專利名稱：一種抗氧化人工關節假體及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種抗氧化人工關節假體及其制備方法，特別是涉及一種抗氧化人工髖臼及其制備方法，該假體適用于關節置換，屬于內植入醫療器械領域。
背景技術：
超高分子量聚乙烯由于其優異的耐磨性、良好的力學性能和生物相容性，于上世紀60年代開始用于人工關節內襯受力材料。人工關節各部件的制造方法種類繁多，而且制造方法對于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，需用特制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制造復雜的限位機構。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，由于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。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。申請號為US2004/0098127 Al的專利公開了一種類似的“一體式”人工髖白及其制造方法通過熱模壓成型，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臼。其優點在于聚乙烯材料與金屬的孔洞形成“互穿結構”，成為一個整體，不需要另外設計和制造限位機構，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，利于降低磨損速率和磨屑數量。無論是哪種假體，在制成成品后，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后發生氧化。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。早期主要的人工關節生產商普遍采用在空氣中伽馬射線輻照滅菌，并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后即發生嚴重的氧化，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，導致假體發生松動、脫位，是導致假體(特別是膝關節假體)翻修的主要原因之一。將聚乙烯假體置于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。輻照時以及輻照后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。若采用不透氣的包裝，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，惰性輻照滅菌并且惰性保存的聚乙烯假體在植入人體后，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。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于人工關節滅菌。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。完成滅菌后，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。輻照滅菌技術的顯著優點在于效率高、易操作、滅菌徹底、無殘留，并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。這種耐磨損性能對于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，特別是適于對一體式假體進行滅菌處理，關鍵在于發展一種方法以穩定輻照產生的自由基。另一方面，輻照交聯技術被廣泛地應用于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。輻照交聯并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于制造一體式耐磨聚乙烯假體。需發展一種新的穩定輻照產生的自由基的方法。美國專利US8129440公開了一種含有抗氧化劑的超高分子量聚乙烯，所述的抗氧化劑主要是指維生素E，其酚羥基上的質子易與自由基結合，得到酚氧自由基，而酚氧自由基與苯環形成共軛體系，自由基反應活性降低，穩定性提高，降低了自由基與氧分子發生反應而導致材料氧化的能力，因此可顯著抑制氧化問題。Oral等(Biomaterials, 2008, 29 :3557)報道了維生素E對超高分子量聚乙烯的 福照交聯具有抑制作用。當超高分子量聚乙烯中的維生素E含量較高時(如高于O. I wt %重量百分比)，維生素E可迅速與聚烯烴中的自由基發生反應，從而阻礙聚合物中自由基之間的復合和交聯反應。這樣，維生素E不僅抑制了交聯結構的產生，同時也促進了分子鏈的斷裂，降低了分子量。因此，高含量的維生素E不僅不利于提高交聯度和耐磨損性能，而且會降低材料的力學性能。另一方面，如果維生素E的含量較低(如低于O. 05wt %)時，維生素E受到高能射線轟擊，會喪失抗氧化活性，從而部分地失去抗氧化能力，抗氧化效能顯著下降，對材料長期的保護作用降低。美國專利US6448315 BI公開了一種在超高分子量聚乙烯中引入維生素E的方法將維生素E溶解在超臨界CO2中，依靠超臨界CO2將維生素E擴散到超高分子量聚乙烯中，實現維生素E在超高分子量聚乙烯中均勻分布。這種方法耗時長，超臨界流體處理也可能導致材料和假體性質進一步下降，假體變形，難以實現維生素E在假體中真正均勻分布，不適于制備超高分子量聚乙烯-金屬一體化髖臼。美國專利US 8038927公開了一種向交聯超高分子量聚乙烯中滲透并擴散維生素E的方法。將超高分子量聚乙烯輻照交聯后，置于維生素E中，在低于熔點溫度(如130° C)下，使維生素E滲透并擴散至交聯聚乙烯中，可提高交聯聚乙烯的氧化穩定性，并保留較好的力學性能。該方法采用較高溫度處理聚乙烯材料或者毛坯，易導致假體變形或產生內應力，因此不適于制備一體化髖臼。美國專利US 2008/0293856 Al公開了諸多酚酸類有機物用作聚烯烴抗氧化劑，但沒有涉及到聚烯烴輻照交聯和抗氧化劑的活性與抑制交聯等問題。綜上所述，采用抗氧化劑(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后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于超高分子量聚乙烯-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后的穩定化作用。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種含有抗氧化劑的超高分子量聚乙烯一金屬一體成型假體，并提供制備該假體的方法。本發明的抗氧化人工關節假體包括金屬髖白和聚乙烯內襯；
所述的金屬髖白為半球形殼體，采用金屬材料，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銹鋼、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金；
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；所述的超高分子量聚乙烯樹脂為分子量大于等于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；
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，并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合。本發明中的金屬髖臼采用的多孔結構為成熟的現有技術，例如專利號為201020142273. 7、名稱為“股骨頸骨折固定釘”實用新型專利中所述的“網狀多孔結構的材料”，本發明的發明點在于聚乙烯內襯所采用的抗氧化新材料以及該材料與金屬髖臼的結合方式。制備該抗氧化人工關節假體的方法的具體步驟是
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，充分混合后在40 80° C下干燥5 14天，得到抗氧化劑和超高分子量聚乙烯混合物粉末；
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;
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；
所述的超高分子量聚乙烯樹脂為分子量大于等于100萬道爾頓的線形聚乙烯樹脂；步驟(2).將抗氧化劑和超高分子量聚乙烯混合物粉末置于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；然后降溫至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，脫模后得到假體毛坯；
所述的金屬髖白為半球形殼體，采用金屬材料，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；所述的金屬材料為不銹鋼、 CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金；
步驟(3).常溫下，將假體毛坯精密切削打磨拋光成制品。采用本發明專利制備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，由于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。本發明方法制備的假體含有強效的抗氧化劑，比維生素E的抗氧化能力更強，可采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。


圖I為本發明的抗氧化人工關節假體的結構示意 圖2為圖I中金屬髖臼內側的多孔結構示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，一種抗氧化人工關節假體包括金屬髖白I和聚乙烯內襯2。金屬髖臼I為半球形殼體，采用不銹鋼、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于等于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。如圖2所示，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1-1的內徑為100 1000微米。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。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，并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 O制備該抗氧化人工關節假體的方法如下
實施例I.
步驟(I).將將50克加入I升丙酮溶劑中，再加入500千克超高分子量聚乙烯樹脂粉末，充分混合后在80° C下干燥5天，得到抗氧化劑/超高分子量聚乙烯混合物粉末；
步驟(2).將抗氧化劑/超高分子量聚乙烯混合物粉末置于半球殼形的金屬髖臼內， 加熱至240° C，抗氧化劑/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5MPa，強迫混合物熔體滲入到金屬髖臼的多孔結構的孔中；然后降溫至110° C，保持杵型陽模施加的5MPa壓力不變72小時，再降至常溫，脫模后得到假體毛坯；步驟(3).常溫下，將假體毛坯精密切削打磨拋光成制品。實施例2.
步驟(I).將100克沒食子酸加入I升乙醇溶劑中，再加入500千克超高分子量聚乙烯樹脂粉末，充分混合后在60° C下干燥10天，得到抗氧化劑/超高分子量聚乙烯混合物粉末；
步驟(2).將抗氧化劑/超高分子量聚乙烯混合物粉末置于半球殼形的金屬髖白內，力口熱至200° C，抗氧化劑/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15MPa，強迫混合物熔體滲入到金屬髖臼的多孔結構的孔中；然后降溫至120° C，保持杵型陽模施加的15MPa壓力不變24小時，再降至常溫，脫模后得到假體毛坯；步驟(3).常溫下，將假體毛坯精密切削打磨拋光成制品。實施例3.
步驟(I).將200克沒食子酸月桂酯加入I升石油醚溶劑中，再加入200千克超高分子量聚乙烯樹脂粉末，充分混合后在40° C下干燥14天，得到抗氧化劑/超高分子量聚乙烯混合物粉末；
步驟(2).將抗氧化劑/超高分子量聚乙烯混合物粉末置于半球殼形的金屬髖白內，力口熱至180° C，抗氧化劑/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25MPa，強迫混合物熔體滲入到金屬髖臼的多孔結構的孔中；然后降溫至130° C，保持杵型陽模施加的25MPa壓力不變I小時，再降至常溫，脫模后得到假體毛坯；步驟(3).常溫下，將假體毛坯精密切削打磨拋光成制品。以上各實施例中的超高分子量聚乙烯樹脂為分子量大于100萬道爾頓的線形聚乙烯樹脂。
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，其特征在于 所述的金屬髖白為半球形殼體，采用金屬材料，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，并且與金屬髖臼完全物理嵌合。
2.如權利要求I所述的一種抗氧化人工關節假體，其特征在于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I所述的一種抗氧化人工關節假體，其特征在于所述的金屬材料為不銹鋼、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金。
4.如權利要求I所述的一種抗氧化人工關節假體，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯樹脂為分子量大于等于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。
5.制備權利要求I所述的抗氧化人工關節假體的方法，其特征在于該方法的具體步驟是 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，充分混合后在40 80° C下干燥5 14天，得到抗氧化劑和超高分子量聚乙烯混合物粉末； 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; 步驟(2).將抗氧化劑和超高分子量聚乙烯混合物粉末置于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；然后降溫至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，脫模后得到假體毛坯；所述的金屬髖白為半球形殼體，采用金屬材料，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 % ； 步驟(3).常溫下，將假體毛坯精密切削打磨拋光成制品。
6.如權利要求5所述的一種抗氧化人工關節假體的制備方法，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯樹脂為分子量大于等于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。
7.如權利要求5所述的一種抗氧化人工關節假體的制備方法，其特征在于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。
8.如權利要求5所述的一種抗氧化人工關節假體的制備方法，其特征在于所述的金屬材料為不銹鋼、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金。
全文摘要
本發明涉及一種抗氧化人工關節假體及其制備方法。本發明包括金屬髖臼和聚乙烯內襯，金屬髖臼內側具有多孔結構，聚乙烯內襯嵌在金屬髖臼內，構成聚乙烯內襯的超高分子量聚乙烯和抗氧化劑的混合物滲入孔中，使聚乙烯內襯與金屬髖臼緊密結合。制備方法首先是將抗氧化劑和超高分子量聚乙烯樹脂粉末加入有機溶劑中，干燥后得到混合物粉末；將混合物粉末置于半球殼形的金屬髖臼內，加熱至混合物粉末成為熔體，用杵型陽模加壓，使混合物熔體深入到金屬髖臼的孔中，降溫后繼續加壓1～72小時，降常、脫模后得到假體毛坯；將假體毛坯精密切削打磨拋光成制品。本發明方法制備的假體含有強效抗氧化劑，并獲得較高交聯度，有助于提高假體的抗磨損能力。
文檔編號A61F2/38GK102824232SQ201210308999
公開日2012年12月19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, 沈杰, 程亞軍 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所