(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリエチレン製インプラントの耐摩耗性を改良する方法であって、
ａ）耐酸化性インプラントを準備し；
ｂ）前記インプラントを架橋結合して耐摩耗性を改良するために５Ｍｒａｄを越え２５Ｍｒａｄ以下の放射量で前記耐酸化性インプラントに照射する、ステップを含み、
前記耐酸化性インプラントは前記ステップｂ）の照射で生じたフリーラジカルによる酸化進行を抑制する抗酸化剤を含有しており、前記照射されたインプラントは、１．７乃至３．６の間の膨潤度、４００ｇ／モル乃至３，５００ｇ／モルの間の架橋結合間分子量および９５％乃至９９％の間のゲル含量の特性を有し、前記照射の間又は後に溶融せず、前記ポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）又は高分子量ポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記抗酸化剤はビタミンＡ、ビタミンＣ及びビタミンＥで構成される群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記抗酸化剤はビタミンＥであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記照射はガンマ線照射又は電子ビーム照射によることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記インプラントは前記照射の間又は後にアニールされないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記照射はガンマ線照射によることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記照射はガンマ線照射によるものであり、前記耐酸化性インプラントは、直接モールディングされた耐酸化性ポリエチレン又は機械加工するためのモールディングされた耐酸化性ポリエチレンを形成するために、耐酸化性ポリエチレンから機械加工されたものか又は溶融されたポリエチレン粉末から直接モールディングされたものから選択され、
（ａ）抗酸化剤と前記ポリエチレン粉末と混合し、該混合物を溶融して前記モールディングされた耐酸化性ポリエチレン又は直接モールディングされたインプラントを形成するステップ；
（ｂ）（ｉ）１０ＭＰａ以上の圧力
（ｉｉ）１７５°Ｃ以上の温度
（ｉｉｉ）３０分以上の溶融時間の間
のうちの１つ以上の条件下で、抗酸化物を前記ポリエチレン粉末に混合し、前記ポリエチレンを溶融して前記モールディングされた耐酸化性ポリエチレン又は直接モールディングされたインプラントを形成するステップ；
（ｃ）前記ポリエチレン粉末を溶融し、該溶融されたポリエチレンを急速に冷却して前記モールディングされた耐酸化性ポリエチレン又は直接モールディングされたインプラントを形成するステップ；
（ｄ）前記ポリエチレン粉末を低酸素環境において溶融して前記モールディングされた耐酸化性ポリエチレン又は直接モールディングされたインプラントを形成するステップ；
（ｅ）前記モールディングされた耐酸化性ポリエチレン又は直接モールディングされたインプラントを形成するための前記ポリエチレン粉末の溶融に先立って、前記ポリエチレン粉末を容器内に配置することにより前記ポリエチレン粉末の酸素量を低減させ、
（ｉ）前記ポリエチレン粉末と混合された空気を追い出すために不活性ガスを前記ポリエチレン粉末に流入させる工程；
（ｉｉ）前記ポリエチレン粉末と混合された空気を追い出すために不活性ガスを前記ポリエチレン粉末に流入させ、該空気が追い出された後に前記ポリエチレン粉末に前記不活性ガスを押し込むために十分な時間の間前記容器を不活性ガスで加圧し前記ポリエチレン粉末から空気を排出する工程；
（ｉｉｉ）前記ポリエチレン粉末に前記不活性ガスを押し込むために十分な時間の間前記容器を不活性ガスで加圧し前記ポリエチレン粉末から空気を排出する工程；
（ｉｖ）工程（ｉ）、（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）のいずれか１つの工程に続いて、前記ポリエチレン粉末に混合された又は吸着された酸素を抜き取るために十分な時間の間前記容器を減圧排気する工程；
（ｖ）前記ポリエチレン粉末に混合された又は吸着された酸素を抜き取るために十分な時間の間前記容器を減圧排気する工程；
のいずれか１工程を実行するステップ；
（ｆ）前記ステップ（ｅ）の工程（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）及び（ｖ）のいずれか１つの工程の後低酸素環境において前記ポリエチレン粉末を溶融して前記モールディングされた耐酸化性ポリエチレン又は直接モールディングされたインプラントを形成するステップ；
（ｇ）ポリエチレン粉末を溶融して４インチ（１０．１６ｃｍ）以下の直径のモールディングされた耐酸化性ポリエチレンを作製し、前記モールディングされた耐酸化性ポリエチレンから前記耐酸化性インプラントを機械加工するステップ、
のうちの１以上のステップを有する方法。
【請求項８】
前記ポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記照射ステップは前記インプラントを滅菌もすることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記放射量は５Ｍｒａｄを越え１０Ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記照射は低酸素条件下で行われることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記耐酸化性インプラントはポリエチレン粉末から前記耐酸化性インプラントを直接モールディングすることにより形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の方法により作製された耐摩耗性インプラント。
【請求項１４】
ポリエチレンを含む整形外科材料の耐摩耗性を改良する方法であって、
（ａ）抗酸化剤を含有する耐酸化性ポリエチレンを準備し、
（ｂ）前記耐酸化性ポリエチレンに、５Ｍｒａｄを越え２５Ｍｒａｄ以下の放射量で照射し、前記照射の間又は後に該ポリエチレンが溶融しないように照射する、ステップを含み、
前記照射はガンマ線放射又は電子ビーム放射によるものであり、前記ポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）又は高分子量ポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）であり、前記抗酸化剤は前記ポリエチレンに前記照射で生じたフリーラジカルによる酸化に対して耐性を与えるものであり、かつ、前記照射されたインプラントは、１．７乃至３．６の間の膨潤度、４００ｇ／モル乃至３，５００ｇ／モルの間の架橋結合間分子量および９５％乃至９９％の間のゲル含量の特性を有することを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記放射量は５Ｍｒａｄを越え１０Ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記抗酸化剤はビタミンＡ、ビタミンＣ及びビタミンＥで構成される群から選択されることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記抗酸化剤はビタミンＥであることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１４乃至請求項１７のいずれか１項に記載の方法に従って作製されたポリエチレンを含む耐摩耗性の整形外科材料。
【請求項１９】
５Ｍｒａｄを越え２５Ｍｒａｄ以下の放射量でポリエチレンを照射架橋結合することにより生じたフリーラジカルによる酸化に対し前記照射されたポリエチレンに耐性を与える抗酸化剤を含有し、
（ａ）１．７乃至３．６の間の膨潤度；
（ｂ）４００ｇ／モル乃至３，５００ｇ／モルの間の架橋結合間分子量；
（ｃ）９５％乃至９９％の間のゲル含量、
の特性を有する照射架橋結合ポリエチレンであって、前記照射架橋結合の間又は後に溶融しない照射架橋結合ポリエチレンから作製され、前記ポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）又は高分子量ポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）であることを特徴とするインプラント。
【請求項２０】
前記抗酸化剤はビタミンＡ、ビタミンＣ及びビタミンＥで構成される群から選択されることを特徴とする請求項１９に記載のインプラント。
【請求項２１】
前記抗酸化剤はビタミンＥであることを特徴とする請求項２０に記載のインプラント。
【請求項２２】
前記照射はガンマ線照射又は電子ビーム照射によることを特徴とする請求項１９乃至請求項２１のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項２３】
前記照射はガンマ線照射によることを特徴とする請求項２２に記載のインプラント。
【請求項２４】
前記ポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）であることを特徴とする請求項１９乃至請求項２３のいずれか１項に記載のインプラント。
【請求項２５】
５Ｍｒａｄを越え２５Ｍｒａｄ以下の放射量でポリエチレンを照射架橋結合することにより生じたフリーラジカルによる酸化に対し前記照射されたポリエチレンに耐性を与える抗酸化剤を含有し、
（ａ）１．７乃至３．６の間の膨潤度；
（ｂ）４００ｇ／モル乃至３，５００ｇ／モルの間の架橋結合間分子量；
（ｃ）９５％乃至９９％の間のゲル含量、
の特性を有する整形外科用照射架橋結合ポリエチレンであって、前記照射架橋結合の間又は後に溶融せず、前記ポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）又は高分子量ポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）であることを特徴とする整形外科用照射架橋結合ポリエチレン。
【請求項２６】
前記抗酸化剤はビタミンＡ、ビタミンＣ及びビタミンＥで構成される群から選択されることを特徴とする請求項２５に記載の照射架橋結合ポリエチレン。
【請求項２７】
前記抗酸化剤はビタミンＥであることを特徴とする請求項２６に記載の照射架橋結合ポリエチレン。
【請求項２８】
前記照射はガンマ線照射又は電子ビーム照射によることを特徴とする請求項２５乃至請求項２７のいずれか１項に記載の照射架橋結合ポリエチレン。
【請求項２９】
前記照射はガンマ線照射によることを特徴とする請求項２８に記載の照射架橋結合ポリエチレン。
【請求項３０】
前記ポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）であることを特徴とする請求項２５乃至請求項２９のいずれか１項に記載の照射架橋結合ポリエチレン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、２０００年４月２７日に出願された、“人工関節用の耐酸化性及び耐摩耗性ポリエチレン”と題する米国仮特許出願番号６０／２００５２５の一部継続出願である。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明はポリエチレンに関する。本発明は、耐酸化性ポリエチレンを架橋結合（ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ）することにより、酸化劣化を招くことなくポリエチレンの耐摩耗性を向上させるための方法を開示する。本発明で開示されるポリエチレンは、医療用インプラント、例えば、関節カップ（関節臼）のような人工関節の構成部材、等の成型物の作製に有用である。
【０００３】
【発明の背景】
超高分子量ポリエチレン（以下、“ＵＨＭＷＰＥ”という。）は、一般に人工ヒップ（股）関節のような補綴ジョイントの作製に使用される。インプラントを作製する従来の方法は、押し出されたＵＨＭＷＰＥ又はブロック状にモールディングされたＵＨＭＷＰＥを機械加工するものである。また、機械加工に代えて、インプラントはＵＨＭＷＰＥから直接モールディングされる。インプラントは容器内に収容され、次に、放射、ガスプラズマ、又はエチレンオキサイドで滅菌される。次いで、滅菌され容器内に収容されたインプラントは、販売され、外科医が患者の体内にインプラントを植え込むときに容器から取り出される。
【０００４】
近年、人工ヒップジョイントにおけるＵＨＭＷＰＥの関節カップの摩耗が周囲の組織中に多くの微視的な摩耗粒子をもたらすことが徐々に明らかになってきている。これらの粒子に対する反応は、組織、特に補綴が固定された骨の炎症及び損傷を含む。その結果、補綴は疼痛を伴ってゆるくなり、交換しなければならなくなる。
【０００５】
ＵＨＭＷＰＥソケット（人工臼蓋）の耐摩耗性を改良すること及びその結果、摩耗くずの生成割合が低減することは、人工関節（ジョイント）の有効な寿命を伸ばし、より若年の患者にとって好適使用が可能となる。従って、人工関節の耐摩耗性を改良するために、ＵＨＭＷＰＥの物理的特性における多くの改善が提案されている。
【０００６】
また、ＵＨＭＷＰＥ成分は、製造後に継続的に結晶化の増加を受け、他の物理的特性が変化することが知られている｛例えば、リムナック、シー．エム．ら、J. Bone & Joint Surgery、７６−Ａ（７）：１０５２−１０５６（１９９４）参照。｝。これらの変化は、滅菌照射に典型的に用いられるガンマ線放射による滅菌（“ガンマ線放射滅菌”）後に保管中の（インプラントされていない）補綴にさえ生じる。ガンマ線滅菌放射量についての工業規格は、２．５Ｍｒａｄ〜４Ｍｒａｄの間である。特に、３〜３．５Ｍｒａｄが用いられる。
【０００７】
ガンマ線放射は、鎖切断、架橋結合、及び照射により形成されるフリーラジカルを含む酸化又は過酸化の進行過程を開始させる。これらの劣化的変化は、インプラントが浸潤されている関節液からの酸化により加速され得る。ＵＨＭＷＰＥの照射後のエージング（経時変化）による酸化は、全ヒップ関節代替物の局部腐食、層間剥離及びひび割れと関連している。（ウォルシュ、エイチ．ら、”Factors that Determine the Oxidation Resistance of Molded 1900: Is it the Resin or the Molding”（成型された１９００の耐酸化性を決定する因子：それは樹脂か成型か）と題される、米国フロリダ州オーランドで２０００年３月１２−１５日に開催された整形外科研究学会（Orthopaedic Res. Soc.）第４６回年次総会ポスタセッション−ポリエチレンの５４３頁、第１文、以下、“上記ウォルシュ５４３頁”という。）。更に、多くの研究が示すように、ＵＨＭＷＰＥ成分の外気中でのガンマ線照射滅菌による酸化は、人工膝関節の層間剥離及びひび割れと関連している。｛ナカシマ  プロペラ株式会社  ナカシマ  メディカル  ディビジョンのモリ、エイ．ら、”Mechanical Behavior of UHMWPE When Mixed with Vitamin E”（ビタミンＥと混合したときのＵＨＭＷＰＥの機械的作用）と題される、カリフォルニア州サンフランシスコで２００１年２月２５−２８日に開催された整形外科研究学会第４７回年次総会でのちらし第１文、以下、“モリちらし”という。｝。他の刊行物に、モリらは“明らかに、多くの研究プロジェクトを通じて、人工関節のベアリング表面として用いられる［ＵＨＭＷＰＥ］の摩耗の最も大きな原因は、空気中でのガンマ線（γ−ｒａｙ）照射滅菌に伴う酸化劣化であることが、広く認められている。”旨を明示している（モリら、”Effects of Manufacturing Method and Condition on UHMWPE Wear”（ＵＨＭＷＰＥの摩耗に対する製造方法及び条件の影響）と題される、２０００年に開催されたバイオマテリアル学会（Society for Biomaterials）第６回国際バイオマテリアル総会議事録の１１２２頁、第１文、以下、“上記モリ１１２２頁”という。）。
【０００８】
従って、いくつかの企業は、ＵＨＭＷＰＥ成分の耐酸化性及びそのような耐摩耗性を改良するためにガンマ線放射滅菌の方法を改良してきた。例えば、ＵＨＭＷＰＥの関節カップの場合、ガンマ線放射滅菌の間、不活性ガス（例えば、米国ニュージャージー州ラザフォードのストライカ−オステオニクス−ハウメディカ、インク．）、部分減圧（例えば、米国ニュージャージー州ニューブルンスウィックのジョンソン＆ジョンソン、インク．）のいずれか、又は酸素捕集剤を加えて（例えば、スイス国ビンターツールのズルザー、インク．）典型的には容器内に収容されている。これに代えて、照射滅菌により生成されるフリーラジカルを避けるためにガスプラズマ又はエチレンオキサイドがインプラントの滅菌に使用される。
【０００９】
更に、最近では、ある種のＵＨＭＷＰＥは酸化に対して特に耐性のあることが報告されている。１９７０年代から、ツィンマー、インク．（米国インディアナ州ワーソー）は、産業界で一般に”net-shaped molded UHMWPE”（網状にモールディングされたＵＨＭＷＰＥ）（”direct-molded UHMWPE”（直接モールディングされたＵＨＭＷＰＥ）としても知られる）として知られるＵＨＭＷＰＥを生産してきた。
【００１０】
ウォルシュ、エイチ．らは、“直接モールディングによる１９００樹脂で作製された部材は照射後のエージングに対して１０年までの期間は耐性がある。更に、これらの直接モールディングされたデバイスは優れた臨床記録を有しており局部腐食、層間剥離及びひび割れについて著しく低い発生率を示し”、並びに、“直接モールディングによる１９００樹脂で作製された部材は、酸化に対して唯一の耐性を有している。押し出し成型された１９００バー（棒材）又は圧縮成型された１９００シート（薄板材）から機械加工された部材は、同じ耐酸化性を示さない。また、表１から、４１５０樹脂の押し出し成型されたバー及び圧縮成型されたシートもまた照射後のエージングに対して影響されやすいことが明らかである。・・・（中略）表２は、直接モールディングによる４１５０又は１９９０樹脂いずれかは耐酸化性材料を提供することを示している。直接モールディングされた４１５０に使用された樹脂としては、押し出し成型されたバーに使用されたものと同じロットで、試料間の違いは、製造方法だけであった。”と報告している（上記ウォルシュ５４３頁、左欄、第１及び第２文及び右欄、第２及び第３段落）。
【００１１】
酸化の速度は遅く、酸化の指標である密度値を０．９５ｇ／ｃｃ以上上昇させるために、典型的には、照射後のエージングで５年（すなわち、棚上エージングの５年）かかるので、ウォルシュらはＵＨＭＷＰＥの５年の棚上エージングを模擬する加速エージングのプロトコル（規約）を報告している。（ウォルシュ、エイチ．エイ．ら、”A True, Reproducible Accelerated Aging Protocol To Mimic 5 Year Shelf Aging of UHMWPE”（ＵＨＭＷＰＥの５年間の棚上エージングを模擬する真に再現可能な加速エージングプロトコル）と題される、米国フロリダ州オーランドで２０００年３月１２−１５日に開催された整形外科研究学会第４６回年次総会ポスタセッション−ポリエチレン、５４２頁。以下、“上記ウォルシュ５４２頁”という。）。
【００１２】
上記ウォルシュ５４２頁は、加速エージングプロトコルでエージングされたときに、ＨＳＳ／ＰｏｌｙＨｉ  Ｓｏｌｉｄｕｒ／Ｔｉｃｏｎａで押し出し成型された４１５０ＨＰを用い機械加工された試料と比べ、６００−８００ＭＰａの引張応力を付与するために４１５０ＨＰ粉末から直接モールディングした試料は酸化されていなかった旨報告している。
【００１３】
他方、上記モリ１１２２頁には、（１）ラム（突き棒）でバーストックを押し出し成型したＧＵＲ  ４１５０ＨＰから機械加工された試料；（２）４５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧縮圧力を用いＧＵＲ１１５０樹脂から従来の直接モールディングによる試料；及び（３）２００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧縮圧力を用いＧＵＲ１１５０樹脂から従来の直接モールディングによる試料の比較が記載されている。モリらは、４５ｋｇｆ／ｃｍ２圧縮圧力で直接圧縮モールディングされた試料及びラム押し出し成型された試料が、２００ｋｇｆ／ｃｍ２で直接圧縮モールディングされた試料と比較して、非常に酸化が進むことを観察している。このように、モリらは、“一般に、直接圧縮モールディングされたＵＨＭＷＰＥは酸化に対して予期しない耐性を与える、ということができる。しかしながら、この研究で得られた成果は、一般的に認容された直接圧縮モールディング法を用いると、成型過程の不適切な条件が酸化に対する耐性を低下させる原因となることを明らかにしたことである。”（上記モリ１１２２頁、“議論”節の下の最初の段落）。
【００１４】
他の論文で、モリ、エイ．らは、（１）１０ＭＰａでＵＨＭＷＰＥ粉末（ＧＵＲ１０２０、Ｔｉｃｏｎａ）から直接モールディングされたＵＨＭＷＰＥ試料、及び（２）同様に１０ＭＰａでＧＵＲ１０２０粉末とビタミンＥとの混合物から直接モールディングされたＵＨＭＷＰＥ試料の２つの群を比較した。モリらは、次いで空気中でガンマ線滅菌（２．５Ｍｒａｄと等価の２５ｋＧｙで）し、そして両群に加速エージング法を適用した。モリらは、ＵＨＭＷＰＥ粉末にビタミンＥを添加すると、酸化に対する唯一の耐性を与え、初期の機械的特性を保持する旨を報告している（モリら、”Mechanical Behavior of UHMWPE When Mixed with Vitamin E”と題される、カリフォルニア州サンフランシスコで２００１年２月２５−２８日に開催された整形外科研究学会第４７回年次総会ポスタセッション−ポリエチレンで発表の１０１７頁、以下、“上記モリ１０１７頁”という。）。上記モリ１０１７頁の共著者エヌ．トミタは、彼のガンマ線照射したビタミンＥ含有試料が表面ひび割れや剥がれ落ちるような崩壊を生じないことをそれ以前に報告している。｛トミタ、エヌ．ら、”Prevention of Fatigue Cracks in Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Joint Components by the Addition of Vitamin E”（ビタミンＥの添加による超高分子量ポリエチレン関節部材における疲労クラックの防止）と題される、生医学材料研究誌（J. Biomed Mater Res）（応用生体材料）４８：４７４−４７８（１９９９）｝。
【００１５】
モリらは、“最近、耐酸化性を改良するためにガンマ線又は電子ビーム照射の後の架橋結合ＵＨＭＷＰＥが開発されている。しかしながら、ＵＨＭＷＰＥの架橋結合過程は入り組んでおり、照射により生成されたフリーラジカルを除去することは難しい。無害なビタミンＥを添加することは、人工関節におけるＵＨＭＷＰＥ部材の酸化劣化を防止し安定性を維持するために非常に簡単かつ極めて効果的な方法であると提案している。”（上記モリ１０１７、左欄から右欄にかけての段落。モリちらし、２番目及び３番目の最終文も参照）。
【００１６】
【発明の要点】
本発明は、耐酸化性及び耐摩耗性ポリエチレンの作製及び選定の方法、並びに、該ポリエチレンから作製された医療用インプラントを提供する。好ましくは、インプラントは、補綴ジョイントの部材、例えば、人工のヒップ（股）、膝、又はその他の関節のベアリング部材である。このような耐酸化性及び耐摩耗性ポリエチレン並びにインプラントも開示されている。
【００１７】
ここに開示された発明は、以前発表した研究成果及び特許出願を引用する。例として、それらは、科学論文、要約、ポスタ、チラシ及び特許を挙げることができる。上述した又は下記で述べる、これらの刊行物及び特許出願の全ては、各個別の刊行物又は特許出願が個々に特定された程度にここに参照され組み込まれる。
【００１８】
Ｉ．ポリエチレンの選定
本願で用いられる略語は以下の通りである：
ＰＥ        −−  ポリエチレン
ＵＨＭＷ    −−  超高分子量
ＵＨＭＷＰＥ  −  超高分子量ポリエチレン
ＨＭＷ      −−  高分子量
ＨＭＷＰＥ  −−  高分子量ポリエチレン
【００１９】
本発明は一般にポリエチレンに関し、好ましくはＨＭＷＰＥ及びＵＨＭＷＰＥに関する。議論を平易にするために、以下の議論ではＨＭＷＰＥ及びＵＨＭＷＰＥをポリエチレンの例として用いるが、本発明は単にＨＭＷＰＥ及びＵＨＭＷＰＥに制限されるものではない。本発明はポリエチレン製の完成品（すなわち、最終製品）も示している。これらの完成品は医療用インプラントの例に制限されない。重ねていうが議論を平易にするために、以下の議論では関節カップを医療用インプラントの例として用いるが、本発明は単に関節カップに制限されるものではない。
【００２０】
好ましいポリエチレンはＨＭＷポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）及びＵＨＭＷポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）である。ＨＭＷＰＥは約１０５ｇ／モルからちょうど１０６ｇ／モル以下の範囲の分子量を有している。ＵＨＭＷＰＥは１０６ｇ／モルと等しいか又はより高い分子量を有しており、好ましくは１０６ｇ／モルから約１０７ｇ／モルまでである。ポリエチレンは一般に約４００，０００ｇ／モルと約１０，０００，０００ｇ／モルとの間である。
【００２１】
インプラントに好ましいポリエチレンは耐摩耗性であり化学劣化に対する特異な耐性を有している。ＵＨＭＷＰＥは、これらの特性が知られているように最も好ましいポリエチレンであり、全ヒップ補綴及び他の人工関節部材のための関節カップを作製するために最近広く使用される。ＵＨＭＷＰＥの例は約１〜８×１０６ｇ／モルの範囲の分子量を有するものであり、その例としては：重量平均分子量５〜６×１０６ｇ／モルを有するＧＵＲ４１５０又は４０５０（テキサス州リーグシティの現在ティコナとして知られているヘキスト−セラニーズ  コーポレーション）；重量平均分子量３〜４×１０６を有するＧＵＲ４１３０；重量平均分子量３〜４×１０６を有するＧＵＲ４１２０又は４０２０；分子量の重量平均４×１０６を有するＲＣＨ１０００（ヘキスト−セラニーズ  コーポ．）及び２〜４×１０６のＨｉＦａｘ１９００（メリーランド州エルクトンのハイモント）が挙げられる。
【００２２】
ティコナは世界最大の医療用グレードＵＨＭＷＰＥの生産企業である。歴史的に、インプラントを生産する企業はＨＩＦＡＸ１９００、ＧＵＲ４０２０、ＧＵＲ４１２０及びＧＵＲ４１５０等のポリエチレンを関節カップの作製に使用していた。
【００２３】
ＵＨＭＷＰＥは商業的に２形態で入手可能であり、１つはステアリン酸カルシウムを含有するものであり他は含有しないものである。ステアリン酸カルシウムを含有するＵＨＭＷＰＥの例としてＧＵＲ４１２０、４１３０、４１５０及びＲＣＨ１０００が挙げられる。ステアリン酸カルシウムを含有しないＵＨＭＷＰＥの例としてＧＵＲ１０５０（ＧＵＲ４０５０としても知られる）、１０２０（ＧＵＲ４０２０としても知られる）、及びＨｉＦａｘ１９００が挙げられる。ＵＨＭＷＰＥの両形態が本発明で用いられる“ＵＨＭＷＰＥ”の定義の範囲に含まれる。異なるＵＨＭＷＰＥの名称及び議論について、それらの名称及び製造者は、クルツ、エス．エム．ら、”Advances in the processing, sterilization, and crosslinking of ultra-high molecular weight polyethylene for total joint arthroplasty”（全関節形成用超高分子量ポリエチレンの加工、滅菌及び架橋結合の進歩）と題される、生体材料（Biomaterials）２０：１６５９−１６８８（１９９９）（以下、“上記クルツら”という。）に挙げられている。
【００２４】
ポリエチレンは一般に粉状、小片状、又は小球状のいずれかの形状で得ることができ、より大きな固体片にモールディング又は押し出し成型することができる。この形状で、ポリエチレンは、通常、同義の“ポリエチレン粉末”、“ポリエチレンフレーク”及び“ポリエチレン樹脂”として入手可能である。議論を平易にするために、以下の議論では用語“ポリエチレン粉末”を用いる。従って、当業者は所望により本願（特許請求の範囲を含む）で議論される“ポリエチレン粉末”を粉状、小片状、又は小球状のいずれかの形状のポリエチレンと置き換えることができる。
【００２５】
“網状モールディング”及び“直接モールディング”は、技術的に同義の用語として使用され、“網状にモールドされた”及び“直接モールドされた”も同様である。議論を平易にするために、本願では用語“直接モールディング”及び“直接モールドされた”を用いる。いくつかの商業的に入手可能なポリエチレンインプラントは直接モールディングにより作製される；すなわち、ポリエチレンインプラントは原料のポリエチレン粉末をモールド内に配置し、ポリエチレン粉末を溶融するために十分な加熱及び圧力を加えてインプラントの最終形状又は最小の仕上げ機械加工のみが必要なインプラントのほぼ最終形状とすることにより作製される。
【００２６】
これに対し、過去３０年以上人工関節に用いられたＵＨＭＷＰＥ部材の多くは、直接モールディングの代わりに、ラム押し出し成型バーストックから機械加工されたもの、又はモールディングされたブロックから機械加工されたもののいずれかであった。従って、“プリフォーム（予備成形）ＵＨＭＷＰＥ”等の用語“プリフォームポリエチレン”は、本願ではインプラントを機械加工する開始材料として使用されるＵＨＭＷＰＥの意味で用いられる。このようなプリフォームＵＨＭＷＰＥはラム押し出し（“ラム押し出し成型ＵＨＭＷＰＥ”としても知られる）；及びＵＨＭＷＰＥ粉末をバー、ロッド、シート、ブロック、板状等に成形するブロックモールディングとしても知られる圧縮モールディング（“ブロック状にモールドされたＵＨＭＷＰＥ”）で強化される。従って、このようなプリフォームＵＨＭＷＰＥの例として、押し出し成型ＵＨＭＷＰＥバー、圧縮モールドされたＵＨＭＷＰＥブロック及びシートが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
【００２７】
用語“基準プリフォームＵＨＭＷＰＥ”は従来のＵＨＭＷＰＥ押し出しバー及び従来の圧縮モールドされたＵＨＭＷＰＥブロックを意味する。
【００２８】
ポリエチレン（“耐酸化性ポリエチレン”、“耐酸化性ＨＭＷＰＥ”、及び“耐酸化性ＵＨＭＷＰＥ”に用いられるようなＨＭＷＰＥ及びＵＨＭＷＰＥを含む）に適用される用語“耐酸化性”は、例えば、ガンマ線源又は電子ビームの照射の間に誘発されるフリーラジカルに起因する酸化に対して、基準プリフォームＵＨＭＷＰＥより耐性のあるポリエチレンを意味する。耐酸化性のＵＨＭＷＰＥから作製されたインプラントは“耐酸化性インプラント”とも呼ばれる。
【００２９】
発明者らの最新技術の理解によると、耐酸化性ポリエチレンの開発会社（上記発明の背景欄に既述）は、工業規格の２．５乃至４Ｍｒａｄの範囲内でガンマ線照射滅菌するときに、主に、酸化に対する耐性が機械的特性及び／又は耐摩耗性の劣化を低減させるという理由で、人工関節に耐酸化性ポリエチレンを使用している。しかしながら、発明者らは、この製造方法が過去の典型的なガンマ線滅菌されたインプラントの製造方法以上に耐摩耗性を向上させず、多くの患者にとって、特に、年々人工関節を多数回交換しなければならない、より若年のより行動的な患者にとってほとんど受け入れ難いものと認識している。耐酸化性ＵＨＭＷＰＥの幾人かの提唱者は、耐摩耗性を改良するために高レベルでの放射架橋結合の使用を批判的である。例えば、モリらは、“最近、耐酸化性を改良するためにガンマ線又は電子ビーム照射後、ＵＨＭＷＰＥを架橋結合する技術が開発されている。しかしながら、ＵＨＭＷＰＥの架橋結合過程は入り組んでおり、照射により生成されたフリーラジカルを除去することは難しい。無害なビタミンＥを添加することは、人工関節におけるＵＨＭＷＰＥ部材の酸化劣化を防止し安定性を維持するために非常に簡単かつ極めて効果的な方法である。”と述べている。（上記モリ１０１７、左欄から右欄にかけての段落。モリちらし、２番目及び３番目の最終文も参照）。
【００３０】
他方、ポリエチレンの架橋結合は工業生産されたインプラントの耐摩耗性を改良することが知られている。発明者らは次のもののテストを実施した：（１）過酸化物をＵＨＭＷＰＥ粉末と混合した後直接カップ形状にモールディングすることで化学的に作製された架橋結合関節カップ；（２）従来の押し出し成型ＵＨＭＷＰＥバーストックを３．３乃至１００Ｍｒａｄの種々の放射量でガンマ線放射にさらし、残存フリーラジカルを消滅させる（すなわち、長期の酸化を最小にする）ためにＵＨＭＷＰＥバーを再溶融した後、従来の技術で機械加工することで作製されたガンマ線放射−架橋結合関節カップ。ヒップ（股）関節シミュレータテストでは、５百万サイクルにもに亘って、両架橋結合カップは耐摩耗性が劇的に改善されることを示した。マケロップ、エイチ．ら、”Development of An Extremely Wear-Resistant Ultra High Molecular Weight Polyethylene for Total Hip Replacements”（全ヒップ代換部材用の高耐摩耗性超高分子量ポリエチレンの開発）と題される、整形外科研究学会誌１７：１５７−１６７（１９９９）。ガンマ線又は電子ビームによる従来の工業的方法では、架橋結合及びそれによる耐摩耗性向上のために従来の押し出し成型ＵＨＭＷＰＥバーストックに照射した後、残存フリーラジカルを消滅させる（すなわち、長期の酸化を最小にする）ためにＵＨＭＷＰＥバーストックを再溶融又はアニールし、続いてＵＨＭＷＰＥバーストックからインプラントを機械加工しており、インプラントシミュレータを用いた種々の研究については、例えば、エイチ．エイ．マケロップ、”Bearing Surfaces in Total Hip Replacements: State of the Art and Future Developments”（全ヒップ代換部材におけるベアリング表面：技術水準と将来の開発）と題される、AAOS Instructional Course Lectures、５０：１６５−１７９（２００１）；及び上記クルツら；及びマケロップ、エイチ．ら、”Development of An Extremely Wear-Resistant Ultra High Molecular Weight Polyethylene for Total Hip Replacements”、整形外科研究学会誌１７：１５７−１６７（１９９９）に詳しい。
【００３１】
本発明において、発明者らは、耐酸化性ポリエチレンから始めインプラントを従来通り滅菌用に典型的に用いられる放射量（すなわち、２．５〜４Ｍｒａｄの範囲以上）で生成される以上に架橋結合のレベルを増加させることで耐摩耗性を増加させれば、耐摩耗性を改良すると共に高い耐酸化性を有するインプラントを作製することが可能となり、インプラントを過去に適切とされていたものに比べ特により若年でより行動的な患者の使用に適合する、と認識している。従って、本発明は、プリフォームポリエチレンからのインプラント形成（例えば、機械加工）又は直接モールディングのいずれかを含めて耐酸化性ポリエチレンからインプラントを作製し；好ましくは低酸素雰囲気で、作製したインプラントを容器内に収容し、架橋結合のレベルを増加させるために、従来の放射滅菌で用いられる以上の範囲の放射量を容器内に収容したインプラントに施し、それによって、従来の放射滅菌で得られる以上の耐摩耗性を改善するものである。このように、本発明は耐酸化性インプラントを作製する方法、ポリエチレンを含む整形外科材料、及び従来の技術欄で開示した、上記著作者モリら、トミタら、及びウォルシュらにより記述された従来のポリエチレンより耐摩耗性の高いポリエチレンを提供する。
【００３２】
本発明の方法は従来の方法を実行するより簡便かつ安価でもある。
【００３３】
本発明では、フリーラジカルの存在にも拘わらず、ポリエチレンが酸化に対して高い耐性を有するように形成されるので、残存するフリーラジカルを消滅させるために放射架橋結合（例えば、アニール又は再溶融により）の間又は後にポリエチレンを溶融する必要はなく、このため作製過程を簡素化することができる。更に、本発明では、ＵＨＭＷＰＥの再溶融又はアニールが要求されても、インプラントに過度のゆがみが生じるため、再溶融又はアニールすることができないインプラント等でも、直接モールドされたポリエチレン部材の使用が可能である。また、フリーラジカルの存在にも拘わらず耐酸化性ポリエチレンは耐酸化性を保持するので、本発明は、照射滅菌により生成されるフリーラジカルを除くために最近用いられているガスプラズマやエチレンオキサイドより、部材を滅菌するガンマ線や電子ビームの使用を許容するという利点も有している。ある種のモジュールタイプのインプラントでは、インプラント部材間の界面に対してガスプラズマやエチレンオキサイドが低浸透のため、ガスプラズマやエチレンオキサイドが適していないので、照射滅菌が使用可能なことは更なる利点である。
【００３４】
本発明の他の利点は耐摩耗性を改良するために完成インプラントの照射架橋結合及び照射滅菌が一つのステップで同時に行うことができる。このように、本発明の方法は従来の方法より簡便かつよりコスト効率が高い。
【００３５】
以下に、本発明を更に詳細に記述する。
【００３６】
ＩＩＩ．耐酸化性ポリエチレン
Ａ．方法Ａ
発明者らは、ＵＨＭＷＰＥの直接モールディングが押し出し成型バー又はモールディングされたブロックから機械加工された完成品より耐酸化性の大きい完成品を作製することをクレームする公報のあることに注目する。改良点は、より均一な圧力及び温度を直接モールディングの間に完成品に加えることである。
【００３７】
この方法は商業的に入手可能な耐酸化性直接モールドされたインプラントで例示される（上記発明の背景欄に既述のツィンマー、インク．から商業的に入手可能。）。
【００３８】
しかしながら、モリ１１２２頁は、直接モールド（４５ｋｇｆ／ｃｍ２圧力を使用）された試料は従来のラム押し出し成型バーストックから機械加工された試料より低い耐酸化性であることに注目している。これに反して、直接モールド（２００ｋｇｆ／ｃｍ２圧力を使用）された試料は従来のラム押し出し成型バーストックから機械加工された試料より高い耐酸化性である。従って、モリらは、“一般に、直接圧縮モールディングされたＵＨＭＷＰＥは酸化に対して予期しない耐性を与える、ということができる。しかしながら、この研究で得られた成果は、一般的に認容された直接圧縮モールディング法を用いると、成型過程の不適切な条件が酸化に対する耐性を低下させる原因となることを明らかにしたことである。”と述べている（上記モリ１１２２頁、“議論”節の下）。
【００３９】
上記モリ１１２２頁に記載された観点から、本発明では、耐酸化性インプラントを適切な条件で作製するために、方法Ａが後述する方法Ｂの付加的改良点を有することが好ましい。発明者らは、モリ１１２２頁との関連で、当業者が所望の耐酸化性及び耐摩耗性ポリエチレン並びにインプラントを得ることを確実にするために、後述する試験及び選定過程欄に記載するルーチンテスト法を適用すべきであることにも注目する。
【００４０】
２．方法Ｂ
この方法Ｂは４つの態様を有し、それぞれは１つの改質を表す。方法Ｂでは、耐酸化性ポリエチレン又はインプラントとするために、それぞれの態様は単独、又は１以上の他の態様を組み合わせ、押し出し成型、ブロックモールディング、又は直接モールディングにより作製されたポリエチレンに適用することができる。従って、方法Ｂは方法Ａ及び／又は方法Ｃに適用することができる。
【００４１】
方法Ｂ：態様１
発明者らは、化学、高分子及び生物学の分野で知られるような、１つ以上の抗酸化剤（経済的及び効果的理由から、１つの抗酸化剤が好ましい）をポリエチレンに添加することでポリエチレンを耐酸化性とすることを実現した。用いることができる従来の抗酸化剤の例としてビタミンＡ、ビタミンＣ及びビタミンＥが挙げられ；及び高分子の酸化を防止又は抑制するために用いられる一般的な抗酸化剤、例えば、フェノール、芳香族アミン、及びアルデヒド、ケトンを有するアミン及びアミノフェノールの塩及び縮合物、及びチオ化合物に分類されるものが挙げられるが、これらの例に制限されない。上述に分類される例としてパラフェニレンジアミン及びジアリルアミンが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
【００４２】
本態様の応用例はＵＨＭＷＰＥの耐酸化性を改善するためにビタミンＥを用いたモリら及びトミタらの研究に記載がある。（上記モリちらし、モリ１１２２頁、モリ１０１７頁、及びトミタら、生医学材料研究）
【００４３】
方法Ｂ：態様２
本態様では、照射の間及びその後に生じる酸化量を減少させるために溶融（押し出し成型、ブロックモールディング、又は直接モールディングのいずれかで、例えば、固体バー、ブロック、ロッドシート又は直接モールディングされたインプラントに）後のポリエチレンに存在する酸素量を減少させ又は除去しようとする。これは、例えば、粉末を適当な容器内に配置し粉末と混合された空気（酸素を含む）を追い出すために不活性ガスを粉末に流入させることで行われる。更に、粉末から空気が不活性ガスで追い出されたか否かのいずれにせよ、容器は不活性ガスで加圧され、粉末に不活性ガスを押し込むために加圧下に維持され、それにより粉末から空気（酸素を含む）を排出する。更に、粉末から空気が不活性ガスで追い出され及び／又は加圧されたか否かのいずれにせよ、容器は粉末と混合された及び／又は粉末中に吸着された酸素を抜き取るために、減圧排気され真空下に維持される。更に、前の工程の１以上が行われたか否かのいずれにせよ、粉末の溶融（押し出し成型、ブロックモールディング又は直接モールディングのいずれかによる）は、溶融過程の間に空気（酸素を含む）がポリエチレンに混入することを最低限にするために、不活性ガス雰囲気等の低酸素雰囲気で行われる。これらの工程は通常は排他的ではなく付加的であり、ポリエチレンインプラントが照射の間、及び使用前の保管中、及び生体内で使用中の耐酸化性をより大きくするように溶融された後、ポリエチレンに存在する酸素を低減させる。このようなポリエチレン又はインプラントは、真空又は不活性ガスでの保管に代えて、酸素吸着剤を加えるか又は従来の低酸素条件のいずれかで保管することができる。
【００４４】
本態様の応用例として上記サンらの米国特許第５，４１４，０４９号に、“耐酸化性を向上させた高分子材料製の医療用インプラントは、樹脂粉末を密閉容器に配置するステップを含む方法で形成される。酸素の大部分は、真空、酸素吸着剤のいずれか又は不活性ガスで追い出すことにより密閉容器から除去される。容器は、窒素、アルゴン、ヘリウム又はネオン等のガスで再加圧され長期間の保存が可能とされる。使用の際、樹脂はロッド又はバーストック等の高分子原料を作製するために低酸素雰囲気で樹脂を溶融及び形成の両方を行う形成用のデバイスに移される。そして、医療用インプラントは、低酸素雰囲気の気密容器内に密閉されアニールされた原料から形成される。”旨が記載されている（サンらの米国特許第５，４１４，０４９号、“要約”節）。
【００４５】
方法Ｂ：態様３
酸素のポリエチレン内への拡散は不十分に又は不完全に溶融されたポリエチレン粉末又はフレークの間の界面に沿って優先的に生じることが示されているので、本態様ではポリエチレン粉末をよりよく溶融するために、従来と比べてより高い圧力、より高い温度、及び／又はより長い時間の間、ポリエチレン粉末を溶融する。例えば、上記モリ１１２２頁、参照。方法Ｂの本態様では、圧力は好ましくは約１０ＭＰａ以上、及びより好ましくは約１４ＭＰａ以上；温度は好ましくは約１７５°Ｃ以上、及びより好ましくは約２００°Ｃ以上；時間は好ましくは約３０分間以上、及びより好ましくは約１時間以上である。
【００４６】
本態様の応用例としては、上記モリ１１２２頁に、２００ｋｇｆ／ｃｍ２の高めた圧縮圧力下でＧＵＲ１１５０樹脂から従来の直接モールディングされた試料は４５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧縮圧力下で作製されたものと比較して酸化指数が改善されることが示されている。発明者らは、４５ｋｇｆ／ｃｍ２（約４．４ＭＰａ）が従来のモールディング圧力の範囲の下限であり、より重要なことは、２００ｋｇｆ／ｃｍ２（約１９．６ＭＰａ）が従来のモールディング圧力より高いことに注目している。
【００４７】
ポリエチレンを溶融するために、高めた温度、高めた圧力、及びより長い時間を用いることは、後述する方法Ｃで更に詳細に議論するように、イングランドらの米国特許第５，４６６，５３０号及び５，５０５，９８４号にも記載がある。
【００４８】
方法Ｂ：態様４
ポリエチレンが照射されるとき、照射はフリーラジカルを生成させる。非晶領域に存在するフリーラジカルは速やかに架橋結合又は酸化する。従って、照射が低酸素雰囲気で行われると、非晶領域のフリーラジカルは酸素欠乏のため酸化する代わりに速やかに架橋結合する傾向を示す。照射後に架橋結合又は酸化していないフリーラジカルは先ずポリエチレンの結晶領域に捕捉される。時間をかけて、これらの残留フリーラジカルは非晶領域に移動する。インプラントが照射後に低酸素雰囲気から移動されると、これらの残留ラジカルが非晶領域に拡散した酸素分子と衝突し酸化が生じる。それ故、結晶性ポリエチレンの割合がより低いものであれば、比例してフリーラジカルがより少なくなり、それ故、長期の酸化もより低減する。
【００４９】
従って、方法Ｂの本態様では結晶性ポリエチレンの割合を低減させ次には照射後のポリエチレンの残留フリーラジカルも低減させ、次には長期の酸化も低減させようとする。ポリエチレンの結晶化度を低減させるための方法として加熱され溶融された後ポリエチレンをクエンチ（すなわち、急速冷却）することが挙げられ、急速冷却されたポリエチレンではより低い結晶化度の結果となるが、この方法に制限されない。
【００５０】
本態様の応用例は後述する実施例１に記載するように、１７０°Ｃ、７．５ＭＰａのラム圧力で２時間モールディングし溶融したＵＨＭＷＰＥ試料を、加圧から開放し液体窒素浴中で非常に急速に冷却する（”quenched”）。
【００５１】
本態様の他の応用例としては上記ウォルシュ５４３頁に、直接モールドされたＵＨＭＷＰＥサンプルは押し出し成型バー又は圧縮モールドされたシートから機械加工されたサンプルより耐酸化性が高い旨が報告されている。ＵＨＭＷＰＥサンプルの直接モールディングは８．１ＭＰａ、１６５°Ｃ及び１７５°Ｃ／分より大きな冷却速度（”quenching”）で行われる。上記ウォルシュ５４２頁は、６００−８００ＭＰａの引張応力を付与するためにＵＨＭＷＰＥ粉末４１５０ＨＰから直接モールドされた試料が耐酸化性である旨も報告している。
【００５２】
ブルスタイン及びリー、”Process for Producing Ultra-High Molecular Weight Low Modulus Polyethylene Shaped Articles Via Controlled Pressure and Temperature and Compositions and Articles Produced Therefrom”（超高分子量低引張応力ポリエチレンで形成された製品を、制御された圧力及び温度で作製する方法及び組成物及び作製された製品）と題される、米国特許第５，７２１，３３４号は、１９９８年２月２４日に発行された。特許の共同発明者（ステファン  リー）は上記ウォルシュ５４２頁の共同著者でもある。特許は、その方法で作製されたＵＨＭＷＰＥ製品は全膝関節、補綴ヒップ関節カップ及び人体の他の関節を代替する他の補綴形状物のベアリング表面として有用であることに注目している。重要なことは、特許はその方法が耐酸化性ＵＨＭＷＰＥを製造することを開示していないことである。しかしながら、特許は急速冷却する第５ステップを含む５つのステップの直接モールディング法を開示している。その方法は以下のように記載されている：“１．ＵＨＭＷＰＥ粉末でモールドを満たす；２．ピストンでモールドを覆う；３．モールドの温度を上げ・・・（中略）同時に加圧しながら・・・（中略）モールド及び内容物に；４．圧力及び温度を保持し・・・（中略）；５．モールドをモールディング圧力、モールディング圧力より低い圧力、又は外部から加圧されない条件下のいずれかで保持しながら、約４度乃至約１７５度摂氏／分の間の速度で、モールドされた部分の温度を完全に又は部分的に低下させる。モールドされた部分の温度の低下は、水や空気等の適切な冷却媒体と接触させることによりその部分を直接冷却すること、又はモールドを冷却することのいずれかで行われる。”（上記米国特許第５，７２１，３３４号、“発明の要約”、第２段落。）。発明者らは、この特許の第５ステップの急速冷却速度（約１７５度摂氏／分）は、上記ウォルシュ５４３頁（１７５°Ｃ／分より大きい）と重なること；及び特許されたＵＨＭＷＰＥで形成した製品の引張応力（弾性引張応力約５００ＭＰａ−約８００ＭＰａ）は、上記ウォルシュ５４２頁（６００ＭＰａ−８００ＭＰａの引張応力）と重なることに注目している。この観点から、発明者らは特許の方法を耐酸化性ＵＨＭＷＰＥインプラントの作製に用いることができると確信している。この方法を実行するための詳細及びパラメータの好ましい範囲は、当業者にＵＨＭＷＰＥインプラントを作製することを可能とさせるために、特許に記載されている。当業者はそれらのインプラントが耐酸化性であるかを決定するために特許の方法で作製されたＵＨＭＷＰＥインプラントを、後述する試験及び選定過程欄に記載するルーチンテスト法でテストすることができる。
【００５３】
３．方法Ｃ
発明者らは、ポリエチレン粉末がＵＨＭＷＰＥブロックの従来のサイズより小さくモールドされると、小さくモールドされたポリエチレンは、より均一な圧力及び温度を直接モールディングの間に完成品に与えることで耐酸化性が改良されることも認識している。小さくモールドされたポリエチレンは直径で約４インチ（約１０．１６ｃｍ）以下であることが好ましく、より好ましくは直径で約０．５インチ（約１．２７ｃｍ）から約４インチ（約１０．１６ｃｍ）までである。
【００５４】
方法Ｃの応用例は、イングランドら、”BiocompatibleComponents Fabricated from A Substantially Consolidated Stock of Material”（十分に固められたストック材料から作製された生体適合性部材）と題される、米国特許第５，４６６，５３０号（１９９５年１１月１４日発行）及び”Method for Forming Biocompatible Components Using An Isostatic Press”（均衡プレスを用いる生体適合性部材の作製方法）と題される、第５，５０５，９８４号（１９９６年４月９日発行）、に記載がある。特許権者は、耐摩耗性ＵＨＭＷＰＥで生体適合性部材を作製するその方法が、耐酸化性部材も作製することを認識していないけれども、発明者らはその方法で耐酸化性部材を作製することができると確信している。従って、特許の方法はインプラントの作製に適用することができ、それらのインプラントは後述する試験及び選定過程欄に開示した方法に従い、耐酸化性インプラントを選定するためにテストする。発明者らの確信は：（１）特許の方法は、モールドされたＵＨＭＷＰＥが従来のＵＨＭＷＰＥのモールドされたブロックより小さいサイズ、例えば、１．５インチ（約３．８１ｃｍ）直径乃至４インチ（約１０．１６ｃｍ）直径である点で、本願の方法Ｃの基準と一致すること；及び（２）その方法（高温均衡ステップの間）はＵＨＭＷＰＥを溶融するために、発明者らの上述した方法Ｂ、態様３の好ましい条件より、高くした圧力、温度及びより長い時間を用いることの事実に基づいている。
【００５５】
イングランドらの方法は、ＵＨＭＷＰＥ粉末を第１の容器に封入し第１の容器を低温均衡圧力処理して粉末から不完全に固められたストックを形成することを含む。その不完全に固められたストックは第１の容器から取り出され第２の容器に配置され高温均衡プレス機で高温均衡圧力処理される。高温均衡圧力処理は不完全に固められたストックから比較的完全に固められたストックを形成する。比較的完全に固められたストックはインプラントに機械加工される。固められたストックのサイズに関して、特許は：“例えば、４インチ（約１０．１６ｃｍ）のような、より大きい直径で完全に固められたストックでは十分に強化するのに概してより多くの時間を要するけれども、より小さい直径（例えば、１  １／２インチ（約３．８１ｃｍ））で完全に固められたストックでは、十分に密に固めるのに概してほとんど時間を要しない。”と述べている（米国特許第５，４６６，５３０号、“好ましい態様の詳細な説明”の下、段落２６）。高温均衡圧力処理は約３６５度華氏（約１８５°Ｃ）から約４２０度華氏（約２１５．５°Ｃ）までで行われる。高温均衡プレス機がおよそ３６５度華氏（約１８５°Ｃ）に達したとき、１〜２時間の間に圧力も好ましくは約７，５００から約１０，０００ｐｓｉまでの間（すなわち、約５２〜約６９ＭＰａの間）に高められる。更に詳細な方法及びパラメータの好ましい範囲はその特許に記載されている。
【００５６】
ＩＶ．照射ステップ
耐酸化性ポリエチレンインプラントは本発明で開示した放射量を適用する以外は技術的に知られる従来の方法を用いて照射される。従来の照射法の例は本願で述べた参考文献に記載されているが、それらに制限されない。ポリエチレンインプラントに適用される工業的な従来の照射法の総説については、上記エイチ．エイ．マケロップ、AAOS Instructional Course Lectures、５０：１６５−１７９（２００１）、及び上記クルツら、に詳しい。
【００５７】
照射中及び照射後におけるインプラントの表面層の酸化を最低限にするために、インプラントは好ましくは低酸素雰囲気、例えば、真空下；窒素、ヘリウム、又はアルゴン等の不活性ガス中；又は酸素捕集剤を加えて容器内に収容される。そのような低酸素雰囲気で容器内に収容するための既知の方法は、上述した発明の背景欄に記載の各社で使用されるような方法が用いられる。
【００５８】
架橋結合するための照射及び滅菌するための照射ステップは別々（いずれか一方が他方より先）に行われてもよい。しかしながら、効率の理由のため、好ましくは容器内に収容されたインプラントはその耐摩耗性を改良するためにインプラントを滅菌と架橋結合とを同時に行う放射源にさらされる。従来の放射が用いられ、その例としてガンマ線放射又は電子ビーム放射が挙げられるが、これらに制限されない。好ましい放射はガンマ線による放射である。上述議論したように、本発明で開示した放射量を適用する以外は従来の照射法が用いられる。ガンマ線放射又は電子ビーム放射で誘導されるポリエチレンの架橋結合に匹敵する量は、比較的低い摩耗度合いをもたらすことが報告されている（報告の概観については、例えば、エイチ．エイ．マケロップ、”Bearing Surfaces in Total Hip Replacements: State of Art and Future Developments”と題される、AAOS Instructional Course Lectures、５０：１６５−１７９（２００１）；及び上記クルツら、を参照する）。
【００５９】
ポリエチレンの耐摩耗性は放射−誘導架橋結合レベルの増大に伴い改良されることが知られているので、放射量はポリエチレン部材を単に滅菌するために典型的に用いられる２．５乃至４Ｍｒａｄｓの範囲より高くする。
【００６０】
照射量は好ましくは約５から約１００Ｍｒａｄまでとする。ＵＨＭＷＰＥの場合、放射量はより好ましくは約５から約２５Ｍｒａｄまでとし、最も好ましくは約５から約１０Ｍｒａｄまでとする。この最も好ましい範囲は耐摩耗性を改良すること及び他の重要な物理的性質の劣化を最低限にすることの間の適正なバランスを達成することに基づいている。後述するＶ．試験及び選定過程欄で更に議論するように、これらの範囲は他のポリエチレンについては開始時の範囲として用いてもよい。
【００６１】
他方、摩耗の低減を第１と考え、他の物理的性質は第２と考えるなら、上述で規定した最も好ましい範囲（例えば、５〜１０Ｍｒａｄ）より高い放射量が適切である。もし物理的性質及びそれらと耐摩耗性とのバランスを考えるなら、後述する更なる教示に従い放射量を変えてもよい。最適な放射量は好ましくは最終製品のベアリング表面レベルで受ける放射量に基づいている。
【００６２】
上述した放射量の範囲を基準とする代わりに、架橋結合の適切な量は、膨潤度、ゲル含量、又は照射後の架橋結合間の分子量に基づいて決定される。この代替は、１９９８年１月１５日に発行されたオーソピーディック  ホスピタルらの”Crosslinking of Polyethylene for Low Wear Using Radiation and Thermal Treatments”（照射及び熱処理を用いる低摩耗性のためのポリエチレンの架橋結合）と題される、ＷＯ９８／０１０８５で出願人の見出したこと、及び上記マケロップ、エイチ．ら、整形外科研究学会誌１７：１５７−１６７（１９９９）に記載の、これらの物理的パラメータが好ましい範囲にあるＵＨＭＷＰＥから作製された関節カップは摩耗性を低減させるか又は検出できないことに基づいている。これらの物理的パラメータの範囲は好ましくは以下の１以上を含んでいる：約１．７〜約３．６の間の膨潤度；約４００ｇ／モル〜約３，５００ｇ／モルの間の架橋結合間分子量；及び約９５％〜約９９％の間のゲル含量。好ましいポリエチレン又は最終製品は上述した特性の１以上、好ましくは全て、を有している。
【００６３】
これらのパラメータは、耐摩耗性の改良と、ポリエチレンの強力又は剛性等の他の所望の物理的又は化学的特性とをバランスした望ましい放射量を決定するためにＷＯ９８／０１０８５号の発明の第２態様に記載された方法（しかし、上記ＷＯ９８／０１０８５号のアニール又は再溶融は欠落）を適用する出発点として用いてもよい。
【００６４】
上述した考察は以下の節で更に議論される。
【００６５】
Ｖ．試験及び選定過程
発明者らは、ポリエチレンインプラントの製造者等の異なるユーザが耐酸化性、耐摩耗性、及び他の重要な機械的特性（耐疲労性、等）の許容できる組み合わせに関して異なる基準を持っており、所定のユーザ又は製造者ではインプラントのタイプが違うためにこれらの基準が異なることを認識している。それにも関わらず、ここでの議論から、本発明を適用する当業者は耐酸化性、耐摩耗性及び他の機械的特性を測定する確立された方法をこれらの特性がそれぞれの基準を満たすかどうかを決定するために如何にして用いるかを知ることができる。
【００６６】
すなわち、当業者は本発明で開示された方法をポリエチレンの候補作製のために用いることができ、又は当業者はポリエチレンの種類を候補として選定することができ、当業者が所望する特性を満たす本発明の改良された耐酸化性及び耐摩耗性のポリエチレン及び該ポリエチレンから作製されたインプラントを選択するために以下のルーチンテストを適用することができる。
【００６７】
以下に、当業者が使用可能な制限のないルーチン選択ステップの例を示す。当業者はポリエチレンの種類（“未改質ポリエチレン”）を候補として選定することができ又は、ポリエチレンを改質すること（“改質ポリエチレン”）を希望すれば、ポリエチレンの耐酸化性を増加させるために上記（方法Ａ、Ｂ、及びＣに既述した）ステップの１以上を選定することができる。これらのステップは、ほとんどの部分については、ポリエチレンの耐酸化性を改善するための能力において非排他的及び付加的である。ポリエチレン（当業者の所望により改質されたか未改質かのいずれにせよ）は、技術的に知られる方法に従いその耐酸化性についてルーチンでテストする。例えば、後述する実施例１に記載するように、架橋結合を所望のレベルとするためにポリエチレンに照射しそれに続いて棚上エージングする、又は加速エージングするために空気（又は、所望であれば、加圧した酸素）中で延長された時間の間高温にさらし得られた酸化のレベルを測定する。加速エージングの適切な方法は技術的に知られ、例えば、サンフォード、ダブリュ．エム．ら、”Accelerated oxidative aging testing of UHMWPE”（ＵＨＭＷＰＥの酸化の加速エージングテスト）と題される、整形外科研究学会第４１回年次総会議事録１１９頁（１９９５）；サン、ディー．シー．ら、”A simple accelerated aging method for simulations of long-term oxidative effects in UHMWPE implants”（ＵＨＭＷＰＥインプラントにおける長期間の酸化の影響をシミュレーションするための簡単な加速エージング方法）と題される、整形外科研究学会第４２回年次総会４９３頁（１９９６）；及び上記ウォルシュ５４２頁、に記載されている。
【００６８】
結果として生じるポリエチレンの酸化の量は、例えば、シェン、エフ．ダブリュ．ら、”Potential Errors In FTIR Measurement of Oxidation in Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Implants”（超高分子量ポリエチレンインプラントの酸化のＦＴＩＲ測定における潜在的誤差）と題される、生医学材料研究誌、応用生体材料誌（J. Applied Biomaterials）、４８（９３）、２０３−２１０（１９９９）に記載されているように、例えば、ポリエチレン試料をセグメントに切断しフーリエ変換赤外分光法を用いて表面及び表面下で酸化のレベルを測定することにより、又は上記ウォルシュ５４２頁及び５４３頁に記載されているように、サンプル内の深さの関数として密度を測定することにより、測定される。これはいくつかの直接モールディングされたポリエチレンは耐酸化性ではないかもしれないという、上記モリ１１２２の結果の観点から的を得ている。
【００６９】
上述議論したように、ＵＨＭＷＰＥの耐摩耗性は架橋結合の増加に伴い増加する｛例えば、上記マケロップ、エイチ．ら、整形外科研究学会誌１７：１５７−１６７（１９９９）、参照｝。上述議論したように、本発明では、ＵＨＭＷＰＥを架橋結合する照射の量は約５から約１００Ｍｒａｄまでであり、好ましくは約５から約２５Ｍｒａｄまでであり、最も好ましくは約５から約１０Ｍｒａｄまでである。従って、当業者はこれらの範囲をＵＨＭＷＰＥのための照射ステップの出発点として用いてもよい。架橋結合のレベルと耐摩耗性との量的な関係はＵＨＭＷＰＥ以外のポリエチレンでは異なり、候補としたポリエチレンを放射量の範囲、好ましくは約５から約１００Ｍｒａｄまでの間でさらし放射量−摩耗性の関係を調べるためにそれぞれについて適切な摩耗性テストを行うことにより決定される。
【００７０】
サンドスラリ（sand slurry）法、ピン−オン−ディスク（pin-on-disk）法及びインプラントシミュレータテストのような従来の摩耗性テストはポリエチレン試料の耐摩耗性テストに用いられる。好ましくは、インプラントはポリエチレンから直接モールディングされ又は機械加工され、耐摩耗性は架橋結合のレベルの関数として、テストされる特定のインプラントに適切なシミュレータでインプラントを実験室的に摩耗シミュレーションすることで決定される。例えば、多くの従来既知のシミュレータが用いられる。例えば、医療用関節カップインプラントのようなヒップ関節用インプラントのベアリング表面は、上記マケロップ、エイチ．ら、整形外科研究学会誌１7：１５7−１６7（１９９９）に記載されたヒップシミュレータでテストされる。同様に、膝シミュレータはデスジャーディン、ジェイ．ビー．ら、”The Use Of A Force-Control Dynamic Knee Simulator To Quantify The Mechanical Performance Of A Total Knee Replacement Design, During Functional Activity”（全膝代替設計の機能的な活動の間の機械的特性を定量するための力制御動的膝シミュレータの利用）と題される、J. Biomechanic  ３３（１０）：１２３１−１２４２（２０００）に記載されている。シミュレータを含む摩耗及び酸化の研究の総説については、例えば、上記クルツら、に詳しい。
【００７１】
更に、架橋結合はひび割れ堅固性等の他の機械的特性を低下させるので、放射量−応答関係は種々のレベルで架橋結合された試料で、例えば、発行済みの米国材料試験協会標準（ＡＳＴＭ）に記載された特徴的な機械的特性の適切な確立されたテストを行うことによりこれらの特性について十分に調べられる。
【００７２】
上述したように、耐酸化性、耐摩耗性及び他の機械的特性の間の最適なバランスのための基準は異なるユーザ及び製造者の間、及び所定の製造者又はユーザでの、膝ジョイントと比較したヒップジョイントのようなインプラントのタイプの間で変わる。それにもかかわらず、適切な量の耐酸化性、耐摩耗性及び他の機械的特性を有するポリエチレンを製造するための準備パラメータの最適な値は上述したようにしてルーチン的に決定され、要求される試料及びテストの数は確立された実験計画法（ＤＯＥ）の統計的手法の応用により最低限とされる。
【００７３】
本発明を記載してきたが、以下の実施例は本発明を例証し支持するために記載され、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるものではない。
【００７４】
【実施例】
実施例１
ガンマ線照射した超高分子量ポリエチレンの酸化
方法及び材料
重量平均分子量およそ６×１０６の医療用グレードＵＨＭＷＰＥの原料粉末、ＧＵＲ４１５（米国テキサス州のヘキスト）は、そのまま用いた。以下の過程に従い試料を圧縮モールディングした。ＵＨＭＷＰＥの原料粉末をアルミニウム箔で被覆された２枚のステンレス鋼製平板の間の厚さ１ｍｍの円形金型（５ｃｍ内径）に配置した。プレス機を１７０°Ｃに予備加熱しＵＨＭＷＰＥを２時間１７０°Ｃ及び７．５ＭＰａのラム圧力を金型及びポリエチレンにかけて圧縮モールディングした。２時間後、圧力を１５ＭＰａに増加し試料を圧力下で室温まで徐冷却した。
【００７５】
これに代えて、急速冷却し結晶化したＵＨＭＷＰＥについては、１７０°Ｃ及び７．５ＭＰａのラム圧力で２時間モールディングし溶融した試料を圧力から開放し液体窒素浴中で非常に急速に冷却（“クエンチ”）した。試料を空気中室温で約３．４Ｍｒａｄの平均放射量でガンマ線滅菌した。
【００７６】
ＵＨＭＷＰＥの特性をガンマ線滅菌の前及び直後に分析した。ガンマ線滅菌した試料の一式は周囲の空気中で約６．５年間棚上にて保管した。
【００７７】
ガンマ線滅菌したＵＨＭＷＰＥ又はガンマ線滅菌していないＵＨＭＷＰＥの熱特性を示差走査熱量分析法で分析した。約６−９ｍｇに計量した試料を示差走査熱量計（パーキン−エルマ、ＤＳＣ−４）にて５０°Ｃから１０°Ｃ／分で１７０°Ｃまで加熱した。融点（melting temperature）は溶融の吸熱ピークから同定した。温度及び溶融熱の校正のためにインジウムを用いた。結晶化度はＵＨＭＷＰＥサンプルの溶融熱を理想的なポリエチレン結晶の溶融熱（２９２Ｊ／ｇ）で除算することで算出した。
【００７８】
照射されたＵＨＭＷＰＥの架橋結合の程度は材料の膨潤比から評価した。およそ１ｍｍ厚、約０．４グラムに計量されたシートを、照射試料から裁断し、酸化を防止するために０．５重量％の抗酸化剤（２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−メチルフェノール）を添加したｐ−キシレン中で７２時間煮沸することによりゾル分画を抽出した。抽出後、ゲルを新しいｐ−キシレンに移し１２０°Ｃで２時間平衡化した。膨潤したゲルを速やかに計量ボトルに移し、カバーし、計量した。データは５回の測定の平均とした。試料を次にアセトンに浸漬し真空乾燥機内で６０°Ｃにて一定重量となるまで乾燥させた。膨潤したゲルの重量を、抽出し乾燥させたゲルの重量で除算することで膨潤比を算出し、抽出し乾燥させた重量の初期の抽出していないサンプルの重量に対する比からゲル含量を決定した。フローリ及びレーナの理論｛シェンら、高分子科学誌（J. Polym. Sci.）、高分子物理学誌（Polym. Phys.）、３４：１０６３−１０７７（１９９６）｝に従い、膨潤比を用いて網状鎖密度、架橋結合間の数平均分子量及び架橋結合密度を算出した。
【００７９】
ガンマ線滅菌し棚上エージングしたＵＨＭＷＰＥの酸化はフーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）で評価した。棚上エージングしたＵＨＭＷＰＥのセグメントをポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）中に埋植し２００ミクロン（μｍ）厚の薄片に切断した。酸化測定は顕微鏡（米国コネチカット州のスペクトラ−テック、インク．のスペクトラ−テック  アイアール  プラン）を備えた透過型（transmission）ＦＴＩＲ（米国ウィスコンシン州のマットソン  ジェネシスＩＩ）を用いて行った。測定は０．１×０．１ｍｍの窓（window）を用いて行い、表面で開始し１００ミクロンステップで厚さ方向に移動させ、１６ｃｍ−１の分解能で６４回の走査を合計した。酸化は１７１７ｃｍ−１のカルボニル吸収の高さを２０２２ｃｍ−１の基準ピークの高さで除算することで算出した。
【００８０】
結果及び議論
熱特性、膨潤比及びゲル含量を表１に示す。
【００８１】
【表１】
0004256096.tif 000002
【００８２】
ガンマ線滅菌し棚上エージングしたＵＨＭＷＰＥの酸化プロファイルを図１に示す。図１に示すように、急速冷却したＵＨＭＷＰＥは徐冷却したＵＨＭＷＰＥと比較して、最大酸化の約５７％の減少を伴い、改良された耐酸化性を示した。
【００８３】
上述した発明は、明快及び理解の目的のために例証及び実施例を通してある程度詳細に記載したけれども、当業者の技術でなされる種々の変更及び変化は、添付された特許請求の範囲内と考えられることは明らかである。ここに示した基本発明の明らかな変化を考慮する将来の技術的な進歩もまた特許請求の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は徐冷却及び急速冷却して結晶化したＵＨＭＷＰＥを空気中３．４Ｍｒａｄの平均放射量でガンマ線放射滅菌し、続いて空気中室温で約６．５年間保管したものの酸化プロファイルを図示している。
【図１】
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