[发明专利]在UHMWPE中共混多种添加剂的协同作用

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年5月4日提交的美国临时专利申请61/175,308号的优先权，该申请通过全文引用结合到本文中。

发明技术领域

本发明涉及抗氧化的聚合物，包括它们的制造和用途。其包括抗氧化的交联的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为非限制性实例。本发明还涉及聚合物(包括抗氧化的交联的UHMWPE)在人造身体构件(包括含有一种或多种这种聚合物或由一种或多种这种聚合物制成的医疗假体)中的用途。非限制性实例包括用于置换关节(比如髋和膝关节)的医疗假体，其中聚合物(比如抗氧化的UHMWPE)形成关节的轴承(bearing)部件，包括提供关节的接合部件的表面。在一个非限制性实例中，医疗假体的一部分含有形成表面(比如髋臼表面)的聚合物轴承，医疗假体的另一部分(比如由金属或陶瓷制成的球形部分)对着该表面，在身体中使用关节期间对着轴承表面接合。

发明背景

在关节成形术中的假体植入物(比如人造膝和髋植入物)通常涉及金属或陶瓷球形构件(其通常为关节的一半的一部分)对着聚合物(比如UHMWPE，其通常为关节的另一半，并且为凹的容器形状，用于接受球形构件的接合)接合。十年多以前发现，将UHMWPE暴露于电离辐射使材料交联并且导致显著改进的耐磨性。与之相反，电离辐射还导致聚合物链的链断裂并在材料中产生长效自由基。如果这些自由基不被消灭，则它们与氧反应并导致聚合物氧化和随后的机械和摩擦学性质劣化。为了消灭自由基，通常进行辐照后热处理。

已显示，将交联的聚合物加热超过熔融温度(即，再熔融)消灭交联的材料中的所有可测量的自由基并使其相对于氧化稳定。另一方面，由于交联的链的降低的移动性抑制链折叠成为结晶薄层，再熔融也导致结晶度下降，这导致屈服强度和最终的拉伸强度降低。

或者，可将交联的聚合物加热至低于熔融温度的温度(即，低于熔点(sub-melt)退火)。由于在低于熔点退火期间，较大的结晶薄层不熔融，结晶度通常保持或提高，这样通常保持或改进屈服强度并导致所得到的材料的最终拉伸强度较少降低。与此相反，选择低于熔点热处理在材料的未熔融的结晶区域中留下可测量量的自由基，这些自由基可随时间迁出并氧化。

这些权衡的结果是，期望使高度交联的UHMWPE相对于氧化稳定而不会损害机械性质的方法。

将UHMWPE树脂与抗氧化剂共混已用于取消那些方法固有的对辐照后的热处理以及随后的权衡的需求。该方法将单一抗氧化剂与树脂共混，随后通过标准技术将共混物压实，比如通过压塑或柱塞压出。随后将该已压实的共混物暴露于电离辐射，使材料交联并改进耐磨性。已共混的抗氧化剂作为自由基清除剂运作，并通过向被破坏的聚合物链容易地供给氢(H)原子而中断氧化路径，进而，使该自由基形成不与氧反应的稳定的自由基。由于使用该特定的方法可能不需要辐照后的热处理来去除自由基，因此机械性质不劣化至相同的程度。

另一方面，该共混方法存在两个固有的问题。首先，每个抗氧化剂分子能供给有限数量的氢原子/淬灭或消灭有限数量的自由基。例如，每个维生素E分子能淬灭两个自由基已理论化。结果是，在清除自由基期间，抗氧化剂的消耗可限制保护免受氧化的有效时间。例如，如果抗氧化剂的浓度太低，则在消灭所有的自由基之前，所有的自由基-淬灭能力可能被消耗，这可导致剩余可与氧反应并引起氧化的自由基。由该预期，优选具有高浓度的抗氧化剂，以确保在捕获所有的自由基之前并非所有的抗氧化剂被消耗，并且使长期抗氧化性最大化。另一方面，提高抗氧化剂的浓度超过某一限度可导致过饱和，这可引起抗氧化剂从聚乙烯中洗脱或扩散出来。该洗脱的结果可能是抗氧化剂与人体的不期望的相互作用或者材料表面剩余的抗氧化剂耗尽。

第二，经辐照的聚合物的改进的耐磨性取决于通过电离辐射产生自由基和随后的自由基的组合以在聚合物链之间形成化学键(即，交联)。在辐照期间存在抗氧化剂清除这些自由基中的一些，并且导致不期望的抑制交联。结果是，与不含抗氧化剂的聚合物相比，需要更高的辐照剂量来产生相同水平的耐磨性。提高辐照剂量来克服抑制交联的结果是，交联的材料的延展性和韧性被进一步降低。由该预期，优选使抗氧化剂的浓度最小化，使得抑制交联和实现给定的耐磨性所需的辐照剂量最小化。