醫學植入物的承載材料及其製造方法

2023-12-03 17:12:01 2

專利名稱：醫學植入物的承載材料及其製造方法
技術領域：
本發明涉及醫學植入物的承栽材料及其製造方法。
超高分子量聚乙烯("UHMWPE")常用於製造醫學植入 物或矯形外科植入物，例如人造髖關節。該植入物包含一種與硬配合面 例如金屬或陶瓷配合部件接合的承栽材料。UHMWPE作為一種承載材 料，當該承栽材料與硬配合面接合時，同時提供韌性和耐磨蝕性。近年 來，日益變得顯而易見的是，矯形外科植入物和宿主骨的界面上的組織 壞死和骨質溶解是修復關節長期松馳性故障的主要貢獻者。矯形外科醫 生和生物材料科學家公認的是，這種組織壞死和骨質溶解至少部分地是 由於裝配該UHMWPE部件期間產生的UHMWPE微觀微粒的存在的緣 故。身體對這些微粒的反應例如免疫反應包括組織尤其用來錨固矯形外 科植入物的骨的炎症和惡化。終究，該矯形外科植入物變得疼痛和/或松 馳，而且必須加以修改和/或更換。人們希望改善矯形外科植入物，使得 能減少或消除免疫反應。本發明提供這樣一種植入物。發明內容
上述需要是由提供醫學植入物的承栽材料的本發明解決 的。該承栽材料包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)複合物。該承載材料有降低的磨損率和/或引起減少或最低限度免疫反應。該複合物包 含UHMWPE和一種共聚物。例如，該共聚物有一條聚合物主鏈和連接 到該聚合物主鏈上的側鏈親水基團或側鍊表面活性劑。本發明也提供承 載材料製備方法。
具體實施方式
本發明期待在該植入物的承載材料與硬配合面之間的界面 上提供一種親水環境，例如側鏈親水基團或側鍊表面活性劑。不想受理 論或機理約束，相信該親水環境降低了身體的免疫反應。隨著本發明的 承載材料在使用期間磨損，所發生的親水微粒可以被身體吸收並通過腎 髒排出。因此，該承載材料所產生的微觀碎屑不能被體內巨喧細胞得 到，從而減少引起有害免疫反應的可能性。替而代之，或除此之外，該 側鏈親水基團或側鍊表面活性劑減少了該承栽材料與該配合面之間的 界面上的摩擦。進一步替而代之，或除此之外，該側鏈親水基團或側鏈 表面活性劑改變了生理流體中存在的大分子例如蛋白質與該承栽材料 的表面的相互作用。
因此，在一種實施方案中，本發明提供一種醫學植入物承栽 材料，包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和一種有聚合物主鏈和 與該聚合物主鏈連接的側鏈親水基團或側鍊表面活性劑的聚乙烯共聚 物的一種複合物，其中該承栽材料適配得能與該醫學植入物的硬配合面 接合。〖0005] "UHMWPE"這一術語係指有約400,000 amu或更高的重均 分子量的聚乙烯聚合物。較好，該UHMWPE的重均分子量為約l ,000,000 (例如約2,000，000或約3,000,000 ) amu或更大。典型地，該UHMWPE 的重均分子量是約IO，OOO,OOO amu或以下、更好約6,000,000 amu或以 下。適合於本發明中使用的UHMWPE包括但不限於市售UHMWPE, 例如Ticona公司(新澤西州Summit)的GUR 1050和GUR 1020粉末狀 UHMWPE(重均分子量為約2，000，000 約6，000,000 amu)。該UHMWPE可以是無交聯的或交聯的。
可以是諸如金屬股骨J求或餽臼杯的石更配合面，例如，可以由 金屬例如不鏽鋼、鈷鉻合金、或鈦合金製成，也可以由陶瓷例如氧化鋁 或氧化鋯製成。
按照本發明的一種實施方案，該側鏈親水基團或側鍊表面活性劑可以是以直接或者經由一種介入或連接基團連接到該聚合物主鏈 上的方式存在的。該側鏈親水基團或表面活性劑可以是經由共價鍵、離子鍵、和/或配位鍵、較好共價鍵連接到該聚合物主鏈上的方式存在的。
該聚乙烯共聚物和UHMWPE可以以任何適當比例存在於該承栽材料中，例如，該聚乙烯共聚物的存在量可以是該承載材料的約o.iwto/。或以上、典型地約20~約80 wt%、較好約30~約70 wt°/。、更好約45~ 約65 wt%。
該聚乙烯共聚物可以有任何適當分子量，例如，重均分子量
為約50,000 amu或以上、例如約100,000 約500,000 amu。該聚乙烯共 聚物可以有任何適當熔體粘度。在一種實施方案中，該聚乙烯共聚物的 熔體指數等於或大於0.5 g/10 min、較好0.5~約5 g/10 min。
任何適用親水基團都可以存在。按照一種實施方案，該側鏈 親水基團是對水或潤溼介質或極性介質有親合力例如能形成氬鍵的基 團，例如，羥基、羧基、酮基、醛基、氨基、醯胺基、醚基、和氟，或 非離子型基團例如羥基。任何適用表面活性劑都可以存在於該聚合物主 鏈上，例如一種非離子型表面活性劑，如聚乙二醇和聚丙二醇的共聚 物。
任何適用的連接基團都可以存在。按照本發明的實施方案， 該連接基團可以選自下列組成的一組羧烷基、羧羥烷基、羧羥烷氧基、 羧烷氧基、和羧烷氧烷基。在一種實施方案中，該側鏈親水基團可以以 無連接基團就連接到該聚合物主鏈上的形式存在。
該連接基團可以通過反應化學的適當選擇來提供。例如，使 側鏈羥基連接到聚合物主鏈上的羧烷基可以通過使一種聚乙烯共聚物 例如聚乙烯共丙烯酸與乙二醇反應產生。使側鏈羥基連接到聚合物主鏈 上的羧烷氧烷基可以通過使一種聚乙烯共聚物例如聚乙烯共丙烯酸與 二甘醇反應產生。使側鏈羥基連接到聚合物主鏈上的羧羥烷基可以通過 使一種聚乙烯共聚物例如聚(乙烯共甲基丙烯酸縮水甘油酯)與一種多 醇例如乙二醇或甘油反應產生。使側鏈羥基連接到聚合物主鏈上的羧羥 烷氧基可以通過使一種聚乙烯共聚物例如聚(乙烯共甲基丙烯酸縮水甘 油酯)與一種多醇例如山梨糖醇或甘露糖醇反應產生。
按照本發明的實施方案，該UHMWPE和該聚乙烯共聚物可 以是摻和的、該聚乙烯共聚物可以作為表面塗層存在、或者該聚乙烯共 聚物可以浸漬到該UHMWPE基體中。在該聚乙烯共聚物是一種表面塗層或表面層的一種實施方案中，該表面塗層或表面層是沒有磷醯膽鹼基 的。在該表面塗層或表面層含有UHMWPE和聚乙烯共聚物的纏結的一種實施方案中，這樣的表面塗層或表面層是沒有多羥基聚合物例如聚乙 烯醇和聚乙二醇以及多羧基聚合物的。
按照本發明的實施方案的承栽材料可以用任何適當方法制 備。例如， 一種有側鏈親水基團或側鍊表面活性劑的承栽材料可以通過 使UHMWPE與 一種有所需側鏈基團的聚乙烯共聚物共混製備。
該側鏈基團可以通過聚乙烯共聚物上的反應性官能團與親 水潤溼劑或表面活性劑的末端官能團之間的反應結合到該主鏈上。該反 應可以在一種適當溫度、較好在壓塑成形期間的高溫、例如約300~約 450°F、更好約375~約425°F進行。
按照本發明的一種實施方案，為了製備一種包含UHMWPE 和有側鏈親水基團例如鞋基的聚乙烯共聚物的承栽材料，UHMWPE粉 末可以與一種有縮水甘油基的聚乙烯共聚物例如聚(乙烯共縮水甘油 酯)(如聚(乙烯共曱基丙烯酸縮水甘油酯))和一種多醇(如山梨糖 醇)共混。該聚乙烯共聚物和該多醇可以以任何適當比例存在，即該多 醇的羥基可以以小於、等於、或較好大於該聚乙烯共聚物的縮水甘油基 的摩爾比存在。將所得到的共混物壓塑成形。成形產品可以機加工成所 希望的尺寸和形狀，隨後用適當方法包裝該產品和滅菌。例如，該產品 可以包裝到一種聚乙烯包裝(TYVER )中並以氣體等離子體或環氧乙 烷滅菌。
在本發明的另一種實施方案中，為了製備一種包含 UHMWPE和側鍊表面活性劑的承栽材料，UHMWPE粉末可以與一種有 側鏈羧基的聚乙烯共聚物例如聚(乙烯共丙烯酸)和一種聚乙二醇-聚丙 二醇共聚物(如PLURONICTM 68)共混。該聚乙烯共聚物和聚乙二醇-聚丙二醇共聚物可以以任何適當比例存在，即該聚乙二醇-聚丙二醇共聚物的羥基可以以小於、等於、或較好大於該聚乙烯共聚物的羧基的摩爾 比存在。所得到的共混物壓塑成形。所得到的產品可以包裝在真空箔 中，且任選地用Y輻射交聯。該產品中存在的任何殘留游離基團可以通 過使該產品熔融退火加以減少或破壞，然後將其機加工成所希望的形狀 和尺寸。如所討論的，可以將該產品包裝和滅菌。
在另一種實施方案中，可以使用含有親水鏈嵌段或鏈段(例 如乙二醇、丙二醇、乙烯醇等)的共聚物。該聚乙烯共聚物可以是無規 共聚物、嵌段共聚物或者有極性分支和/或側鏈的共聚物。方法的任何適 當組合都是可能的，例如，這些可以包括在壓塑成形之前讓聚乙烯共聚 物與潤溼劑或表面活性劑反應，和在交聯之前使潤溼劑或表面活性劑擴 散和/或與成形的UHMWPE/聚乙烯共聚物反應。
例如，UHMWPE粉末可以與聚(乙晞共乙烯醇)共混、使 該共混物壓塑成形、隨後真空箔包裝、y輻射以使該UHMWPE交聯、熔體退火、機加工、用聚乙烯包裝、和如以上所討論的那樣滅菌。
在以上任何一種實施方案中，壓塑成形的溫度可以是約300 約450DF、較好約350~約400°F,且壓力可以是約300 psi 約8,000 psi、 較好約500 psi 約4000 psi。在各實施方案中，鑑於壓塑成形期間一種 或多種材料的敏感性，較好避免水分和/或氧氣。因此，該壓塑成形是在 一種惰性環境中、例如在氮氣氛圍下、或在減壓下進行。
在壓塑成形中該材料的滯留時間可以是約5 約30分鐘、較 好約10 約20分鐘，取決於例如該承載材料的所希望厚度。例如，在兩 步法一其中先使壓固的UHMWPE材料成形、隨後層壓該帶有親水基團 或表面活性劑的共聚物一中，這兩個步驟的加工條件可以是不同的，例 如，它們可能需要不同的溫度、壓力、和/或剪切力。
該UHMWPE的交聯可以用任何適當方法例如用X射線、丫 射線、e束、微波或超聲波輻射進行。
本發明的承載材料可以有任何適當厚度。在一種使用該承栽 材料作為植入物襯裡的實施方案中，該厚度可以是約3mm或以上、例 如約3 mm 約30 mm。在一些實施方案中，該厚度是約6 mm 約28 mm， 而在其它實施方案中該厚度是約8mm 約20mm。若使用該承栽材料本 身作為一種植入物，則該厚度可以是約3mm或以上，例如約3mm 約 30mm。在一些實施方案中，該厚度是約6mm 約28mm，而在其它實 施方案中，該厚度是約8 mm 約25 mm。
預期本發明的承載材料可以有許多用途。例如，該承栽材料 可以是一種假體號臼杯、該號臼杯的一種插入物或襯裡、 一種凸耳承或 其一種部件、 一種假體脛骨碎、 一種髕骨鈕、 一種假體距骨表面、 一種假體橈肱關節、 一種尺肱關節、 一種盂肱關節、 一種稚間盤置換物、一 種推骨關節面置換物、 一種顳下頜關節、或一種指關節。該承載材料可 以是髖關節成形術的髖臼部件村裡或膝關節成形術的脛骨承。
本發明的承載材料或植入物可以找到作為身體任何適當部 分例如身體中關節的一種部件的用途。例如，在髖關節中，該承載材料 或植入物可以是一種假體號臼杯、或者該杯的插入物或村裡、或者凸耳 承的一種部件(例如在模頭與主幹之間)。在膝關節中，該承載材料或植入物可以是一種假體脛骨坪(股脛關節)。 一種髕骨鈕(髕股關節)、 一種凸耳承或其它承部件，取決於人造膝關節的設計。例如，在半月板 支承型膝關節中，該矯形外科承載材料或植入物的上表面和下表面，即 那些與金屬表面或陶瓷表面接合的表面，都可以是表面交聯的。在踝關 節中，該承栽材料或植入物可以是假體距骨表面(脛距關節)或其它承 栽部件。在肘關節中，該承栽材料或植入物可以是假體橈肱關節、尺肱 關節、或其它支承部件。在肩關節中，該承栽材料或植入物可以用於盂 肱關節。在脊柱中，該承栽材料或植入物可以用於推間盤置換物或推骨 關節面置換物。該承載材料或植入物也可以製成顳下頜關節(頜骨)或 指關節。該承載材料可以在身體的任何一部分例如髖、膝、和各末端中 找到作為植入物的用途。
本發明也提供醫學植入物承栽材料的生產方法，該材料包含 一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和一種有聚合物主鏈和連接到該聚物，該方法包含(;M:—^混合物壓塑成形以得-到一種ii產品，該 混合物包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、 一種有能與羥基反應的反應性基團的聚乙烯共聚物、和一種多醇或一種有羥基的表面活性 劑；和(ii)該成形產品的機加工，得到該承栽材料。
如所討論的，該聚乙烯共聚物的反應性基團可以選自羧基、 縮水甘油基、和羧酐基組成的一組。在一種實施方案中，該反應性基團 選自羧基、縮水甘油基、和羧酐基組成的一組，而該親水基團是羥基。 聚乙烯共聚物的實例是聚(乙烯共甲基丙烯酸縮水甘油酯)或聚(乙烯 共丙烯酸)。多醇的實例包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、甘油、季戊四 醇、三(羥甲基)丙烷、山梨糖醇、甘露糖醇、二聚甘油、和三聚甘油 或聚醚多醇，例如，環氧乙烷與環氧丙烷的嵌段共聚物，該嵌段共聚物 有羥基鏈端。
按照另一種實施方案，本發明提供一種包含一種複合物的醫 學植入物承栽材料的生產方法，該複合物由一種超高分子量聚乙烯 (UHMWPE )和一種有聚合物主鏈和連接到該聚合物主鏈上的側鏈親水 基團或側鍊表面活性劑的聚乙烯聚合物組成，該方法包含(i)使一種 包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE )和一種包含聚乙烯鏈段和有側鏈基團的親水鏈段的嵌段共聚物的混合物壓塑成形，得到一種成形產 品；和(ii)任選地對該成形產品機加工，得到一種承載材料。
在上述方法的一種實施方案中，該親水鏈段包含羥基。在另 一種實施方案中，該嵌段共聚物是聚(乙烯共乙烯醇)。
按照又另一種實施方案中，本發明提供一種醫學植入物承載 材料的生產方法，該材料包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和一 種有聚合物主鏈和連接到該聚合物主鏈上的側鏈親水基團或側鍊表面 活性劑的聚乙烯共聚物的複合物，該方法包含(i)使一種超高分子量 聚乙烯(UHMWPE)粉末壓塑成形，得到一種壓固的UHMWPE材料； (ii)壓塑一種與該壓固UHMWPE材料接觸的、包含一種有能與羥基 反應的反應性基團的聚乙烯共聚物、 一種多醇或一種有羥基的表面活性 劑的混合物，得到一種複合物；和(i")任選機加工該壓塑成形產品， 得到該承栽材料。
在另一種實施方案中，本發明提供一種醫學植入物承載材料 的生產方法，該材料包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和一種有 聚合物主鏈和連接到該聚合物主鏈上的側鏈親水基團或側鍊表面活性 劑的聚乙烯共聚物的複合物，該方法包含:(i )提供一種壓固的UHMWPE 材料和(ii)使與該壓固的UHMWPE材料接觸的一種有能與羥基反應 的反應性基團的聚乙烯共聚物、 一種多醇或一種有羥基的表面活性劑壓 塑成形，得到一種複合物，和(iii)任選對該壓塑成形產品機加工，得 到該承載材料。該成形產品可以在壓塑成形之前機加工成所希望的形狀 和尺寸，或者壓塑成形後的產品可以理想地進4於4幾加工。
在又另一種實施方案中，本發明提供一種醫學植入物承栽材 料^生產方法，該材料包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和;種的複合物，該方法包含(i)將一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 粉末壓塑成形，得到一種壓固的UHMWPE材料；(ii)壓塑一種與該 壓固UHMWPE材料接觸的、包含聚乙烯鏈段和有反應性親水側鏈基團 的親水鏈段的嵌段共聚物，得到一種成形產品；和(iii)任選地機加工 該壓塑成形產品，得到該承栽材料。
在一種進一步實施方案中，本發明提供一種醫學植入物承載 材料的生產方法，該材料包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和一物的複合物，該方法包含(i)提供一種壓固的UHMWPE材料；和(ii) 壓塑一種與該壓固的UHMWPE材料接觸的、包含聚乙烯鏈段和有反應 性親水側鏈基團的嵌段共聚物，得到一種成形產品，和(iii)任選地機 加工該壓塑成形產品，得到該承栽材料。
在本發明的任何一種實施方案中，該承載材料的製備方法都 可以進一步包括該UHMWPE的交聯、該承載材料的滅菌、和/或機加工 前該成形產品的熔體退火。
在以上任何一種實施方案中，該壓固的UHMWPE材料是該 承栽材料的一種前體物，可以有任何一種壓固形狀、例如棒材、片材、 料坯、或成品部件。該壓固材料可以用任何適當方法例如用模塑、擠塑、 或溶劑澆鑄法製備。替而代之，該壓固的UHMWPE材料可以從一種聚 合物、例如一種可交聯聚合物如UHMWPE的塊料或片材機加工或成 形。
本發明也提供由該方法的以上實施方案生產的承栽材料。本 發明的承栽材料引起減少的免疫系統反應。此外，通過血清蛋白與側鏈 親水劑或潤溼劑或表面活性劑之間的有益相互作用所衍生的潤滑效 果，UHMWPE磨損率降低了。該UHMWPE基體中親水基團或表面活 性劑的永久錨固提供了性能穩定性和可靠性。本發明的一個優點是，它 允許調整該承栽材料表面和/或本體的潤溼效果和潤滑效果。在各實施方 案中，本發明提供了不太昂貴的承載材料生產方法。它力求避免多階段 接枝和/或化學反應。
本文中提到的所有參考文獻包括出版物、專利申請、和專 利，均在與每篇參考文獻個別和具體地指出要列為參考文獻且以其整體在本文中提到的相同程度上列為本文參考文獻。
在描述本發明的範疇內(尤其在隨後權利要求的範疇內)， "一個，，、"一種，，、"該，，這些術語和類似參照物的使用要理解為同時 涵蓋單數和複數，除非本文中另有指出或明顯地與上下文矛盾。"包 含，，、"有，，、"包括"、和"含有"這些術語要理解為開放式術語(即 係指"包括但不限於，，)，除非另有說明。本文中數值範圍的引用僅意 圖用來作為個別地提到落入該範圍內的每個單獨數值的一種快速方 法，除非本文中另有指出，而且每個單獨數值都列入本說明書中，猶如 本文中個別地再次引用它一樣。本文中所述的所有方法都可以以任何適 當順序進行，除非本文中另有指出，要不然明顯地與上下文矛盾。任何 實例和所有實例或本文中提供的例示性語言(如"例如")都僅意圖更
好地說明本發明，而不對本本發明的範圍設置限制，除非另有權利要 求。本說明書中的語言均不應理解為指出任何非權利要求的要素是本發 明實施所必需的。
本文中描述了本發明的較好實施方案，包括本發明者們已知 的本發明實施最佳形態。那些較好實施方案的變異，對於業內技術人員 來說，在閱讀以上描述時可能變得顯而易見。本發明者們期待業內技術 人員適當時採用這樣的變異，而且本發明者們意圖使本發明能以除本文 中具體描述的外的其它方式實施。因此，本發明包括本文所附權利要求 書中提到的主題的、適用法律所允許的所有修飾和等效物。進而，本發 明涵蓋其一切可能變異中以上所述要素的任何組合，除非本文中另有指 出要不然明顯地與上下文矛盾。
權利要求
1.一種醫學植入物承載材料，包含一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和一種有聚合物主鏈和連接到該聚合物主鏈上的側鏈親水基團或側鍊表面活性劑的聚乙烯共聚物的複合物，其中該承載材料用於與該醫學植入物的硬配合面接合。
2. 權利要求1的承栽材料，其中該側鏈親水基團通過一種連接基團 連接到該聚合物主鏈上。
3. 權利要求2的承載材料，其中該側鏈親水基團包含一個或多個游離非離子型基團。
4. 權利要求3的承栽材料，其中該非離子型基團是羥基。
5. 權利要求2的承栽材料，其中該連接基團選自下列組成的一組 羧烷基、羧羥烷基、羧羥烷氧基、羧烷氧基、和羧烷氧烷基。
6. —種醫學植入物承載材料的生產方法，該承栽材料包含一種超高 分子量聚乙烯(UHMWPE)和一種有聚合物主鏈和連接到該聚合物主鏈 上的側鏈親水基團或側鍊表面活性劑的聚乙烯共聚物的複合物，該方法 包含(i) 將一種混合物壓塑成形，得到一種成形產品，該混合物包含一 種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、 一種有能與親水基團反應的反應性 基團的聚乙烯共聚物、和一種多醇或一種有親水基團的表面活性劑；和(ii) 機加工該成形產品，得到該承載材料。
7. 權利要求6的方法，其中該聚乙烯共聚物是聚(乙烯共甲基丙烯 酸縮水甘油酯)、聚(乙烯接枝馬來酸肝)或聚(乙烯共丙烯酸)。
8. 權利要求6的方法，其中該多醇選自由下列組成的一組乙二 醇、丙二醇、丁二醇、甘油、季戊四醇、三(羥甲基)丙烷、山梨糖醇、 甘露糖醇、二聚甘油、三聚甘油、和多聚甘油。
9. 權利要求6的方法，其中該多醇是一種聚醚多醇。
10. 權利要求9的方法，其中該聚醚多醇是環氧乙烷和環氧丙烷的 嵌段共聚物，所述嵌段共聚物有羥基鏈端。
全文摘要
公開的是一種醫學植入物承載材料，該材料是一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)複合物。該複合物包含，例如，UHMWPE和一種有聚合物主鏈和連接到該聚合物主鏈上的側鏈親水基團或側鍊表面活性劑的聚乙烯共聚物。也公開的是承載材料的製備方法。該承載材料有一種或多種有利性能，包括減少免疫反應、減少磨損、和/或增加潤滑作用。
文檔編號A61L27/16GK101130109SQ20071014685
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月24日 優先權日2006年8月25日
發明者C·埃恩斯伯格, R·S·金 申請人:德普伊產品公司