ZIMMER TECHNICAL MEMO

長期耐久性を目指す
Vivacit-E® ビタミン E 添加ハイリークロスリンクポリエチレンの開発

背景

ポリエチレン内のビタミン E が継続的に酸化防止効果を発揮する

人工股関節置換術（以下、THA）は、生涯を通して活動的な生程が不要となり、結果的に機械的特性が向上する 12, 13。

ことから、ビタミン E 添加により照射後のメルトアニーリング工

活を望む若年患者にも施行されるようになった。こうした患者背景の変化により、インプラントの長期耐久性がますます必要とさ結果れている 1。近年、増加傾向にあったメタルオンメタル摺動面は金属イオンの流出が問題視され、若年患者に対するセラミック
ヘッドとクロスリンクポリエチレンライナーの選択が増加しつつ

Vivacit-E® が臨床成績を持つ既存製品よりも優れた長期耐久性をある。1990 年代に初めて導入されたクロスリンクポリエチレン

持つことを証明するため、広範囲な試験を実施した。メルトア

ライナーには、術後 10 年経過しても生体内で良好な耐摩耗性がニーリングを採用したクロスリンクポリエチレンとガンマ線照射報告されている 2。しかし、近年の研究では生体内の酸化が長期した従来型ポリエチレンでは、加速劣化試験の 10 週目前に破損

3-7

性能に影響しうると考えられており 、術後 20 年、30 年におけが認められた 8。一方、Vivacit-E® は加速劣化試験の 24 週後（業る耐久性は明らかになっていない。数年にも及ぶ研究開発の結果、

界基準の 12 倍の期間）でも酸化することなく、機械的特性を維ポリエチレンに対して直接ビタミン E をグラフト固定するという持していた。また、シミュレータ試験において、Vivacit-E® は独自技術を用いることで生体内の酸化問題に取り組んだ

8, 14-19。そ

ガンマ線照射の従来型ポリエチレンに比べて摩耗が 96% 低減し、の結果、ビタミン E を添加したハイリークロスリンクポリエチレ

Longevity® に匹敵する耐摩耗性が証明された 9-11。さらに、機械ン「Vivacit-E®」が開発されるに至った。Vivacit-E® の主な三つ

的特性試験においても、Vivacit-E® はメルトアニーリングのクロの性能特性は以下の通りである。

スリンクポリエチレンの強度を上回り、ガンマ線照射した従来型
ポリエチレンの強度を維持することが証明された 12, 13。

1. 酸化安定性の向上 3, 8
2. 耐摩耗性の向上 9-11結論

3. 強度の向上 12, 13

若年患者への THA の増加に伴い、整形外科業界ではインプラン
トに対する長期耐久性が求められている。こうした要求を満たす
ため、クロスリンクポリエチレンへのビタミン E グラフト固定を方法採用した結果、Vivacit-E® は酸化安定性、耐摩耗性、強度の向上を実現することが可能となった 8-13。

従来より使用されてきた材料や開発方法を活用しながら、抗酸化物質によるポリエチレンの安定化で、材質性能の長期的維持が可能となると考えられた。様々な検討を行った末に抗酸化物質のビ
タミン E を採用し、酸化安定性、耐摩耗性、そして強度を向上させる工程を開発した 8-13。適量のビタミン E をポリエチレン粉体に混合し、厳重な管理のもと材質全体にわたる濃度の均一化を図る。次に、臨床実績のある Longevity® と同等の効果が得られる
線量の電子ビームをビタミン E 添加ポリエチレンブロックに高温下で照射する 2。この電子ビーム照射工程において、架橋による耐摩耗性が得られると同時に、ビタミン E がポリエチレン鎖にグ
ラフト固定され、長期的な酸化安定性が得られる 8-11, 14-19。

1

はじめに

一方、摘出したライナーの酸化から生体内での摩耗を示唆する最活動性の高い若年患者の増加

り、摩耗増加や強度低下につながる 5-7。生体内で酸化を引き起こ

近の研究が存在する 3, 4。酸化はポリエチレン劣化の主な機序であすと考えられる要因は、急速に酸化する脂質の吸収と、日常動作

若年患者への THA 施行が増加傾向にあり、米国では初回 THA

での周期的荷重によるフリーラジカル発生の 2 つである。生体内1

患者の五分の一以上が 55 歳以下である（図 1） 。若年患者層はでの設置期間が長期化しているが、こうした酸化や大骨頭での高生涯を通して活動的であることを望むため、インプラントの長期い摩耗率が、今後臨床成績にどのような影響を及ぼすかは定かで的耐久性が求められている。

はない。しかし、ライナーの酸化を示すデータは、10 年以上の長期耐久性を要する若年患者のための摺動面技術を再評価する必Average
Age THA
THA
患者の平均年齢
68.0
67.5
67.0
66.5
66.0

要性を示唆している。

67.4
66.5

66.8

1970 年代 従来型ポリエチレンの臼蓋ライナーへの適用

66.3
65.7

65.5

66.0

65.7

65.5

65.2 65.4 65.1 65.4

1980 年代

65.0

従来型ポリエチレンの不活性環境化でのガンマ線滅菌（酸化安定化の向上）

65.01990 年代 ハイリークロスリンクポリエチレン（耐摩耗性の向上）

64.5
64.0
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

図1

2000 年代 活動性の高い患者に対するメタルオンメタルの最盛期

米国における THA 患者の平均年齢 12010 年代図2

活動性の高い患者へのメタルオンメタル技術
活動性の高い患者は、関節安定性、耐摩耗性、機械的特性、そして耐久性といった優れた性能特性を持つ股関節インプラントを必要としている。こうした性能特性の実現にむけて整形外科業界は
度重なる摺動面の技術革新を行ってきた（図 2）。2000 年代には、大骨頭でも長期耐久性、低摩耗性、関節安定性があると考えられたことから、活動量の多い若年患者の治療にメタルオンメタル人
工股関節が広く採用された。最盛期の 2007 年には米国においてメタルオンメタルが THA の 37% を占めていたが、金属イオン流出への懸念からごく限られた症例にしか使用されなくなった 20。
こうしたメタルオンメタルの盛衰を経て、活動量の多い若年患者のニーズに応えるインプラントの必要性が高まっていった。

活動性の高い患者へのクロスリンクポリエチレン
メタルオンメタルの衰退により、活動性の高い患者に対するセ
ラミックヘッドとクロスリンクポリエチレンの適応が増加した。
1990 年代に開発されたクロスリンクポリエチレンは、従来型ポリエチレンに問題をもたらしたポリエチレンの摩耗やそれが原因で発生する骨溶解リスクを低減した。マサチューセッツ総合病院が主管となった 6 施設による多施設研究では、Longevity® および Durasul® といったメルトアニーリングを採用したハイリーク
ロスリンクポリエチレンライナーは、術後 12 年の経過観察において生体内の摩耗が極めて少ないことが証明された 2。クロスリ
ンクポリエチレンの耐摩耗性は、関節安定性を高めて脱臼リスクを低減する 36mm や 40mm といった大骨頭を使用する場合でも、高い信頼性が示された 21-24。

2

Vivacit-E ビタミン E 添加ハイリークロスリンク
ポリエチレン（活動性の高い患者への長期耐久性）

人工股関節全置換術の摺動面の変遷

ビタミン E を添加したハイリークロスリンクポリエチレン「Vivacit-E®」

ビタミン E の効果

人工股関節インプラントに対する長期耐久性のニーズに応えるべの水酸基（OH）からポリエチレン鎖のフリーラジカルに水素をく、酸化の問題を解決することを目的に、抗酸化物質であるビタ

供給することによって生じる（図 4）。

ミン E をハイリークロスリンクポリエチレンにグラフト固定させビタミン E がポリエチレン内に組み込まれると、フリーラジカル

る独自技術を導入した 14-19。そして、ビタミン E を添加したハイが酸素と反応しないように持続的にフリーラジカルを抑制する。

ビタミン E（α- トコフェロール）の抗酸化作用は、クロマン環®

リークロスリンクポリエチレン、Vivacit-E が開発されるに至っこれにより酸化サイクルの進行を阻止し、ポリエチレンの劣化をた。Vivacit-E® は、酸化安定性、耐摩耗性、強度という 3 つの性防止する。ポリエチレン酸化を持続的に抑制するには、一定量の8-13ビタミン E が必要である 25。

能特性を持つ臼蓋ライナーである（図 3） 。

VitaminE Molecule
ビタミン E 分子
酸化安定性

CH3
H3C

CH3

O
CH3

OH
hydroxyl
水酸基

耐摩耗性

CH3

CH3

CH3

機械的強度
Chroman
ring
クロマン環

図3

CH3

図4

ポリエチレンに必要とされる性能特性

炭化水素側鎖Hydrocarbon
Trail

ビタミン E の分子構造

ポリエチレンのビタミン E 添加工程

本稿では、実績のある既存製品を超える長期耐久性を目指した

blending（混合）と soaking（浸漬）Vivacit-E® の開発や実証のために実施された研究について詳述する。

ビタミン E を超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）に添加する
ためには、主に二つの方法が存在する。1 つ目の方法は soaking

抗酸化物質によるポリエチレンの安定化（浸漬）､ もしくは infused（浸透）と呼ばれている。この処理では、クロスリンクポリエチレンをビタミン E に数時間浸ける（約

酸化安定性は、ポリエチレンの長期臨床成績を左右する主な要素
3-7のひとつである 。非可逆的で進行性の酸化は、製造工程での放120℃）。その後、ビタミン E を浸けたポリエチレンを不活性環境

射線照射や日常生活での周期的荷重により生体内に発生したフの窯に入れ、ビタミン E がポリエチレン全体に広がるまで 120℃

リーラジカルが酸素と結合することによって発生する。この酸化で均質化（焼付け）を行う。こうしたビタミン E の物理的な浸漬プロセスにより、機械的特性の低下や摩耗の増加が生じる。酸化では、ポリエチレン内でのビタミン E 濃度分布にむらが生じるこを防ぐためには、フリーラジカルが酸素と反応する前に元を絶つとから、材料特性に均一性が得られない可能性がある。フーリエ25

変換赤外分光計（FTIR）を用いて、ビタミン E に浸漬した他社必要がある 。これが抗酸化物質の役割である。

のビタミン E 浸漬クロスリンクポリエチレンの化学組成の調査研究が行われた。この分析から、ライナー全体のビタミン E 分布が抗酸化物質の選択

不均一であり、soaking（浸漬）でビタミン E を均一に添加することが困難であることが示唆された 26。

30 以上の抗酸化物質について調査を行い、酸化防止能力、製造可能性および生体適合性に基づいて評価を行った。その結果、ビ
タミン E がその強力な抗酸化作用により採用された。栄養補助食品としても知られるビタミン E は、細胞膜の酸化を防ぐために人体に必要とされるものである 25。確実な抗酸化効果を求めて、栄養サプリメントや強化食品、化粧品に用いられる d/l-α- トコフェ
ロールという高純度合成ビタミン E を採用した。

3

生体適合性2 つ目の方法は、圧縮成形前にビタミン E をポリエチレン粉体に混ぜ込む blending（混合）という方法である。ビタミン E を添

クロスリンクポリエチレンとビタミン E は人体との生体適合性が加したポリエチレンブロックに放射線照射を行い、架橋結合（ク

証明されているが、新たなインプラントに対しても生体適合性を

ロスリンク）させる。ビタミン E をポリエチレン粉体と混合する

明らかにすることが重要である。Vivacit-E® の生体適合性を立証

blending（混合）工程により、ポリエチレン全体へのビタミン Eするため、ISO 10993 に準拠した広範囲にわたる試験を実施したの均一な分布が可能となると同時に、ビタミン E の濃度を厳密に（図 6）。Vivacit-E® はすべての試験に合格し、炎症反応が穏やか

管理することができる。ビタミン E の濃度が不十分な場合、酸化で局所毒性の影響がないことが示された 28-38。

安定性が持続せずに材料特性に悪影響を与えうるために、こうしたビタミン E 濃度管理は極めて重要である。Vivacit-E® に FTIRISO 10993 生体適合性試験分析を行った結果、ビタミン E 濃度が材料全体にわたり均一であ27

り、厳密に管理されていることが明らかになった 。

ISO標準／試験の種類

結果10993-5細胞毒性試験

細胞溶解または細胞毒性を引き起こす証拠なし

10993-11急性全身毒性試験

全身毒性の証拠なし

10993-10Maximization法による皮膚感作性試験遅延性皮膚接触感作を引き起こす証拠なし

10993-10皮内反応試験

本試験のすべて条件を満たす

10993-3遺伝毒性試験

小核を誘導しない

密にビタミン E 濃度の管理することで、Vivacit-E® の材料全体

10993-11（13）
週単位の全身毒性試験

全身毒性の証拠なし

にわたるビタミン E の均一化を図った。次に、臨床実績のある

10993-6
（2）
と
（12）
週単位の
筋肉内埋植試験

無刺激性に分類10993-11（26）
週単位の全身毒性試験

無刺激性に分類

Vivacit-E® の製造工程
酸化安定性と耐摩耗性、機械的特性の向上を目指して、blending（混合）と soaking（浸漬）の両工程に対する調査や考察を重ね、独自の blending（混合）工程が開発された（図 5）。はじめに、ビタミン E をポリエチレン粉体に直接混合する。ここで厳®

2Longevity の有効量に相当する電子ビームを高温下で照射する 。
この電子ビーム照射工程おいて、耐摩耗性を高める架橋結合（ク図6

ロスリンク）が得られると同時に、ビタミン E のポリエチレン鎖

ISO 10993 準拠の生体適合性試験

へのグラフト固定が行われ、長期的な酸化安定性を維持すること

摩耗粉に対する生物学的反応が可能となる 9-11,14-19。ポリエチレンへのビタミン E 添加により、架橋後のメルトアニーリング工程で酸化安定性を得る必要がなく

ISO 10993 に 加 え て、Vivacit-E® の 摩 耗 粉 に 対 す る 生 物 学 的なり、機械的強度が高められる 12, 13。

反応を動物試験によって評価した。Vivacit-E® の生体適合性を示すため、データを FDA および BSI に提出した。何十億ものVivacit-E® 粒子をウサギの膝関節にそれぞれ注入し、3 ヵ月およ®

Vivacit-E の製造工程

び 6 ヵ月後に殺処分した。生物学的反応は、臨床所見、体重、血液学的検査、解剖時の目視による観察、腎臓やリンパ節などの組

GUR 1020 樹脂とビタミン E を混合

織や臓器の組織学的評価によって局所的および全身的に評価し↓た。Vivacit-E® 粒子は、有害な生物学的反応を引き起こさなかったことから無刺激性に分類された 28, 29。

圧縮成形↓
高温電子ビーム照射↓
インプラント形状に仕上げ↓
空気中で包装↓エチレンオキサイド滅菌

図5

Vivacit-E® の製造工程

4グラフト固定：ポリエチレンへのビタミン E の結合

FTIR to Measure Extracted Vitamin E
抽出したビタミンEのFTIR測定

0.8

Vivacit-E® の工程では、共有結合（2 つの原子が電子を共有する

0.7

チレンに効果的にグラフト固定される。この高度なグラフト固定

0.6により、適度な濃度のビタミン E が材料に保持され、酸化を防止

0.5

Absorbance

吸光度ことによる化学結合）により、75 〜 90% のビタミン E がポリエ

する 18, 19。

特徴的なビタミンEのピーク
Characteristic VE Peak

0.4
0.3

soaking（浸漬）では放射線照射後にビタミン E 浸漬が行われる

ビタミン E サンプルの抽出溶液 - ピークなし

0.2

ために、架橋（クロスリンク）が行われる段階でビタミン E のグ

0.1

ラフト固定が起こらない。ポリエチレンにグラフト固定されてい0.0ないビタミン E は、生体内で受ける荷重や振動によって材料外へ

VE HXPE Extration Residue - No Peak
3800

3600

3400

3200

3000

2800

2600

2400

3800

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

波数

溶出する可能性がある 27。

Wavenumber

図8

放射線照射：ガンマ線と電子ビーム
他社のクロスリンクポリエチレンは、架橋にガンマ線照射を使用している。低エネルギーの照射源であるガンマ線は、クロスリンクポ
リエチレンに必要とされる線量に到達するのに数時間を要する。照純ビタミン E を添加したヘキサンの FTIR スペクトル（上部）と 0.30 重量 % ビタミン E 添加クロスリンクサンプルの抽出後のヘキサンの FTIR スペクトル（下部）。矢印は、ヘキサン
中の純ビタミン E によって生じた特徴的なビタミン E のピークを示す。ビタミン E 添加クロスリンクサンプルからは残留
ヘキサンのピークが認められない。このことから、サンプル
からビタミン E が抽出されていないことが示された 41。

射工程において常時ポリエチレンを高温に維持することが困難であ

酸化安定性の向上

るため、ガンマ線照射では高温照射が行われることはない。
これとは対照的に、電子ビームは高エネルギーの電子流を放射し、加速劣化後における Vivacit-E® 性能特性の維持数秒で必要とされる線量に達することから、ポリエチレンの高温照射が可能である。すなわち、電子ビーム照射だけが高温照射を実現

過酷な条件での加速劣化試験によって Vivacit-E® の酸化安定性のできる。ビタミン E のグラフト固定には、
高線量かつ高温の電子ビー向上が証明された。酸化はポリエチレン劣化の主な機序であり、ム照射が必要である。図 7 に示すように、マサチューセッツ総合病

摩耗増加や強度低下につながる25。ASTM 規格 F2003 に準拠し、院の研究では、低温照射よりも高温照射において、ビタミン E のグ

純酸素雰囲気下で Vivacit-E® の加速劣化を実施した8。このよう

ラフト固定率が有意に増加することが示されている 14。

な加速劣化は、酸素を材料に取り込ませることで酸化を起こすことを目的としている。
引張試験では、材料を恒久的に変形させるのに必要な引張力や延Vitamin
E Graftingビタミン
E のグラフト固定

伸力、材料が破壊に至る引張力を計測する。図 9 に Vivacit-E®、
メルトアニーリング工程を採用したクロスリンクポリエチレン、Graft percentage（%）(%)
グラフト固定率

低温照射
Cold Irradiated

ガンマ線照射した従来型ポリエチレン、それぞれの加速劣化サ

高温照射Warm Irradiated

ンプルおよび未劣化サンプルの引張強度の維持率を示す。ガン
マ線照射した従来型ポリエチレンは、加速劣化試験の 4 週目で引張強度が大きく低下する。メルトアニーリング工程を採用した
ポリエチレンは、想定通りに機械的特性の劣化が発生するまでの期間が大幅に延長した。Vivacit-E® は、加速劣化試験後 24 週目に引張強度のわずかな低下が見られるが、酸化は測定不可能な

NA
0

図7

25

50

75

100

レベルであった。本試験から、過酷な加速劣化条件においても、
125

150

Vivacit-E® に含まれるビタミン E が継続的に酸化防止効果を発揮
していることが実証された 8。

低温照射と高温照射におけるクロスリンクポリエチレンのRadiation Dose (kGy)ビタミン E グラフト結合の比較 14

グラフト固定：ビタミン E の溶出防止
グラフト固定によるビタミン E の溶出防止効果を実証するため、極性溶媒および非極性溶媒を用いてビタミン E を意図的に除去す
る抽出試験を実施した。生体内の条件をはるかに超えるこのような極端な抽出法を用いても、抽出物にビタミン E が含有することはなかった（図 8）。本試験から、Vivacit-E® にビタミン E が保たれていることが実証された 41。

5

酸化を引き起こす脂質吸収の防止

引張強度の維持率
Percent
Retention of Tensile （%）
Strength(%)

加速劣化試験
Accelerated
Aging Testing

クロスリンクポリエチレンは、梱包内および生体内での長期酸化100%

安定性を維持するという製品コンセプトを持つ。近年の摘出試験において、当初は永久的に安定すると考えられていたクロスリン

Vivacit-E®
メルトアニーリングのクロスリンクポリエチレン
従来型ポリエチレン

クポリエチレンに酸化の兆候が示されている 3-6。酸化指数 1.5 以
上で機械的特性は低下するという相関性があり、生体内で疲労損
傷を引き起こす可能性がある 47。図 11 に設置後 4 年経過した他

50%

社の連続架橋ライナーの摘出品の酸化結果を示すが、最大酸化指数は 1 を超えていた 4。
0%

Non-Aged
非劣化

2

4

6

8

10 12 11

14 16

18 10

22 24

Oxidation Index of Explanted Stryker X3摘出した他社の連続架橋ライナーの酸化指数

加速劣化期間による引張強度の維持率

図9カルボニル指数
Carbonyl Index （A.U.）(A.U.)

Accelerated
Aging Time
(weeks)
加速劣化期間（週）
8

酸化環境でのサイクル荷重に対する耐亀裂性
生体内での酸化は機械的荷重やサイクル荷重により生じ、ポリエ

Articular Surface
摺動面
Rim
辺縁

2.0

1.5
1.0
0.5
0.0
0.0

チレンの破損を引き起こす可能性がある 39。耐環境応力亀裂を評

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Depth (MM)

深さ
（mm）

価するために、ガンマ線を照射した従来型ポリエチレン、メル
トアニーリング工程を採用したクロスリンクポリエチレン、そ図 11

4 年経過した他社の連続架橋ライナーの酸化 4®

して Vivacit-E に対して空気中 80℃、周波数 0.5Hz で 10MPa の曲げ応力を与えた。ガンマ線を照射した従来型ポリエチレンと他社の連続架橋ライナーの想定外の酸化は、生体内で吸収された

メルトアニーリング工程を採用したクロスリンクポリエチレン

脂質の酸化またはサイクル荷重で生じたフリーラジカルが原因では、150 万サイクルの試験終了前に酸化し、亀裂が生じた。一方、あると考えられた。脂質はフリーラジカルと接触すると即座に酸

Vivacit-E® は規定の 150 万サイクルの試験では亀裂は起こらず、化するため、ポリエチレンの脂質吸収を理解しておく必要がある。

酸化はごくわずかであった 40（図 10）。

Vivacit-E® は、ガンマ線照射の従来型ポリエチレンとメルトア
ニーリングのクロスリンクポリエチレンと比較して、液状脂質の吸収が有意に少ない。ビタミン E が液状脂質の吸収を低下させる
正確な機序はよくわかっていないが、ビタミン E がポリエチレン

平均 Average
NIUTEC
酸化指数
NIUTECOI

0.3の自由体積を満たすために脂質環境の入り込む空間が減少するこ

0.25
0.2
0.15
0.1

ビタミン
Vitamin E Eとが原因である可能性が最も高い。Vivacit-E® に含まれるビタミ®
Longevity
Longevity HXPE

ン E は、照射後にポリエチレン分子とグラフト固定するため、脂Conventional
従来型ポリエチレン質環境に置き換わられることが抑制される 42。

0.05

ガンマ線照射の従来型ポリエチレン、メルトアニーリングのクロ

0

スリンクポリエチレン、Vivacit-E®、それぞれにおける脂質吸収による酸化を図 12 に示す。加速劣化後に脂質環境において 500

-0.05

0

0.5

1

1.5

Million
2 （百万サイクル）

万サイクルの摩耗試験を実施し、次いで 2 回目の加速劣化を施

Cycles to cracking
亀裂までのサイクル数

図 10した。メルトアニーリングのクロスリンクポリエチレンとガンマ線照射の従来型ポリエチレンは、摩耗試験で急速な酸化が発生す

亀裂までのサイクル数と酸化指数の平均値（空気中 80℃、周波数 0.5Hz で 10MPa）▲は試験終了時に亀裂がなかったことを示す

る脂質を吸収したために、加速劣化中に酸化しやすくなった。一方、Vivacit-E® は 3 度目の加速劣化後に 500 万サイクルの摩耗シ
ミュレータ試験を行い、さらに追加の加速劣化を行った後の酸化指数は 0.02 未満となり、酸化が認められなかった。これによりVivacit-E® は脂質吸収による酸化を防止することが実証された 43。

6クロスリンク
ポリエチレン

1,990

Vivacit-E®

1,790

加速劣化2週間+5百万サイクル+
2 wk加速劣化6週間
aged + 5Mc + 6wk aged

Mass Loss
(mg)
質量減少
（mg）

従来型
ポリエチレン

2.50

Oxidation
Index (OI)
酸化指数
（OI）

4500万サイクルの摩耗試験
45 Million Cycle Wear Test

表面からの深さ1000μmの酸化指数
Oxidation
Index (OI) at 1000 micron Depth from（OI）
Surface

3.00

2.00
1.68
1.50

1,190

レン

990

l
エnaチ
リ
ntio
nve
型Coポ

790

従来

590
390

1.00
加速劣化
22週間
wk aged

0.50

加速劣化
6週間
6wk
aged

加速劣化
Aged

0.81

加速劣化2週間+
5百万サイクル
2 wk aged + 5Mc
加速劣化6週間+
65百万サイクル
wk aged + 5Mc

0.08

0.05 0.02
0.01

0.00

図 12

1,590
1,390

0.04 0.02

加速劣化+
Aged+5
Mc Wear
5百万サイクル摩耗

Vivacit-E
Vivacit-E
HXPE

®

190

加速劣化6週間
6 wk aged + 5Mc+5百万サイクル+ 6wk aged
+加速劣化6週間

-10

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44 45

Cycles(Millions)
サイクル数（100万サイクル）

0.02

加速劣化+5百万サイクル
Aged+ 5Mc Wear
摩耗+加速劣化6週間
6 wk aged

図 14

加速劣化及び摩耗試験後の酸化指数 43。
酸化指数が 1.5 以上で機械的特性が低下し、生体内での疲労損傷を引き起こす可能性がある 47。

ISO 14242-1 に準拠した 12 ステーション AMTI 製股関節シミュレータを使用。従来型ポリエチレンの 500 万サ
イクル以上の数値は推測値 44。

加速劣化後も維持される耐摩耗性
ポリエチレンが酸化すると摩耗が増加することがわかってい耐摩耗性の向上®

る5-7。Vivacit-E® は加速劣化後も耐摩耗性を維持することを実®

Vivacit-E の先行品である Longevity は、臨床試験でもシミュ証しようと試みた。ASTM F2003 に準拠して 2 週間劣化させたレータ試験でも優れた耐摩耗性を示す。Vivacit-E® に Longevity®

Vivacit-E® ライナーと 6 週間劣化させた Vivacit-E® ライナーにと同等の架橋密度および摩耗性能を持たせるために、十分な線量

対して、500 万サイクルの摩耗シミュレータ試験を行った（ISOでの電子ビーム照射を行った。ガンマ線を照射した従来型ポリ14242）。それぞれの Vivacit-E® の体積摩耗は統計学的に同等であ®

エチレンと比べて、Vivacit-E の摩耗は 96% 低減しており（図り、Vivacit-E® は 2 週間劣化させたガンマ線照射の従来型ポリエ

13）、標準的な 500 万サイクルの摩耗シミュレータ試験においチレンよりも体積摩耗が 96% 低減していた（図 15）9。

ても臨床実績のある Longevity® と同等の耐摩耗性が得られていた 2, 9-11。Vivacit-E® の長期にわたる耐摩耗性を実証するため、4500 万サイクルでシミュレータ試験を行ったところ（図 14）、
Vivacit-E® は長期的に耐摩耗性を有することが実証された 44。

加速劣化期間の延長後でも耐摩耗性を保持
Rentention of Wear Properties After Extended Aging
従来型ポリエチレン
Conventional 2 wk aged200

加速劣化2週間
Vivacit-E
Vivacit-E ®HXPE
2wk aged

50

40

96%
96%

30

150

100

50

20

0

10

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

Cycles (millions)
サイクル数（100万サイクル）

0

40mm径
Vivacit-E HXPE®
Vivacit-E
40mm
2wk aged
加速劣化2週間

図 13

Vivacit-E ®HXPE
6wk aged
加速劣化6週間
Vivacit-E
Mass L（mg）
oss (mg)
質量減少

3VolumetricWear(mm³/Mc)
体積摩耗率（mm/百万サイクル）®
従来型ポリエチレンと比較した際のVivacit-Eの摩耗低減率（%）% Wear Reduction Compared to Conventional

32mm径Conventional
従来型ポリエチレン
32mm
2wk aged
加速劣化2週間

図 15

ISO 14242-1 に準拠した 12 ステーション AMTI 製股関節シミュレータを使用した 9-11。

7

12-station AMTI hip simulator in accordance with ISO 14242-1 at afrequency of 1.0±0.1 Hz.

摩耗シミュレータ試験から、Vivacit-E ライナーでは 2 週間の加速劣化と 6 週間の加速劣化との間に統計学的差異は認められなかった。ISO 14242-1 に準拠した 12 ステー
ション AMTI 製股関節シミュレータを使用 9。

強度の向上Longevity® は、メルトアニーリング工程により酸化安定性が得られるが、この工程で機械的強度がわずかに減少する。Vivacit-E®
ではビタミン E により酸化安定性をもたらすことでメルトアニー
リング工程を不要とした。これによって、Vivacit-E® はガンマ線照射の従来型ポリエチレンと同等の強度を保持することが可能と荷重なった（図 16、図 17）。Vivacit-E® は常に酸化による劣化を阻止

Load

しているため、過酷な条件の加速劣化後でも材料の強度が維持される 8, 12, 13。
図 18

前方開角 20°、外方開角 20°
／ 40°
／ 60°
での解剖学的な疲労試験

最大引張強度Ultimate Tensile Strength

Ultimate
Tensile（MPa）
Strength (MPa)
最大引張強度

60

連続架橋ライナーを超える Vivacit-E® の強度（劣化および未劣化スモールパンチ試験の結果より）

50

スモールパンチ試験は材質の機械的特性を示す方法であり、小さ40い試験片で完成品の検査ができるという利点がある。スモールパ

30

ンチ試験では、小さい円板試験片に荷重を加えて変形を測定する

20

示され、ここから破壊に要する総エネルギー（荷重変位曲線の総ことによって機械的特性を評価する。結果判定は荷重変位曲線で面積）、ピーク荷重、極限荷重、最大変位が得られる。材料の摩耗について荷重変位曲線の面積への依存性が示唆されている 25。

10

連続架橋ライナーと Vivacit-E® ライナー、それぞれ加速劣化サン0Vivacit-E
Vivacit-E
HXPE
®

図 16

プルと未劣化サンプルに対してスモールパンチ試験を実施し、加従来型
Conventional
ポリエチレン

速劣化による機械的特性への影響を比較した。抗酸化物質を含ま最大引張強度の比較 12, 13ない連続架橋ライナーに対して 2 週間と 4 週間の加速劣化を行ったところ、機械的特性は 54% から 68% 低下していた。また、4 週間の加速劣化後の連続架橋ライナーの破損に要する総エネルギー

引張降伏強度Tensile Yield Strength

は、4 週間の加速劣化後の Vivacit-E® の破損に要する総エネルギーの半分以下であった（図 19）。

25

連続架橋ライナーに対するスモールパンチ試験
Stryker X3 Small Punch Results

20

15

80

10

60

荷重
（N）
Load
[N]

TensileYield Strength(MPa)
引張降伏強度
（MPa）

30

5
0

図 17

Vivacit-E®
Vivacit-E HXPE

加速劣化

20

従来型
Conventional
ポリエチレン

未劣化
unaged

22週間の
wks

40

4週間の
加速劣化

4 wks
0

引張降伏強度の比較 12, 13

0

2

4

6

Displacement
変位（mm） [mm]

解剖学的疲労試験

図 19

Vivacit-E® ライナーに日常生活動作を再現し、臨床的に発生すると考えられる荷重を加えた。前方開角 20°に固定し、外方開角を
20°
、40°
、60°
に変動させたカップ設置角度において Vivacit-E® ラ
イナーに疲労荷重を与えた。どのライナーも破砕することなく疲
労試験が完了した（図 18）45。

8

スモールパンチ試験での連続架橋ライナーに対する荷重
変位曲線 46

Vivacit-E® は、33 週間の加速劣化を行った後でも機械的特性に統計的有意差は認められなかった（図 20）。このように、Vivacit-E® は、
加速劣化条件においても連続架橋ライナーよりも強度が長期的に持続することが実証された 46。
®
Vivacit-E
に対するスモールパンチ試験
Vivacit-E
HXPE Small Punch Results

80
未劣化
unaged

荷重
（N）
Load
[N]

60
40

33週間の加速劣化
33 wks aged

20
0
0

2

4

6

Displacement[mm]
変位（mm）

図 20

スモールパンチ試験での Vivacit-E® に対する荷重変位曲線。試験片に対して最大 33 週間の加速劣化を実施。加速劣化サンプルと未劣化サンプルとの間に統計学的有意差は認められない 46。

9結論
若年患者への THA の増加に伴い、整形外科業界では長期耐久性を持つインプラントへのニーズが高まっている。このようなニーズに応えるために開発されたのが Vivacit-E® である。Vivacit-E®
は、自社製品において最も長寿命で耐久性の高いポリエチレンラ
イナーを目指して開発されたものであり、以下の 3 つの重要な性
能特性を兼ね備えている。

酸化安定性
Vivacit-E® は、ポリエチレンに直接グラフト結合する方法で適量のビタミン E を材質内に組み込むことによって、継続的に酸化防止効果を発揮する。その結果、過酷な酸化環境においても耐摩耗性と機械的強度を維持するポリエチレンライナーの開発が実現した 8。

耐摩耗性
高線量の電子ビーム照射を採用した Vivacit-E® は、ガンマ線照射の従来型ポリエチレンとの比較で 96% の摩耗低減を実現し、臨床実績のある Longevity® と同等の耐摩耗性を獲得した 9-11。

機械的強度
ビタミン E の酸化防止効果により、Vivacit-E® では架橋後のメルトアニーリング工程が不要となった。Vivacit-E® は、Longevity®
よりも機械的強度が向上し、ガンマ線照射の従来型ポリエチレン
よりも高い引張強度が得られた 12, 13。

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