全不同，其中配合的滑动表面在很大程度上不一致，以便实现所需的关节运动自由(在矢状面和额平面)。与髋关节相反，滑动和滚动运动同时发生，因此产生准时力效应和应力峰值，这比髋关节高10倍。对于由uhmwpe制成的具有太低延展性的滑动表面元件，这可能导致裂纹、分层，最终导致滑动表面元件断裂和破坏。


技术实现要素：

8.因此，本发明的潜在目的是提出一种基于uhmwpe的滑动表面元件及其生产方法，该元件在机械强度、延展性、耐磨性和抗老化性方面具有有利的性能，考虑到所需的运动自由度，其尤其可以用于膝关节假体。
9.该目的是通过一种基于uhmwpe生产关节假体的滑动表面元件的方法来实现的，包
括以下步骤：
[0010]-将粉末形式的uhmwpe与按重量计为0.09至0.11％的抗氧化剂混合；
[0011]-将混有抗氧化剂的uhmwpe压实成模制体；
[0012]-通过去除材料加工，由模制体制造一个或多个滑动表面元件；
[0013]-以辐射剂量为25至45kgy的伽马射线或x射线辐照滑动表面元件以使uhmwpe交联；
[0014]
其中，该方法不包括对辐照后的滑动表面元件的热后处理。
[0015]
令人惊讶的是，已经显示，上述方法参数的组合可以产生具有高耐磨性、抗老化性、机械强度和延展性的滑动表面元件。特别是，使用相对较低辐射剂量的伽马辐射或x射线辐射的uhmwpe的仅适度的交联是决定性的，这两种辐射与β辐射相比具有显著更低的强度和吸收。此外，在本发明的方法中，对辐照后的滑动表面元件不进行会导致不利的材料变化和强度降低的热后处理。通过消除这种后处理，该方法还更具成本效益。
[0016]
本发明范围内使用的uhmwpe的分子量通常在5*106至107g/mol(由特性粘度确定)范围内，密度在0.92至0.95g/cm3范围内。一种合适的粉末形式的uhmwpe产品可获取自例如ticona gmbh公司的名为gur 1020的产品，或者作为具有按重量计0.1％的a-生育酚作为抗氧化剂的名为gur 1020-e的混合物。
[0017]
多种也被批准用于医疗领域的抗氧化剂可用作为与uhmwpe混合的抗氧化剂。抗氧化剂优选地选自生育酚、生育三烯醇、抗坏血酸、多酚类抗氧化剂，例如，类黄酮、丁基羟基甲苯(bth)和丁基羟基异黄酮(bta)。
[0018]
在本发明的优选实施方式中，抗氧化剂为α-生育酚。
[0019]
这也被称为维生素e，在更广泛的意义上，维生素e包含所有的生育酚、生育三烯醇和其他脂溶性抗氧化剂。
[0020]
将uhmwpe压实成模制体通常是通过压缩成型或ram挤压的方式进行的，优选地达到模制体的密度为0.92g/cm3或更高，即，基本上达到uhmwpe的理论密度。压实的模制体通常在每个空间方向上具有50mm或更大的尺寸，优选地100mm或更大，以便从坯料中可以通过去除材料加工，特别是通过铣削的方式生产多个滑动表面元件。
[0021]
根据本发明，然后对具有其最终几何形状的成品滑动表面元件进行辐照。与首先对作为坯料的模制体辐照然后生产各个部件的方法相比，这确保了均匀的交联，特别是在滑动表面元件的表面区域中。
[0022]
辐射剂量优选为27到33kgy，进一步优选地为约30kgy。已经表明，在这种量级的辐射剂量下，可以在相反的需求之间实现最佳平衡，特别是在滑动面元件的耐磨性和延展性之间。
[0023]
用伽马射线辐照滑动表面元件优选地在4至6小时的时间内进行。在30kgy优选辐射剂量下，这对应于5至7.5kgy/h的剂量率。
[0024]
用x射线辐照滑动表面元件优选地在1至10分钟的时间内进行。在30kgy的优选辐射剂量下，这对应于0.05至0.5kgy/s的剂量率。
[0025]
如果在辐照前将滑动表面元件以防菌方式用塑料膜包装，则特别有利。除了交联外，伽马辐射还对密封包装中的滑动表面元件进行灭菌。
[0026]
对滑动表面元件的辐照最好在容纳室内进行，所述容纳室内的总填充量可达每立
方米250kg。
[0027]
本发明的另一主题方式是由根据本发明的方法生产出的用于关节假体的基于uhmwpe的滑动表面元件。
[0028]
根据本发明的滑动表面元件的具体优点和优选实施例已经结合根据本发明的方法进行了讨论。
[0029]
如果根据本发明的滑动表面元件是用于膝关节假体，特别是用于膝关节假体的胫骨部件或髌骨部件，的滑动表面元件，则特别有利。在这种情况下，滑动表面元件也可以称为半月板元件。
[0030]
根据本发明的制造方法的应用产生并使其在膝关节假体中的使用成为可能的滑动表面元件的有利机械性能可以特别地通过以下一个或多个参数来表征：
[0031]
滑动表面元件的断裂伸长率优选地为400％或更高，进一步优选地为450％或更高。
[0032]
滑动表面元件的拉伸强度优选地为50mpa或更高，进一步优选地为55mpa。
[0033]
滑动表面元件的屈服应力优选地为20mpa或更高，特别是为22mpa或更高。
[0034]
滑动表面元件的伊佐德(izod)抗冲击强度优选地为100kj/m2或更高，进一步优选地为110kj/m2或更高。
[0035]
膨胀比可作为表征uhmwpe交联程度的指标，随着交联程度的增加，膨胀比逐渐减小。根据本发明的滑动表面元件优选具有超过4的膨胀比，这是由根据本发明的方法中仅有适度交联产生的。这里，膨胀比根据astm f 2214：2016标准(确定交联的uhmwpe在邻二甲苯中膨胀引起的体积变化)确定的。
[0036]
本发明的进一步主题方式是膝关节假体，其包括股骨部件和胫骨部件，其中根据本发明的滑动表面元件固定到胫骨部件并与股骨部件配合。这里，在膝关节假体的活动范围内彼此接触的股骨部件和滑动表面元件的表面区域的半径比在1到7的范围内。
[0037]
根据本发明的膝关节假体中半径比的宽泛范围说明了在股骨部件和滑动表面元件之间的低的一致性(例如，与髋关节假体相比)，这是膝关节假体中为了在关节在矢状面和额平面上操作期间实现所需的运动自由度而需要的。
[0038]
在根据本发明的膝关节假体的情况下，作用在滑动表面元件上的压应力，特别是点载荷，通常达到25mpa。由于根据本发明的滑动表面元件的机械性能，这些数值不是关键的。
附图说明
[0039]
在下面的示例中参考附图对本发明进行更详细的说明。在图中：
[0040]
图1示出了各种uhmwpe材料性能情况的雷达图；
[0041]
图2示出了根据本发明的具有滑动表面元件的膝关节假体的压应力曲线图。
具体实施方式
[0042]
图1中的雷达图示意性地示出了根据本发明的滑动表面元件的适度交联的uhmwpe(实线)、添加维生素e的高度交联的uhmwpe(虚线)和未添加维生素e的标准uhmwpe(点线)的典型性能曲线。
[0043]
图中的五个轴表示材料的以下性质：
[0044]
v：耐磨性
[0045]
d：延展性
[0046]
u：对应力峰值的不敏感性
[0047]
b：活动自由度(由于关节的低一致性)
[0048]
a：耐老化性
[0049]
该图示意性地示出了根据本发明的滑动表面元件可以在很大程度上实现所有所需的性能，而这对于现有技术的uhmwpe材料来说是不可能的，特别是由于高度交联的相反效应。虽然这实现了高耐磨性和抗老化性，但它也降低了材料的延展性并使其对应力峰值敏感。此外，根据本发明的滑动表面元件通过承受由于较低一致性的关节匹配件而发生的高的点载荷，而能够实现关节假体的特别高的运动自由度。
[0050]
示例
[0051]
为了生产根据本发明的滑动表面元件，将粉末状的uhmwpe(gur 1020,ticona gmbh公司)与按重量计0.1％的维生素e(α-生育酚)均匀混合并压入板中。从该坯料铣削出膝关节假体的胫骨部件的滑动表面元件。在包装到膜中之后，用伽马射线辐照滑动表面元件约5小时，以便使uhmwpe交联并同时对uhmwpe进行灭菌。这里，辐射剂量为30
±
3kgy。
[0052]
在下表中，给出了根据本发明生产的滑动表面元件的相关力学性能，以及市场可获得的交联uhmwpe材料的相应数值(来自文献)，以供比较：
[0053][0054]
对比表明，根据本发明的滑动表面元件明显优于现有技术，特别是在断裂伸长率方面。根据本发明的uhmwpe的拉伸强度也高于所有三种已知材料。
[0055]
为了确定膝关节假体的载荷，根据本发明的滑动表面元件作为半月板元件与股骨部件组合，其中在关节的运动范围内彼此接触的表面区域的半径比在1到7的范围内。
[0056]
图2中示出了滑动表面元件和股骨部件在一秒的循环时间内的压应力分布图。这些值始终低于25mpa，并且对于根据本发明的滑动表面元件的机械性能而言不是关键值。

技术特征：
1.一种制造用于关节假体的基于uhmwpe的滑动表面元件的方法，所述方法包括步骤：-将粉末形式的uhmwpe与按重量计为0.09至0.11％的抗氧化剂混合；-将与抗氧化剂混合的所述uhmwpe压实成模制体；-通过去除材料加工，由所述模制体制造一个或多个滑动表面元件；-以辐射剂量为25至45kgy的伽马射线或x射线辐照所述滑动表面元件以使所述uhmwpe交联；其中，该方法不包括对辐照后的滑动表面元件的热后处理。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述uhmwpe的分子量范围为5*106至107g/mol，密度范围为0.92至0.95g/cm3。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述抗氧化剂选自生育酚、生育三烯醇、抗坏血酸、多酚类抗氧化剂中，例如，黄酮类、丁基羟基甲苯和丁基羟基异黄酮。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述抗氧化剂是α-生育酚。5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中混合了所述抗氧化剂的所述uhmwpe通过压缩成型或ram挤压的方式被压缩，优选地达到所述模制体的密度为0.92g/cm3或更高。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述辐射剂量为27至33kgy，优选地为约30kgy。7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述滑动表面元件的辐照是用伽马辐射在4至6小时的时间内或用x射线辐射在1至10分钟的时间内进行的。8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述滑动表面元件在辐照前以防菌方式包装在塑料膜中。9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述滑动表面元件的辐照在总填充量高达每立方米250kg的容纳空间中进行。10.一种用于关节假体的基于uhmwpe的滑动表面元件，所述滑动表面元件是根据上述权利要求中任一项所述的方法生产的。11.根据权利要求10所述的滑动表面元件，其中所述滑动表面元件是用于膝关节假体的滑动表面元件，特别是用于所述膝关节假体的胫骨部件或髌骨部件的滑动表面元件。12.根据权利要求10或11的滑动表面元件，其中所述滑动表面元件具有400％或更高的断裂伸长率，优选为450％或更高。13.根据权利要求10至12中任一项所述的滑动表面元件，其中所述滑动表面元件具有50mpa或更高的拉伸强度，优选为55mpa或更高。14.根据权利要求10至13中任一项所述的滑动表面元件，其中所述滑动表面元件具有20mpa或更高的屈服应力，优选为22mpa或更高。15.根据权利要求10至14中任一项所述的滑动表面元件，其中所述滑动表面元件具有100kj/m2或更高的伊佐德冲击强度，优选为110kj/m2或更高。16.根据权利要求10至15中任一项所述的滑动表面元件，其中所述滑动表面元件具有根据astm f 2214：2016确定的超过4的膨胀比。17.一种膝关节假体，包括股骨部件和胫骨部件，其中根据权利要求10至16中任一项所述的滑动表面元件固定到所述胫骨部件并与所述股骨部件配合，其中在所述膝关节假体的活动范围内彼此接触的所述股骨元件和所述滑动表面元件的表面区域的半径比在1到7的
范围内。

技术总结
本发明涉及一种制造用于关节假体的基于UHMWPE的滑动表面元件的方法，所述方法包括步骤：-将粉末形式的UHMWPE与按重量计为0.09至0.11％的抗氧化剂混合；-将与抗氧化剂混合的UHMWPE压实成模制体；-通过去除材料加工，由模制体制造一个或多个滑动表面元件；-以辐射剂量为25至45kGy的伽马射线或X射线辐照滑动表面元件以使UHMWPE交联；其中，所述方法不包括对辐照后的滑动表面元件的热后处理。对辐照后的滑动表面元件的热后处理。对辐照后的滑动表面元件的热后处理。


技术研发人员：伯娜
受保护的技术使用者：蛇牌股份公司
技术研发日：2022.01.25
技术公布日：2023/10/5