专利名称：一种抗氧化人工关节假体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种抗氧化人工关节假体及其制备方法，特别是涉及一种抗氧化人工髋臼及其制备方法，该假体适用于关节置换，属于内植入医疗器械领域。
背景技术：
超高分子量聚乙烯由于其优异的耐磨性、良好的力学性能和生物相容性，于上世纪60年代开始用于人工关节内衬受力材料。人工关节各部件的制造方法种类繁多，而且制造方法对于人工关节的力学性能和磨损有重要的影响。传统的方法是将模压成型或者柱塞挤出成型的超高分子量聚乙烯切削成特定的假体元件，与其它部件组装成人工关节。行关节置换术时，需用特制的手术工具将聚乙烯元件与金属元件嵌合。为了保证聚乙烯内衬在髋臼中长期稳定，通常需要在金属髋白和聚乙烯内衬上设计和制造复杂的限位机构。此外，在传统的人工髋关节中，聚乙烯内衬与金属球头之间、聚乙烯内衬与金属髋白之间存在至 少两个摩擦界面，由于聚乙烯内衬往往没有固定，这两个摩擦面都可进行相对运动，从而发生磨损，产生大量的磨屑，是导致假体周边骨溶解的主要原因。超高分子量聚乙烯与金属元件一体成型技术具有独特的优势。申请号为US2004/0098127 Al的专利公开了一种类似的“一体式”人工髋白及其制造方法通过热模压成型，将超高分子量聚乙烯熔体强迫嵌入多孔的金属髋白内壁，形成物理咬合的一体式髋臼。其优点在于聚乙烯材料与金属的孔洞形成“互穿结构”，成为一个整体，不需要另外设计和制造限位机构，生产效率大大提高；此外，减少了超高分子量聚乙烯与金属髋白的滑动摩擦面，避免了背面磨损，利于降低磨损速率和磨屑数量。无论是哪种假体，在制成成品后，植入人体前，必须经过灭菌处理，而辐照灭菌是重要的方法之一。此外，为了提高假体的耐磨损性能，常常将超高分子量聚乙烯进行辐照交联。辐照灭菌和辐照交联都会产生自由基，导致聚乙烯在库存期和植入后发生氧化。下面分别从辐照灭菌和辐照交联两个方面介绍相关的技术背景。早期主要的人工关节生产商普遍采用在空气中伽马射线辐照灭菌，并在空气气氛中包装保存。在空气中辐照时，聚乙烯分子链被离解，生成的自由基迅速与氧分子结合，形成过氧自由基，诱发瀑布式氧化-链断裂-自由基转移等反应，不断地导致聚乙烯链发生氧化，断裂，降解，材料强度和韧性显著降低。这样的人工关节在储存超过一年半以后即发生严重的氧化，特别是聚乙烯下表面氧化程度最高，表面次之。辐照灭菌的人工关节植入体内5-10年时，关节滑液中溶解的氧分子可随关节滑液侵入聚乙烯假体，与聚乙烯中的烷基自由基反应，生成过氧自由基，过氧自由基导致聚乙烯分子链发生瀑布式氧化反应，特别是下表面发生最大的氧化，疲劳韧性降低，易发生片状剥离，导致假体发生松动、脱位，是导致假体(特别是膝关节假体)翻修的主要原因之一。将聚乙烯假体置于真空中或低氧或无氧气氛中辐照交联，可避免在辐照时发生材料的氧化，避免或降低过氧化物或者过氧自由基的生成。辐照时以及辐照后将假体进行真空包装、惰性气氛包装、低氧气氛包装、或者无氧气氛包装，可大大提高聚乙烯假体在储存过程中的稳定性，显著降低或者避免发生氧化。若采用不透气的包装，隔绝氧气渗入，可进一步降低库存期间发生氧化的程度。然而，辐照产生的自由基在聚乙烯假体中稳定存在，惰性辐照灭菌并且惰性保存的聚乙烯假体在植入人体后，虽然发生氧化的程度显著降低，发生显著氧化所需的时间显著延长，但假体在体内的长期(10年以上)氧化稳定性仍有待临床研究。非辐照灭菌技术不改变聚乙烯分子结构，不产生自由基，因此可完全避免自由基导致的聚乙烯氧化问题。环氧乙烷被广泛地应用于人工关节灭菌。其主要原理是将环氧乙烷渗入聚乙烯假体近表面层，利用环氧乙烷的毒性来杀灭细菌、孢子等。完成灭菌后，将环氧乙烷彻底挥发，环氧乙烷与聚乙烯不发生化学反应，没有残留。环氧乙烷是易燃易爆、有毒的气体，因此在保存、灭菌、处置过程中必须严格按照国际标准实施，尤其要避免环氧乙烷在聚乙烯假体中的残留。辐照灭菌技术的显著优点在于效率高、易操作、灭菌彻底、无残留，并且在辐照过程中能使聚乙烯分子链发生交联，获得突出的耐磨损性能。这种耐磨损性能对于聚乙烯假体的临床表现和使用寿命至关重要。因此，辐照灭菌技术仍然是非常有竞争力的灭菌方法，特别是适于对一体式假体进行灭菌处理，关键在于发展一种方法以稳定辐照产生的自由基。另一方面，辐照交联技术被广泛地应用于提高聚乙烯假体的耐磨损性能。同样地，辐照产生的自由基是导致聚乙烯假体在体外和体内发生氧化的内在原因。辐照交联并熔融再结晶可消除自由基，从而提高聚乙烯假体的氧化稳定性，但熔融再结晶导致聚乙烯的强度和韧性显著下降，易发生疲劳破坏；熔融再结晶导致聚乙烯假体产生内应力。因此，辐照交联且熔融再结晶技术不适于制造一体式耐磨聚乙烯假体。需发展一种新的稳定辐照产生的自由基的方法。美国专利US8129440公开了一种含有抗氧化剂的超高分子量聚乙烯，所述的抗氧化剂主要是指维生素E，其酚羟基上的质子易与自由基结合，得到酚氧自由基，而酚氧自由基与苯环形成共轭体系，自由基反应活性降低，稳定性提高，降低了自由基与氧分子发生反应而导致材料氧化的能力，因此可显著抑制氧化问题。Oral等(Biomaterials, 2008, 29 :3557)报道了维生素E对超高分子量聚乙烯的 福照交联具有抑制作用。当超高分子量聚乙烯中的维生素E含量较高时(如高于O. I wt %重量百分比)，维生素E可迅速与聚烯烃中的自由基发生反应，从而阻碍聚合物中自由基之间的复合和交联反应。这样，维生素E不仅抑制了交联结构的产生，同时也促进了分子链的断裂，降低了分子量。因此，高含量的维生素E不仅不利于提高交联度和耐磨损性能，而且会降低材料的力学性能。另一方面，如果维生素E的含量较低(如低于O. 05wt %)时，维生素E受到高能射线轰击，会丧失抗氧化活性，从而部分地失去抗氧化能力，抗氧化效能显著下降，对材料长期的保护作用降低。美国专利US6448315 BI公开了一种在超高分子量聚乙烯中引入维生素E的方法将维生素E溶解在超临界CO2中，依靠超临界CO2将维生素E扩散到超高分子量聚乙烯中，实现维生素E在超高分子量聚乙烯中均匀分布。这种方法耗时长，超临界流体处理也可能导致材料和假体性质进一步下降，假体变形，难以实现维生素E在假体中真正均匀分布，不适于制备超高分子量聚乙烯-金属一体化髋臼。美国专利US 8038927公开了一种向交联超高分子量聚乙烯中渗透并扩散维生素E的方法。将超高分子量聚乙烯辐照交联后，置于维生素E中，在低于熔点温度(如130° C)下，使维生素E渗透并扩散至交联聚乙烯中，可提高交联聚乙烯的氧化稳定性，并保留较好的力学性能。该方法采用较高温度处理聚乙烯材料或者毛坯，易导致假体变形或产生内应力，因此不适于制备一体化髋臼。美国专利US 2008/0293856 Al公开了诸多酚酸类有机物用作聚烯烃抗氧化剂，但没有涉及到聚烯烃辐照交联和抗氧化剂的活性与抑制交联等问题。综上所述，采用抗氧化剂(如维生素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体经辐照灭菌后仍能保持优良的氧化稳定性，但存在着自身的局限性。现有的发明专利都没有提到维生素E以外的抗氧化剂应用于超高分子量聚乙烯-金属一体成型假体，更没有揭示除维生素E以外的抗氧化剂对人工关节辐照灭菌后的稳定化作用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种含有抗氧化剂的超高分子量聚乙烯一金属一体成型假体，并提供制备该假体的方法。本发明的抗氧化人工关节假体包括金属髋白和聚乙烯内衬；
所述的金属髋白为半球形壳体，采用金属材料，其内凹面一侧具有相互连通的多孔结构，金属髋臼中具有多孔结构的部分的厚度为总厚度的20 60 % ;所述的多孔结构的孔隙率50 80 %，构成多孔结构的孔的内径为100 1000微米；所述的孔隙率为多孔结构中孔的空间体积与多孔结构部分总体积的比；所述的金属材料为不锈钢、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金；
所述的聚乙烯内衬为嵌在金属髋白内的半球形壳体，其外凸面一侧与金属髋白内凹面的多孔结构相匹配，通过金属髋臼内侧的多孔结构与金属髋臼紧密结合；
聚乙烯内衬的材料为质量比为1000 10000 1的超高分子量聚乙烯和抗氧化剂的混合物；所述的超高分子量聚乙烯树脂为分子量大于等于100万道尔顿的线形聚乙烯树脂，所述的抗氧化剂为咖啡酸、没食子酸、没食子酸月桂酯中的一种；
聚乙烯内衬外凸面的部分超高分子量聚乙烯和抗氧化剂的混合物渗入金属髋白的多孔结构的孔中，并且与金属髋臼完全物理嵌合，从而使聚乙烯内衬与金属髋臼紧密结合。本发明中的金属髋臼采用的多孔结构为成熟的现有技术，例如专利号为201020142273. 7、名称为“股骨颈骨折固定钉”实用新型专利中所述的“网状多孔结构的材料”，本发明的发明点在于聚乙烯内衬所采用的抗氧化新材料以及该材料与金属髋臼的结合方式。制备该抗氧化人工关节假体的方法的具体步骤是
步骤(I).将抗氧化剂加入有机溶剂中混合均匀，形成抗氧化剂溶液，再将超高分子量聚乙烯树脂粉末加入抗氧化剂溶液中，充分混合后在40 80° C下干燥5 14天，得到抗氧化剂和超高分子量聚乙烯混合物粉末；
所述的有机溶剂为丙酮、乙醇、石油醚中的一种，每升有机溶剂加入50 200克抗氧化剂，加入的超高分子量聚乙烯树脂粉末的质量为加入的抗氧化剂的质量的1000 10000倍;
所述的抗氧化剂为咖啡酸、没食子酸、没食子酸月桂酯中的一种；
所述的超高分子量聚乙烯树脂为分子量大于等于100万道尔顿的线形聚乙烯树脂；步骤(2).将抗氧化剂和超高分子量聚乙烯混合物粉末置于半球壳形的金属髋臼内，加热至180 240° C，抗氧化剂和超高分子量聚乙烯混合物粉末成为混合物熔体；用杵型阳模对混合物熔体加压至5 25 MPa，强迫混合物熔体渗入到金属髋臼的多孔结构的孔中；然后降温至110 130° C，保持杵型阳模施加的5 25 MPa压力不变I 72小时，再降至常温，脱模后得到假体毛坯；
所述的金属髋白为半球形壳体，采用金属材料，其内凹面一侧具有相互连通的多孔结构，金属髋臼中具有多孔结构的部分的厚度为总厚度的20 60 % ;所述的多孔结构的孔隙率50 80 %，构成多孔结构的孔的内径为100 1000微米；所述的金属材料为不锈钢、 CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金；
步骤(3).常温下，将假体毛坯精密切削打磨抛光成制品。采用本发明专利制备的超高分子量聚乙烯-金属一体式假体与金属髋白成为一个完整的整体，避免了相对移动发生的背摩擦磨损，可降低假体磨损，由于聚乙烯嵌入多孔结构，具有很好的稳定性和可靠性，聚乙烯-金属嵌合的结构为聚乙烯摩擦面提供了最佳的力学支撑，降低了因过度剪切、拉伸、压缩导致的假体应力屈服和疲劳破坏。本发明方法制备的假体含有强效的抗氧化剂，比维生素E的抗氧化能力更强，可采用伽马射线或者电子束灭菌，也可由高剂量的伽马射线或电子束辐照交联，获得较高的交联度，提高假体的抗磨损能力，同时具备优异的氧化稳定性。
图I为本发明的抗氧化人工关节假体的结构示意 图2为图I中金属髋臼内侧的多孔结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，一种抗氧化人工关节假体包括金属髋白I和聚乙烯内衬2。金属髋臼I为半球形壳体，采用不锈钢、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金材料。聚乙烯内衬2为半球形壳体，材料为质量比为1000 10000 1的超高分子量聚乙烯和抗氧化剂的混合物，其中超高分子量聚乙烯树脂为分子量大于等于100万道尔顿的线形聚乙烯树脂，抗氧化剂为咖啡酸、没食子酸、没食子酸月桂酯中的一种。聚乙烯内衬2的外凸面与金属髋臼I的内凹面紧密连接在一起。如图2所示，金属髋臼I的内凹面一侧具有相互连通的立体网状的多孔结构，金属髋臼I中具有多孔结构的部分的厚度为总厚度的20 60 %，多孔结构的孔隙率50 80%，构成多孔结构的孔1-1的内径为100 1000微米。聚乙烯内衬外凸面一侧与金属髋臼内凹面的多孔结构相匹配，通过金属髋臼内侧的多孔结构与金属髋臼紧密结合。聚乙烯内衬外凸面的部分超高分子量聚乙烯和抗氧化剂的混合物渗入金属髋臼的多孔结构的孔中，并且与金属髋臼完全物理嵌合，从而使聚乙烯内衬与金属髋臼紧密结
口 O制备该抗氧化人工关节假体的方法如下
实施例I.
步骤(I).将将50克加入I升丙酮溶剂中，再加入500千克超高分子量聚乙烯树脂粉末，充分混合后在80° C下干燥5天，得到抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末；
步骤(2).将抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末置于半球壳形的金属髋臼内， 加热至240° C，抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末成为混合物熔体；用杵型阳模对混合物熔体加压至5MPa，强迫混合物熔体渗入到金属髋臼的多孔结构的孔中；然后降温至110° C，保持杵型阳模施加的5MPa压力不变72小时，再降至常温，脱模后得到假体毛坯；步骤(3).常温下，将假体毛坯精密切削打磨抛光成制品。实施例2.
步骤(I).将100克没食子酸加入I升乙醇溶剂中，再加入500千克超高分子量聚乙烯树脂粉末，充分混合后在60° C下干燥10天，得到抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末；
步骤(2).将抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末置于半球壳形的金属髋白内，力口热至200° C，抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末成为混合物熔体；用杵型阳模对混合物熔体加压至15MPa，强迫混合物熔体渗入到金属髋臼的多孔结构的孔中；然后降温至120° C，保持杵型阳模施加的15MPa压力不变24小时，再降至常温，脱模后得到假体毛坯；步骤(3).常温下，将假体毛坯精密切削打磨抛光成制品。实施例3.
步骤(I).将200克没食子酸月桂酯加入I升石油醚溶剂中，再加入200千克超高分子量聚乙烯树脂粉末，充分混合后在40° C下干燥14天，得到抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末；
步骤(2).将抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末置于半球壳形的金属髋白内，力口热至180° C，抗氧化剂/超高分子量聚乙烯混合物粉末成为混合物熔体；用杵型阳模对混合物熔体加压至25MPa，强迫混合物熔体渗入到金属髋臼的多孔结构的孔中；然后降温至130° C，保持杵型阳模施加的25MPa压力不变I小时，再降至常温，脱模后得到假体毛坯；步骤(3).常温下，将假体毛坯精密切削打磨抛光成制品。以上各实施例中的超高分子量聚乙烯树脂为分子量大于100万道尔顿的线形聚乙烯树脂。
权利要求
1.一种抗氧化人工关节假体，包括金属髋白和聚乙烯内衬，其特征在于 所述的金属髋白为半球形壳体，采用金属材料，其内凹面一侧具有相互连通的多孔结构，金属髋臼中具有多孔结构的部分的厚度为总厚度的20 60 % ； 所述的聚乙烯内衬为嵌在金属髋白内的半球形壳体，其外凸面一侧与金属髋白内凹面的多孔结构相匹配，通过金属髋臼内侧的多孔结构与金属髋臼紧密结合； 聚乙烯内衬的材料为质量比为1000 10000 1的超高分子量聚乙烯和抗氧化剂的混合物； 聚乙烯内衬外凸面的部分超高分子量聚乙烯和抗氧化剂的混合物渗入金属髋白的多孔结构的孔中，并且与金属髋臼完全物理嵌合。
2.如权利要求I所述的一种抗氧化人工关节假体，其特征在于所述的多孔结构的孔隙率50 80 %，构成多孔结构的孔的内径为100 1000微米。
3.如权利要求I所述的一种抗氧化人工关节假体，其特征在于所述的金属材料为不锈钢、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金。
4.如权利要求I所述的一种抗氧化人工关节假体，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯树脂为分子量大于等于100万道尔顿的线形聚乙烯树脂，所述的抗氧化剂为咖啡酸、没食子酸、没食子酸月桂酯中的一种。
5.制备权利要求I所述的抗氧化人工关节假体的方法，其特征在于该方法的具体步骤是 步骤(I).将抗氧化剂加入有机溶剂中混合均匀，形成抗氧化剂溶液，再将超高分子量聚乙烯树脂粉末加入抗氧化剂溶液中，充分混合后在40 80° C下干燥5 14天，得到抗氧化剂和超高分子量聚乙烯混合物粉末； 所述的有机溶剂为丙酮、乙醇、石油醚中的一种，每升有机溶剂加入50 200克抗氧化剂，加入的超高分子量聚乙烯树脂粉末的质量为加入的抗氧化剂的质量的1000 10000倍; 步骤(2).将抗氧化剂和超高分子量聚乙烯混合物粉末置于半球壳形的金属髋臼内，加热至180 240° C，抗氧化剂和超高分子量聚乙烯混合物粉末成为混合物熔体；用杵型阳模对混合物熔体加压至5 25 MPa，强迫混合物熔体渗入到金属髋臼的多孔结构的孔中；然后降温至110 130° C，保持杵型阳模施加的5 25 MPa压力不变I 72小时，再降至常温，脱模后得到假体毛坯；所述的金属髋白为半球形壳体，采用金属材料，其内凹面一侧具有相互连通的多孔结构，金属髋臼中具有多孔结构的部分的厚度为总厚度的20 60 % ； 步骤(3).常温下，将假体毛坯精密切削打磨抛光成制品。
6.如权利要求5所述的一种抗氧化人工关节假体的制备方法，其特征在于所述的超高分子量聚乙烯树脂为分子量大于等于100万道尔顿的线形聚乙烯树脂，所述的抗氧化剂为咖啡酸、没食子酸、没食子酸月桂酯中的一种。
7.如权利要求5所述的一种抗氧化人工关节假体的制备方法，其特征在于所述的多孔结构的孔隙率50 80 %，构成多孔结构的孔的内径为100 1000微米。
8.如权利要求5所述的一种抗氧化人工关节假体的制备方法，其特征在于所述的金属材料为不锈钢、CoCr合金、CoCrMo合金、Ti或Ti合金。
全文摘要
本发明涉及一种抗氧化人工关节假体及其制备方法。本发明包括金属髋臼和聚乙烯内衬，金属髋臼内侧具有多孔结构，聚乙烯内衬嵌在金属髋臼内，构成聚乙烯内衬的超高分子量聚乙烯和抗氧化剂的混合物渗入孔中，使聚乙烯内衬与金属髋臼紧密结合。制备方法首先是将抗氧化剂和超高分子量聚乙烯树脂粉末加入有机溶剂中，干燥后得到混合物粉末；将混合物粉末置于半球壳形的金属髋臼内，加热至混合物粉末成为熔体，用杵型阳模加压，使混合物熔体深入到金属髋臼的孔中，降温后继续加压1～72小时，降常、脱模后得到假体毛坯；将假体毛坯精密切削打磨抛光成制品。本发明方法制备的假体含有强效抗氧化剂，并获得较高交联度，有助于提高假体的抗磨损能力。
文档编号A61F2/38GK102824232SQ201210308999
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者付俊, 沈杰, 程亚军 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所