人工关节用超高分子量聚乙烯成型物及其制造方法

本发明涉及具有分子取向和结晶取向的，适合人工关节使用的 超高分子量聚乙烯成形物及其制造方法。

人工关节，自其开发并临床应用于为关节疾病而苦恼的患者以 来，至今已经过了30年以上的岁月。在这段期间内，许多卧床的 慢性关节风湿病患者重新能够步行，从而复归社会，人工关节在社 会福利方面所带来的恩惠是十分巨大的。然而，另一方面，由于人 工关节手术的并发症，特别是人工关节的“松弛”的高发生率和伴 随着人工关节周围的骨破坏，产生了必须再次进行手术的深刻问 题。

人工关节是指：人工股关节、人工膝关节和人工肘关节、人工 指关节、人工肩关节等。在这些人工关节中，人工股关节和人工膝 关节要承受数倍于体重的重力，因此要求具有高的力学强度。因 此，现在的人工关节材料都是由金属制或陶瓷制的硬质材料和超高 分子量聚乙烯(UHMWPE)的软质臼(ソケツト)构成。虽然构成 这种臼的UHMWPE与聚四氟乙烯及聚碳酸酯等高分子材料相 比，其耐磨损性优良，但是，在生物机体的关节软骨本身所具有的 低磨损性、对冲击负荷的应力缓和等特性方面，其性能低劣，另外， 由于UHMWPE制的人工臼的磨损粉末而会导致巨噬细胞的增 生，由此产生的不良肉芽组织而引起骨吸收，从而成为所谓异物反 应的深刻问题。

自从人工关节开发以来，关于硬质材料，例如无粘结剂的人工 关节等，在材质和设计等方面也有一些改进，然而关于软质的人工 臼部分，除了采用UHMWPE之外，与30年前相比，没有多大的 进步。因此，这些人工关节经过长期的连续使用，由于金属等硬质 材料与人工臼的UHMWPE之间的摩擦而产生无数的聚乙烯磨损 粉末。如果考虑到这种磨损粉末引起的异物肉芽组织所造成的骨破 坏，则必须进一步提高其耐磨损性。试图降低UHMWPE的磨损， 可以考虑从硬质材料的选择和UHMWPE的改良入手。为了改良 UHMWPE，有人尝试用超高剂量的γ射线照射，但结果表明，其 磨损系数上升，磨损量没有减少。另外，由于在进一步提高 UHMWPE的分子量等方面的改良，现在已能够将UHMWPE的重 均分子量提高至500万～800万，在此以上的超高分子量聚合物的 制造是困难的，而且，即使能够合成例如1000万重均分子量的聚 合物，要想飞跃地提高其力学性质的希望也是很微小的。这样，如 果考虑到通过UHMWPE的化学改性法来提高其力学性质已经达 到了极限，那末，要想获得更耐磨损的低磨擦的UHMWPE成形物 将被认为是困难的。

1930年代，杜邦的卡洛札斯(カロ-ザス)在世界上首 先开发了作为合成纤维的尼龙，在工业上做出了重大的贡献，这是 公知的事实。作为用于提高这种合成纤维的力学特性的手段，在工 业上可以采用沿纤维轴向的单轴延伸法。另外，为了提高薄膜或薄 板的强度，在工业上可以采用双轴延伸法或压延法。这些方法可以 使分子或结晶进行单轴取向或双轴取向，是一种可以显著地提高其 力学性质的方法。

因此，为了提高力学性质，可以考虑使结构中的分子或结晶进 行取向，然而，要使块状的大块成形物中的分子或结晶进行取向， 按现在的技术完全是不可能的，因此可以认为，这种方法是不容易 实现的。

因此，本发明者们不是通过化学改性法而是通过物理改性法向 最终成形物中导入分子取向或结晶取向，试图借此获得低摩擦的成 形物和提高其耐磨损性。

不用说在日本国内，就连在国外也全然没有做过这种尝试，因 此，在人工关节聚乙烯成形物中赋予分子取向和结晶取向的这种构 思是有独创性的，如果按本发明实施，则适用于全世界的人工关节 这一点是确实无疑的。另外，过去30年间成为问题的缺点已获得 改进，这种改进已成为革命性的技术改革。

本发明涉及一种具有分子取向或结晶取向的人工关节用超高 分子量聚乙烯(UHMWPE)成形物及由该UHMWPE成形物构 成的人工关节。

这种具有分子取向或结晶取向的UHMWPE成形物可由下述 方法制得，即对原料UHMWPE成形物进行低剂量的高能射线照 射，从而使得在高分子链中导入了极微量的交联点以使其达到轻度 的交联，然后将该交联UHMWPE成形物加热至可能发生压缩变形 的温度以使其压缩变形，在保持其变形状态的条件下冷却，从而获 得所需的成形物。

本发明的具有分子取向或结晶取向的UHMWPE成形物(以下 称为“取向UHMWPE成形物”)是一种低摩擦的物质，而且其耐 磨性获得了明显的提高，而由取向UHMWPE成形物构成的人工关 节具有光滑性，是一种减低了磨损量的人工关节。

以下叙述用于实施本发明的最佳实施方案。

本发明的取向UHMWPE成形物是一种在其成形物内具有分 子取向或结晶取向的物质。所谓在成形物内具有分子取向是指其高 分子链按照垂直于压缩方向，也就是按照分子链的流动方向进行取 向，而所谓具有结晶取向是指聚乙烯结晶的(200)面和(110) 面等按照平行于压缩面的方向进行取向，也就是结晶面取向。另 外，具有这些取向的这一事实可通过双折射测定、红外线吸收光谱 和x射线衍射而得知。由于具有这些取向，因此使得成形物的摩擦 系数变小，而且磨损量降低。另外，其他的机械性质，例如抗拉强 度和拉伸系数得以提高，密度和热性质(熔点、熔融性)等也得以 提高。

如上所述，本发明的取向UHMWPE成形物是通过用高能射线 照射原料UHMWPE，加热使其压缩成形，然后将其冷却固化而制 得。

作为原料UHMWPE，可以合用重均分子量为200万～800 万，优选500万～700万的物质。该物质的熔点约为136～139℃。 所用的原料UHMWPE通常为块状，但也可以是棒状。

作为照射用的高能射线，可以举出以γ射线和x射线等放射线 为首，以及电子射线、中子射线等所有的高能射线，但从照射装置 的通用性和通过材料的穿透性这两点来考虑，优选是γ射线。这种 高能射线的照射可在UHMWPE的分子链中造成交联点，从而在分 子间形成交联键。交联密度以能够保证较大的弹性变形，同时又不 妨碍结晶化程度的极微量的交联点为住，例如，优先是在每一分子 中有0.1～10个，特别优选有1～2个交联点。

照射气氛中如果存在氧气，则会引起分解(断裂)，因此不好， 所以优选是在真空中或N2或氩等惰性气氛中进行。气氛的湿度可 以是室温，但也可以是结晶转变点(80℃)以上的高温。

射线的剂量(能量)非常重要。如果照射剂量过高，则交联密 度过大，从而使得在后续工序中的变形量增大并使交联结构破坏。 因此，即使在熔融状态下，如果不能赋予为了获得所需分子取向或 结晶取向所必要程度的弹性变形，则其结果是必定使变形的程度减 小，因此在成形物的分子链中不能达到必要的分子取向或结晶取 向。另一方面，如果照射剂量过低或者是不照射，则在熔融状态下 使UHMWPE成形物变形时，由于粘性流动的作用而使分子链在尚 未伸开的状态下就已结束了流动和塑性变形，其结果是不能获得分 子取向或结晶取向。优选的照射剂量(能量)是可获得上述交联密 度的剂量，该照射剂量为0.01～5.0MR，优选为0.1～3MR。

通过高能射线照射而达到微量交联的UHMWPE成形物，由于 交联作用而使其重均分子量达到无限大，其熔点没有太大变化，为 136～139℃。

然后将该微量交联的UHMWPE成形物加热至可能发生压缩 变形的温度。所谓可能发生压缩变形的温度是指在交联的 UHMWPE的熔点附近或熔点以上的温度，具体地说是从熔点下50 ℃至熔点上80℃。优选是加热至熔点以上，特别是加热至160～ 220℃，更优先是180～200℃，但最合适是加热至使其完全熔化。 然而，即使在熔点附近，例如在100～130℃下也能赋予压缩变形。 一旦完全熔化则交联的UHMWPE成形物成为橡胶状态并具有橡 胶弹性，因此容易发生压缩变形。

压缩变形可以在根据用途而不同的金属模型中进行，也可以使 用热压机，一边加热至上述的温度，一边在30～200kgf/cm2，通 常在50～100kgf/cm2的压力下进行。压缩的程度，在块状成形物 的情况下，以压缩到原来厚度的1/3～1/10即已足够。本发明中的 交联UHMWPE成形物的变形，由于在分子链中具有微量的交联因 此呈现橡胶弹性变形，如果在其分子链伸开并获得必要分子取向的 状态下冷却使其结晶化，就可获得结晶取向。另一方面，对于未交 联，也就是未照射的UHMWPE成形物来说，一旦加热压缩至其熔 点以上的温度就已结束了流动变形，因此不能获得分子取向或结晶 取向。    

然后，如上所述，把通过压缩变形而获得了分子取向或结晶取 向的UHMWPE成形物在保持其变形状态下冷却固化。如果在其固 化之前即解除其变形状态，则由于是熔融压缩变形，所以使伸开的 分子链获得应力缓和，恢复了原来的状态。结果，UHMWPE成形 物中原分子取向或结晶取向立即减缓。因此，在固化之前不要解除 其变形状态。

作为冷却方法，除了自然放冷之外，还有水冷和空冷等急冷方 法，将其冷却至室温，优选是冷却至20～40℃附近。另外，冷却 速度对最终所获成形物的结晶性，特别是对其结晶化度有大的影 响，为了获得优良的力学性质，可以按照10℃/分，优选是按1℃/ 分的条件等速地冷却。另外，固化的结束可以通过压力表数值的减 小(因结晶化结束后体积会收缩)来确认。

另外，不要把经过压缩变形的UHMWPE成形物立即冷却，而 是在保持其变形状态下，在100～130℃，优选在110～120℃附 近进行1～20小时，优选5～10小时的等温结晶化，然后可以将 其冷却至室温，优选冷却至40℃，从而使其固化。进行等温结晶 化的优点是可以增大结晶化度并提高其力学性质。等温结晶化后的 冷却沿有特别限定，但优选是按照1℃/分的速度冷却。

冷却固化后获得的，具有分子取向或结晶取向的UHMWPE 成形物的熔点为135～155℃。

可以用按照以上方法获得的压缩成形物通过切削等加工而成 形为人工关节用的臼，但也可以使用凸形和凹形这种形状的金属模 通过压缩变形来进行金属模成形。另外，还可以对通过切削压缩变 形成形物所获得的人工关节用UHMWPE成形物注入钛、锆、铁、 钼、铝和/钴等金属离子，以进一步提高其表面硬度。

以下举出制造例和实施例来具体地解释本发明。

制造例1～3

将一种重均分子量约为600万，熔点为138℃的UHMWPE块 体(厚3cm、宽5cm、长5cm)放入玻璃瓶中，在真空下减压(10 -2～10-3mmHg)，然后将该玻璃瓶密封。将该玻璃瓶在25℃ 下用钴-60的γ射线照射0.5MR。然后，将该经过放射线照射的 UHMWPE块体(熔点：138℃，重均分子量：无限大)从玻璃瓶 中取出，用热压机在200℃下使该UHMWPE完全熔融，然后对其 施加50Kgf/cm2的压力以将其压缩至原来厚度的1/3、1/4.5和 1/6，并在保持该变形状态的条件下通过自然放冷而使其冷却至室 温。

比较制造例1～3

把在制造例1～3中使用的原料UHMWPE块体按照未照射的 原本状态，同样地用一台热压机在200℃下使其完全熔融，以此将 其压缩至原来厚度的1/3、1/4.5和1/6，在保持该变形状态的条件 下通过自然放冷而使其冷却至室温。

制造例4～6

除了将制造例1中的γ射线的照射剂量改变为1.0MR、 1.5MR和2.0MR之外，同样地将其压缩变形至原来厚度的1/3，将 其放冷，从而获得经照射的UHMWPE成形物。1.0MR照射物、 1.5MR照射物和2.0MR照射物的重均分子量均为无限大，它们的 熔点几乎恒定为138℃。

制造例7

在制造例1中进行γ射线照射(0.5MR)后，除了加热至130 ℃和在200Kgf/cm2的压力下保持5分钟以将其压缩变形至1/3之 外，其他按同样的操作，获得了照射的UHMWPE成形物。

制造例8

在制造例1中，除了在压缩成形后以120℃进行10小时的等 温结晶化然后放冷之外，其他按同样的方法获得经照射的 UHMWPE成形物。

实施例1

把在制造例1～8和比较制造例1～3中获得的UHMWPE成 形物通过切削而制成一种厚7mm，直径7mm的试验片，按照以下 的方法测定其摩擦力和磨损量并评价其摩擦系数和磨损系数。

试验装置和试验条件：在试验中使用京都大学生体医疗工学研 究センタ-制的一方向型Pin-On-disc摩擦磨耗试验机。

一方向型试验机是一种按臂式荷重法将试验片压在一个顺时 针方向旋转的陶瓷转盘面上的设备。可以通过施加于臂的一端的重 量而改变荷重值。转盘的旋转是由变换器控制的电动机的旋转，通 过皮带传达到轴承而使其旋转的。将试验速度设定为50mm/s。另 外，所有的试验都是在50ml的生理食盐水中进行48小时，试验时 的液体温度保持25±2℃。

摩擦力和磨损量的测定方法：摩擦力是用一个安装在试验机臂 部上的杠杆或动力计来测定。一台笔式记录仪连续地记录摩擦力。 试验结果(表1)示出的摩擦系数是在摩擦距离为8640m(试验开 始48小时后)测得的数值。

磨损量的测定是以1MPa的力将试验片压在一个氧化锆制的 转盘上，用一台非接触型静电容量变位计来测定试验片厚度的减小 值，然后评价其磨损量。

该试验是将各个试验片对各种荷重条件皆进行3次试验，然后 根据其平均值求出摩擦系数和磨损系数。在此情况下，按意图将氧 化锆制的转盘表面作为Ra：0.2～0.3的粗面，测定48小时后的 磨损量。

磨损系数和摩擦系数根据杜生(Dowson)公式求出。

磨损系数(WF)＝磨损量(mm3)/{荷重(N)

×滑动距离(m)}

摩擦系数(CF)＝摩擦力(N)/荷重(N)

结果示出在表1中。未照射试样在变形时的压缩比(原来的厚 度/压缩变形后的厚度)为3时的磨损系数(WF)等于15.3×10 -7，压缩比为4.5时WF等于16.4×10-7，压缩比为6时WF等 于14.9×10-7，其数值几乎没有差别。然而，对于经过0.5MR 照射的试样，压缩比为3时的WF等于9.07×10-7，压缩比为4.5 时WF等于2.78×10-7，压缩比为6时WF等于5.31×10-8， 可以看出其数值明显地降低。

实施例2

在制造例3和比较制造例3中获得的UHMWPE成形物的物理 性质示于表2中。

熔融热和熔点，使用(株)岛津制作所制的DSC-50，按10 ℃/min的升温速度进行测定。另外，抗拉强度和弹性率，使用(株) 岛津制作所制的自动绘图仪-100，按100％/min的拉伸速度进行 测定。

如表2所示，与由比较制造例3的未照射试验获得的 UHMWPE成形品相比，由制造例3的0.5MR照射试验获得的 UHMWPE成形品的密度和熔点都提高了，抗拉强度和弹性率也都 增加了。特别明显的是其熔点由原来的138.0℃提高至149.5℃。

              表1

  制造例   照射剂量     MR     压缩变形     冷却     磨损系数     (WF)   摩擦系数     (CF)     温度℃     压缩比     1     2     3     4     5     6     7     8     0.5     0.5     0.5     1.0     1.5     2.0     1.0     1.0     200     200     200     200     200     200     130     200     3     4.5     6     3     3     3     3     3     放冷     放冷     放冷     放冷     放冷     放冷     放冷 120℃10小时等 温结晶化后放冷     9.07×10-7     2.78×10-7     5.31×10-8     7.35×10-7     4.62×10-7     8.31×10-8     9.64×10-7     2.53×10-8     0.11     0.08     0.03     0.04     0.02     0.01     0.12     0.01 比较制造例     1     2     3     -     -     -     200     200     200     3     4.5     6     放冷     放冷     放冷     15.3×10-7     16.4×10-7     14.9×10-7     0.14     0.15     0.12

               表2

  试样   密度 (g/cm3) 熔融热 (cal/g)   溶点     (℃) 抗拉强度 (kg/cm2)   弹性率   (kg/cm2)   比较 制造例3   0.931     31.6     138.0     0.3×103     1.36×104 制造例3   0.948     39.2     149.5     1.3×103     1.95×104

工业上利用的可能性

由本发明获得的人工关节用超高分子量聚乙烯成形物，在该成 形物中具有分子取向或结晶取向，具有低摩擦性并且其耐磨损性优 良，可以作为人工关节的臼使用。

另外，本发明的人工关节用超高分子量聚乙烯成形物可以作为 人工股关节用白(人工臼盖)、人工膝关节用臼(人工臼)以及人 工肘关节用臼等使用，除此之外，不仅可作为医疗用材料，而且可 以有效地利用它所具有的低摩擦和耐磨损性的特性，作为工业用材 料应用。