专利名称：超高分子量聚乙烯的表面改性的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚合物，尤其是涉及聚合物的表面改性。
背景技术：
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)通常用于形成整形外科植入元件，例如胫骨、髌骨、 髋臼和肩臼元件。为了将UHMWPE元件牢固固定至患者体内的骨骼，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨骼接合剂。PMMA骨骼接合剂通过机械固定而将UHMWPE元件牢固固定至患者的骨骼。具体而言，PMMA被接收在骨骼中和在UHMWPE元件中的不规则表面中。在PMMA 聚合时，其在骨骼与UHMWPE元件之间产生机械互锁。因此，UHMWPE元件至骨骼的固定主要依赖于UHMWPE元件和骨骼的表面几何形状。为了改善在UHMWPE元件与骨骼之间的机械互锁，可以在UHMWPE元件中加工出凹进或凸出的区域，用于接收额外的PMMA骨骼接合剂。
发明内容
本发明涉及聚合物，尤其是涉及聚合物的表面改性。在一个示例性的实施方案中，本发明通过在UHMWPE元件与PMMA骨骼接合剂之间产生化学键而提高了聚合物元件如 UHMWPE元件与聚合物骨骼接合剂或丙烯酸骨骼接合剂如PMMA骨骼接合剂的粘合强度。具体而言，在一个示例性的实施方案中，用氧化剂如过氧化氢的水溶液处理待粘合至PMMA骨骼接合剂的UHMWPE元件的表面。在一个示例性的实施方案中，通过用过氧化氢溶液涂抹 UHMWPE元件的表面而用过氧化氢处理UHMWPE元件。然后，可以将UHMWPE元件的表面干燥， 并将PMMA骨骼接合剂施加至UHMWPE元件的表面。额外地，若用PMMA骨骼接合剂将两个不同的UHMWPE元件粘合在一起，则可以用过氧化氢处理这两个待粘合在一起的UHMWPE元件的表面。在一个示例性的实施方案中，本发明的技术可以与抗氧剂稳定化的聚合物如抗氧剂稳定化的UHMWPE组合使用。例如可以通过将UHMWPE与抗氧剂如生育酚机械混合或其他方式结合而形成抗氧剂稳定化的UHMWPE，然后形成UHMWPE元件。在此实施方案中，可以用过氧化氢处理抗氧剂稳定化的UHMWPE元件，然后使用PMMA骨骼接合剂以将抗氧剂稳定化的UHMWPE元件牢固固定至骨骼或者经抗氧剂稳定化或未经抗氧剂稳定化的另一个UHMWPE 元件。通过过氧化氢表面处理，提高了在抗氧剂稳定化的UHMWPE元件与PMMA骨骼接合剂之间的粘合强度。有利地，通过用氧化剂如过氧化氢处理UHMWPE元件或抗氧剂稳定化的UHMWPE 元件的表面，然后使用聚合物骨骼接合剂或丙烯酸骨骼接合剂如PMMA骨骼接合剂以将 UHMWPE的经处理的表面牢固固定至骨骼或其他的物体，显著提高了在PMMA与UHMWPE元件之间的粘合强度。这可以为可至少部分地或完全由UHMWPE或抗氧剂稳定化的UHMWPE制成的整形外科元件的数量增加做好准备。在其一个方案中，提供一种方法以处理聚合物表面，从而提高骨骼接合剂的粘着性。该方法包括以下步骤提供包含氧化剂的水溶液；用该溶液涂覆聚合物的表面以形成经处理的表面；定位该聚合物接近于整形外科元件与骨骼之一；及将骨骼接合剂设置于聚合物的经处理的表面和整形外科元件与骨骼之一之间，从而将该聚合物粘合至整形外科元件与骨骼之一。在其另一个方案中，提供一种方法以处理整形外科植入物以提高骨骼接合剂的粘着性。该方法包括以下步骤提供包含聚合物的整形外科植入物，该植入物具有配合面；提供过氧化氢水溶液；将该过氧化氢溶液施加至整形外科植入物的配合面以形成经处理的表面；及通过将骨骼接合剂设置于整形外科植入物的经处理的表面与邻近的元件之间而将整形外科植入物牢固固定至邻近的元件。在其再一个方案中，提供整形外科组件，其包括包含聚合物的整形外科植入物， 该整形外科植入物具有通过用过氧化氢溶液涂覆整形外科植入物的表面形成的经处理的表面；以及接触整形外科植入物的经处理的表面的骨骼接合剂的层。
参照本发明的实施方案的以下描述连同附图，使本发明的以上所述的及其他的特征和优点以及实现这些特征和优点的方式变得更加清楚，及更好地理解本发明本身，其中图1为本发明的示例性的整形外科假体的透视图；图2为显示未经表面改性及经不同的过氧化氢表面处理的粘合至骨骼接合剂的 1. 3英寸直径的UHMWPE和抗氧剂稳定化的UHMWPE圆柱体的拉脱强度的柱状图；及图3为拉脱测试装置的透视图，显示了通过PMMA骨骼接合剂相互牢固固定的1. 3 英寸直径的相对的UHMWPE圆柱体。
具体实施例方式在所有的图示中，相应的参考标记代表相应的部件。其中举例描述了本发明的一个优选的实施方案，不应将该举例看作是以任何方式对本发明范围的限制。聚合物如UHMWPE通常用于形成医疗器械，如整形外科假体。例如，UHMWPE可用于形成整个的医疗器械，如髌骨植入物。或者，如图1所示，UHMWPE可用于形成医疗器械的元件，如胫骨植入物10的关节表面元件12，而胫骨植入物10的盘形元件14可由不同的材料形成，例如金属。额外地，抗氧剂稳定化的UHMWPE也可用于形成医疗器械。为了形成抗氧剂稳定化的UHMWPE，可以将UHMWPE粉末与抗氧剂相结合。通过由抗氧剂稳定化的聚合物形成医疗器械，聚合物中的一些自由基被淬灭(捕捉，quench)，这减少了氧化作用，并相应地延长了聚合物的使用寿命。例如，可以形成UHMWPE以包含抗氧剂，如维生素C、番茄红素、蜂蜜、6-羟基-2，5，7,8-四甲基色满-2-羧酸、二硫化物(例如壬基酚二硫化物)、亚磷酸盐、位阻胺、酚、环糊精、类黄酮和/或生育酚，即维生素E。额外地，可以使用任意的生育酚，如d-α-生育酚、d/Ι-α-生育酚或α-生育酚乙酸酯。因此， 除非在此另有特别说明，以其一般形式的术语“生育酚”是指所有的生育酚。已转让给本发明的受让人的、于2008年4月10日提交的、名称为“用于医疗器械应用的抗氧剂稳定化的交联的超高分子量聚乙烯(ANTIOXIDANT STABILIZED CROSSLINKED ULTRA-HIGH MOLECULAR WEIGHT POLY-ETHYLENE FOR MEDICAL DEVICE APPLICATIONS) ”的、第 2008/0319137 号共未决美国专利公开描述了用于将UHMWPE与抗氧剂相结合的示例性方法，在此特意引入其公开的全部内容作为参考。在将UHMWPE与生育酚相结合以形成抗氧剂稳定化的UHMWPE的过程中，可以采用能够获得这些组分的基本上均勻的混合物的任何原理和/或方法。在一个示例性的实施方案中，使用溶剂混合物。在溶剂混合物中，将生育酚与挥发性溶剂混合以降低生育酚的粘度，并促进生育酚与UHMWPE的均勻混合。一旦生育酚与溶剂混合，则可以例如利用锥形混合器将生育酚/溶剂混合物与UHMWPE相结合。然后，使溶剂蒸发，仅留下抗氧剂稳定化的UHMWPE。在另一个示例性的实施方案中，可以通过精确涂覆或雾化而将生育酚与UHMWPE混合。例如，使用连接至实验室分子精确涂覆机的MP-1MULTI-PR0CESS0R 流化床，其购自Niro公司，Columbia，Maryland，可以将生育酚精确涂覆在UHMWPE粉末上。 MULT I-PROCESSOR 是公司的商标。在另一个示例性的实施方案中，可以采用低强度混合。低强度混合，即低剪切力混合，可以使用Diosna PlOO型造粒机进行，其购自Diosna有限公司，Osnabrilck，德国， Multimixing S. A的子公司。在另一个示例性的实施方案中，可以采用高剪切力混合。 UHMWPE和生育酚的高剪切力混合可以使用RV02E或R05T型高剪切力混合机进行，均可商购自Eirich Machines，Gumee，Illinois。替代性地，高剪切力混合可以使用Collette ULTIMAPR0 75 型一锅处理器进行，其购自 Niro 公司，Columbia，Maryland。ULTIMAPR0 是Niro公司的商标。基于测试上述用于将UHMWPE与生育酚相结合的方法的结果，高剪切力混合看上去提供有利的结果，包括可接受的均勻性和低数量的指示区，即相对于周围环境区域具有高的生育酚浓度的区域，其是如通过在紫外光下的视觉检查或者通过化学测量如红外光谱或气相色谱所确定的。额外地，在其他示例性的实施方案中，可以将流化床、乳液聚合、静电沉淀、颗粒的润湿或涂覆、和/或母料混合用于将UHMWPE和生育酚相结合。与用于将UHMWPE和生育酚相结合以形成抗氧剂稳定化的UHMWPE的方法无关，将这些组分以获得0. 01重量％至3重量％的生育酚浓度所需的比例相结合。在示例性的实施方案中，生育酚浓度例如可以低至0. 01重量％、0. 05重量％、0. 1重量％、0. 25重量％及 0. 5重量％，或者高至0. 6重量％、0. 8重量％、1. O重量％、2. O重量％及3. O重量％。在确定包含在抗氧剂稳定化的UHMWPE中的生育酚的合适的量时，存在两个相对抗的考虑。具体而言，所选的量必须足够高以淬灭UHMWPE中的自由基，但是还必须足够低以允许充分的交联，从而保持抗氧剂稳定化的UHMWPE的可接受的耐磨性。在一个示例性的实施方案中，采用0. 1至0. 6重量％的生育酚范围以成功淬灭自由基，同时仍然保持可接受的耐磨性。如上所述，聚合物骨骼接合剂或丙烯酸骨骼接合剂，如PMMA骨骼接合剂，通常用于将UHMWPE元件牢固固定至骨骼或至可由UHMWPE、金属、陶瓷或其他生物相容性材料形成的另一个整形外科元件。例如，在修补外科手术期间，外科医生可以铰除一部分老的抗氧剂稳定化的UHMWPE元件，并利用PMMA骨骼接合剂将新的UHMWPE元件粘合至老的抗氧剂稳定化的UHMWPE元件的剩余部分。作为另一个例子，及如图1所示，外科医生可以利用PMMA骨骼接合剂将关节表面元件12粘合至胫骨植入物10的盘形元件14上。然而，由于抗氧剂如生育酚的自由基清除特性，PMMA骨骼接合剂的自由基聚合作用可能被接近抗氧剂稳定化的 UHMWPE元件的表面的抗氧剂抑制。PMMA骨骼接合剂可以包括甲基丙烯酸甲酯(MMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、甲基丙烯酸的酯或者包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯的共聚物。为了抵消抗氧剂和抗氧剂稳定化的UHMWPE元件的自由基清除效应，可以将氧化剂如过氧化氢施加至抗氧剂稳定化的UHMWPE元件的表面，该面将要接收PMMA骨骼接合剂。 外科医生可以避免施加过氧化氢至抗氧剂稳定化的UHMWPE元件的其他表面，包括关节连接表面。在图1所示的实施方案中，例如，外科医生可以将过氧化氢施加至关节表面元件 12的底面16，该面将要接收用于将表面元件12粘合至胫骨植入物10的盘形元件14上的 PMMA骨骼接合剂。外科医生可以避免将过氧化氢施加至关节表面元件12的关节连接表面 18。通过用氧化剂如过氧化氢处理UHMWPE元件的表面，提高了 PMMA骨骼接合剂至抗氧剂稳定化的UHMWPE元件的粘合强度。在以下的实施例中详细分析PMMA骨骼接合剂至抗氧剂稳定化的UHMWPE的粘合强度的提高。除了过氧化氢，可以在此详细描述的方式用于处理UHMWPE或抗氧剂稳定化的 UHMWPE的其他氧化剂包括氧、臭氧、过氧化物酶、过氧化脲、过碳酸钠、钙过氧化物、镁过氧化物、单过硫酸钾、一水合过硼酸钠、臭氧化物、硫酸、硝酸、柠檬酸、氟磺酸、三氧化硫、高锰酸钾和/或二价铜盐。与其他氧化剂相比，过氧化氢可以更容易地获得，更廉价，更低腐蚀性，并且在操作室内更安全地使用。连同氧化剂一起，UHMWPE元件还可用促进氧化剂分解的催化剂进行处理。例如， UHMWPE元件可以用过氧化氢和过氧化氢酶处理，其发挥催化过氧化氢分解成水和氧的作用。有利地，通过用过氧化氢处理抗氧剂稳定化的UHMWPE元件的表面，提高了 PMMA 骨骼接合剂至UHMWPE元件的粘合强度。额外地，因为过氧化氢容易获得，并且在操作室内安全地使用，如上所讨论，外科医生可以在外科手术期间或之前不久对抗氧剂稳定化的 UHMWPE元件实施过氧化氢处理。替代性地，在一个示例性的实施方案中，在由外科医生接收抗氧剂稳定化的UHMWPE元件之前，由制造商对抗氧剂稳定化的UHMWPE元件实施过氧化氢处理。本发明的发明人最初以为，过氧化氢处理可以抵消抗氧剂稳定化的UHMWPE在抑制PMMA骨骼接合剂聚合中的自由基清除效应，推论是可以预计到PMMA骨骼接合剂与未经抗氧剂稳定化而用过氧化氢处理的UHMWPE的粘合强度没有提高。然而，如以下实施例中所述，未经抗氧剂稳定化的UHMWPE元件的过氧化氢处理导致PMMA至UHMWPE元件表面的粘合强度的明显提高。因此，本发明的发明人现在相信，氧化剂处理永久地使UHMWPE元件的表面改性，以提高在PMMA骨骼接合剂与UHMWPE元件之间的粘合强度。这一看法得到以下事实的支持，在允许过氧化氢表面处理以进行干燥之后，由过氧化氢处理产生的有利效应仍然存在。因此，本发明的发明人相信，该效应并不是由在粘合至PMMA骨骼接合剂时存在于 UHMWPE元件的表面上的过氧化氢产生的结果，而是由UHMWPE元件的永久表面改性产生的结果。导致PMMA骨骼接合剂至已用过氧化氢处理的UHMWPE的粘合强度提高的确切原理是未知的，但是认为表面处理导致UHMWPE表面的氧化，这形成醇、酮和羧酸。这使UHMWPE 的表面具有亲水性，提高了 UHMWPE的可润湿性。额外地，过氧化物可以在UHMWPE的表面上形成自由基，其与PMMA的甲基丙烯酸甲酯单体反应生成接枝的结构。此外，相信过氧化氢表面处理还可以松开一些低分子量聚乙烯链，导致表面微粗糙化。
7
为了对UHMWPE或抗氧剂稳定化的UHMWPE元件的表面实施过氧化氢处理，可以用过氧化氢水溶液涂抹UHMWPE元件的表面，或者可以将UHMWPE元件的表面浸入过氧化氢溶液的浴中。在示例性的实施方案中，过氧化氢的浓度可以低至0. 5重量％且高至30重量％。 例如，在示例性的实施方案中，过氧化氢在过氧化氢水溶液中的浓度可以低至0. 5重量％、 1.0重量％、1.5重量％、2.0重量％及2.5重量％，或者高至3.0重量％、4.0重量％、5.0重量％、10重量％、15重量％、20重量％及30重量％。在此特别是关于UHMWPE，尤其是抗氧剂稳定化的UHMWPE进行详细描述时，还可以对其他聚合物进行过氧化氢处理，该聚合物是经抗氧剂稳定化的或未经抗氧剂稳定化的， 如乙烯-乙烯醇(EVA)、聚碳酸酯和聚芳基醚酮(PAEK)，如聚醚醚酮(PEEK)，以提高聚合物与骨骼接合剂的粘合强度。以下非限制性的实施例阐明了本发明的各种特征和特性，不应将其看作是对本发明的任何限制。实施例1过氧化氢处理对UHMWPE的拉脱强度的影响第一实施例阐明了过氧化氢处理对UHMWPE的拉脱强度的影响。除非另有说明，以下缩写在整个此部分使用。表1缩写
权利要求
1.处理聚合物表面以提高骨骼接合剂的粘着性的方法，该方法包括以下步骤 提供包含氧化剂的水溶液；用该溶液涂覆聚合物的表面以形成经处理的表面； 定位该聚合物接近于整形外科元件与骨骼之一；及将骨骼接合剂设置于聚合物的经处理的表面和整形外科元件与骨骼之一之间，从而将该聚合物粘合至整形外科元件与骨骼之一。
2.根据权利要求1的方法，其中所述提供步骤包括提供过氧化氢浓度为0.5重量％至 30重量％的过氧化氢水溶液。
3.根据权利要求1的方法，其中所述提供步骤包括提供过氧化氢浓度约为3重量％的过氧化氢水溶液。
4.根据权利要求1的方法，其还包括将所述聚合物与抗氧剂相结合的步骤。
5.根据权利要求4的方法，其中所述结合步骤在所述涂覆步骤之前实施。
6.根据权利要求4的方法，其中所述抗氧剂包括维生素C、番茄红素、蜂蜜、6-羟基-2， 5，7，8_四甲基色满-2-羧酸、二硫化物、亚磷酸盐、位阻胺、酚、环糊精、类黄酮和生育酚中的至少一种。
7.根据权利要求4的方法，其中所述结合步骤实现0.01重量％至3重量％的抗氧剂浓度。
8.根据权利要求1的方法，其还包括在将骨骼接合剂与聚合物的经处理的表面接触之前干燥所述经处理的表面的步骤。
9.根据权利要求1的方法，其中所述氧化剂包括过氧化氢、氧、臭氧、过氧化物酶、过氧化脲、过碳酸钠、钙过氧化物、镁过氧化物、单过硫酸钾、一水合过硼酸钠、臭氧化物、硫酸、 硝酸、柠檬酸、氟磺酸、三氧化硫、高锰酸钾和二价铜盐中的至少一种。
10.根据权利要求1的方法，其中所述溶液还包含催化剂。
11.处理整形外科植入物以提高骨骼接合剂的粘着性的方法，该方法包括以下步骤 提供包含聚合物的整形外科植入物，该植入物具有配合面；提供过氧化氢水溶液；将该过氧化氢溶液施加至整形外科植入物的配合面以形成经处理的表面；及将骨骼接合剂设置于整形外科植入物的经处理的表面与邻近的元件之间，由此将整形外科植入物牢固固定至邻近的元件。
12.根据权利要求11的方法，其中所述邻近的元件包括另一个整形外科植入物与骨骼之一。
13.根据权利要求11的方法，其中所述提供步骤包括提供过氧化氢浓度为0.5重量％ 至30重量％的过氧化氢水溶液。
14.根据权利要求11的方法，其中所述提供步骤包括提供过氧化氢浓度约为3重量％ 的过氧化氢水溶液。
15.根据权利要求11的方法，其还包括将所述聚合物与抗氧剂相结合的步骤。
16.根据权利要求15的方法，其中所述结合步骤在所述涂覆步骤之前实施。
17.根据权利要求15的方法，其中所述抗氧剂包括维生素C、番茄红素、蜂蜜、6-羟基-2，5，7，8-四甲基色满-2-羧酸、二硫化物、亚磷酸盐、位阻胺、酚、环糊精、类黄酮和生育酚中的至少一种。
18.根据权利要求15的方法，其中所述结合步骤实现0.01重量％至3重量％的抗氧剂浓度。
19.根据权利要求11的方法，其还包括在将骨骼接合剂与经处理的表面接触之前干燥所述经处理的表面的步骤。
20.整形外科组件，其包括包含聚合物的整形外科植入物，该整形外科植入物具有通过用过氧化氢溶液涂覆整形外科植入物的表面而形成的经处理的表面；及接触整形外科植入物的经处理的表面的骨骼接合剂的层。
21.根据权利要求20的植入物组件，其中所述聚合物包括超高分子量聚乙烯、乙烯-乙烯醇、聚碳酸酯和聚醚醚酮中的至少一种。
22.根据权利要求20的植入物组件，其中所述骨骼接合剂包括聚甲基丙烯酸甲酯。
23.根据权利要求20的植入物组件，其中所述聚合物包含抗氧剂。
全文摘要
本发明涉及聚合物，尤其是涉及聚合物的表面改性。在一个示例性的实施方案中，本发明通过在UHMWPE元件与PMMA骨骼接合剂之间产生化学键而提高了UHMWPE元件至PMMA骨骼接合剂的粘合强度。具体而言，在一个示例性的实施方案中，用氧化剂如过氧化氢的水溶液处理待粘合至PMMA骨骼接合剂的UHMWPE元件的表面。在一个示例性的实施方案中，通过用过氧化氢溶液涂抹UHMWPE元件的表面而用过氧化氢处理UHMWPE元件。然后，可以使UHMWPE元件的表面干燥，并将PMMA骨骼接合剂施加至UHMWPE元件的表面。
文档编号A61L27/16GK102405252SQ201080015080
公开日2012年4月4日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年3月31日
发明者B·H·托马斯, D·L·亚基米奇, L·A·柯里帕特里克 申请人:捷迈有限公司