(57)【要約】【課題】  超高分子量ポリエチレンに放射線を照射して架橋した成形品において、ビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンを成形品の任意の部位に配置することで、部位ごとで架橋度を調整できるうよにした。【解決手段】  超高分子量ポリエチレンを用いて所定の形状に成形した成形品に放射線エネルギーを投与する架橋処理を施した超高分子量ポリエチレンの成形品において、ビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンを成形品の任意の部位に配置する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高分子量ポリエチレンを用いて所定の形状に成形した成形品に放射線エネルギーを投与する架橋処理を施した超高分子量ポリエチレンの成形品において、ビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンを超高分子量ポリエチレンの任意の部位に配置したことを特徴とする超高分子量ポリエチレンの成形品。
【請求項２】
配置が成層している請求項１の超高分子量ポリエチレンの成形品。
【請求項３】
成層が階層的である請求項２の超高分子量ポリエチレンの成形品。
【請求項４】
成層が同層的である請求項２の超高分子量ポリエチレンの成形品。
【請求項５】
配置がビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンがビタミンＥを添加しない超高分子量ポリエチレンの中に部分的に存在している請求項１〜４いずれかの超高分子量ポリエチレンの成形品。
【請求項６】
ビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンが添加量が異なるビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンの中に部分的に存在している請求項５の超高分子量ポリエチレンの成形品。
【請求項７】
請求項１〜６いずれかの超高分子量ポリエチレンの成形品が医療用インプラントである超高分子量ポリエチレンの成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用インプラントに適用されて好適な架橋処理を施した超高分子量ポリエチレンの成形品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分子量が２００万を超える超高分子量ポリエチレン（以下、ＵＨＭＷＰＥ）は、通常のポリエチレンよりも耐摩耗性、耐衝撃性、耐薬品性、自己潤滑性に優れており、しかも、人体に安全であるので、多くの医療用インプラント（以下、インプラント）の主として摺動部分に使用されている。しかしながら、ＵＨＭＷＰＥは体内環境下では酸化が起こり易いことが知られている。この酸化が起こると、ＵＨＭＷＰＥの分子鎖が体液等の環境の下で切断され、分子量が低下してＵＨＭＷＰＥ特有の硬度や潤滑性が失われ、耐摩耗性が低下する。
【０００３】
一方で、ビタミンＥ（以下、ＶＥ）は抗酸化能を有することは知られており、下記特許文献１では、ＵＨＭＷＰＥのインプラントにＶＥを添加（以下、ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ）している。ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥからなるインプラントでは、抗酸化能が向上するのはもちろんのこと、流動性が増して成形し易くなり、耐摩耗性も向上することが知られている。なお、ＵＨＭＷＰＥを摺動部分に使用すると摩耗粉が生ずるのは避けられないが、この摩耗粉はマクロファージの好餌となり、マクロファージは骨を溶解するＴＮＦ等のサイトカインなるタンパク質を産生して破骨細胞を活性化させてインプラントのルーズニングを生じさせることが知られている（これを生体為害性という）。しかし、ＶＥを含んだ摩耗粉は、ＶＥの添加量や成形条件によっては生体為害性も抑制することがわかっている（下記特許文献２）。
【０００４】
ところが、上記した特許文献１を含む従来のインプラントの素材であるＶＥ−ＵＨＭＷＰＥは、ＵＨＭＷＰＥの中にＶＥを分散させただけのものであるから、両方の特性を併有するものになる。つまり、ＶＥを添加したものは、ＵＨＭＷＰＥの分子間または粒子間に異質のＶＥが入り込むものであるから、抗酸化能はあるものの、硬度、伸び、クリープ量といった力学的特性を変化させることになり、これがそのままＶＥ−ＵＨＭＷＰＥの特性に反映していた。しかし、インプラントでは、部位によってはＵＨＭＷＰＥが適する場合もあれば、ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥが適する場合もあるので、一律的にＶＥ−ＵＨＭＷＰＥを使えばよいというものではない。
【０００５】
さらに、下記特許文献３に見られるように、インプラントの成形過程の特定の工程で放射線エネルギーを投与してＵＨＭＷＰＥの分子鎖の結合を強化する架橋処理を行うものがある。インプラントに架橋処理を施すと、分子間の結合が強化されることによって硬度を増して耐摩耗性を高め、クリープ量を減少させるといった力学的性質を向上させることができるが、一方では、柔軟さが失われて脆性が増し、割れ易くなるという性質も有している。
【０００６】
ところで、放射線エネルギーの投与は酸化耐性を有するＶＥ−ＵＨＭＷＰＥではその影響が減殺されて（耐性が高い）、架橋され難いということも知られているが、上記した特許文献３では、投与対象はすべて一様な添加量を有するＶＥ−ＵＨＭＷＰＥである。したがって、架橋の効果も全部の部位に亘って一律的である。これがもし、ＵＨＭＷＰＥとＶＥ−ＵＨＭＷＰＥとを別々に配置できるとすれば、架橋の効果を所望の部位で変えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−０００２２１号公報
【特許文献２】特表２００９−５０４２８３号公報
【特許文献３】特表２００６−５１５７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような課題を解決したものであり、ＵＨＭＷＰＥの中で抗酸化能を有するＶＥ−ＵＨＭＷＰＥを所望の部位に任意の形態で配置することで、特定の部位に架橋処理による長所のみを取り入れることができるようにしたものである。言い換えると、成形品の部位ごとに架橋度の異なるＵＨＭＷＰＥを配置できるようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、超高分子量ポリエチレンを用いて所定の形状に成形した成形品に放射線エネルギーを投与する架橋処理を施した超高分子量ポリエチレンの成形品において、ビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンを超高分子量ポリエチレンの任意の部位に配置したことを特徴とする超高分子量ポリエチレンの成形品を提供するとともに、この任意配置の形態として、請求項２に記載した成層している形態、また、成層の形態として、請求項３に記載した、成層が階層的である形態、請求項４に記載した、成層が同層的である形態を提供する。
【００１０】
さらに、任意配置の形態として、請求項５に記載した、ビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンがビタミンＥを添加しない超高分子量ポリエチレンの中に部分的に存在している形態を提供するとともに、この形態において、請求項６に記載した、ビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンが添加量の異なるビタミンＥを添加した超高分子量ポリエチレンの中に部分的に存在する形態を提供する。そして、これらの成形品の好適な例として、請求項７に記載した、成形品が医療用インプラントである手段を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によると、成形品に求められる特性に応じてＶＥ−ＵＨＭＷＰＥをＵＨＭＷＰＥの中の任意の部位に配置できる。したがって、この成形品をインプラントに適用すれば、それぞれの部位ごとに要求される特性に応じてＵＨＭＷＰＥとＶＥ−ＵＨＭＷＰＥとを使い分けることができ、全体としてより性能の高いインプラントが得られる。具体的には、摺動部分であって摩耗粉が多く発生する個所には生体為害性の少ないＶＥ−ＵＨＭＷＰＥを、その他の部分では力学的特性が高いＵＨＭＷＰＥを配置するといったことが可能になる。
【００１２】
加えて、請求項１の発明では、成形品に放射線の照射によって架橋処理を施すのであるから、硬度が増して耐磨耗性が向上する。しかし、放射線エネルギーの投与による効果は被照射体（成形品）の耐酸化性が高いほど耐性があることから、摩擦を起こす部位にＶＥ−ＵＨＭＷＰＥを配置しておけば、架橋効果は多少低下するものの、長所である柔軟さを維持しつつ、短所である脆性の増大、割れといったことが防がれる。
【００１３】
すなわち、架橋処理を施したとしても、摩擦個所における磨耗粉による生体為害性の少なさといったＶＥ−ＵＨＭＷＰＥによる効果を依然として享受できるのであり、この場合の架橋効果の低下による磨耗粉の減少の抑制は上記特許文献２の手法が大いに貢献するのである。さらに、放射線は素材であるパウダーや成形前のブランクに照射するものと違って最終工程で得られた成形品に照射するのであるから、工程を簡略化でき、放射線による滅菌処理がより効率的になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る成形品の斜視図である。
【図２】本発明に係る成形品の斜視図である。
【図３】本発明に係る成形品の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態をインプラントを例をとって説明するが、これに限られるものではなく、ＵＨＭＷＰＥやＶＥ−ＵＨＭＷＰＥを架橋して硬度等の力学的特性を高めるすべての産生品に適用できる。まず、ＵＨＭＷＰＥの特性やＶＥを添加することの意義について説明しておくが、ここでいうＵＨＭＷＰＥとは、分子量が２００〜７００万の範囲のものをいう。このようなＵＨＭＷＰＥを使用するのは、これらが稠密性に富んで耐摩耗性、耐衝撃性等の力学的特性にも優れているからである。
【００１６】
インプラントの素材として使用するＵＨＭＷＰＥは、医療用に適応されたものである必要があり、これには、Ｔｉｃｏｎａ社製の商品名ＨｏｓｔａｌｅｎＧＵＲ１０２０、１１２０、１０５０、１１５０やＭｏｎｔｅｌ社製の商品名Ｈｉｆａｘ１９００があり、これらはいずれもパウダーで市販されているが、ペレット、タブレットのものもある。そのいずれを使用してもよいが、成形時の熱による融解性、気泡の生成性、添加物との均一な混合性の観点から、パウダー状のものがもっとも適している。
【００１７】
一方、ＶＥとは、αートコフェロール、βートコフェロール、γートコフェロール、δートコフェロールとこれらの異性体、誘導体、混合物を含むものでありエーザイ株式会社から日本薬局方トコフエロール（ｄｌ−α−Ｔｏｃｏｐｈｅｒｏｌ  ＪＰ）として液状又はパウダーで市販されているが、液状の方が取扱いや混合が容易で適している。ＵＨＭＷＰＥにＶＥを添加する割合は、０．０１〜３重量％、中でも０．１〜１．０重量％程度が適しており、これよりも少ないとその効果が十分ではなく、また、多すぎても添加の割合に比べて効果が増えないし、場合によっては低下する。
【００１８】
ＵＨＭＷＰＥに対するＶＥの添加の方法は、ＵＨＭＷＰＥのパウダーに液状のＶＥを添加して混合すればよい。この添加した液状のＶＥはＵＨＭＷＰＥのパウダーの中に均一に分散される必要がある。ＶＥの分散が均一でないと、インプラントの抗酸化能や成形性、また、生体為害性にむらが生じ、結果的に性能低下を招くからである。この均一分散化処理は、添加した液状のＶＥとＵＨＭＷＰＥのパウダーをある程度の温度で十分に攪拌することで行う（攪拌の方法は問わない）。この温度は高い方が適するが、あまり高いと、ＶＥを失活させる可能性があるから、室温〜８０℃程度の温度が適する。
【００１９】
次に、以上のＵＨＭＷＰＥとＶＥ−ＵＨＭＷＰＥのパウダーを用いて特定形状のインプラントに成形する場合について説明する。まず、この両者をインプラント内で配置させようとする部位・位置に所望の形状と量をもって配置する。この配置の設定は、金型によるが、ジグを用いる人手によるものであっもよいし、機械的な制御によってもよい。
【００２０】
成形の際には、金型の中に以上のＵＨＭＷＰＥとＶＥ−ＵＨＭＷＰＥのパウダーを積層状に投入したなら（上下に成層させる例）、上からプレスで押圧して成形する。このときの熱的条件はＵＨＭＷＰＥの粒子を融解させる必要があり、この融解によってＵＨＭＷＰＥ粒子の表面を溶解させてその粒子同士を接着させるとともに、この融解部分にＶＥを浸透させるものであり、ＵＨＭＷＰＥやＶＥ−ＵＨＭＷＰＥをインプラントに成形する場合には重要な操作・処理である。
【００２１】
このときの融解温度は、ＵＨＭＷＰＥが溶解する２００℃以上は必要であるが、あまり高い温度で長時間置いておくと、ＶＥを失活させるから、２２０℃程度で２０分弱加熱するのが適する。また、圧力も必要であるが、圧力は成形に必要な範囲でよく、８０〜１５０Ｋｇｆ／ｃｍ2 程度でよい。この融解操作によって、ＶＥは更にＵＨＭＷＰＥの中に均一に分散され、ＵＨＭＷＰＥの成形性も改善されるものとなる。なお、この融解操作によってＵＨＭＷＰＥとＶＥ−ＵＨＭＷＰＥの界面も接着される。
【００２２】
ところで、以上の加圧成形を減圧下や不活性ガス雰囲気下で行うと、成形がより易しく、インプラントの品質も向上する。成形を減圧下で行えば、減圧に基づいてＵＨＭＷＰＥの粒子の流動性が高まり、成形が容易になって時間も短縮できる。さらに、粒子や粒子間に存在する気泡が抜け、残存する酸素量を減らして酸化による弊害を少なくするという効果もある。この場合の減圧の程度は大きいほど好ましいが、０．１気圧以下であれば十分な効果がある。なお、残存酸素量を減らすという観点からいえば、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下での成形も適している。
【００２３】
図１は簡単のために成形品をキュービックとした場合の斜視図であるが、（ａ）は下がＵＨＭＷＰＥ（Ａ）で上がＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ（Ｂ）の二層構造のものであり、（ｂ）は真ん中をＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ（Ｂ）にしてその上下をＵＨＭＷＰＥ（Ａ）にした三層構造のものであり、その成形方法、条件は上記と同じである。なお、これらの例は上下（階層的）に成層したものであるが、並列（同層的）に成層してもよい。また、それぞれのＵＨＭＷＰＥやＶＥ−ＵＨＭＷＰＥは一様な厚みになっているが、厚みを部分的に変えてもよい。
【００２４】
（ｃ）はＵＨＭＷＰＥ（Ａ）の中にＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ（Ｂ）を部分的に存在させたものであるが、この場合は、ＵＨＭＷＰＥのパウダーの所定の個所に特定の形状、大きさ、数の筒型を挿入し、この筒型の中にＶＥ−ＵＨＭＷＰＥのパウダーを投入した後、筒型を抜き取って上記と同様な処理をすればよい。なお、図示のものは、ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ（Ｂ）を上面に覗かせて縦に挿設しているが、横或いは斜めであってもよいし、中途に隠れるように埋入することも可能である。
【００２５】
図２に示すものは、インプラントとして人工膝関節の脛骨側部材の関節面（インサート）に成形したものであるが、このような特定の形態に成形するには、金型を成形品に即したものにしておけばよい。このうち、（ａ）のものは、人工膝関節の大腿骨側部材（金属製）が載って摺動面となる上面全体をＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ（Ｂ）にしたものである。また、（ｂ）のものは、上面のうち、大腿骨側部材の二つの顆が載る部分のみをＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ（Ｂ）にしたものである。
【００２６】
この顆が載る部分は圧力と摩擦が大きく、ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥの抗酸化能や生体為害性の少なさといった長所が望まれる個所でもある。このように、所望の部位のみをＶＥ−ＵＨＭＷＰＥとするのは、ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥはＵＨＭＷＰＥに比べて価格も高く、また、ＶＥとＵＨＭＷＰＥとを混合するには攪拌操作も必要とするから、この攪拌操作が簡略化され、全体の製造コストを安くできるからである。さらに、後述する架橋処理の影響をその部位に応じて架橋度を変えて受けるためでもある。図３に示すものは、人工股関節の骨頭が納まるライナーを示したものであるが、この場合は骨頭と圧接して摺動面となる下部をＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ（Ｂ）にしている。
【００２７】
ところで、以上は、ＶＥを添加しないＵＨＭＷＰＥにＶＥを添加したＶＥ−ＵＨＭＷＰＥを配置した例であるが、ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥの中にＶＥの添加量（率）が違うＶＥ−ＵＨＭＷＰＥを配置することもできる。つまり、ＵＨＭＷＰＥと各々添加量が違うＶＥ−ＵＨＭＷＰＥをインプラントの任意の部位にそれぞれ集積して配置することができるのである。上記した特許文献２でも触れてあるが、ＶＥの添加量が異なると、磨耗粉の発生や生体為害性が異なることから、それに応じてもっとも好ましい形態がとれるのである。
【００２８】
本発明では、インプラントを成形した後に放射線エネルギーを投与する架橋処理を行うのである。この架橋処理は成形後のインプラントに直接施してもよいが、流通に備えて適宜な包装材で包装されたインプラントに施してもよい。ＵＨＭＷＰＥ（ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥも同じ）はある程度は分子鎖で互いに絡み合って架橋しているが、これにガンマ線やＸ線或いは電子線等の放射線を照射すると、そのエネルギーでこの分子鎖を一旦切断して再結合させることになり、このときに絡み合いや繋がりの相手が変わったり、結合が連続したりして架橋が強化されるのである。
【００２９】
すなわち、分子鎖が互いにクロスリンクされた状態に態になるのであり、この状態のＵＨＭＷＰＥ又はＶＥ−ＵＨＭＷＰＥを以下ではＸＬ−ＵＨＭＷＰＥという。分子鎖がクロスリンクされた結果、硬さや耐磨耗性（磨耗粉の減少）といった力学的特性を向上させることができるのである。ただし、抗酸化能を有するＶＥ−ＵＨＭＷＰＥではその効果が減殺されることは上記したとおりである。
【００３０】
以上が本発明に係るＵＨＭＷＰＥのインプラントを成形する過程であるが、これを整理すると、以下の工程をとることになる。素材（ＵＨＭＷＰＥのパウダー）→ＶＥの添加→ＵＨＭＷＰＥにおけるＶＥの均一分散化処理（ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥの調製）→ＵＨＭＷＰＥとＶＥ−ＵＨＭＷＰＥそれぞれの型込め→成形→放射線照射（ＸＬ−（ＶＥ）ＵＨＭＷＰＥの出現）ということになる。
【００３１】
架橋処理を施す放射線の照射は、酸素のない状態で照射することが必要である。酸素が存在すると、切断された分子鎖が酸素と結合して酸化するからである。このため、照射室を脱気して真空に近い状態にするか窒素ガス等の不活性ガス中で成形品（インプラント）に放射線を照射する。この条件は、３０〜３００ｋＧｙの電子線を照射した後、同じ雰囲気下で８０〜１５０℃で１２〜７２時間の間アニーリングすればよい。なお、上記した溶解操作に加えてこの架橋処理は、インプラントの表面に付着したり、内部に混入した細菌やウイルスを死滅させる滅菌処理も兼ねることになる。
【符号の説明】
【００３２】
Ａ      ＵＨＭＷＰＥ
Ｂ      ＶＥ−ＵＨＭＷＰＥ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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