一種抗氧化人工關節假體的製作方法

2023-05-19 03:21:06 1

專利名稱：一種抗氧化人工關節假體的製作方法
技術領域：
一種抗氧化人工關節假體技術領域[0001]本實用新型涉及一種抗氧化人工關節假體，該假體適用於關節置換，屬於內植入醫療器械領域。
背景技術：
[0002]超高分子量聚乙烯由於其優異的耐磨性、良好的力學性能和生物相容性，於上世紀60年代開始用於人工關節內襯受力材料。人工關節各部件的製造方法種類繁多，而且製造方法對於人工關節的力學性能和磨損有重要的影響。傳統的方法是將模壓成型或者柱塞擠出成型的超高分子量聚乙烯切削成特定的假體元件，與其它部件組裝成人工關節。行關節置換術時，需用特製的手術工具將聚乙烯元件與金屬元件嵌合。為了保證聚乙烯內襯在髖臼中長期穩定，通常需要在金屬髖白和聚乙烯內襯上設計和製造複雜的限位機構。此外， 在傳統的人工髖關節中，聚乙烯內襯與金屬球頭之間、聚乙烯內襯與金屬髖白之間存在至少兩個摩擦界面，由於聚乙烯內襯往往沒有固定，這兩個摩擦面都可進行相對運動，從而發生磨損，產生大量的磨屑，是導致假體周邊骨溶解的主要原因。[0003]超高分子量聚乙烯與金屬元件一體成型技術具有獨特的優勢。將超高分子量聚乙烯熔體強迫嵌入多孔的金屬髖白內壁，形成物理咬合的一體式髖白。其優點在於聚乙烯材料與金屬的孔洞形成「互穿結構」，成為一個整體，不需要另外設計和製造限位機構，生產效率大大提高；此外，減少了超高分子量聚乙烯與金屬髖白的滑動摩擦面，避免了背面磨損， 利於降低磨損速率和磨屑數量。[0004]無論是哪種假體，在製成成品後，植入人體前，必須經過滅菌處理，而輻照滅菌是重要的方法之一。此外，為了提高假體的耐磨損性能，常常將超高分子量聚乙烯進行輻照交聯。輻照滅菌和輻照交聯都會產生自由基，導致聚乙烯在庫存期和植入後發生氧化。下面分別從輻照滅菌和輻照交聯兩個方面介紹相關的技術背景。[0005]早期主要的人工關節生產商普遍採用在空氣中伽馬射線輻照滅菌，並在空氣氣氛中包裝保存。在空氣中輻照 時，聚乙烯分子鏈被離解，生成的自由基迅速與氧分子結合，形成過氧自由基，誘發瀑布式氧化-鏈斷裂-自由基轉移等反應，不斷地導致聚乙烯鏈發生氧化，斷裂，降解，材料強度和韌性顯著降低。這樣的人工關節在儲存超過一年半以後即發生嚴重的氧化，特別是聚乙烯下表面氧化程度最高，表面次之。輻照滅菌的人工關節植入體內 5-10年時，關節滑液中溶解的氧分子可隨關節滑液侵入聚乙烯假體，與聚乙烯中的烷基自由基反應，生成過氧自由基，過氧自由基導致聚乙烯分子鏈發生瀑布式氧化反應，特別是下表面發生最大的氧化，疲勞韌性降低，易發生片狀剝離，導致假體發生鬆動、脫位，是導致假體(特別是膝關節假體)翻修的主要原因之一。[0006]將聚乙烯假體置於真空中或低氧或無氧氣氛中輻照交聯，可避免在輻照時發生材料的氧化，避免或降低過氧化物或者過氧自由基的生成。輻照時以及輻照後將假體進行真空包裝、惰性氣氛包裝、低氧氣氛包裝、或者無氧氣氛包裝，可大大提高聚乙烯假體在儲存過程中的穩定性，顯著降低或者避免發生氧化。若採用不透氣的包裝，隔絕氧氣滲入，可進一步降低庫存期間發生氧化的程度。然而，輻照產生的自由基在聚乙烯假體中穩定存在，惰性輻照滅菌並且惰性保存的聚乙烯假體在植入人體後，雖然發生氧化的程度顯著降低，發生顯著氧化所需的時間顯著延長，但假體在體內的長期(10年以上)氧化穩定性仍有待臨床研究。[0007]非輻照滅菌技術不改變聚乙烯分子結構，不產生自由基，因此可完全避免自由基導致的聚乙烯氧化問題。環氧乙烷被廣泛地應用於人工關節滅菌。其主要原理是將環氧乙烷滲入聚乙烯假體近表面層，利用環氧乙烷的毒性來殺滅細菌、孢子等。完成滅菌後，將環氧乙烷徹底揮發，環氧乙烷與聚乙烯不發生化學反應，沒有殘留。環氧乙烷是易燃易爆、有毒的氣體，因此在保存、滅菌、處置過程中必須嚴格按照國際標準實施，尤其要避免環氧乙烷在聚乙烯假體中的殘留。[0008]輻照滅菌技術的顯著優點在於效率高、易操作、滅菌徹底、無殘留，並且在輻照過程中能使聚乙烯分子鏈發生交聯，獲得突出的耐磨損性能。這種耐磨損性能對於聚乙烯假體的臨床表現和使用壽命至關重要。因此，輻照滅菌技術仍然是非常有競爭力的滅菌方法， 特別是適於對一體式假體進行滅菌處理，關鍵在於發展一種方法以穩定輻照產生的自由基。[0009]另一方面，輻照交聯技術被廣泛地應用於提高聚乙烯假體的耐磨損性能。同樣地， 輻照產生的自由基是導致聚乙烯假體在體外和體內發生氧化的內在原因。輻照交聯並熔融再結晶可消除自由基，從而提高聚乙烯假體的氧化穩定性，但熔融再結晶導致聚乙烯的強度和韌性顯著下降，易發生疲勞破壞；熔融再結晶導致聚乙烯假體產生內應力。因此，輻照交聯且熔融再結晶技術不適於製造一體式耐磨聚乙烯假體。[0010]目前採用抗氧化劑(如維生素E)可提高超高分子量聚乙烯的抗氧化能力，使超高分子量聚乙烯假體經輻照滅菌後仍能保持優良的氧化穩定性，但存在著自身的局限性。現有的發明專利都沒有提到維生素E以外的抗氧化劑應用於超高分子量聚乙烯-金屬一體成型假體，更沒有 揭示除維生素E以外的抗氧化劑對人工關節輻照滅菌後的穩定化作用。發明內容[0011]本實用新型的目的在於針對現有技術的不足，提供抗氧化人工關節假體。[0012]本實用新型包括金屬髖臼和聚乙烯內襯；[0013]所述的金屬髖白為半球形殼體，採用金屬材料，其內凹面一側具有相互連通的多孔結構，金屬髖臼中具有多孔結構的部分的厚度為總厚度的20 60 % ;所述的多孔結構的孔隙率50 80 %，構成多孔結構的孔的內徑為100 1000微米；所述的孔隙率為多孔結構中孔的空間體積與多孔結構部分總體積的比；所述的金屬材料為不鏽鋼、CoCr合金、 CoCrMo合金、Ti或Ti合金；[0014]所述的聚乙烯內襯為嵌在金屬髖臼內的半球形殼體，其外凸面一側與金屬髖臼內凹面的多孔結構相匹配，通過金屬髖臼內側的多孔結構與金屬髖臼緊密結合；[0015]聚乙烯內襯的材料為質量比為1000 10000 1的超高分子量聚乙烯和抗氧化劑的混合物；所述的超高分子量聚乙烯樹脂為分子量大於等於100萬道爾頓的線形聚乙烯樹脂，所述的抗氧化劑為咖啡酸、沒食子酸、沒食子酸月桂酯中的一種；[0016]聚乙烯內襯外凸面的部分超高分子量聚乙烯和抗氧化劑的混合物滲入金屬髖臼的多孔結構的孔中，並且與金屬髖臼完全物理嵌合，從而使聚乙烯內襯與金屬髖臼緊密結口 ο[0017]本實用新型的超高分子量聚乙烯-金屬一體式假體與金屬髖白成為一個完整的整體，避免了相對移動發生的背摩擦磨損，可降低假體磨損，由於聚乙烯嵌入多孔結構，具有很好的穩定性和可靠性，聚乙烯-金屬嵌合的結構為聚乙烯摩擦面提供了最佳的力學支撐，降低了因過度剪切、拉伸、壓縮導致的假體應力屈服和疲勞破壞。假體含有強效的抗氧化劑，可採用伽馬射線或者電子束滅菌，也可由高劑量的伽馬射線或電子束輻照交聯，獲得較高的交聯度，提高假體的抗磨損能力，同時具備優異的氧化穩定性。


[0018]圖1為本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
[0019]如圖1所示，一種抗氧化人工關節假體包括金屬髖臼I和聚乙烯內襯2。金屬髖臼I為半球形殼體，採用不鏽鋼、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金材料。聚乙烯內襯2為半球形殼體，材料為質量比為1000 10000 1的超高分子量聚乙烯和抗氧化劑的混合物，其中超高分子量聚乙烯樹脂為分子量大於等於100萬道爾頓的線形聚乙烯樹脂，抗氧化劑為咖啡酸、沒食子酸、沒食子酸月桂酯中的一種。聚乙烯內襯2的外凸面與金屬髖臼 I的內凹面緊密連接在一起。[0020]金屬髖臼I的內凹面一側具有相互連通的立體網狀的多孔結構，金屬髖臼I中具有多孔結構的部分的厚度為總厚度的20 60 %，多孔結構的孔隙率50 80 %，構成多孔結構的孔的內徑為100 1000微米。[0021]聚乙烯內襯外凸面一側與金屬髖臼內凹面的多孔結構相匹配，通過金屬髖臼內側的多孔結構與金屬髖臼緊密結合。[0022]聚乙烯內襯外凸面的部分超高分子量聚乙烯和抗氧化劑的混合物滲入金屬髖臼的多孔結構的孔中，並且與金屬 髖臼完全物理嵌合，從而使聚乙烯內襯與金屬髖臼緊密結口 ο[0023]製備該抗氧化人工關節假體的方法如下[0024]步驟(I).將抗氧化劑加入有機溶劑中混合均勻，形成抗氧化劑溶液，再將超高分子量聚乙烯樹脂粉末加入抗氧化劑溶液中，充分混合後在40 80°C下乾燥5 14天，得到抗氧化劑和超高分子量聚乙烯混合物粉末；[0025]所述的有機溶劑為丙酮、乙醇、石油醚中的一種，每升有機溶劑加入50 200克抗氧化劑，加入的超高分子量聚乙烯樹脂粉末的質量為加入的抗氧化劑的質量的1000 10000 倍；[0026]步驟(2).將抗氧化劑和超高分子量聚乙烯混合物粉末置於半球殼形的金屬髖臼內，加熱至180 240°C，抗氧化劑和超高分子量聚乙烯混合物粉末成為混合物熔體；用杵型陽模對混合物熔體加壓至5 25 MPa，強迫混合物熔體滲入到金屬髖臼的多孔結構的孔中；然後降溫至110 130°C，保持杵型陽模施加的5 25 MPa壓力不變I 72小時，再降至常溫，脫模後得到假體毛坯；[0027]步驟(3).常溫下，將假體毛坯精密切削打磨拋 光成製品。
權利要求1.一種抗氧化人工關節假體，包括金屬髖白和聚乙烯內襯，其特徵在於所述的金屬髖白為半球形殼體，採用金屬材料，其內凹面一側具有相互連通的多孔結構，金屬髖臼中具有多孔結構的部分的厚度為總厚度的20 60 % ；所述的聚乙烯內襯為嵌在金屬髖白內的半球形殼體，其外凸面一側與金屬髖白內凹面的多孔結構相匹配，通過金屬髖臼內側的多孔結構與金屬髖臼緊密結合；聚乙烯內襯的材料為質量比為1000 10000 1的超高分子量聚乙烯和抗氧化劑的混合物；聚乙烯內襯外凸面的部分超高分子量聚乙烯和抗氧化劑的混合物滲入金屬髖白的多孔結構的孔中，並且與金屬髖臼完全物理嵌合。
2.如權利要求1所述的一種抗氧化人工關節假體，其特徵在於所述的多孔結構的孔隙率50 80 %，構成多孔結構的孔的內徑為100 1000微米。
3.如權利要求1所述的一種抗氧化人工關節假體，其特徵在於所述的金屬材料為不鏽鋼、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金。
4.如權利要求1所述的一種抗氧化人工關節假體，其特徵在於所述的超高分子量聚乙烯樹脂為分子量大於等於100萬道爾頓的線形聚乙烯樹脂，所述的抗氧化劑為咖啡酸、 沒食子酸、沒食子酸月桂酯中的一種。
專利摘要本實用新型涉及一種抗氧化人工關節假體。現有產品易發生磨損，產生大量的磨屑。本實用新型包括金屬髖臼和聚乙烯內襯；金屬髖臼採用金屬材料，為半球形殼體，其內凹面一側具有相互連通的多孔結構，金屬髖臼中具有多孔結構的部分的厚度為總厚度的20～60﹪。聚乙烯內襯為嵌在金屬髖臼內的半球形殼體，其外凸面一側與金屬髖臼內凹面的多孔結構相匹配，通過金屬髖臼內側的多孔結構與金屬髖臼緊密結合。聚乙烯內襯的材料為質量比為1000～100001的超高分子量聚乙烯和抗氧化劑的混合物。本實用新型避免了相對移動發生的背摩擦磨損，可降低假體磨損，由於聚乙烯嵌入多孔結構，具有很好的穩定性和可靠性。
文檔編號A61F2/38GK202843852SQ201220429390
公開日2013年4月3日 申請日期2012年8月28日 優先權日2012年8月28日
發明者付俊, 沈傑, 程亞軍 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所