(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチックプロテーゼ支持体、ネット形状支持体、類似ネット形状支持体、または前記支持体を形成し得るプラスチック加工素材を形成するための方法において、
超高分子量ポリエチレン樹脂を粉末状態で用意する工程と、
前記粉末状の樹脂を照射処理して前記樹脂を架橋する工程と、
前記照射処理した粉末に熱および圧力を加えて成型して、当該粉末を所望の固体プラスチック形状に形成する工程であって、前記粉末を溶融するのに十分な加熱が行なわれる、工程と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記照射処理工程が、酸素を減少した雰囲気中で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記成型工程が、酸素を減少した雰囲気中で行われる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記成型工程が、１，０００ｐｓｉ〜７０，０００ｐｓｉ（６．８９５×１０６Ｐａ〜４．８２７×１０８Ｐａ）の圧力を加えることを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記成型工程が、２５０°Ｆ〜５００°Ｆ（１２１℃〜２６０℃）の温度に加熱することを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記照射処理工程が、２Ｍｒａｄ〜１００Ｍｒａｄのγ放射線を照射することを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記照射処理工程が、２Ｍｒａｄ〜５Ｍｒａｄのγ放射線を照射することを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記照射処理工程が、２Ｍｒａｄ〜２０Ｍｒａｄのγ放射線を照射することを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記照射処理工程が、
通気性プラスチック膜から形成されたパウチの中に前記粉末状の樹脂を入れる工程と、
前記パウチをコンテナの中に入れる工程と、
前記照射処理中の前記コンテナの中を、酸素を減少した雰囲気にする工程と、
を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
酸素を減少した雰囲気にする前記工程は、前記コンテナを初期的に減圧した後で、前記コンテナに不活性ガスを充たし、その後に前記コンテナから前記不活性ガスをポンプ排気する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
酸素を減少した雰囲気にする前記工程は、前記照射処理前に前記コンテナを窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、またはこれらの組み合せからなる不活性ガスの雰囲気にする工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記成型工程が、前記照射処理した粉末を入れた前記パウチを成形プレス機に移し、そこで熱および圧力を加える工程を含む、請求項９〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記成型工程が、前記樹脂の融点よりも高い温度に加熱することを含む、請求項９〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記照射処理工程の後、前記成型工程の前に、前記パウチを前記コンテナから取り出し、照射後ポンプ処理を行なって前記照射処理された粉末から残留水素を除去することをさらに含む、請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記成型工程の前に予備成型工程をさらに含み、
前記予備成型工程で、前記照射処理した粉末が所望形状に冷圧された後、加熱する前に減圧下に置かれる、請求項１〜１４のいずれか記載の方法。
【請求項１６】
プラスチックプロテーゼ支持体、ネット形状支持体、類似ネット形状支持体、または前記支持体を形成し得るプラスチック加工素材を形成するための方法において、
超高分子量ポリエチレン樹脂を粉末状態で用意する工程と、
前記粉末状の樹脂を照射処理して前記樹脂を架橋する工程と、
前記照射処理した粉末を成形型内において、前記樹脂の融点以上の温度で、前記粉末を所望の固体プラスチック形状に形成すると共に遊離ラジカルを除去するのに十分な時間、加熱する工程と、
を含む、方法。
【請求項１７】
前記照射処理工程が、酸素を減少した雰囲気中で行われる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記加熱工程が、酸素を減少した雰囲気中で行われる、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記加熱工程が、１，０００ｐｓｉ〜７０，０００ｐｓｉ（６．８９５×１０６Ｐａ〜４．８２７×１０８Ｐａ）の圧力を加えることを含む、請求項１６〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記加熱工程が、２５０°Ｆ〜５００°Ｆ（１２１℃〜２６０℃）の温度に加熱することを含む、請求項１６〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記照射処理工程が、２Ｍｒａｄ〜１００Ｍｒａｄのγ放射線を照射することを含む、請求項１６〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記照射処理工程が、２Ｍｒａｄ〜５Ｍｒａｄのγ放射線を照射することを含む、請求項１６〜２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記酸素を減少した雰囲気が、減圧下、部分的減圧下、または不活性な雰囲気である、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記照射処理工程が、２Ｍｒａｄ〜５０Ｍｒａｄの照射線量でγ線または電子線ビームを照射することを含む、請求項１または１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は整形外科用の移植プロテーゼに使用する改良した支持体(bearings)に関し、特に、架橋成形した超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）支持体および支持体材料を作成するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このようなＵＨＭＷＰＥ樹脂は股、膝、肩および肘のプロテーゼにおける支持体に一般に用いられる。典型的には、これらの支持体は直接圧縮成形処理により、またはシート状または棒状の加工素材から必要とする支持体形状に機械加工することによって形成できる。また、このような加工材または成形支持体は照射処理された後に熱処理またはアニール処理される。すなわち、照射処理によって分子間架橋および遊離ラジカルが生じる。その後、これらの遊離ラジカルを加熱処理により除去する。
【０００３】
以下の従来技術についての文献を参考にした。
米国特許
１．米国特許第５，４１４，０４９号、Deh-Chuan Sun他の「非酸化性ポリマー医療移植材料」
２．米国特許第５，４４９，７４５号、Deh-Chuan Sun他の「非酸化性ポリマー医療移植材料」
３．米国特許第５，５４３，４７１号、Deh-Chuan Sun他の「非酸化性ポリマー医療移植材料」
４．米国特許第５，６５０，４８５号、Deh-Chuan Sun他の「非酸化性ポリマー医療移植材料」
５．米国特許第５，７２８，７４８号、Deh-Chuan Sun他の「非酸化性ポリマー医療移植材料」
６．米国特許第４，５８６，９９５号、James C. Randallの「ポリマーおよび照射処理方法」
７．米国特許第５，１５３，０３９号、Jay P. Porter他の「酸素バリヤ特性を有する高密度ポリエチレン物品」
８．米国特許第５，５０８，３１９号、Anthony J. DeNicola, Jr.他の「高溶融強度エチレンポリマーを作成するための処理方法およびその使用方法」
９．米国特許第３，３５２，８１８号、Gerhard Meyer他の「ポリオレフィンの安定性」
１０．米国特許第５，５７７，３６８号、John V. Hamilton他の「生体移植可能なポリマー構成要素の耐磨耗性を改善するための方法」
１１．米国特許第５，７５３，１８２号、Joel Higginsの「超高分子量ポリエチレン成形外科用構成要素に存在する遊離ラジカルの数を減少するための方法」
１２．米国特許第５，７０９，０２０号、David A. Pienowski他の「移植材料からの磨耗粒子の発生を減少するための方法」
１３．米国特許第５，７０２，４５６号、David A. Pienowskiの「磨耗粒子の発生を減少した移植材料」
１４．米国特許第５，５１５，５９０号、David A. Pienowskiの「移植材料からの磨耗粒子の発生を減少するための方法」
１５．米国特許第５，５９３，７１９号、Geoffrey Dearnaley他の「超高分子量ポリエチレンおよび金属合金の構成要素間の磨耗を減少するための処理」
１６．米国特許第４，３６６，６１８号、Simon Raabの「プロテーゼ−骨のセメントインターフェースの強度および耐性を最大にするように構成した接骨プロテーゼおよびこれを成形する方法」
１７．米国特許第５，０１４，４９４号、Robert D. Georgeの「医療物品の滅菌方法」
１８．米国特許第５，１３７，６８８号、James L. DeRudderの「ポリカーボネート−ポリイミド混合物により成形した照射処理物品」
１９．米国特許出願第０８／９１１，７９２号、Kenneth Ashley Saum他の１９９７年８月１５日出願の「磨耗性および酸化の改善されたバランスを有する架橋超高分子量ポリエチレンの医療用移植材料の処理方法」
その他の国の特許
２０．欧州特許公開第０７２２９７３号、Ron Salovey他の「人工的なヒト関節用の化学的に架橋した超高分子量ポリエチレン」
２１．ＰＣＴ国際公開（Ｗ．Ｏ．）第９７／２９７９３号、W. Merrill他の「照射処理および溶融処理した超高分子量ポリエチレン装置」
２２．ＰＣＴ国際公開第９８／０１０８５号、Fu-Wen Shen他の「照射処理および熱処理による低磨耗性用ポリエチレンの架橋処理」
【０００４】
上記の参考文献は、ＵＨＭＷＰＥ樹脂を部品または当該部品を形成する加工素材に直接に成形する方法、当該部品または加工素材のγ線または他の放射線照射およびこれに続く当該部品または加工素材の加熱処理（アニール処理または再溶融処理）に関する一般的概念を教示している。なお、上記参考文献の開示はＵＨＭＷＰＥ樹脂の性質、照射工程および選択事項および熱処理および選択事項の確認のために本明細書に含まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はＵＨＭＷＰＥ樹脂が粉末である場合の当該樹脂の照射方法に関するものであり、この方法によって分子鎖の架橋および遊離ラジカルが発生する。さらに、このγ線照射により発生する遊離ラジカルは後続の成形処理によって除去される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の従来技術は成形した支持部品または当該支持部品を作成する加工素材の照射処理を教示するのに対し、本発明はＵＨＭＷＰＥ樹脂粉末の照射処理、好ましくはγ線または電子線による照射処理に関するものである。かかるイオン化照射処理によって分子架橋と遊離ラジカルが発生することが多くの報告に見られるが、この遊離ラジカルはポリマーの融点よりも高い温度での成形処理を行う本発明の方法によって除去できる。
【０００７】
本発明はＵＨＭＷＰＥ支持体から発生する磨耗くずの量を減少するために構成されている。このような磨耗くずは骨と軟質組織の損壊を伴い移植材料の緩みを生じ、これによって、修正手術が必要になるが、本発明では発生する磨耗くずの量を減少するので、このような修正手術の必要性を減少させる。また、本発明はＵＨＭＷＰＥ支持体の耐磨耗性を改善する。
【０００８】
本発明のさらに別の特徴が、以下の現在において本発明を実施する最良の態様を例示する好ましい実施形態の詳細な説明によって、当該技術分野における熟練者により明らかとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明はＵＨＭＷＰＥ樹脂粉末を架橋することにより架橋した支持体構成要素を作成した後に、成形処理の熱エネルギーを用いて遊離ラジカルを除去すること(free-radical quenching)によりさらに架橋反応を促進する方法に関する。本発明の方法は、ネット形状の支持体を成形して関節（支持体）面に対して満足し得る仕上品を直接形成することに使用できる。（用語「ネット形状（net-shape）」は形状を定めるために使用しており、移植材料において使用する支持体の最終形状を意味する。また、「類似ネット形状（near net-shape）」は最終の支持体を形成するために、ある程度の機械加工処理を必要とする状態を言う。）なお、成形処理は機械加工処理に比してより滑らかな支持体面を形成できると考えられる。
【００１０】
照射処理は減圧下で酸素を除去した不活性雰囲気中、または酸素を減少した雰囲気中において行なうことが好ましい。すなわち、照射時の酸素の存在がＵＨＭＷＰＥの場合の機械的特性の低下を引き起こすことが報告されている。また、本発明においては予備成形減圧段階によって、ＵＨＭＷＰＥ樹脂粉末から望ましくない酸素を除去または減少することを促すことが企図されている。例えば、照射処理した粉末樹脂を所望形状に冷圧した後で、加熱する前に減圧下に放置する。
【００１１】
成形処理もまた減圧下で行なうのが好ましく、１，０００ｐｓｉ乃至７０，０００ｐｓｉの圧力および２５０°Ｆ乃至５００°Ｆの硬化点温度で行なわれる。結果として得られる成形品は所望の支持体構造品そのものであるか、所望の支持体構造品を形成するためにさらに加工処理できるブランク（未加工品）である。
【００１２】
しかしながら、大気圧条件下、すなわち、一定酸素存在下であっても、許容できる結果を照射処理および成形処理のいずれか、または両方を行なう場合に得ることが可能であると考えられる。ただし、このことは特定の支持体構造の場合に該当すると考えられる。
【００１３】
本発明の一実施形態は、オレフィン樹脂を密封コンテナ内に入れる工程（好ましくは、当該コンテナから空気を脱気または置換して低酸素量または無酸素雰囲気にすることを含む。）と、（好ましくは不活性雰囲気を維持しながら）ポリマー樹脂内に架橋および遊離ラジカルを生じるように２Ｍｒａｄ乃至５０Ｍｒａｄの照射線量で放射線（好ましくはγ線または電子線ビーム）の照射を樹脂コンテナに対して行なう工程と、当該遊離ラジカルを含む粉末を（好ましくは減圧下または不活性雰囲気中で）成形処理する工程とから成る医療移植材料または移植材料を形成するための加工素材をＵＨＭＷＰＥのようなオレフィン樹脂材料により形成するための方法に関する。照射処理した樹脂は密封コンテナから成形装置へ減圧、または不活性雰囲気環境下に移されるのが好ましいが、この移送中に短時間だけ空気に曝されてもよい。
【００１４】
上記の成形処理は、成形型の中の粉末樹脂の温度を当該樹脂の融点またはそれ以上の温度に上げる工程から成る。この目的は、圧縮したネット形状または類似ネット形状の移植材(implant)または原材料（棒材、シート材またはパック素材）を形成すると同時に遊離ラジカルを除去して、ポリマーの分子間架橋をさらに促進することである。
【００１５】
上記の密封コンテナは不活性ガス（窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオンまたはこれらの組合せ）によって充たされ、数回の排気処理により残存酸素濃度をさらに減少することができる。減圧処理の代わりに、γ線照射および貯蔵の前の密封コンテナの雰囲気を窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオンまたはこれらの組合せから成る不活性ガスにすることもできる。
【００１６】
本発明をより完全に理解するために本発明の実施例を以下に説明する。なお、これらの実施例は本発明の限定を意図するためのものではない。
【００１７】
実施例１
ポリマー樹脂は当業界においてしばしば「フレーク（flake）」と称される粉末状であることが望まれる。この樹脂粉末を通気性プラスチック膜により形成されるパウチの中に入れる。この場合、滅菌のために医療製品をパッケージ化するTyvek（商標）パウチを使用するのが一般的である。次いで、このような複数のパウチを減圧コンテナ(vacuum container)、すなわち、密閉されて減圧にすることが可能なコンテナの中に入れる。このコンテナをポンプによって一定時間減圧処理することにより、酸素を少なくとも従来技術の参考文献に記載されている程度まで十分に除去することができる。場合によっては、密封コンテナの中を「高真空（high vacuum）」と称される状態まで減圧して樹脂粉末を確実に無酸素状態にするのが有効である。また、このコンテナにおける減圧ポンプ処理は、コンテナを初期的に一定減圧状態にした後で当該コンテナに不活性ガスを充たし、その後に同コンテナから不活性ガスをポンプ排気する処理であってもよい。さらに、このような排気処理を２回以上行なって所望の無酸素状態を作成してもよい。
【００１８】
このようにコンテナを密封して一定減圧条件下に放置してから、当該金属性コンテナの壁を通して標準的な照射技法により照射処理を行なう。この照射処理は２Ｍｒａｄ乃至５０Ｍｒａｄから２Ｍｒａｄ乃至１００Ｍｒａｄで行なうが、一般に２Ｍｒａｄ乃至２０Ｍｒａｄで十分であると思われる。次いで、コンテナを照射ステーションから除去して２日間の照射後ポンプ処理(post-irradiation pump down)を行なって残留水素を除去する。その後、コンテナを１個以上の成形プレス機を備える成形処理領域に運ぶ。この場合、パウチをコンテナから成形プレス機に移送する時に、これらのパウチおよび樹脂粉末を酸素に曝さないように処理できるシステムを使用するのが好ましい。加えて、減圧下において動作可能な成形装置において実際の成形処理を行なうのが好ましいと考えられる。あるいは、照射処理した樹脂を短時間だけ空気に曝すのは問題ないと思われる。要するに、樹脂粉末をパウチから成形装置内に移して、減圧下または不活性ガス（無酸素環境）中において成形処理する。この成形処理は樹脂の融点よりも高い温度でネット形状支持体、類似ネット形状支持体または支持体を形成可能な加工素材等の所望の成形材料を形成する圧力下に行なう。
【００１９】
それゆえ、本発明の方法は樹脂粉末の照射処理および当該樹脂粉末の成形処理（再溶融処理）を、当該粉末を所望の固体プラスチック形状に形成するのに十分な熱および圧力下で行うことを企図するものである。これらの照射処理および成形処理は、大気中または減圧下または不活性雰囲気中で行なうことができる。本明細書および特許請求の範囲において、減圧下、部分的減圧下または不活性な雰囲気を一括して「酸素を減少した雰囲気（oxygen reduced atmosphere）」と言う。すなわち、上記の成形処理は大気中または酸素を減少した雰囲気中で従来の成形装置において行なうことができる。また、上記のプラスチックは、ＵＨＭＷＰＥのようなオレフィン樹脂、または照射処理により架橋され、その遊離ラジカルを成形処理のための再溶融のような加熱処理により除去した他の適当なプラスチックとすることができる。
【００２０】
実施例２
ＵＨＭＷＰＥポリマー樹脂（Ticona社のＧＵＲ１０５０）を粉末状にした。この樹脂粉末をパウチの中に入れて密閉した減圧コンテナの中に入れた。次に、樹脂粉末から酸素をほとんど除去するのに十分な時間に亘ってコンテナを減圧処理した。その後、このコンテナを減圧にしたまま標準的な照射処理技法により約５Ｍｒａｄ乃至約１０Ｍｒａｄで照射処理した。
【００２１】
次に、上記のポリマー樹脂をコンテナから取り出して２日間に亘って照射後ポンプ処理をしてポリマー樹脂から残留水素を除去した。その後、ポリマー樹脂を圧縮成形装置に移した。このポリマー樹脂を再び減圧下に置いて、当該樹脂ポリマーから酸素をほとんど除いてから無酸素環境において成形処理した。１平方インチ当たり約１５００ポンドの圧力を約４００°Ｆの温度で６０分間、樹脂ポリマーに加えた。次に、ポリマー樹脂を室温まで冷却放置して成形装置から取り出した。
【００２２】
上述したように、本発明によれば、プラスチック・プロテーゼ支持体、ネット形状支持体、類似ネット形状支持体、または支持体を形成し得るプラスチック加工素材を形成するための方法が構成できる。さらに、上述の説明によって、本発明に伴う多くの利点が理解でき、本発明の趣旨および範囲を逸脱またはその主たる利点のすべてを損なうことなく種々の変更を行ない得ること、および、本明細書に記載した態様が本発明の好ましい例示的な実施形態に過ぎないことが明らかとなる。
【００２３】
本発明の具体的な実施態様は以下の通りである。
（Ａ）プラスチックプロテーゼ支持体、ネット形状支持体、類似ネット形状支持体または当該支持体を形成し得るプラスチック加工素材を形成するための方法において、
プラスチック樹脂を粉末状態で備える工程と、
前記粉末状の樹脂を照射処理して樹脂を架橋する工程と、
前記照射処理した粉末状の樹脂に熱および圧力を加えて成形して、当該粉末状の樹脂を所望の固体プラスチック形状に形成する工程とから成り、当該加熱処理が当該粉末状の樹脂を溶融するのに十分な条件下で行なわれることを特徴とする方法。
（１）前記照射処理工程が酸素を減少した雰囲気中で行われる実施態様（Ａ）に記載の方法。
（２）前記成形処理工程が酸素を減少した雰囲気中で行われる実施態様（Ａ）に記載の方法。
（３）前記成形処理工程が１，０００ｐｓｉ乃至７０，０００ｐｓｉの圧力で行われる実施態様（Ａ）に記載の方法。
（４）前記成形処理工程が２５０°Ｆ乃至５００°Ｆの温度で行われる実施態様（Ａ）に記載の方法。
（５）前記照射処理工程が２Ｍｒａｄ乃至１００Ｍｒａｄのγ放射線により行われる実施態様（Ａ）に記載の方法。
【００２４】
（６）前記照射処理工程が２Ｍｒａｄ乃至５Ｍｒａｄのγ放射線により行われる実施態様（Ａ）に記載の方法。
（７）前記照射処理工程が２Ｍｒａｄ乃至２０Ｍｒａｄのγ放射線により行われる実施態様（Ａ）に記載の方法。
（８）前記照射処理工程が通気性プラスチック膜により形成されたパウチの中に樹脂粉末を入れる工程と、当該パウチをコンテナの中に入れる工程と、照射処理中にコンテナの中の酸素を減少した雰囲気にする工程とから成る実施態様（Ａ）に記載の方法。
（９）前記成形処理工程が前記照射処理した樹脂を入れたパウチを成形プレス機に移し、そこで熱および圧力を加える工程を含む実施態様（８）に記載の方法。
（１０）前記成形工程が前記樹脂の融点よりも高い温度で行なわれる実施態様（９）に記載の方法。
【００２５】
（１１）前記プラスチックがオレフィン系プラスチック樹脂である実施態様（Ａ）に記載の方法。
（１２）前記プラスチックがＵＨＭＷＰＥである実施態様（Ａ）に記載の方法。
（Ｂ）プラスチックプロテーゼ支持体、ネット形状支持体、類似ネット形状支持体または当該支持体を形成し得るプラスチック加工素材を形成するための方法において、
プラスチック樹脂を粉末状態で備える工程と、
前記粉末状の樹脂を照射処理し、樹脂を架橋する工程と、
前記照射処理した粉末状の樹脂を成形型内において当該樹脂の融点以上の温度で一定時間に亘って加熱処理し、この樹脂を所望の固体プラスチック形状に形成すると共に遊離ラジカルを除去する工程とから成ることを特徴とする方法。
（１３）前記照射処理工程が酸素を減少した雰囲気中で行われる実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（１４）前記加熱処理工程が酸素を減少した雰囲気中で行われる実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（１５）前記加熱処理工程が１，０００ｐｓｉ乃至７０，０００ｐｓｉの圧力で行われる実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００２６】
（１６）前記加熱処理工程が２５０°Ｆ乃至５００°Ｆの温度で行われる実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（１７）前記照射処理工程が２Ｍｒａｄ乃至１００Ｍｒａｄのγ放射線により行われる実施態様（１６）に記載の方法。
（１８）前記照射処理工程が２Ｍｒａｄ乃至５Ｍｒａｄのγ放射線により行われる実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラスチックプロテーゼ支持体、ネット形状支持体、類似ネット形状支持体または当該支持体を形成し得るプラスチック加工素材を、従来に比してより確実安全に形成し得る方法が提供できる。本発明の方法は、遊離ラジカルが除去されると同時に架橋反応が促進されるので、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）支持体の形成に好適であり、また、このように形成された支持体は耐摩耗性が高く、磨耗くずの発生量を減少することができるので、生体内に埋め込んだ後の修正・置換手術の必要性を減少することができる。