(57)【要約】整形外科用インプラント人工支承体（１０）の製造方法は、照射済みポリエチレンプレフォーム又は支承体（１０）中に存在する残留フリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程を有する。
2004509717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
整形外科用支承体の調製方法であって、ポリエチレンプレフォームを照射する工程と、照射工程に続き、ポリエチレンプレフォーム中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程とを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
ポリエチレンプレフォームは、超高分子量ポリエチレンプレフォームを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
照射工程は、実質的に酸素の無い雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
照射工程は、プレフォームを、約０．５Ｍｒａｄ乃至約５０Ｍｒａｄの線量のガンマ線で照射する工程から成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
急冷工程は、プレフォームを、炭化水素、フルオロカーボン、クロロフルオロカーボン、一酸化炭素、亜酸化窒素、アンモニア、水及びキセノンから成る群から選択された超臨界流体で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
急冷工程は、プレフォームを、炭化水素、フルオロカーボン及びクロロフルオロカーボンから成る群から選択された超臨界流体で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
急冷工程は、プレフォーム、エタロン及びプロパンから成る群から選択された超臨界流体で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
照射工程に先立ってプレフォームを加熱する工程を更に有していることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
加熱工程は、ポリエチレンプレフォームの融点よりも高く、ポリエチレンプレフォームの分解温度よりも低い温度で実施されることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
加圧工程は、プレフォームを、約０．５時間以上の時間をかけて、約２５０℃乃至約３６０℃の温度で加熱する工程から成ることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
加熱工程は、プレフォームを、約０．５時間乃至約１０時間の時間をかけて加熱する工程から成ることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１２】
加熱工程は、実質的に酸素の無い雰囲気中で実施されることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１３】
ポリエチレンプレフォームをポリエチレンプレフォームの融点よりも低い温度に冷却する工程を更に有し、冷却工程は、加熱工程の実施後に行われ、冷却工程は、ポリエチレンプレフォームを一時間当たり約４０℃以下の冷却速度で冷却する工程から成ることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１４】
整形外科用支承体の調製方法であって、超高分子量ポリエチレンプレフォームを、約０．５Ｍｒａｄ乃至約５０Ｍｒａｄの線量のガンマ線で照射する工程と、前記プレフォーム中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程とを有し、超臨界流体は、炭化水素、フルオロカーボン及びクロロフルオロカーボンから成る群から選択されていることを特徴とする方法。
【請求項１５】
照射工程は、プレフォームを約１．５Ｍｒａｄ乃至約１５Ｍｒａｄの線量のガンマ線で照射する工程から成ることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
急冷工程は、プレフォームを炭化水素から成る超臨界流体で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
急冷工程は、約５０℃乃至約２５０℃の温度で約４時間以下の時間をかけて実施されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
急冷工程は、約８０℃乃至約１３０℃の温度で実施されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
急冷工程は、約５００ｐｓｉ乃至約４，０００ｐｓｉの圧力で実施されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
急冷工程は、約１，０００ｐｓｉ乃至約３，０００ｐｓｉの圧力で実施されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２１】
急冷工程は、プレフォームを超臨界流体及び安定化ガスで急冷する工程から成ることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２２】
急冷工程は、プレフォームを超臨界流体及び水素ガスで急冷する工程から成ることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２３】
急冷工程は、プレフォームを約０．１重量％乃至約４重量％の超臨界流体及び水素で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２４】
急冷工程は、プレフォーム中に存在するフリーラジカル団を約９０％以上減少させるのに有効であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２５】
急冷工程は、プレフォーム中に存在するフリーラジカル団を約９５％以上減少させるのに有効であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２６】
整形外科用支承体を調製する方法であって、架橋プレフォーム中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程と、架橋プレフォームを冷却する工程と、支承体をプレフォームから形成する工程を有することを特徴とする方法。
【請求項２７】
急冷工程は、約８０℃乃至約１３０℃の温度で約２時間以下の時間をかけて実施されることを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
急冷工程は、プレフォームを約０．１重量％乃至約４重量％の超臨界流体及び水素で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
整形外科用支承体を調製する方法であって、支承体を形成する工程と、支承体中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程とを有することを特徴とする方法。
【請求項３０】
急冷工程は、支承体を超臨界炭化水素で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項３１】
急冷工程は、支承体を約１，０００ｐｓｉ乃至約３，０００ｐｓｉの圧力状態において超臨界流体で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
急冷工程は、約４時間以下の時間をかけて約８０℃乃至約１３０℃の範囲の温度で実施されることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３３】
急冷工程は、支承体を超臨界流体及び安定化ガスで急冷する工程から成ることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３４】
急冷工程は、支承体を約０．１重量％乃至約４重量％の超臨界流体及び水素で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３５】
急冷工程は、支承体中に存在するフリーラジカル団を約９０％以上減少させるのに有効であることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３６】
急冷工程は、支承体中に存在するフリーラジカル団を約９７％以上減少させるのに有効であることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３７】
整形外科用支承体を調製する方法であって、ポリエチレンプレフォーム中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程を有することを特徴とする方法。
【請求項３８】
急冷工程は、照射ポリエチレンプレフォームを急冷する工程から成ることを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
急冷工程は、照射ポリエチレンプレフォームを急冷する工程から成り、プレフォームは、約０．５Ｍｒａｄ乃至約５０Ｍｒａｄの線量のガンマ線で照射されることを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項４０】
急冷工程は、ポリエチレンプレフォームを、炭化水素、フルオロカーボン及びクロロフルオロカーボンから成る群から選択された超臨界流体で急冷する工程から成ることを特徴とする請求項を３７記載の方法。
【請求項４１】
急冷工程は、ポリエチレンプレフォームを超臨界流体及び水素ガスで急冷する工程から成ることを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項４２】
整形外科用支承体を調製する方法であって、架橋ポリエチレンプレフォーム中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程を有することを特徴とする方法。
【請求項４３】
整形外科用支承体を調製する方法であって、照射ポリエチレン支承体中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程を有することを特徴とする方法。
【請求項４４】
照射工程は、プレフォームを、約０．５Ｍｒａｄ乃至約１００Ｍｒａｄの線量のガンマ線で照射する工程から成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４５】
ポリエチレンを調製する方法であって、ポリエチレン中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程を有することを特徴とする方法。
【請求項４６】
ポリエチレン中に存在するフリーラジカル団を超臨界流体で急冷する工程を有する方法によって調製されたポリエチレン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、架橋ポリエチレン、高密度ポリエチレン、高分子量ポリエチレン、高密度高分子量ポリエチレン及び超高分子量ポリエチレンで作られていて、耐摩耗性が向上すると共に機械的性質が向上した整形外科用インプラント人工支承体（ベアリング）を製造する方法に関する。本発明は特に、照射ポリエチレンの超臨界流体処理を用いる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）は、３０年間にわたって関節連結表面用途の選択材料であった。かかるＵＨＭＷＰＥ樹脂は、股関節、肩関節、膝関節及び肘関節プロテーゼに用いられる植込み可能な人工支承体、例えば、寛骨臼支承体、関節窩支承体、脛骨支承体などに常用されている。支承体は、直接圧縮成形方法又は所要の支承体形状を圧延鋼又は機械加工用素材、例えばシート又は棒材から機械加工することによりポリエチレンから作られる。成形工程は、未照射又は照射ポリエチレンに対して行われる場合がある。時の経過につれ、かかる支承体の製作に関し多くの改良がなされており、最も注目すべきこととして、架橋をもたらすためのポリエチレンの照射が行われた。事実、ポリエチレンの耐摩耗性の向上は主としてかかる架橋手順によるものとされる。典型的には、棒材又はプレフォーム、或いは成形又は機械加工支承体を照射し、次に熱処理し、又は焼なましする。照射により、分子の架橋が生じると共にフリーラジカル（遊離基）が生じる。かかる架橋により、ポリマー中に３次元のネットワークが生じ、これによりポリマーの多数の方向における耐研磨性が高くなる。加うるに、ＵＨＭＷＰＥの照射の際に生じるフリーラジカルも又、酸化反応に参加することができ、それにより鎖の分断を介してポリマーの分子量が減少し、これが原因となって物理的性質の低下、脆化及び摩耗速度の増大が生じる。フリーラジカルは、寿命が非常に長く、数年にわたる場合が多く、したがって酸化が長期間にわたって続くようになる場合がある。かかる照射によって生じた残留フリーラジカルを実質的に無くす傾向のある方法は、ポリエチレンに向上した耐摩耗性を与える傾向がある。照射により生じたポリエチレン中のフリーラジカルを急冷する代表的な方法は、フリーラジカルを熱処理で無くすこと及び照射ポリエチレンを安定化ガス、例えば水素に長期間あてることを含む。かかる処理工程は、フリーラジカルの再結合及びポリマー中の新たな架橋反応を促進するのに役立つ場合がある。
【０００３】
以下に記載する多くの従来技術文献を参照されたい。
１．米国特許第５，７２８，７４８号明細書及び同一出願に関する全ての対応物（発明の名称：ノン−オキシダイジング・ポリメリック・メディカル・インプラント（Ｎｏｎ−Ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍｐｌａｎｔ）；発明者：サン（Ｓｕｎ）等）
２．米国特許第５，８７９，４００号明細書（発明の名称：メルトーイラジエイト・ウルトラ・ハイ・モレキュラー・ウエート・ポリエチレン・プロセティック・デバイスズ（Ｍｅｌｔ−Ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｗｅｉｇｈｔ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ）；発明者：メリル（Ｍｅｒｒｉｌ）等）
３．米国特許第６，０１７，９７５号明細書（発明の名称：プロセス・フォー・メディカル・インプラント・オブ・クロス−リンクド・ウルトラハイ・モレキュラー・ウエート・ポリエチレン・ハビング・インプルーブド・バランス・オブ・ウェア・プロパテーズ・アンド・オキシデーション・レジスタンス（Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍｐｌａｎｔ ｏｆ Ｃｒｏｓｓ−Ｌｉｎｋｅｄ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｗｅｉｇｈｔ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｈａｖｉｎｇ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｗｅａｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）；発明者：サウム（Ｓａｕｍ）等）
４．米国特許第６，２２８，９００号明細書（発明の名称：クロスリンキング・オブ・ポリエチレン・フォー・ロー・ウェア・ユージング・ラジエーション・アンド・サーマル・トリートメンツ（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｗｅａｒ Ｕｓｉｎｇ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ）；発明者：（Ｓｈｅｎ）等）
５．米国特許第６，１６８，６２６号明細書（発明の名称：ウルトラ・ハイ・モレキュラー・ウエート・ポリエチレン・モールデッド・アーティクル・フォー・アーティフィシャル・ジョインツ・アンド・メソッド・オブ・プリペアリング・ザ・セーム（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｗｅｉｇｈｔ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｍｏｌｄｅｄ Ａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｒ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｊｏｉｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ）；発明者：ヒョン（Ｈｙｏｎ）等）
６．米国特許第６，２４５，２７６号明細書（発明の名称：メソッド・オブ・モールディング・ア・クロス−リンクド・プレフォーム（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ ａ Ｃｒｏｓｓ−Ｌｉｎｋｅｄ Ｐｒｅｆｏｒｍ）；発明者：（ＭｃＮｕｌｔｙ）等）
７．米国特許第６，２８１，２６４号明細書（発明の名称：ケミカリー・クロスリンクド・ウルトラハイ・モレキュラー・ウエート・ポリエチレン・フォー・アーティフィシャル・ヒューマン・ジョインツ（Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｄ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｗｅｉｇｈｔ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｆｏｒ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｈｕｍａｎ Ｊｏｉｎｔｓ）；発明者：（Ｓａｌｏｖｅｙ）等）
８．米国特許第５，７５３，１８２号明細書（発明の名称：メソッド・フォー・リデューシング・ザ・ナンバー・オブ・フリー・ラディカルズ・プレゼント・イン・ウルトラハイ・モレキュラー・ウエート・ポリエチレン・オーソペディック・コンポーネンツ（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｆｒｅｅ Ｒａｄｉｃａｌｓ Ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｗｅｉｇｈｔ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）；発明者：ヒギンズ（Ｈｉｇｇｉｎｓ）等）
【０００４】
上述の技術文献は、ポリエチレン樹脂を、コンポーネント（構成要素）又はコンポーネントを作る素材の形態に直接成形又は圧密化する際、コンポーネント又は素材形態のγ線又は他の放射線による照射、次に行われるコンポーネント又は素材形態の熱処理（焼なまし又は再溶融を含む）、及びコンポーネント又は素材形態の従来急冷方法に関する一般的な概念を教示している。上記技術文献は又、圧縮成形及びこれに用いられる適当な装置についての一般的な概念を教示している。これら上記技術文献の開示内容をポリエチレン樹脂の性状、照射方法及び設計上の選択事項、並びに熱処理方法並びに設計上の選択事項を定める目的で本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。
【０００５】
発明の概要
本発明は、機械的性質が向上し、耐酸化性が向上し、しかも耐摩耗性が向上したポリエチレン支承体を提供する。本発明の方法によって調製されるポリエチレンは又、かかる支承体から生じる摩耗屑の量を減少させることもできる。代表的には、ポリエチレンは、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）である。ただし、本発明の方法は種々のタイプのポリエチレンに使用できることは理解されよう。本明細書で用いる「ポリエチレン」という用語は、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、高分子量ポリエチレン、高密度高分子量ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン又は人工インプラントの製作に利用される任意他の形式のポリエチレンを含む。
【０００６】
本発明は、高い耐摩耗性を必要とする用途に適したポリエチレンを調製する方法に関する。特に、本発明は、照射ポリエチレンを超臨界流体（ＳＣＦ）で処理することにより関節連結表面及び整形外科用支承体に適したポリエチレンを調製する方法に関する。本明細書における「支承体」という用語は、任意形式、状態、形状又は形態の整形外科用インプラント人工支承体を意味している。ＳＣＦ処理は、以下に説明するように超臨界流体の形成と両立する適当な温度及び圧力で行われる。ＳＣＦをフリーラジカル急冷工程中、他の永久ガス、例えば水素、窒素などと混合するのがよいが、このようにするかどうかは任意である。
【０００７】
幾つかの実施形態においては、人工支承体の製作のためのプレフォームを照射済みの圧密ポリエチレン素材から作ることができる。他の実施形態では、ポリエチレン素材に対して予備焼なまし又は圧力結晶化又はこれらの組合せを施してその機械的性質を一段と高めることができる。更に別の実施形態では、プレフォームの代わりに、成形支承体を以下に説明するように照射により架橋してＳＣＦ急冷する。
【０００８】
本発明は更に、本明細書に記載した方法により製造できる改良型架橋ポリエチレンに関する。特に、本発明の方法により調製された超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）は、例示として、高い降伏強さ、及び高い耐衝撃性を示す。本発明の方法によって調製されたＵＨＭＷＰＥは、約５以下の膨潤比及び約２５０％以上の破断伸び率パーセント、又は好ましくは約３００％以上の破断伸び率パーセントを呈することができる。或る条件下においては、約４００％以上の破断伸び率パーセントを達成できることが分かる。このＵＨＭＷＰＥは又、残留フリーラジカル団が少なく、かくして、照射に先立つＵＨＭＷＰＥと比較して耐酸化性を備えている。本明細書に記載した方法により調整されるＵＨＭＷＰＥから作られた支承体は、向上した耐摩耗性及び向上した機械的性質を呈することができる。
【０００９】
本発明の追加の特徴は、現時点における本発明の最適実施態様を例示する本発明の以下の詳細な説明を参照すると当業者には明らかになろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、種々の改造例及び変形例の想到が可能であるが、その特定の実施形態が図面に例示として示されており、以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明を開示した特定の形態に限定するものではなく、逆に、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲に属するあらゆる改造例、均等例及び変形例を含むものであることは理解されるべきである。
【００１１】
代表的な設計の人工支承体は、生まれつきの骨構造体又は人工コンポーネントが関節連結される関節連結又は支承表面を有している。加うるに、代表的な設計の人工支承体は、支承体を人工組立体と関連した別のコンポーネント（例えば、金属シェル又はトレイ）又は骨自体にロックし又は別の仕方で固定する機構、例えば、ピン、タブ、テーパしたポストなどの形態をしたロック特徴部を有する係合面を更に有している。
【００１２】
次に、図１乃至図４を参照すると、植込み可能な人工支承体１０が示されている。支承体１０は、図１では支承体１２として概略的に示され、これに対し、人工支承体１０の特定の例示の実施形態、例えば、患者（図示せず）の関節窩の中へ植え込まれる関節窩支承体１４、患者（図示せず）の寛骨臼の中へ植え込まれる関節臼支承体１６及び患者（図示せず）の脛骨中へ植え込まれる脛骨支承体１８がそれぞれ図２、図３及び図４に示されている。人工支承体１０の実施形態は各々、生まれつき又は人工のコンポーネントを支持する関節連結又は支承表面２０を有している。例えば、関節窩支承体１４の場合、生まれつき又は人工の上腕頭（図示せず）が、関節連結表面２０で支持されている。これと同様に、寛骨臼支承体１６の場合、生まれつき又は人工の大腿頭（図示せず）が、関節連結表面２０で支持されている。さらに、脛骨支承体１８の場合、１対の生まれつき又は人工の大腿顆（図示せず）が関節連結表面２０で支持されている。
【００１３】
人工支承体１０は各々、係合面２２を更に有し、別の人工コンポーネント又は支持体１０が植え込まれる骨に係合する多数の特徴部が、係合面２２に形成されるのがよい。例えば、関節窩支承体１４の場合、多数のピン又はペグ２４をその係合面２２に形成するのがよい。ペグ２４は、患者の関節窩表面に形成された多数の対応関係をなす穴（図示せず）に受け入れられる。ピン２４は代表的には、骨セメントを用いて定位置に保持される。さらに、関節窩支承体１４を植込み金属シェルと関連して利用する場合、支承体１４の係合面２２は、関節窩支承体１４をシェルに固定するテーパ付きポスト（図示せず）などを備えるのがよい。
【００１４】
寛骨臼支承体１６の場合、多数のキー止めタブ２６が、係合面２２にその環状外面に沿って形成されている。キー止めタブ２６は、植え込まれた金属寛骨臼シェル（図示せず）に形成された多数の対応関係をなすキー止めスロット（図示せず）内に受け入れられる。その目的は、植え込まれたシェルに対する寛骨臼支持体１６の回転を阻止することにある。寛骨臼支承体１６を直接患者の寛骨臼に固定する場合（即ち、金属シェルを用いないで）、変形例として、支承体１６の係合面２２は、患者の寛骨臼に形成された多数の対応関係をなす穴に受け入れられる多数のポスト又はペグ（図示せず）を備えてもよい。かかる場合、ポスト又はペグは代表的には、骨セメントを用いて定位置に保持される。さらに、理解されるべきこととして、寛骨臼支持体１６をその係合面２２に設けられたポスト又はペグを用いないで、患者の寛骨臼に接合してもよい。
【００１５】
脛骨支承体１２の場合、テーパ付きポスト２８がその係合面２２に形成されている。テーパ付きポスト２８は、膝関節プロテーゼ（図示せず）の植え込まれた脛骨トレイ（図示せず）に形成された対応関係をなすテーパ付きボア（図示せず）に受け入れられる。脛骨支承体１８の係合面２２は、植え込まれたトレイを用いないで（例えば、骨セメントを用いて）脛骨支承体１８を脛骨に直接固定できる特徴部を更に備えるのがよいことは理解されるべきである。さらに、脛骨トレイ用の脛骨支承体も又、ポスト２８を用いないで設計できることは理解されよう。
【００１６】
本発明は、ＳＣＦで処理された照射ポリエチレンからのかかる整形外科用インプラント人工支承体１０の製作に関する。変形例として、成形支承体をＳＣＦで照射し処理してもよい。何れの場合においても、プレフォーム又は成形支承体をオレフィン系樹脂、代表的には、ポリエチレン樹脂、例えば超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）樹脂から作ることができる。他のポリエチレン、例えば高分子量ポリエチレン、高密度分子ポリエチレン、高分子量高密度ポリエチレンなどを本明細書に記載する方法を用いて支承体の状態に作ることができるということは更に理解されよう。本明細書で用いる「プレフォーム」という用語は、例えばポリエチレン樹脂粒子をラム押出し成形又は圧縮成形してロッド、シート、ブロック、スラブなどの状態にすることにより圧密化された物品を意味している。「プレフォーム」という用語は、市販のプレフォームを中間機械加工することによって調製できるプレフォーム「パック（ｐｕｃｋ）」を更に含む。かかるプレフォームを、市販のＵＨＭＷＰＥ、例えば、ポリハイ・ソリダー社（インディアナ州フォートウェイン所在）から入手できるＧＵＲ１０５０ＨＰラム押出しＵＨＭＷＰＥロッドから得ることができ、又はこれから機械加工して得ることができる。出発プレフォームを米国特許第５，４７８，９０６号明細書及び同第６，０１７，９７５号明細書に記載されているように圧力再結晶化するのがよい。出発プレフォームを照射前に米国特許第６，０１７，９７５号明細書に記載されているように焼なましするのがよいが、このようにするかどうかは任意である。この予備焼なまし工程を実質的に酸素の無い雰囲気中で行うのがよい。本発明のプレフォームは、整形外科で用いるのに適していて、製造法により完成状態の支承体に変換できる多種多様な加工していない又は加工済みのプラスチック樹脂から作ることができるということは理解されよう。本発明は、市販の素材をプレフォームパックの状態に中間機械加工する前にポリエチレンの架橋を行うことを意図していることは更に理解されよう。
【００１７】
本発明の例示の実施形態は、ポリエチレンプレフォームを照射して、フリーラジカルを形成すると共にポリエチレンを架橋する工程と、照射プレフォームを超臨界流体（ＳＣＦ）と両立する温度及び圧力でかかるＳＣＦで処理して照射段階で残存しているフリーラジカルを実質的に除く工程とを有する方法に関する。ポリエチレンをＳＣＦで処理すると、ポリエチレンを一層架橋することができる。しかる後、支承体を照射されてＳＣＦ急冷されたプレフォームから作ることができる。変形例として、既存の成形ポリエチレン支承体を照射してポリエチレンを架橋し、その後、残留フリーラジカルをＳＣＦで処理することにより急冷する。
【００１８】
好ましい処理温度は、成形支承体の変形が生じないような温度であり、好ましい圧力は、一様であって、かくして成形支承体を変形させない圧力である。しかしながら、追加の或る程度の処理又は操作、例えば機械加工を必要とするプレフォーム又は支承体の急冷の場合、ポリエチレンの融点よりも高い温度又は実質的に一様ではない圧力を本明細書に記載する方法に用いることができる。
【００１９】
上記において示唆したように、プレフォーム又は成形支承体は一般に、好ましくはγ線で照射されるが、電子ビーム又はｘ線も又使用できる。プレフォーム又は成形支承体は好ましくは、固体状態で当該技術分野で公知の方法を用い、約０．５Ｍｒａｄ乃至約５０Ｍｒａｄの線量のγ線で照射する。変形例として、プレフォーム又は成形支承体を約１．５Ｍｒａｄ乃至約１５Ｍｒａｄ、又は約５Ｍｒａｄ乃至約１０Ｍｒａｄの線量で照射してもよい。約０．５Ｍｒａｄ以下又は約５０Ｍｒａｄ以上の線量を用いると本発明の方法の変形例により或る特定のポリエチレンを調製できることは理解されよう。照射工程は一般に、室温で行われるが、これよりも高い温度を利用してもよい。照射工程を、プレフォームを、かかる照射工程に適した材料、例えば、アルミニウム箔、ポリエチレンなどを含む袋の中に配置することにより、真空で又は不活性の、或いは実質的に酸素のない雰囲気中で行うのがよいが、このようにするかどうかは任意である。袋を廃棄し、雰囲気を不活性ガス、例えば窒素、アルゴンなどで置き換えることができる。しかしながら、大気条件、即ち、幾分か酸素が存在している条件下で照射工程を実施した場合に、或る特定の形態の支承体について合格レベルの結果が得られることは理解されよう。本明細書に記載している方法は支承体を形成する前にポリエチレンプレフォームの放射線架橋に対応しているので、低レベルの表面酸化を許容することができる。というのは、酸化された表面を次に行う支承体の機械加工中に取り除くことができるからである。
【００２０】
プレフォームをその使用に先立って「予備照射」するのがよいことは理解されよう。特に、人工支承体の製造業者が、材料（例えば、ポリエチレン）の商業的供給業者又は他の製造業者によって照射され又は架橋されたその材料（例えば、ポリエチレン）を購入できれば望ましい。かかる照射工程の「外部調達」が本明細書に記載された方法に用いることができるよう計画されている。
【００２１】
いずれの場合においても、ポリエチレンを照射した後、これを超臨界流体の形成と両立する温度及び圧力でＳＣＦで処理する。ポリエチレンを照射架橋工程に起因して材料中に残存しているフリーラジカルの実質的に全てを再結合するのに十分な時間をかけてＳＣＦで処理する。かかる処理の結果として、ポリエチレンの架橋が一段と進むと共に酸化に対するその安定性が一段と増す場合が多い。超臨界流体は、ポリマーの物理的な動力学に影響を及ぼすことが知られており、特に、かかる超臨界流体は、ポリマーの膨潤に影響を及ぼす場合がある。超臨界及び準臨界プロパンによる高密度ポリエチレンの溶解及びその後の分画が、ザ・ジャーナル・オブ・スーパークリティカル・フリューイズ（Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｉｒｉｔｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄｓ）１９９１， ４， ２４−３１に掲載されたワトキンス他の論文によって開示されており、かかる雑誌の記載内容を本明細書の内容を一部を形成するものとしてここに引用する。
【００２２】
超臨界流体は本明細書においては、臨界温度（Ｔｃ ）として定められる特定の温度及び臨界圧力（ｐｃ ）として定められる特定の圧力状態において、物質の液相及び気相の分子溶が互いに同一の物質として定められる。かくして、液相と気相の差異は失われ、その結果としての物質は、気相と液相との間の中間の特性を持つ均質「流体」相として存在する。図５を参照すると、温度Ｔｃ 及び圧力ｐｃ によって定められる圧力と温度の相を示す図上の点は、臨界点である。Ｔｃ よりも高い温度では、物質はもはや、どの圧力状態においても液相に凝縮できない。「超臨界領域」という用語は本明細書においては、図５の実線で輪郭付けられたボックスに示すように臨界点の上及び右側で外挿法により境界付けられた温度−圧力相線図上の領域によって決まる圧力及び温度の範囲を意味するものとして定義される。加うるに、液体領域と一緒に外挿法により得られた臨界圧力の値よりせ小さく且つ外挿法により得られた臨界温度の値の左に位置する気体領域も又、或る特定の条件下においては、超臨界状態様特性を備える場合がある。その結果、したがって、通常「準臨界流体（ｎｅａｒ−ｃｒｉｔｉｃａｌ ｆｌｕｉｄｓ）」及び「亜臨界流体（ｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌ ｆｌｕｉｄｓ）」の説明に利用されるこれら領域は、本明細書で用いるように「超臨界流体」という用語に含まれるものとする。例えば、図５の陰影を付けた領域で示される温度及び圧力の領域は、ＳＣＦの所望の特性をもたらす領域を示している。超臨界流体として役立つ物質の幾つかの例が、表１に列記されている。表１中の一覧表は、例示に過ぎず、本発明で用いられることが意図された物質の範囲又は精神を限定するものとして解釈されてはならない。
【表１】
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【００２３】
フリーラジカル急冷法の実施中、照射ポリエチレンをＳＣＦと他の永久ガス、例えば、水素、窒素などとの組合せで更に処理するのがよい。照射ポリエチレンを、かかる混合物のための超臨界流体の形成と両立する温度及び圧力で処理する。照射ポリエチレンを、照射架橋工程に起因して材料中に残存するフリーラジカルの実質的に全てを再結合するのに十分な時間をかけて処理し、かくして、材料を一段と架橋すると共にポリエチレンを酸化に対して安定化させる。ＳＣＦへの永久ガス又は安定化ガス、例えば、本明細書に記載したガスの添加は、ポリマーの膨潤に衝撃を与えることにより急冷工程に影響を及ぼす場合があることは理解されよう。さらに、ＳＣＦへの永久ガス又は安定化ガスの添加は、純粋なＳＣＦを生じさせるのに必要な温度及び圧力に対して臨界温度又は臨界圧力を効果的に減少させることにより急冷工程に影響を及ぼす場合があることは理解されよう。安定化ガスの成分、例えば、水素ガスは、約０．１重量％乃至約４重量％、又は約０．１重量％乃至約１．９重量％で存在するのがよい。
【００２４】
ＳＣＦの処理中にＵＨＭＷＰＥで成形された支承体の熱による歪みは、多くのＳＣＦの形成に必要なほどほどの温度では発生しそうにない。さらに、ＳＣＦの性状が均質であれば、成形支承体の変形は本発明で用いられる圧力によって及ぼされる非一様な力が無いので同様に発生しそうにない。
【００２５】
照射ポリエチレンは好ましくは、炭化水素、フルオロカーボン、クロロフルオロカーボン、二酸化炭素、亜酸化窒素、アンモニア、水及びキセノンから成る群から選択されたＳＣＦで処理する。好ましくは、ＳＣＦは、炭化水素、フルオロカーボン及びクロロフルオロカーボンから成る群から選択される。より好ましくは、ＳＣＦは炭化水素である。ポリエチレンプレフォーム又は成形支承体を所与の超臨界流体についてＴｃ に近い温度、好ましくは、約５０℃乃至約２００℃の温度で処理する。ポリエチレンプレフォーム又は成形支承体を、所与の超臨界流体についてｐｃ に近い圧力、好ましくは、約５００ｐｓｉ乃至約５，０００ｐｓｉで約４時間以下の時間をかけ、好ましくは、約２時間以下の時間をかけて処理する。５０℃以下又は約２００℃以上の温度が本発明の方法の変形例において、幾つかの超臨界流体について望ましい場合のあることは理解されよう。
【００２６】
例示の方法では、プレフォーム又は成形支承体を上述したような線量で、例示として、約１．５Ｍｒａｄ乃至約１５Ｍｒａｄの線量で照射し、次に、超臨界炭化水素（任意的に、水素ガスを含む）を約１，０００ｐｓｉ乃至約３，０００ｐｓｉ、約８０℃乃至約１００℃で、約２時間以下の期間をかけて処理する。ＵＨＭＷＰＥ中に存在する残留フリーラジカルの実質的に全てを無くすのに十分な温度及び保持時間は、電子常磁性共鳴法（ＥＰＲ）を用いてサンプル中に存在するフリーラジカル団を測定することによって決定できる。かかる温度及び保持時間は、以下に説明するようにＥＰＲによって測定されたフリーラジカル団が照射後且つ急冷前にＥＰＲによって測定されたフリーラジカル団から見て約９０％、好ましくは約９５％、より好ましくは約９７％だけ減少するように選択される。照射後におけるかかるＳＣＦ急冷処理の結果として、分子易動度が向上し、架橋の増大が可能になり、かくして、ポリエチレンの酸化の恐れが減少する場合がある。従来の熱処理だけを本明細書で説明した方法で用いられる温度と同等な温度で行うと、フリーラジカルの状況は完全なレベルに達せず、その結果、酸化の可能性が高くなると共に摩耗速度が増大する。
【００２７】
ＳＣＦ処理後、急冷されると共に架橋されたポリエチレンを任意的に実質的に酸素の無い雰囲気又は真空中で冷却するのがよい。架橋ポリエチレンを空気にあてる前に、約５０℃以下の温度、好ましくは、ほぼ室温まで冷却するのがよい。ポリエチレンプレフォームの場合、冷却後、プレフォームを当該技術分野で知られている方法、例えば、機械加工又は成形法を用いて支承体の状態に成形する。架橋ＵＨＭＷＰＥは特に、例えば人工股関節杯状部では支承面として、膝関節、肩関節、指関節、背骨関節及び肘関節を含む人体の他の関節の置換のための他の人工形状物として役立つ。完成状態の支承体を包装して滅菌するのがよい。
【００２８】
本発明のより完全な理解は、本発明の例示の実験例又は実施を参照することにより得ることができるが、かかる実験例は、本発明の範囲又は精神を不法に限定するものではない。
【００２９】
実験例
実験例１．ＵＨＭＷＰＥの炭化水素によるＳＣＦ膨潤
英国ベーカップ所在のパープラス・メディカル社から入手できるラム押出しＧＵＲ１０２０ＵＨＭＷＰＥの小径のロッド（長さが３６ｍｍ、直径が４．６ｍｍ）から成る検査サンプルを視認ポートを備えた小容積圧力容器内において種々の温度及び圧力状態で超臨界プロパン又は超臨界エタンにさらした。サンプルを視認ポートの近くで圧力容器（ニューポート・サイエンティフィック社のジャーグソン・ゲージ（Ｊｅｒｇｕｓｏｎ Ｇａｇｅ））中に吊り下げ、そして、視認ポートを介し、カリパス（ｃａｌｉｐｅｒ）を用いてＳＣＦとの接触中に生じる各サンプルの寸法変化（長さ及び直径）を測定した。
【００３０】
表２のデータは、ＵＨＭＷＰＥを種々の時間にわたり、種々の温度及び種々の圧力で超臨界エタン又はプロパンに接触させた場合の効果を示している。
【表２】
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【００３１】
英国ベーカップ所在のパープラス・メディカル社から入手できるラム押出しＧＵＲ１０２０ＵＨＭＷＰＥの小径のロッド（長さが３６ｍｍ、直径が４．６ｍｍ）から成る検査サンプルをヒートシールしたアルミニウム箔パウチ内に真空パックした。サンプルをニュージャージー州ウィパニイ所在のアイソメディックス（Ｉｓｏｍｅｄｉｘ）にて５Ｍｒａｄの標的線量のγ線で照射した。照射に続き、サンプルを真空パックから取り出し、視認ポートを備えた小容積圧力容器内において種々の温度及び圧力状態で超臨界プロパン又は超臨界エタンにさらした。サンプルを予備加熱状態の圧力容器（ニューポート・サイエンティフィック社のジャーグソン・ゲージ（Ｊｅｒｇｕｓｏｎ Ｇａｇｅ））中に吊り下げ、そして、適当なガスを所望の圧力が得られるまで導入した。ＳＣＦによる処理後、各サンプルをブルーカー（Ｂｒｕｋｅｒ）ＥＭＸ・ＥＰＲスペクトロメータで分析した。サンプルを測定のために５ｍｍ石英ＥＰＲ管内に挿入し、相対的なフリーラジカル濃度の評価を積分強度で行った。
【００３２】
表３中のデータは、照射ＵＨＭＷＰＥを種々の時間をかけて種々の温度及び種々の圧力で超臨界炭化水素に接触させた場合の効果を示している。ＥＰＲ信号中の急激な減少が、ＳＣＦ条件下にある間、１０％乃至１２％の測定された容積の増大と共に観察された。９０分後、相対フリーラジカル濃度を少なくとも９０％減少させた。これとは対照的に、オーブン内で９０分間８０℃の温度に保持された照射ＵＨＭＷＰＥは、ＥＰＲ信号の６９％の減少しか示さなかった。
【表３】
2004509717.tif 000005
【００３３】
実験例３．超臨界炭化水素と水素の混合物による照射ＵＨＭＷＰＥの処理
検査サンプルを実験例２に記載されたように照射したが、照射後検査サンプルを真空パックから取り出して、種々の重量パーセントの水素ガスを含む超臨界プロパン又は超臨界エタンにさらした。サンプルを実験例２で用いた予備加熱圧力容器内に吊り下げ、水素ガスを導入し、適当なガスを所望の圧力が達成されるまで導入した。表４中のデータは、水素の存在下におけるフリーラジカルの壊変の向上結果を示している。用いた僅かに高い温度も又、速いフリーラジカル壊変速度に貢献していることが分かる。
【表４】
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【００３４】
実験例４．熱による照射ＵＨＭＷＰＥの処理と超臨界プロパンと水素の混合物による照射ＵＨＭＷＰＥの処理の比較
１組の検査サンプルをこの場合も又、実験例３で記載したように１．９重量％の水素を含む超臨界プロパン中で１００℃及び３，０００ｐｓｉで処理した。第２の組をなす検査サンプルを実験例２で説明したように照射したが、照射後、検査サンプルを真空パック内で１００℃の熱だけで処理した。水素が照射工程の結果としてかかる真空パック中に存在することが分かる。表５中のデータは、従来熱処理法と比較した場合のＳＣＦ処理サンプル中のフリーラジカル団のより迅速な壊変を示している。
【表５】
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【００３５】
本発明を図面及び上記において詳細に説明したが、かかる図面の記載事項及び説明は、性質上例示であって本発明を限定するものではなく、例示の実施形態だけが開示されており、本発明の精神に属する全ての変形例及び改造例は保護範囲に含まれるものであると考えられる。
【００３６】
本明細書に記載した人工支承体及び関連の方法の種々の特徴から本発明の多くの利点が得られる。本発明の人工支承体及び関連の方法の各々の変形実施形態は、記載した特徴の全てを含むとは限らないが、かかる特徴により得られる利点のうち少なくとも幾分かをもたらすことは注目されよう。当業者であれば、本発明の特徴の１以上を有し、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲に属する人工支承体及び関連の方法の具体的実施形態を容易に想到できる。
【００３７】
例えば、本発明に関し多くの利点を奏する方法により照射により材料を架橋することを説明したが、かかる利点のうちの或る幾つかを任意他の適当な方法により材料を架橋することにより達成できることは理解されるべきである。さらに、本明細書に記載した方法は、架橋工程中、例えば照射中に生じたフリーラジカルを急冷するという観点から説明したが、かかるフリーラジカル急冷方法は一般に、ポリエチレンが照射され、又は架橋されるかどうかに関わらず存在するフリーラジカル団の減少に適用できることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本明細書に記載した方法により作ることができる植込み可能な人工支承体の略図である。
【図２】
本明細書に記載した方法により作ることができる植込み可能な関節窩支承体プロテーゼの斜視図である。
【図３】
本明細書に記載した方法により作ることができる植込み可能な寛骨臼支承体プロテーゼの斜視図である。
【図４】
本明細書に記載した方法により作ることができる植込み可能な脛骨支承体プロテーゼの斜視図である。
【図５】
臨界点及び関連の超臨界流体領域を示す圧力と温度の層の関係を示す図である。
【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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