СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВВЕДЕНИЯ МНОГОЧИСЛЕННЫХ ДОБАВОК В СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ПОЛИЭТИЛЕН
SYNERGISTIC EFFECTS OF BLENDING MULTIPLE ADDITIVES IN ULTRAHIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE

Перекрестная ссылка на родственные заявки на изобретения
В настоящей заявке на изобретение заявлен приоритет предварительной заявки на патент США №61/175308, поданной 4 мая 2009 года, включенной в данный документ путем ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение относится к устойчивым к окислению полимерам, включая их изготовление и применение. Они включают в качестве не ограничивающего объем изобретения примера устойчивый к окислению перекрестно сшитый сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Кроме того, изобретение относится к применению полимеров, включая устойчивый к окислению перекрестно сшитый СВМПЭ, в искусственных частях тела, включая медицинский протез, содержащий или изготовленный из одного или более чем одного такого полимера. Не ограничивающие объем изобретения примеры включают медицинские протезы для замены суставов, таких как тазобедренные и коленные суставы, где из полимера, такого как устойчивый к окислению СВМПЭ, готовят несущую часть сустава, включая получение поверхности для шарнирно-сочлененных частей сустава. В не ограничивающем объем изобретения примере одна часть медицинского протеза содержит несущий полимер, который образует поверхность, такую как вертлужная поверхность, вокруг которой другая часть медицинского протеза, такая как шарообразная часть, изготовленная из металла или керамики, поворачивается во время использования сустава в организме.
Предшествующий уровень техники
В артропластике эндопротезы, такие как искусственные протезы колена или тазобедренного сустава, обычно подразумевают вращение либо металлического, или керамического шарообразного компонента, который обычно представляет собой часть одной половины сустава, вокруг полимера, такого как СВМПЭ, который обычно представляет собой другую половину сустава, имеющего форму впадины для сочленения с шарообразным компонентом. Более чем десятилетие назад было описано, что воздействие на СВМПЭ ионизирующего излучения перекрестно сшивает материал и приводит к значительно улучшенной прочности на износ. Напротив, ионизирующее излучение также приводит к разрыву полимерных цепей и созданию долгоживущих свободных радикалов в материале. Если эти свободные радикалы не уничтожать, то они взаимодействуют с кислородом и приводят к окислению полимера и последующей деградации механических и трибологических свойств. Чтобы уничтожить свободные радикалы, обычно проводят обработку теплом после ионизирующего излучения.
Было показано, что нагревание перекрестно сшитого полимера до температур, превышающих температуру плавления (т.е. переплавка), уничтожает все заметные свободные радикалы в перекрестно сшитом материале и стабилизирует его против окисления. С другой стороны, переплавка также приводит к понижению степени кристалличности, поскольку пониженная подвижность перекрестно сшитых цепей ингибирует складывание цепей в кристаллические слои, что приводит к пониженному выходу продукта и пределу прочности на разрыв.
Альтернативно, перекрестно сшитый полимер можно нагревать до температуры, которая ниже температуры плавления (т.е. закалка при температуре ниже температуры плавления). Поскольку больший кристаллический слой не плавится в течение закалки при температуре ниже температуры плавления, степень кристалличности обычно либо остается прежней, либо повышается, что обычно поддерживает или улучшает устойчивость к деформации и приводит к меньшему снижению предела прочности на разрыв полученного материала. В противоположность выбор обработки путем нагрева при температурах ниже температур плавления оставляет измеряемое количество свободных радикалов в нерасплавленных кристаллических участках материала, которые могут мигрировать наружу и окислять со временем.
Из-за такого баланса достоинств и недостатков желательно разработать способ стабилизации в высокой степени перекрестно сшитого СВМПЭ к окислению без того, чтобы поступаться механическими свойствами.
Для устранения необходимости тепловой обработки после ионизирующего излучения и последующих недостатков, присущих этому способу, применяли смешивание СВМПЭ смолы с антиоксидантом. При этом подходе единственный антиоксидант смешивают со смолой и затем смесь закрепляют с помощью стандартных способов, таких как прессование в форме или поршневая экструзия. Эту затвердевшую смесь затем подвергают ионизирующему излучению для перекрестного сшивания материала и улучшения износоустойчивости. Смешанный антиоксидант действует как акцептор свободных радикалов и прерывает путь окисления путем передачи атома водорода (H) поврежденной полимерной цепи и, в свою очередь, забирая свободные радикалы, с образованием стабильного свободного радикала, который не взаимодействует с кислородом. Поскольку тепловая обработка после ионизирующего излучения может не быть обязательной для удаления свободных радикалов при помощи этого конкретного способа, механические свойства не ухудшаются в такой же степени.
С другой стороны, существуют две проблемы, связанные с этим способом смешивания. Во-первых, каждая молекула антиоксиданта способна отдавать конечное число атомов водорода/гасить или уничтожать конечное число свободных радикалов. Например, теоретически предполагается, что каждая молекула витамина Е способна гасить два свободных радикала. В результате потребление антиоксиданта во время акцепции свободных радикалов может ограничить эффективное время защиты от окисления. Например, если концентрация антиоксиданта слишком низкая, то все способности по гашению свободных радикалов могут быть израсходованы до уничтожения всех свободных радикалов, что может привести к тому, что оставшиеся свободные радикалы смогут взаимодействовать с кислородом и вызвать окисление. Из-за этой перспективы предпочтительно иметь высокую концентрацию антиоксиданта, чтобы быть уверенным, что весь он не будет израсходован до уничтожения всех свободных радикалов и максимально увеличить долгосрочную устойчивость к окислению. С другой стороны, повышение концентрации антиоксидантов больше определенного предела может привести к пересыщению, которое может вызвать элюцию или диффузию антиоксиданта из полиэтилена. В результате такой элюции могут произойти нежелательные взаимодействия антиоксиданта с телом человека или утрата антиоксидантов, оставшихся на поверхности материала.
Во-вторых, улучшенная износоустойчивость обработанного ионизирующим излучением полимера зависит от накопления при действии ионизирующего излучения свободных радикалов и последующей комбинации свободных радикалов с образованием химических связей (т.е. перекрестных сшивок) между полимерными цепями. Присутствие антиоксиданта во время ионизирующего излучения уничтожает некоторые из свободных радикалов, и приводит к нежелательному ингибированию перекрестного сшивания. В результате более высокие дозы ионизирующего излучения необходимы для получения эквивалентного уровня износоустойчивости по сравнению с полимерами без антиоксидантов. Как следствие повышения дозы радиации для перекрывания ингибирования перекрестного сшивания пластичность и прочность перекрестно сшитого материала снижается еще сильнее. Из-за этой перспективы предпочтительно минимизировать концентрацию антиоксиданта, чтобы максимально снизить ингибирование перекрестного сшивания и необходимую дозу радиации, чтобы достичь заданной износоустойчивости.
В патентах США №№7431874 и 7498365, каждый из которых приведен здесь путем ссылки, предложен способ для того, чтобы избежать этих проблем при смешивании. В соответствии с этим способом СВМПЭ отвердевают и подвергают ионизирующему излучению до внедрения витамина E (Vit E) в материал путем диффузии. Поскольку материал не содержит антиоксиданта на момент проведения ионизирующего излучения, то не происходит ингибирования перекрестного сшивания. Поскольку ингибирование не является целью, то концентрация витамина E в полимере может быть повышена, чтобы гарантировать то, что антиоксидант находится в более чем достаточном количестве для гашения всех существующих свободных радикалов и обеспечения долгосрочной устойчивости к окислению.
Отрицательные аспекты способа диффузии связаны со временем и расходами, необходимыми для дуффундирования достаточного количества витамина E в материал и гомогенизации концентрации в компоненте. Кроме того, более высокие концентрации витамина E, обычно применяемые в этом способе, приводят к сильному градиенту концентрации, который может привести к элюции или диффузии витамина Е из полиэтилена и снижения количества антиоксиданта на поверхности.
Комбинацию синергетических антиоксидантов и их эффектов на гашение свободных радикалов и «регенерацию» антиоксидантов или "повторное использование" упоминали в прошлом, но никогда не связывали с медицинским применением, включая применение в медицинских протезах. Например, в литературе было показано, что регенерация витамина E in vivo происходит путем химических взаимодействий с другими молекулами, такими как аскорбиновая кислота (витамин C). В результате этого взаимодействия молекула витамина E "перезаряжается" и теоретически может гасить в 2 раза больше свободных радикалов. Этот процесс можно продолжать до бесконечности, чтобы обеспечить долгосрочную устойчивость к окислению при низкой концентрации антиоксиданта. Была предположена сходная in-vivo регенерация куркумина с помощью синергетичной молекулы на основании онкологических исследований. В полимерных исследованиях комбинации витамина E с фосфатным антиоксидантом или витамина Е с многоатомным спиртом снижают изменения цвета и способствуют более сильному удержанию витамина Е во время формования из расплава полипропилена с помощью похожего синергетического механизма.
Все способы предшествующего уровня техники, связанные с СВМПЭ, включали смешивание с СВМПЭ только одного антиоксиданта. Более того, в опубликованной заявке на патент №EP2047823 A1, например, специфически утверждается, что "предпочтителен один антиоксидант" "в интересах экономики и эффективности." Проблема с внедрением единственного антиоксиданта заключается в том, что он, по меньшей мере, частично расходуется во время обработки, во время гашения свободных радикалов после обработки и во время применения/службы. В результате композиция предшествующего уровня техники требовала более высоких концентраций антиоксиданта для уверенности в том, что антиоксиданта будет достаточно, чтобы защитить медицинский прибор от долгосрочного окисления в течение срока службы. Эта необходимость более высокой концентрации единственного антиоксиданта также приводила к ингибированию перекрестного сшивания, необходимости более высоких доз ионизирующего излучения, чтобы достичь заданной износоустойчивости и, в конце концов, приводила к ухудшенным механическим свойствам.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение относится к описанию того, что добавление двух или более чем двух добавок к перекрестно сшитому СВМПЭ улучшает устойчивость к окислению материала более, чем аддитивный эффект только двух добавок (т.е. синергетично). Это описание относится, по меньшей мере, к способу приготовления устойчивого к окислению СВМПЭ путем добавления двух или более чем двух различных антиоксидантов или добавок к СВМПЭ, медицинским протезам, изготавливаемым с применением этого устойчивого к окислению СВМПЭ, и применению таких медицинских протезов у пациентов при необходимости медицинского протезирования.
Примеры нескольких возможных путей обработки по изобретению показаны на Фиг.1. Изобретение включает композицию медицинского прибора, в котором комбинации выбранных добавок и/или антиоксидантов решают одну или обе упомянутые выше проблемы, в настоящее время связанные со смешиванием единственного антиоксиданта и неадекватного перекрестного сшивания, что может ухудшить трибологическое свойство СВМПЭ.
Изобретение включает смешивание выбранных, синергетических добавок/антиоксидантов с другим антиоксидантом в СВМПЭ для восстановления или повторного применения антиоксиданта и предотвращения расхода антиоксиданта во время уничтожения свободных радикалов, что также позволит изготовление медицинского прибора с более низкими концентрациями антиоксидантов, с помощью чего достигается не только более высокая устойчивость к окислению, но также изготавливается поверхность с повышенной износоустойчивостью. Более того, пониженная концентрация антиоксиданта может привести к меньшему ингибированию перекрестного сшивания под действием излучения, что снижает необходимость более высоких доз ионизированного излучения для достижения заданной износоустойчивости и, напротив, приводит к меньшей деградации механических свойств. Альтернативно, настоящее изобретение обладает улучшенной устойчивостью к окислению по сравнению с предыдущими приборами, даже несмотря на то что оно обладает такой же концентрацией антиоксидантов.
Вдобавок настоящее изобретение обладает преимуществом перед предыдущим уровнем техники в том, что сохраняется антиоксидант во время затвердевания/обработки, а также при уменьшении изменений цвета СВМПЭ во время обработки и/или службы.
Одно из воплощений настоящего изобретения включает способ получения перекрестно сшитого устойчивого к окислению СВМПЭ для применения в медицинских протезах, при котором осуществляют стадии: (i) получения смолы СВМПЭ; (ii) смешивания смолы СВМПЭ с первым количеством первой добавки и вторым количеством второй добавки, где первая и вторая добавки представляют собой различные добавки; (iii) затвердевания СВМПЭ, который был смешан с первой и второй добавкой; и (iv) перекрестного сшивания затвердевшего СВМПЭ для создания устойчивого к окислению СВМПЭ.
В некоторых воплощениях смола СВМПЭ перекрестно сшита, например, с помощью ионизирующего излучения или химического перекрестного сшивания до сшивания с, по меньшей мере, первой и/или второй добавкой.
В некоторых воплощениях перекрестное сшивание СВМПЭ происходит с помощью перекрестного сшивания путем облучения или путем химического перекрестного сшивания.
В дополнительных воплощениях изобретения синергетический эффект на устойчивость к окислению с помощью комбинации, по меньшей мере, первой и, по меньшей мере, второй добавки позволяет уменьшить количества первой и/или второй добавки, чтобы достичь, например, такого же уровня устойчивости к окислению, который был бы достигнут с помощью повышенной концентрации какой-либо одной добавки.
Кроме того, в некоторых воплощениях из-за пониженного количества, по меньшей мере, первой и/или, по меньшей мере, второй добавки в СВМПЭ, доза излучения или химическое перекрестное сшивание может быть снижено по сравнению с требующимися, если присутствует только одна добавка, поскольку более низкая концентрация антиоксидантных добавок в СВМПЭ по изобретению обеспечивает перекрестное сшивание при пониженных дозах, поскольку меньше добавок препятствует перекрестному сшиванию.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В дополнительных воплощениях изобретения количество первой добавки, совмещаемой со смолой СВМПЭ на стадии (ii) (выше) составляет приблизительно от 50 млн до приблизительно 5000 млн, более предпочтительно от приблизительно 50 млн до приблизительно 2000 млн, еще более предпочтительно от приблизительно 100 млн до приблизительно 1000 млн и еще более предпочтительно от приблизительно 200 млн до приблизительно 800 млн относительно количества СВМПЭ, а количество второй добавки, которую смешивают со смолой СВМПЭ на стадии (и) (выше), составляет от приблизительно 50 млн до приблизительно 5000 млн, более предпочтительно от приблизительно 50 млн до приблизительно 2000 млн, еще более предпочтительно от приблизительно 100 млн до приблизительно 1000 млн и еще более предпочтительно от приблизительно 200 млн до приблизительно 800 млн, основываясь на относительном количестве СВМПЭ.
В других воплощениях по изобретению количество первой добавки, которую смешивают со смолой СВМПЭ на стадии (ii) (выше), составляет от приблизительно 0,005 масс.% до приблизительно 0,5 масс.%, от соответствующего количества СВМПЭ, а количество второй добавки, которую смешивают с СВМПЭ на стадии (ii), составляет от приблизительно 0,005 масс.% до приблизительно 0,5 масс.%, от соответствующего количества СВМПЭ.
Более предпочтительно в определенных воплощениях, где перекрестное сшивание проводится с помощью ионизирующего излучения, доза для перекрестного сшивания составляет от приблизительно 1,5 МРад до приблизительно 30 МРад, более предпочтительно от приблизительно 2,5 МРад до приблизительно 15 МРад, и еще более предпочтительно от приблизительно 2,5 МРад до приблизительно 12 МРад.
В других воплощениях после достижения СВМПЭ устойчивости к окислению, как описано выше (смешивание с двумя или более чем двумя добавками, затвердевание и перекрестное сшивание), он далее подвергается механической обработке для изготовления несущего компонента для применения в медицинских протезах.
3
3
В некоторых воплощениях плотности перекрестного сшивания комбинированного, затвердевшего и перекрестно сшитого СВМПЭ, так же как и несущего компонента, изготовленного из него, составляют от приблизительно 0,03 моль/дм до приблизительно 0,50 моль/дм.
В большем количестве воплощений, включающих воплощения, описанные выше, первую добавку выбирают из группы, состоящей из фенольных антиоксидантов и стерически затрудненных аминов, а вторую добавку выбирают из группы, состоящей из фосфорных добавок, многоатомных спиртов, фенольных антиоксидантов, стерически затрудненных аминов, каротиноидов, добавок на основе аминокислот, тиосинергистов и кислотных антиоксидантов.
Кроме того, в воплощениях, включающих воплощения, описанные выше, фенольные антиоксиданты в качестве первых добавок выбирают из группы, состоящей из токоферолов, токотриенолов, куркуминоидов, флавоноидов, фенилпропаноидов и синтетических фенольных антиоксидантов; антиоксиданты из группы стерически затрудненных аминов в качестве первых добавок выбирают из группы, состоящей из химассорба 944, химассорба 119 FL, циасорба UV 3346, тинувина 144, тинувина 765, тинувина 770 DF; фосфорные добавки в качестве вторых добавок выбирают из группы, состоящей из фосфитов, фосфонитов и фосфинов; многоатомные спирты в качестве вторых добавок выбирают из группы, состоящей из дипентаэритритола, трипентаэритритола и триметилолпропана этоксилата; фенольные антиоксиданты в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из токоферолов, токотриенолов, куркуминоидов, флавоноидов, синтетических антиоксидантов фенилпропаноидов и бензохинолов; стерически затрудненные амины в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из химассорба 944, химассорба 119 FL, циасорба UV 3346, тинувина 144, тинувина 765, тинувина 770 DF; каротиноиды в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из бета-каротина, ликопина, лютеина, зеаксантина, эхиненона и зеаксантина; добавки, основанные на аминокислотах, в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из глютатиона, цистеина, тирозина и триптофана; тиосинергисты в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из дистеарилтиодипропионата, ирганокса PS 800 и ирганокса PS 802; и кислотные антиоксиданты в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из аскорбилпальмитата, аскорбата и липоевой кислоты.
Далее, в воплощения по изобретению включены, например, те не ограничивающие изобретение примеры, обсужденные выше, токоферолы в качестве первой добавки выбирают из группы, состоящей из dl-альфа-токоферола, альфа-токоферола, дельта-токоферола, гамма-токоферола и бета-токоферола; токотриенолы в качестве первой добавки выбирают из группы, состоящей из альфа-токотриенола, бета-токотриенола, гамма-токотриенола и дельта-токотриенола; куркуминоиды в качестве первой добавки выбирают из группы, состоящей из куркумина, деметоксикуркумина, бисдеметоксикуркумина, тетрагидрокуркумина, гексагидрокуркумина, куркумина сульфата, куркумина глюкуронида, гексагидрокуркумина и циклокуркумина; флавоноиды в качестве первой добавки выбирают из группы, состоящей из нарингенина, кверцитина, гесперитина, лютеолина, катехинов, антоцианов; фенилпропаноид в качестве первой добавки представляет собой эугенол; синтетические фенольные антиоксиданты в качестве первой добавки выбирают из группы, состоящей из ирганокса 1010, ирганокса 1076, ирганокса 245, бутилированного гидрокситолуена и бутилированного гидроксианизола; фосфиты в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из ультранокса U626, гостанокса PAR24, иргафоса 168, Weston 619 и иргафокса 126; фосфонат в качестве второй добавки представляет собой сандостаб Р-EPQ; фосфин в качестве второй добавки представляет собой pepfin (арилалкил фосфин); токоферолы в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из dl-альфа-токоферола, альфа-токоферола, дельта-токоферола, гамма-токоферола и бета-токоферола; токотриенолы в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из альфа-токотриенола, бета-токотриенола, гамма-токотриенола и дельта-токотриенола; куркуминоиды в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из куркумина, деметоксикуркумина, бисдеметоксикуркумина, тетрагидрокуркумина, гексагидрокуркумина, куркумина сульфата, куркумина-глюкуронида, гексагидрокуркумина и циклокуркумина; флавоноиды в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из нарингенина, кверцитина, гесперитина, лютеолина, катехинов и антоцианов; синтетические антиоксиданты в качестве первой добавки выбирают из группы, состоящей из ирганокса 1010, ирганокса 1076, ирганокса 245, бутилированного гидрокситолуола и бутилированного гидроксианизола; и бензохинол второй добавки выбирают из группы, состоящей из убихинола и коэнзима Q10.
Дополнительно, в воплощениях по изобретению, включающих примеры, описанные выше, катехины в качестве первой добавки выбирают из группы, состоящей из эпигаллокатехина галлата, эпигаллокатехина, эпикатехина галлата и эпикатехина; антоцианы в качестве первой добавки выбирают из группы, состоящей из цианидина, дельфинидина, мальвидина, пеонидина, петунидина и пеларгонидина; катехины в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из эпигаллокатехина галлата, эпигаллокатехина, эпикатехина галлата и эпикатехина; и антоцианины в качестве второй добавки выбирают из группы, состоящей из цианидина, дельфинидина, мальвидина, пеонидина, петунидина и пеларгонидина.
В предпочтительных воплощениях устойчивый к окислению СВМПЭ готовят согласно воплощениям, описанным выше, включая комбинирование первой и второй добавки со смолой СВМПЭ, затвердевание комбинированного материала и перекрестное сшивание затвердевшего СВМПЭ, где первая добавка представляет собой фенольный антиоксидант, а вторая добавка представляет собой куркуминоид. Кроме того, предпочтительные воплощения включают описанные выше, где первая добавка представляет собой dl-альфа-токоферол, а вторая добавка представляет собой куркумин.
В дальнейших предпочтительных воплощениях устойчивый к окислению СВМПЭ готовят согласно воплощениям, описанным выше, включая смешивание первой и второй добавки со смолой СВМПЭ, затвердевание смешанного материала и перекрестное сшивание затвердевшего СВМПЭ, первая добавка представляет собой фенольный антиоксидант, а вторая добавка представляет собой куркуминоид. Далее, предпочтительные воплощения включают описанный способ, где первая добавка представляет собой dl-альфа-токоферол, а вторая добавка представляет собой куркумин. В дальнейших предпочтительных воплощениях, описанных выше, первая добавка представляет собой dl-альфа-токоферол и вторая добавка представляет собой дипентаэритритол. В дополнительных предпочтительных воплощениях первая добавка представляет собой куркумин, а вторая добавка представляет собой дипентаэритритол.
-1,
-1
В дальнейших предпочтительных воплощениях смолу СВМПЭ и первую и вторую добавку смешивают, как описано выше, комбинацию затвердевают, как описано выше, и СВМПЭ подвергают ионизирующему излучению, и первая добавка представляет собой dl-альфа-токоферол, и ее смешивают со смолой СВМПЭ в концентрации приблизительно 250 млн от соответствующего количества СВМПЭ, а вторая добавка представляет собой куркумин и его смешивают с СВМПЭ в концентрации приблизительно 250 млн от соответствующего количества СВМПЭ, и затвердевший СВМПЭ перекрестно сшивают с помощью излучения в дозе приблизительно 10 МРад.
-1
-1
В других предпочтительных воплощениях смолу СВМПЭ и первую и вторую добавку смешивают, как описано выше, где первую добавку dl-альфа-токоферол смешивают с СВМПЭ в концентрации приблизительно 300 млн, от соответствующего количества СВМПЭ; вторую добавку куркумин смешивают с СВМПЭ в концентрации приблизительно 300 млн от соответствующего количества СВМПЭ; и перекрестное сшивание проводят с помощью ионизирующего излучения в дозе приблизительно 10 МРад.
В других предпочтительных воплощениях устойчивый к окислению СВМПЭ готовят согласно воплощениям, описанным выше, включая смешивание первой и второй добавок со смолой СВМПЭ, затвердевание смешанного материала и перекрестное сшивание затвердевшего СВМПЭ, первая добавка представляет собой куркумин и вторая добавка представляет собой дипентаэритритол.
-1
-1
В дополнительных воплощениях смолу СВМПЭ с первой и второй добавками смешивают, как описано выше, комбинацию затвердевают, как описано здесь, и СВМПЭ подвергают излучению, и где первая добавка представляет собой куркумин и ее комбинируют со смолой СВМПЭ в концентрации приблизительно 300 млн, от соответствующего количества СВМПЭ, а вторая добавка представляет собой дипентаэритритол и ее смешивают с СВМПЭ в концентрации приблизительно 300 млн, от соответствующего количества СВМПЭ и затвердевший СВМПЭ перекрестно сшивают с помощью ионизированного излучения в дозе приблизительно 10 МРад.
-1
-1
В других предпочтительных воплощениях смолу СВМПЭ с первой и второй добавкой смешивают, как описано выше, где первую добавку dl-альфа-токоферол смешивают с СВМПЭ в концентрации приблизительно 300 млн от соответствующего количества СВМПЭ; вторую добавку куркумин комбинируют с СВМПЭ в концентрации приблизительно 300 млн от соответствующего количества СВМПЭ; а перекрестное сшивание проводят при излучении в дозе приблизительно 10 МРад.
Другие предпочтительные воплощения изобретения включают медицинский протез, содержащий несущий компонент, включающий в себя перекрестно сшитый СВМПЭ, изготовленный с помощью любого способа придания устойчивости к окислению СВМПЭ, кратко изложенного выше и описанного в деталях ниже. Более того, в предпочтительных воплощениях медицинский протез, обладающий несущей поверхностью, изготовленной согласно способам по изобретению, может представлять собой протез сустава, такой как протез тазобедренного, коленного или сустава пальца, но не ограничиваясь ими.
В других воплощениях настоящего изобретения медицинские протезы, обладающие компонентами несущей поверхности из перекрестно сшитого устойчивого к окислению СВМПЭ, изготовленного в соответствии со способами, кратко изложенными выше и описанными подробно ниже, может вводиться пациентам при необходимости таких протезов, включая искусственные протезы тазобедренного сустава.
В других воплощениях настоящего изобретения первую и/или вторую добавку добавляют к СВМПЭ при помощи способа, не исключающего их смешивание со смолой СВМПЭ до затвердевания и подвергания ионизирующему излучению.
Например, в воплощении изобретения первый антиоксидант смешивают со смолой СВМПЭ (которая сама по себе может быть перекрестно сшита предварительно) и подвергают затвердеванию для изготовления затвердевшего СВМПЭ, имеющего первую добавку. Затвердевшее вещество может быть затем подвергнуто перекрестному сшиванию в это же время или после следующей стадии добавления второй добавки к затвердевшему СВМПЭ. На этой стадии этого воплощения вторую добавку добавляют к затвердевшему СВМПЭ (перекрестно сшитому или нет) с помощью диффузии. Например, диффузию можно осуществлять путем погружения затвердевшего СВМПЭ в раствор, содержащий вторую добавку, на время, необходимое для проникновения второй добавки в затвердевший СВМПЭ в желаемом количестве. Вторую добавку также можно внедрить путем диффузии в затвердевший СВМПЭ с помощью воздействия на затвердевший СВМПЭ газа, содержащего вторую добавку или вторую добавку в твердой форме, такой как тонкоизмельченный порошок, равномерно распределенный на СВМПЭ, и нагревания, чтобы позволить второй добавке диффундировать до желаемой концентрации. Все другие способы добавления, по меньшей мере, первой и второй добавки в СВМПЭ для приготовления перекрестно сшитого СВМПЭ, к которому добавляют первую и вторую добавку и в котором комбинация добавок образует синергетическое повышение устойчивости к окислению перекрестно сшитого СВМПЭ, известные специалистам в данной области техники, находятся в рамках настоящего изобретения.
Дальнейшие области применения изобретения станут очевидны из подробного описания, предложенного ниже. Следует понимать, что подробное описание и специфические примеры наряду с указанием конкретного воплощения изобретения предназначено только для целей объяснения и не ограничивает объем изобретения.
Краткое описание фигур
Сопровождающие фигуры, которые присутствуют в форме части описания изобретения, иллюстрируют воплощения настоящего изобретения и вместе с письменным описанием служат для объяснения принципов, свойств и характерных особенностей изобретения.
На фигурах:
Фиг.1 представляет собой пример графического представления, описывающего несколько возможных путей обработки.
Фиг.2а представляет собой иллюстрацию связи концентрации антиоксиданта (•), износосустойчивости () и устойчивости к окислению () в перекрестно сшитом СВМПЭ, имеющем единственную антиоксидантную добавку.
Фиг.2b представляет собой иллюстрацию связи концентрации антиоксиданта (•), износоустойчивости () и устойчивости к окислению () в перекрестно сшитом СВМПЭ, имеющем, по меньшей мере, первую и вторую антиоксидантную добавку.
Фиг.3a представляет собой иллюстрацию того, что каждый ВИО эксперимент (время индукции окисления) начинали с изотермического сегмента при 30°C в течение 10 минут с потоком азота для удаления кислорода из камеры, где термокамеру и образец затем нагревали на 20°C/мин до температуры удержания (T) и удерживали в течение 10 минут, чтобы позволить образцу и термокамере достичь равновесия.
Фиг.3b представляет собой иллюстрацию измерений времени индукции окисления (ВИО) для примеров, демонстрирующих измерения ВИО.
Фиг.4 демонстрирует измерения времени индукции окисления (ВИО) для образцов из примера 2.
Фиг.5 демонстрирует измерения времени индукции окисления (ВИО) для образцов из примера 3.
Фиг.6 демонстрирует измерения времени индукции окисления (ВИО) для образцов из примера 4.
Подробное описание воплощений
Следующее описание проиллюстрированного(ых) воплощения(й) просто по природе, и никоим образом не стремиться ограничить изобретение, его употребление или назначения. Специалисту в данной области техники понятно, что можно приготовить различные воплощения и модификации настоящего изобретения без того, чтобы выйти за объем и сущность изобретения.
Настоящее изобретение относится к способам, продуктам и способам применения продуктов, относящихся к перекрестно сшитому СВМПЭ, который смешивают с, по меньшей мере, первой и, по меньшей мере, второй антиоксидантной добавкой, где комбинация первого и второго антиоксиданта действует синергетически (т.е. более чем аддитивно), тем самым давая возможность для получения устойчивого к окислению перекрестно сшитого СВМПЭ (ПСПЭ - перекрестно сшитый полиэтилен), обладающего улучшенной износостойкостью и другими свойствами. Эти свойства делают ПСПЭ по настоящему изобретению подходящим для применения в медицинских имплантатах, хотя это не является ограничением заявленного изобретения, которое относится, в основном, к новому устойчивому к окислению ПСПЭ. При применении в медицинских протезах ПСПЭ может находиться в форме опорной поверхности, например, в протезном суставе. Свойства устойчивости к окислению ПСПЭ по изобретению делает его подходящим для применения в имплантатах, поскольку его износостойкость и другие свойства не ухудшаются со временем, так как ПСПЭ устойчив к окислению. Это означает, что продукт не подвергается окислению в течение его изготовления и что продукт не окисляется со временем. Не ограничиваясь никоим образом никакой теорией, эта долгосрочная устойчивость к окислению, как кажется, является результатом того, что ПСПЭ содержит, по меньшей мере, несколько антиоксидантных добавок, или продуктов этих добавок включая соединения и продукты, полученные в результате взаимодействий добавок и/или продуктов добавок в СВМПЭ.
Определения
Если не указано иное, то все термины, включая технические и научные термины, применяемые здесь, обладают теми же значениями, как обычно используют специалисты в области техники, к которой принадлежит настоящее изобретение. В целях настоящего изобретения следующие термины имеют значения, приведенные ниже, если не указано иное.
Термин "сверхвысокомолекулярный полиэтилен " ("СВМПЭ") хорошо известен в данной области техники в применяемом здесь значении и в общем обозначает полиэтиленовые полимеры, имеющие среднюю молекулярную массу приблизительно 400000 атомных массовых единиц или более. Предпочтительно сверхвысокомолекулярный полиэтилен имеет среднюю молекулярную массу приблизительно 1000000, более предпочтительно приблизительно 2000000 и наиболее предпочтительно приблизительно 3000000 атомных массовых единиц и более. Обычно средняя молекулярная масса полиэтилена ультравысокой молекулярной массы составляет менее чем приблизительно 10000000 атомных массовых единиц, более предпочтительно приблизительно 6000000 атомных массовых единиц или менее.
Термин "медицинские протезы" хорошо известен специалистам в данной области техники в принятом здесь значении и в основном обозначает устройство, направленное на то, чтобы заменить или дополнить часть костно-мышечной системы животного. Обычные применения медицинских протезов в рамках настоящего изобретения включают искусственные суставы, включая, например, тазобедренный, коленный, плечевой, пальцевой, локтевой, голеностопный, дугоотросчатый и челюстной сустав, но не ограничиваются ими. В качестве примера без ограничения ПСПЭ можно применять в медицинских протезах как компонент несущей поверхности, образующий одну часть сустава. Например, компонент, несущий СВМПЭ в протезном суставе, таком как тазобедренный или коленный, может по форме напоминать приемную чашечку (как ацетабулярный колпачок), что обеспечивает поверхность, относительно которой другой компонент искусственного сустава, такой как металлический или керамический шарик, вращается при движении сустава. Другие применения СВМПЭ в медицинских протезах точно находятся в рамках настоящего изобретения.
Применяемый здесь термин "соединение(я)" обозначает что-либо способное быть определенным, идентифицированным, количественно определенным и т.д. как одиночное вещество, и термин не ограничен какими-либо более специфическими значениями, если только явно не ограничено специфическим контекстом использования термина. Следовательно, термин "соединение(я)" включает химические соединения, частицы, молекулы, комплексы, агенты, добавки и т.п., но не ограничивается ими. Кроме того, например, если термины не ограничены специфическим контекстом их использования, то термины "антиоксидантное соединение", "антиоксидантная добавка", "антиоксидантное вещество" и "антиоксидант" обозначают одно и то же.
"Комбинирование", "комбинация", "смешивание", "смесь" и т.п. имеют свои обычные значения в данной области техники и включают приведение двух или более чем двух агентов в физический контакт друг с другом, например, путем примешивания, смешивания, диффузии, сжатия, вмешивания, совместного вмешивания и т.п., но не ограничиваются ими. Более того, если в контексте не указано иное, то применяемые здесь термины "комбинирование", "комбинация", "смешивание", "смесь" и т.п. включают комбинирование двух или более чем двух агентов в любом порядке или последовательности и в любых количествах.
"Облучать", "облучение", "облученный" и т.п., так же как "излучать", "излучающий", "излученный" и т.п., имеют значения, известные в данной области техники, и, как правило, обозначают воздействие на объект (субъект, вещь и т.д.) ионизирующего "излучения", где объект, который подвергают ионизирующему "излучению", "облучается", и включает гамма-излучение (или гамма-облучение), облучение электронным пучком (или направленное электроизлучение) и включает любую дозу такого излучения (или облучения) в любой последовательности, но не ограничивается ими. Кроме того, специалистам в данной области техники понятно, что существуют тонкие различия между значением терминов облучение и излучение, например, как приведено выше (например, излучение испускается из источника и объект, получающий излучение, облучается), термины часто используются взаимозаменяемо в данной области техники, и относятся к одному и тому же понятию, если не указано другое, здесь определенно применяется это значение. Следовательно, для не ограничивающего объем изобретения примера, выражение по отношению к объекту "был подвергнут действию излучения" обозначает то же самое, что и выражение по отношению к объекту "был облучен", или в не ограничивающем объем изобретения примере объект может быть "подвергнут излучению" или "облучен", где оба значения обозначают одно и то же, и так далее.
"Перекрестно сшитый", "перекрестная сшивка" и "перекрестное сшивание" и т.д. по отношению к перекрестно сшитому СВМПЭ (также известному как "ПСПЭ") имеют значение, известное в данной области техники и в основном обозначают образование химических ковалентных связей между двумя или более чем двумя полимерными цепями таким образом, чтобы создать молекулярную сеть [например 1]. "Перекрестно сшитый СВМПЭ" (или "ПСПЭ") может быть изготовлен путем перекрестного сшивания СВМПЭ при помощи любых способов, включающих облучение или химические способы, но не ограничивающихся ими. Перекрестное сшивание СВМПЭ при облучении хорошо известно в данной области техники и, главным образом, включает обработку СВМПЭ ионизирующим излучением, таким как гамма-излучение или электронный пучок, но не ограничивается ими. Следующие примеры носят иллюстративный характер, но не ограничивают объем изобретения. Умеренно перекрестно сшитые материалы из СВМПЭ можно изготавливать, главным образом, во время стерилизации дозой гамма-излучения в диапазоне от 2,5 до 4,0 МРад, что может быть осуществлено как последняя стадия способа с законченным, очищенным и упакованным имплантатом. В высокой степени сшитые материалы можно создавать путем обработки гамма-излучением или электронным пучком в дозах, превышающих 4,0 МРад. Затвердевшие болванки или бруски обычно подвергаются излучению для получения в высокой степени сшитого СВМПЭ. В объеме настоящего изобретения перекрестно сшитый СВМПЭ может быть изготовлен путем перекрестного сшивания смолы СВМПЭ до затвердевания или до смешивания и затвердевания (и может быть необязательно перекрестно сшит снова путем перекрестного сшивания (как при облучении) затвердевшего СВМПЭ и/или формованного имплантата, приготовленного из затвердевшего СВМПЭ). Химическое перекрестное сшивание хорошо известно в данной области техники и в общем включает смешивание СВМПЭ смолы с перекисью [см., например, 2] или силаном [смотри, например, 4].
"Затвердевший" и "затвердевание" в контексте СВМПЭ как "затвердевший СВМПЭ" имеет значение, известное в данной области техники, и в основном обозначает нагревание и сжатие СВМПЭ, которое в соответствии с настоящим изобретением может содержать один или более чем один агент, и плунжерное экструдирование или прессование в формах СВМПЭ для приготовления "затвердевшего СВМПЭ", который обычно находится в виде болванки или бруска. Термины "затвердевать" и "затвердевший" по отношению к СВМПЭ, главным образом, включают СВМПЭ, который нагревали и сжимали, а также обрабатывали при помощи обычной стадии, практикуемой в данной области техники (и хорошо известной специалистам в данной области техники), отжига после затвердевания (затвердение) для уменьшения напряжения в затвердевшем СВМПЭ, где отжиг обычно включает нагревание СВМПЭ в течение определенного времени и до определенной температуры, чтобы уменьшить напряжение, вызванное сжатием. Таким образом, применяемый здесь термин "затвердевший СВМПЭ" включает СВМПЭ, который нагревали и сжимали, а также формовали с помощью плунжерной экструзии или прессования в формах, и затем отжигали, чтобы избежать напряжения при затвердевании.
Термин "dl-альфа-токоферол", также известный как полностью рацемизированный альфа-токоферол, обозначает синтетический витамин Е, который представляет собой полную рацемическую смесь приблизительно одинаковых количеств восьми возможных стереоизомеров (т.е. альфа-токоферол, бета-токоферол, гамма-токоферол, дельта-токоферол, альфа-токотриенол, бета-токотриенол, гамма-токотриенол и дельта-токотриенол) [см., например 6]. Добавка dl-альфа-токоферола имеется в продаже, например, в Sigma-Aldrich, St. Louis, МО (Item Т3251).
Термин "куркумин" в своей наиболее очищенной форме относится к соединению "1,7-бис(4-гидрокси-3-метоксифенил)-1,6-гептадиен-3,5-диону", также известному как "диферулоилметан", который выделили из тумерика (Curcuma longa) или синтезировали химическим образом.
Термин "бутилированный гидрокситолуол" можно сокращать как "БГТ".
Термин "бутилированный гидроксианизол" можно сокращать как "БГА".
Синтетические антиоксиданты получаются людьми и не обнаруживаются в природе.
Термин "синергизм" имеет значение, приведенное ниже в следующих 8 полных абзацах (включая этот абзац) и следующих уравнениях (1) - (4). Термин "синергизм" известен в области, относящейся к данному изобретению, и означает кооперативное взаимодействие между двумя или более чем двумя добавками, что усиливает стабилизацию полимера более чем суммой их индивидуальных эффектов [см., например 9]. Это значение изложено в формуле ниже. Вдобавок в целях ясности также рассматривается антагонизм, который представляет собой взаимодействие между двумя или более чем двумя добавками, которые снижают стабилизацию полимера, так что их комбинированное действие меньше чем сумма их индивидуальных действий. Кроме того, в данной области техники известно, что баланс между синергизмом и антагонизмом представляет собой аддитивный действие, где комбинированное действие двух добавок равно сумме их индивидуальных действий. Эти определения показаны с помощью следующих не ограничивающих объем изобретения формул:
Если:
a
r=относительная концентрация добавки а в комбинированном СВМПЭ,
b
r=относительная концентрация добавки b в комбинированном СВМПЭ,
n
r=относительная концентрация добавки n в комбинированном СВМПЭ,
a
b
n
где r+r+…+r=1
a
ВИО=время индукции окисления (ВИО) только добавки a в СВМПЭ,
b
ВИО=время индукции окисления (ВИО) только добавки b в СВМПЭ,
n
ВИО=время индукции окисления (ВИО) только добавки n в СВМПЭ, и
a, b, …n
ВИО=время индукции окисления (ВИО) только добавок a, b, …n в СВМПЭ
<mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>b</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo>…</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>r</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Взаимодействие добавок:
<mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>b</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo>…</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>></mo><msub><mi>r</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Синергетическое взаимодействие:
<mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>b</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo>…</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo><</mo><msub><mi>r</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Антагонистическое взаимодействие:
Специалисту в данной области техники понятно, что эти и другие специфические уравнения для определения синергизма применяются в специфических ситуациях, и специалист в данной области техники сможет модифицировать уравнения для построения уравнений, специфических для определения синергизма в различных условиях. Например, приведенные выше уравнения (1)-(3) применяют, когда сумма концентраций добавок в комбинированном СВМПЭ вместе эквивалентны концентрациям добавок только в СВМПЭ. Специалист в данной области техники может ясно определить другие уравнения для того, чтобы продемонстрировать синергизм, когда эта ситуация отсутствует.
В качестве примера последнего одна из главных целей настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать возможность для снижения концентрации первичной добавки при одновременном поддержании или улучшении устойчивости к окислению комбинированного, затвердевшего и перекрестно сшитого СВМПЭ. Следовательно, специалисту в данной области техники понятно, что упомянутые выше уравнения хорошо подходят для демонстрации синергизма в этом конкретном случае. Тем не менее, специалисту в данной области техники было бы хорошо определить уравнения для этой (или любой) ситуации. Например, для определения синергизма в этих специфических условиях специалист в данной области техники выведет следующее уравнение из не ограничивающего объем изобретения примера для определения синергизма между двумя или более чем двумя добавками:
Если:
a
r=относительная концентрация добавки a в комбинированном СВМПЭ,
b
r=относительная концентрация добавки b в комбинированном СВМПЭ,
a
b
где: r+r=1
a
C=массовая концентрация только добавки a в СВМПЭ,
b
C=массовая концентрация только добавки b в СВМПЭ,
a
a
ВИО(C)=Время индукции окисления (ВИО) только добавки a в концентрации C в СВМПЭ,
b
b
ВИО(C)=Время индукции окисления (ВИО) только добавки b в концентрации C в СВМПЭ,
<mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><mi>О</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>a</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>a</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
=Время индукции окисления (ВИО) добавки a в массовой концентрации
и добавки b в массовой концентрации
в СВМПЭ
где:
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>a</mi><mo>'</mo></msubsup><mo><</mo><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><mo>'</mo></msubsup><mo><</mo><msub><mi>C</mi><mi>b</mi></msub></mrow>
, и
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>a</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>b</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><mi>О</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>a</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>C</mi><mi>b</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≥</mo><msub><mi>r</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><mi>О</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><mi>О</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Кроме того, в данной области техники известно, что синергетическое взаимодействие между двумя или более чем двумя стабилизирующими добавками или соединениями (также известными как стабилизаторы) можно классифицировать как действие с помощью одного из следующих механизмов:
(1) Обе добавки взаимодействуют вместе, что дает новые виды, более эффективные для стабилизации;
(2) "Вторичная" добавка взаимодействует с "первичной" или с ее побочными продуктами для восстановления или ингибирования неблагоприятных действий; и
(3) Обе добавки действуют на разных уровнях окисления радикальных цепей и к синергизму приводит только кинетический эффект.
Не желая быть связанными теорией и исключительно для задач иллюстрации на основе исследований в литературе, изобретатели выдвинули теорию, что добавление более чем одной добавки к перекрестно сшитому СВМПЭ действует либо по механизму 2 или 3 или по обоим в зависимости от конкретных выбранных добавок.
Например, в предыдущих исследованиях было продемонстрировано, что различные добавки, такие как витамин С, катехины и многоатомные спирты действуют по механизму 2 в комбинации с фенольным антиоксидантом, таким как альфа-токоферол. Эти соединения могут восстанавливать или повторно использовать токфероксильный радикальный скелет в альфа-токофероле и, следовательно, возвращать молекулу в изначальное состояние. Последнее, в свою очередь, дает возможность молекуле альфа-токоферола гасить дополнительные свободные радикалы и продолжать защиту материала от окисления.
Альтернативно, в основном предполагается, что фенольные антиоксиданты, комбинированные с сульфидами или фосфитами, действуют с помощью механизма 3, где фенольные добавки гасят пероксидные радикалы, а сульфиды или фосфиты превращают гидропероксидные группы в спирты.
В конце концов, предполагается, что некоторые комбинации добавок работают по механизмам 2 и 3 вместе. Например, в смесях альфа-токоферола и фосфита Ультранокс U626 в полипропилене, было показано, что фосфиты участвуют и в деактивации гидропероксидов (механизм 3) и в восстановлении альфа-токоферола (механизм 2).
Используемый здесь термин "номинальный" обозначает концентрацию вещества, которое смешано с другим веществом (например, антиоксидантной добавки, смешанные со смолой СВМПЭ), где количество вещества, смешиваемого с другим веществом, представляет собой количество вещества, до того как его смешали. Например, если специфическую антиоксидантную добавку нужно смешать со специфическим количеством СВМПЭ, то "номинальная" концентрация специфического антиоксиданта будет составлять его количество непосредственно перед смешиванием (часто, но не всегда или не обязательно, выраженное как массовый процент вещества, с которым его смешивали). Эта форма измерения в частности полезна, когда вещество, которое добавляют к другому веществу, может израсходоваться, смешаться, измениться, прореагировать или претерпеть другие изменения или его становится трудно количественно оценить после смешивания. Тем не менее, термин "номинальный" не обязательно требует, чтобы "номинальное" количество вещества, смешанного с другим веществом, изменяло форму или по какой-либо другой причине возникали трудности для измерения и количественной оценки после смешивания.
Используемый здесь термин "чистый" относится к веществу, к которому ничего не добавляли (т.е. без добавок). Для не ограничивающего объем изобретения примера, "чистый GUR1020 СВМПЭ" в первой строке Примера 2 обозначает, что к GUR1020 СВМПЭ ничего не добавляли на этой стадии способа (т.е. перед смешиванием для создания материалов A, B и/или C).
Используемый здесь термин "исходный" относится к соединению, комбинации, веществу, объекту и подобным, которые не были обработаны в примерах, поскольку являлись другими аспектами примера, и, главным образом, относились к контролю. Например, в Примере 2 в следующем предложении термин "исходный" обозначает, что чистый GUR 1020 не облучали и он представлял собой не подвергнутый облучению контроль: "Чистый GUR1020 СВМПЭ затвердевали, прокаливали, чтобы уменьшить остаточные напряжения и оставляли в необлученном состоянии (Материал D - исходный)."
Первая и вторая добавки по настоящему изобретению включают следующие примеры: (1) первые добавки: (a) фенольные антиоксиданты, включающие (i) токоферолы, включающие (1) dl-альфа-токоферол, (2) альфа-токоферол, (3) дельта-токоферол, (4) гамма-токоферол и (5) бета-токоферол, (ii) токотриенолы, включая (1) альфа-токотриенол, (2) бета-токотриенол, (3) гамма-токотриенол и (4) дельта-токотриенол, (iii) куркуминоиды, включая (1) куркумин (т.е. диферулоилметан), (2) деметоксикуркумин, (3) бисдеметоксикуркумин, (4) тетрагидрокуркумин, (5) гексагидрокуркумин, (6) куркумин сульфат, (7) куркумин-глюкуронид, (8) гексагидрокуркуминол и (9) циклокуркумин, (iv) флавоноиды, включая (1) нарингенин, (2) кверцетин, (3) гесперитин, (4) лютеолин, (5) катехины (включая (а) эпигаллокатехин галлат, (b) эпигаллокатехин, (с) эпикатехин галлат и (d) эпикатехин), (6) антоцианины (включая (а) цианидин, (b) дельфинидин, (с) мальфидин, (d) пеонидин, (е) петунидин и (f) пеларгонидин), (v) фенилпропаноиды, включая (1) эугенол, (vi) синтетические антиоксиданты, включая (1) ирганокс 1010, (2) ирганокс 1076, (3) ирганокс 245, (4) бутилированный гидрокситолуол (БГТ) и (5) бутилированный гидроксианизол (БГА), и (b) стерически затрудненные амины, включая (i) химассорб 944, (ii) химассорб 119 FL, (iii) циасорб UV 3346, (iv) тинувин 144, (v) тинувин 765 и (vi) тинувин 770 DF; и (2) вторые добавки: (a) фосфорные соединения, включая (i) фосфиты, включая (1) ультранокс U626, (2) хостанокс PAR24, (3) иргафос 168, (4) иргафос 126, и (5) вестон 619, (ii) фосфониты, включая (1) сандостаб P-EPQ, (iii) фосфины, включая (1) PEPFINE, (b) полиатомные спирты, включая (i) дипентаэритритол, (ii) трипентаэритритол, (iii) триметилолпропан этоксилат, (c) фенольные антиоксиданты, включая (i) токоферолы, включая (1) dl-альфа-токоферол, (2) альфа-токоферол, (3) дельта-токоферол, (4) гамма-токоферол, (5) бета-токоферол, (ii) токотриенолы, включая (1) альфа-токотриенол, (2) бета-токотриенол, (3) гамма-токотриенол, и (4) дельта-токотриенол, (iii) куркуминоиды, включая (1) куркумин (т.е. диферулоилметан), (2) деметоксикуркумин, (3) бисдеметоксикуркумин, (4) тетрагидрокуркумин, (5) гексагидрокуркумин, (6) куркумин сульфат, (7) куркумин-глюкуронид, (8) гексагидрокуркуминол и (9) циклокуркумин, (iv) флавоноиды, включая (1) нарингенин, (2) кверцетин, (3) гесперитин, (4) лютеолин, (5) катехины (включая (a) эпигаллокатехин галлат, (b) эпигаллокатехин, (c) эпикатехин галлат и (d) эпикатехин), (6) антоцианины (включая (a) цианидин, (b) дельфинидин, (c) мальвидин, (d) пеонидин, (e) петунидин и (f) пеларгонидин), (v) фенилпропаноиды, включая (1) эугенол, (vi) синтетические антиоксиданты, включая (1) ирганокс 1010, (2) ирганокс 1076, (3) ирганокс 245, (4) бутилированный гидрокситолуол (БГТ), и (5) бутилированный гидроксианизол (БГА), (vii) бензохинолы, включая (1) кофермент Q восстановленный, и (2) кофермент Q10, (d) стерически затрудненные амины, (i) химассорб 944, (ii) химассорб 119 FL, (iii) циасорб UV 3346, (iv) тинувин 144, (v) тинувин 765 и (vi) тинувин 770 DF, (е) каротиноиды, включая (i) бета-каротин, (ii) ликопин, (iii) лютеин, (iv) зеаксантин, (v) эхиненон и (iv) зеаксантин, (f) добавки, основанные на аминокислотах, включая (i) глутатион, (ii) цистеин, (iii) тирозин и (iv) триптофан, (д) тиосинергисты, включая (i) дистеарил тиодипропионат, (ii) ирганокс PS 800, (iii) ирганокс PS 802 и (h) другие добавки, включая (i) аскорбат, (ii) аскорбилпальмитат и (iii) липоевую кислоту, но не ограничиваются ими.
Одно из воплощений относится к материалу для медицинского прибора, который содержит, по меньшей мере, два типа добавок, которые образуют синергетический эффект при захвате свободных радикалов в перекрестно сшитом полиэтилене. Предпочтительными антиоксидантными добавками являются витамин E и куркумин. Любые другие синтетические или природные антиоксиданты или синергетические добавки можно применять при смешивании для достижения такого эффекта. Например, синергетические добавки и антиоксиданты могут включать куркумин, витамин E, многоатомные спирты, фосфиты, кофермент Q10 восстановленный, глутатион, аскорбиновую кислоты, антралин, катехины, такие как эпигаллокатехин галлат или флавоноиды, но не ограничиваться ими.
Антиоксидант, такой как витамин E или куркумин, смешивают с соответствующей синергетической добавкой или антиоксидантом и СВМПЭ смолой в известных концентрациях. Эту смесь подвергают затвердеванию при помощи традиционных способов, таких как плунжерная экструзия или прессование в форме. После затвердевания материал могут подвергнуть стандартному, уменьшающему напряжение прокаливанию для уменьшения напряжений, присутствующих в материале. Затвердевшую смесь подвергают воздействию ионизирующего излучения (например, гамма- или облучению электронным пучком) на воздухе или в неактивной среде для перекрестного сшивания материала, чтобы достичь желаемой износостойкости. Из-за присутствия антиоксиданта и добавки обработка высокой температурой после облучения может и не быть обязательной. Медицинский прибор, такой как ортопедический несущий компонент, можно затем подвергать машинной обработке из этой в высокой степени сшитой затвердевшей смеси и стерилизовать при помощи обычных способов.
Альтернативное воплощение включает медицинский прибор, изготовленный из СВМПЭ, который перекрестно сшит при 10 МРад с предпочтительным соотношением витамина E и куркумина 1:1, но можно применять и любые другие соотношения. Предпочтительная доза радиации составляет от 1,5 МРад до 30 МРад.
Альтернативно, одну или более чем одну добавку смешивают со смолой, и одну или более чем одну синергетическую добавку диффундируют с использованием обработки высокой температурой в затвердевшем элементе после затвердевания и либо до, либо после перекрестного сшивания. Например, куркумин можно смешивать со смолой и затвердевать в преформе. После перекрестного сшивания витамин Е можно диффундировать либо в преформе, либо в обработанном имплантате. Процесс диффузии можно проводить при комнатной температуре. Однако для большей глубины диффузии можно применять более высокие температуры, вплоть до температуры плавления полимера. Таким образом, например, для полиэтилена диффузию можно проводить при 150°C. Для минимизации деформации преформы можно применять более низкие температуры, например 120°C. Антиоксидант, который применяют для процесса диффузии, может находиться в твердой, жидкой или газообразной форме. Для антиоксиданта в твердой форме порошок мелкого помола равномерно распределяют на преформе и всю систему нагревают, чтобы позволить антиоксиданту диффундировать. Альтернативно, твердый антиоксидант можно растворить в подходящем растворителе. Для жидкой формы антиоксиданта, такой как альфа-токоферол (витамин E), преформу замачивают в жидком растворе при комнатной температуре или при повышенной температуре в течение нескольких часов. Время выдержки определяется на основе диффузионной способности антиоксиданта в полимере и применяемой температуры. Повышенная диффузионная способность способствует меньшему времени диффузии.
В альтернативном воплощении перекрестное сшивание осуществляют с применением способа химического перекрестного сшивания, известного в данной области техники. При таких способах одна или более чем одна добавка/антиоксидант может диффундировать или смешиваться одновременно во время перекрестного сшивания вместе с перекрестно сшивающим агентом. Альтернативно, химическое сшивание проводят после того, как смола, смешанная с антиоксидантами, затвердевает.
В некоторых воплощениях смолу мягко сшивают и затем смешивают с антиоксидантами. После затвердевания ее снова облучают, чтобы достичь желаемого уровня перекрестного сшивания.
При применении единственного антиоксиданта в СВМПЭ концентрацию необходимо выбирать осторожно, чтобы сбалансировать и износоустойчивость, и устойчивость к окислению при заданной дозе облучения. Как показано на Фиг.2а выбор высокого уровня антиоксиданта (Пункт A) ингибирует перекрестное сшивание в большем объеме, что приводит к пониженной износоустойчивости (Пункт D). С другой стороны, более высокая концентрация антиоксиданта обеспечивает большую устойчивость к окислению (Пункт E).
Поскольку износоустойчивость представляет собой первичный показатель интереса к перекрестно сшитому СВМПЭ в ортопедических приборах, можно выбрать применение более низкой концентрации антиоксиданта (Пункт B), который будет ингибировать перекрестное сшивание в меньшем объеме и обеспечит улучшенную износоустойчивость (Пункт C). Однако более низкая концентрация антиоксиданта, доступного для долговременной стабилизации прибора, приводит к ухудшенной устойчивости к окислению (Пункт F).
Внедрение первичного антиоксиданта с, по меньшей мере, одной вторичной добавкой или антиоксидантом в СВМПЭ может изменить связи между этими важными показателями (Фиг.2b). Взаимодействие между стабилизирующими соединениями приводит к улучшенной устойчивости к окислению (Пункт K) при более низкой концентрации первичного антиоксиданта (Пункт H). Поскольку концентрация первичного антиоксиданта ниже, ингибирование перекрестного сшивания меньше и заданная доза облучения приводит к более высокой износоустойчивости (Пункт I).
Примеры
Пример 1
Теперь ссылаясь на Фиг.1, стадия 1 указывает на выбор полимерной смолы или порошка для применения в качестве исходного материала, основываясь на применении и требуемой производительности/свойств. Например, полимерная смола может представлять собой GUR1050 или GUR1020 полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ), тефлон, полиуретан, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), термопластические эластомеры и т.д. На стадии 2 эту выбранную полимерную смолу смешивают с по меньшей мере двумя синергетическими добавками путем перемешивания при внешних условиях с помощью стандартных смешивающих техник, таких как планетарное, ленточное, вальцующее, вертикальное, вращающее, бороздящее, цилиндрическое или лопастное перемешивание. В некоторых случаях низкомолекулярные фракции полимера можно применять для достижения гомогенного распределения антиоксидантных добавок. Низкомолекулярные фракции обеспечивают ингредиент с низкой температурой плавления, что может позволить диффузию антиоксиданта и, таким образом, гомогенное распределение. Например, низкомолекулярные фракции полиэтилена можно смешать с полиэтиленом сверхвысокой молекулярной массы в качестве первичной смолы. На стадии 3 смесь затвердевают в преформе с помощью стандартных способов, таких как прессование в форме, плунжерная экструзия, инжекционное формование и т.д. На стадии 4 проводят стандартную тепловую обработку для снижения остаточных напряжений, образующихся во время затвердевания. Например, типичная тепловая обработка после затвердевания для снижения остаточного напряжения включает нагревание затвердевшего материала в печи или подходящей жидкой ванне до 104°C или выше, выдерживание при высокой температуре и медленное охлаждение материала менее чем на 6°С в час. Альтернативно, тепловую обработку можно проводить с применением конвекционных нагревающих печей, которые нагревают используя стойкие нагревательные элементы. Альтернативно можно применять вакуумное нагревание. На стадии 5 принимают решение в зависимости от уровня перекрестного сшивания, желаемого в конечном имплантате. Если конечный имплантат не является в высокой степени сшитым, то стадия 6 включает машинную обработку желаемого ортопедического компонента до окончательной формы. На стадии 7 имплантат стерилизуют с помощью гамма-излучения в стандартной дозе от 2,5 до 4,0 МРад (25-40 кГр). Если конечный имплантат является в высокой степени сшитым, то на стадии 8 описано облучение преформы на воздухе гамма излучением или излучением электронного пучка на воздухе в дозах, которые варьируют от 5 до 20 МРад (50-200 кГр). На стадии 9 конечный имплантат обрабатывается из в высокой степени сшитого материала преформы. На стадии 10 принимают решение о желательном способе стерилизации для в высокой степени сшитого импланта. На стадии 11 имплантат стерилизуют с помощью газовой стерилизации без облучения. На стадии 12 конечный имплантат стерилизуют гамма излучением в стандартной дозе, варьирующей от 2,5 до 4,0 МРад (25-40 кГр).
Кроме того, ссылаясь на Пример 1, и не ограничивающим объем изобретения образом в одном воплощении имплантат можно применять в качестве конструкционного материала для артропластики тазобедренного сустава; в одном воплощении имплантат можно применять как конструкционный материал для артропластики коленного сустава; в одном воплощении имплантат можно применять как конструкционный материал для артропластики позвонков и в одном воплощении его можно применять как конструкционный материал для артропластики плечевого сустава.
Пример 2
Чистую GUR1020 СВМПЭ смолу смешивали со следующими материалами:
-1
Материал A - dl-альфа-токоферол (витамин E или Vit E) в номинальной концентрации 500 млн (0,05 масс.%),
Материал B - очищенный куркумин или диферулоилметан (97,7% с помощью ВЭЖХ) в номинальной концентрации 500 млн"1 (0,05 масс.%),
-1
Материал C - dl-альфа-токоферол и очищенный куркумин в номинальных концентрациях 250 млн (0,025 масс.%) каждый.
Следует отметить, что dl-альфа-токоферол, также известный как полностью рацемический альфа-токоферол, относится к синтетическому витамину Е, который представляет собой полную рацемическую смесь приблизительно равных количеств восьми возможных стереизомеров (т.е. альфа-токоферола, бета-токоферола, гамма-токоферола, дельта-токоферола, альфа-токотриенола, бета-токотриенола, гамма-токотриенола и дельта-токотриенола). Эти материалы затем подвергали затвердеванию с помощью прессования в форме, прокаливали для снижения остаточного напряжения и затем подвергали гамма-излучению в номинальной дозе 10 МРад (100 кГр). После облучения тепловой обработки не проводили.
Также оценивали два контрольных материала. Чистый GUR1020 СВМПЭ подвергали затвердеванию, прокаливали для снижения остаточного напряжения и оставляли в необлученном состоянии (Материал D - исходный). Кроме того, чистый GUR1020 СВМПЭ подвергали затвердеванию, прожигали, чтобы снизить остаточные напряжения, облучали гамма-излучением в исходной дозе 10 МРад (100 кГр), и переплавляли для стабилизации в высокой степени сшитого материала (материал E - 10-ПСПЭ).
Чтобы определить устойчивости к окислению этих материалов, проводили эксперименты по времени индукции окисления (ВИО) с помощью дифференциального сканирующего калориметра (DSC) Netzsch 204 F1 Phoenix (Huntersville, NC) при помощи способа, похожего на способ, описанный для ASTM D3895-07. Пластинчатые образцы удаляли из внутренней части материалов, взвешивали с разрешением до 0,01 мг и ранжировали по массе от 9 до 11 мг. Каждый образец помещали в алюминиевый тигель, и в крышке проделывали отверстие, чтобы дать возможность для тока газа. Пустой алюминиевый тигель с отверстием в крышке применяли в качестве контрольного образца. Для каждого материала оценивали по три образца (n=3).
i
2
1
2
Эксперименты по ВИО применяли для быстрой оценки окислительной стабильности различных полимеров, включая ограниченное количество исследований с СВМПЭ. Как показано на Фиг.3a, каждый эксперимент по ВИО начинали с изотермального сегмента при 30°C в течение 10 минут с уровнем тока азота 50 мл/мин. Эту стадию применяли для вытеснения кислорода из камеры и алюминиевого тигеля, удерживающего образец, чтобы избежать окисления во время нагревания. Печь и образец затем нагревали со скоростью 20°C/мин для стабилизации температуры (Т), которая составляла 190°C в этом эксперименте и удерживалась в течение 10 минут, чтобы позволить образцам и печи достичь равновесия (Фиг.3a). В момент времени t ток газообразного азота останавливали и немедленно начинали ток кислорода со скоростью 50 мл/мин. Температуру печи и образца поддерживали на уровне T, пока наблюдали экзотермическую реакцию (Фиг.3b), которая обозначала, что в образце происходит окисление. Экстраполированное время до начала реакции этой экзотермы определяли как t, а ВИО (τ) рассчитывали как разницу между t и t. Время индукции, наблюдаемое для полимеров, стабилизированных добавками, традиционно интерпретировали как постепенный расход стабилизатора, которое следовало за экзотермической реакцией окисления, которую измеряли с помощью DSC (Фиг.3b). В результате увеличенное время индукции окисления свидетельствовало о более сильной устойчивости к окислению.
-1
-1
В этом эксперименте оба стандартных контрольных материала проявляли нулевое время индукции окисления, что означало, что они окислялись немедленно при проникновении тока кислорода при этой удерживаемой температуре (Фиг.4). Напротив, было обнаружено, что в высокой степени сшитая смесь с концентрацией витамина E 500 млн (материал A), проявляла ВИО 3 мин, и в высокой степени сшитая смесь с концентрацией куркумина 500 млн (материал B) имела ВИО 10 мин (Фиг.4). На основании правила смешивания (уравнение 5) и линейной связи между концентраций антиоксиданта и временем индукции, известным в данной области техники, можно предположить, что ВИО составляет приблизительно 6,5 мин для смеси 1:1 витамина E и куркумина (материал C).
<mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mrow><mi>Ь</mi><mi>ш</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>a</mi></msub><mo>+</mo><mi>В</mi><mi>И</mi><msub><mi>О</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Mix
где: BHO представляет собой ВИО для смеси,
a
ВИО представляет собой ВИО вещества в СВМПЭ, и
b
ВИО представляет собой ВИО для вещества b в СВМПЭ.
Однако изобретатели описали, что смесь с витамином E и куркумином (материал C) имеет ВИО 9 мин (РИС.4), что на 38% выше, чем можно было предполагать, основываясь на уравнении 5.
Механические свойства этих материалов оценивали путем испытаний на одноосное растяжение и ударную вязкость по Изоду. Испытания на одноосное растяжение проводили согласно ASTM D638-03. В этих испытаниях образцы IV типа с толщиной 3,0 мм тестировали при 5,08 см/мин до поломки. Многочисленные показатели получали при этих испытаниях. Устойчивость к деформации (УД) материала определяли как переход от эластичной к пластической деформации и, в основном, определяли как напряжение около конца линейного эластичного участка. Предел прочности на разрыв (ППР) представляет собой самое сильное напряжение, испытанное образцом во время испытания, а удлинение при разрыве (УР) представляет собой процентное изменение в длине образца во время разлома. Ударные испытания по Изоду проводили в соответствии с ASTM F648-07. В этом испытании стандартный образец СВМПЭ с двумя острыми, как бритва, зазубринами ломали с помощью качающегося маятника. Количество энергии, требующейся для поломки образца, представляет собой ударную вязкость по Изоду. Следовательно, образец, который требует больше энергии для разрыва, обладает повышенной твердостью и повышенной ударной вязкостью по Изоду.
Обычно предел прочности на разрыв (ППР) СВМПЭ снижается с повышением плотности перекрестного сшивания. На основании этой обычной корреляции пониженный ППР материала C (Таблица 1) относительно материалов A и B предполагается, что повышенные уровни перекрестного сшивания происходили в материале C.
Таблица 1
Материал
Устойчивость к деформации (МРа)
Предел прочности на разрыв (МПа)
Удлинение при разрыве (%)
Ударная вязкость по Изоду (кДж/м<sup>2</sup>)
500 млн<sup>-1</sup> витамин E, 10 МРад (Материал A)
23,7±0,3
46,6±2,1
280±8
67±1
500 млн<sup>-1</sup> куркумина, 10 МРад (материал B)
23,5±0,3
44,4±3,4
264±13
65±2
250 млн<sup>-1</sup> витамин Е+250 млн<sup>-1</sup> куркумина, 10 МРад (материал C)
23,3±0,4
42,8±3,9
255±20
66±1
300 млн<sup>-1</sup> витамина Е+300 млн<sup>-1</sup> ДПЭ, 10 МРад (материал F)
23,7±0,7
38,2±4,1
234±22
69±2
300 млн<sup>-1</sup> куркумина+
23,7±0,1
40,9±2,3
232±10
63±2
300 млн<sup>-1</sup> ДПЭ, 10 МРад (материал G)
На основании этих результатов очевидно, что добавление куркумина к смеси витамин Е/СВМПЭ улучшает устойчивость материала к окислению, что позволяет снизить содержание витамина E. B результате дозу облучения, необходимую для получения заданной плотности перекрестного сшивания и износоустойчивости материала C, можно снизить и привести к дополнительным улучшениям устойчивости к окислению. Альтернативно, дозу облучения можно поддерживать на уровне 10 МРад, и это приведет к улучшенной износоустойчивости и устойчивости к окислению по сравнению с материалом A.
Пример 3
Чистую смолу GUR1020 СВМПЭ смешивали со следующими компонентами:
-1
материалом A - dl-альфа-токоферолом (витамин E или Vit E) в исходной концентрации 500 млн (0,05 масс.%),
-1
материалом F - dl-альфа-токоферолом и дипентаэритритолом (ДПЭ), не антиоксидантным полиатомным спиртом, в номинальных концентрациях 300 млн (0,03 масс.%) каждый.
Эти материалы затем подвергали затвердеванию с помощью прессования в форме, прокаливали, чтобы уменьшить остаточное напряжение, и затем подвергали гамма-облучению в номинальной дозе 10 МРад (100 кГр). После облучения обработки теплом не проводили.
Кроме того, оценивали два контрольных материала. Чистый GUR1020 СВМПЭ подвергали затвердеванию, прокаливали для снижения остаточного напряжения и оставляли в облученном состоянии (материал D - исходный). Вдобавок чистый GUR1020 СВМПЭ затвердевали, прокаливали для снижения остаточного напряжения, облучали гамма-излучением в номинальной дозе 10 МРад (100 кГр) и переплавляли для стабилизации в высокой степени сшитого материла (материал E - 10-ПСПЭ). Как и в Примере 2, устойчивость к окислению этих материалов оценивали путем экспериментов по ВИО при поддерживаемой температуре 190°C.
-1
-1
-1
Стандартные контрольные материалы окисляли с момента начала потока кислорода при 190°C (Фиг.5), что приводило к величине ВИО, равной нулю. ВИО СВМПЭ, смешанного с 500 млн Vit E (материал A), составляло 3 мин (Фиг.5). Добавление 300 млн ДПЭ к смеси СВМПЭ только с 300 млн витамина E (материал F) приводило к ВИО, составляющему 8 минут, что представляет повышение на 166%. Таким образом, добавление второй добавки, ДПЭ, с витамином E улучшало устойчивость к окислению, что позволяло снизить концентрацию витамина E на 40%, что приводило к улучшенной эффективности перекрестного сшивания. Эта улучшенная устойчивость к окислению имела место, несмотря на то что ДПЭ неизвестен как антиоксидант и теоретически будет проявлять ВИО, равное нулю при смешивании только с СВМПЭ. Пониженный предел прочности (ППР) материала F относительно материала A дает основание предполагать повышенные уровни перекрестного сшивания в материале F (Таблица 1). В результате дозу облучения, необходимую для получения заданной плотности перекрестного сшивания и износоустойчивости, можно понизить, что также приведет к улучшенной устойчивости к окислению и механическим свойствам, в особенности вязкости и жесткости, относительно материала A.
Альтернативно, можно далее снизить концентрацию витамина E в смеси Vit E/ДПЭ для получения улучшенной износоустойчивости в комбинации с устойчивостью к окислению, эквивалентно материалу A.
Пример 4
Чистую смолу GUR1020 СВМПЭ смешивали со следующими компонентами.
-1
Материал B - очищенный куркумин, или диферулоилметан (97,7% в соответствии с ВЭЖХ), в номинальной концентрации 500 млн (0,05 масс.%),
-1
Материал G - очищенный куркумин, или диферулоилметан (97,7% в соответствии с ВЭЖХ), и дипентаэритритол (ДПЭ), не обладающий антиоксидантным действием полиатомный спирт, в номинальных концентрациях 300 млн (0,03 масс.%) каждый.
Эти материалы потом подвергали затвердеванию с помощью прессования в форме, прокаливали для снижения остаточного напряжения, и затем подвергали гамма-излучению в номинальной дозе 10 МРад (100 кГр). После облучения тепловую обработку не проводили.
Кроме того, оценивали два контрольных материала. Чистый GUR1020 СВМПЭ подвергали затвердеванию, прокаливали для снижения остаточного напряжения и оставляли в облученном состоянии (материал D - исходный). Вдобавок чистый GUR1020 СВМПЭ затвердевали, прокаливали для снижения остаточного напряжения и затем подвергали гамма-излучению в номинальной дозе 10 МРад (100 кГр) и переплавляли для стабилизации в высокой степени сшитого материла (материал E - 10-ПСПЭ). Как и в Примере 2, устойчивость к окислению этих материалов оценивали путем экспериментов по ВИО при поддерживаемой температуре 190°C.
-1
-1
Стандартные контрольные материалы окисляли с момента начала потока кислорода при 190°C (Фиг.6), что приводило к величине ВИО, составляющей ноль. Для материала В ВИО составляло 10 мин (Фиг.6). Добавление 300 млн ДПЭ к смеси СВМПЭ с всего 300 млн куркумина (материал G) приводило к устойчивости к окислению, которая приблизительно эквивалентна устойчивости к окислению материала В. Эта улучшенная устойчивость к окислению наблюдалась, несмотря на тот факт что ДПЭ не известен как антиоксидант и теоретически должен проявлять ВИО, равное нулю, при смешивании только с СВМПЭ. Понижение ППР для материала G (Таблица 1) дает основание предполагать, что получена большая степень перекрестного сшивания, что приведет к улучшенной износоустойчивости. Альтернативно, можно облучать материал G пониженной дозой гамма-излучения для достижения эквивалентной износоустойчивости, близкого ППР и улучшенной устойчивости к окислению относительно материала В.
Поскольку в типичных воплощениях можно проводить различные модификации, как описано выше со ссылкой на соответствующие иллюстрации не выходя за пределы изобретения, предполагается, что все материалы, содержащиеся в описании и продемонстрированные на сопровождающих фигурах, следует интерпретировать как пояснительные, нежели как ограничивающие. Хотя большинство примеров, описанных здесь, относятся к СВМПЭ, можно применять любой другой полимер. Таким образом, объем и пределы настоящего изобретения не следует ограничивать любым из описанных выше примеров воплощения, но их следует определять только в соответствии со следующими пунктами формулы изобретения, приведенными ниже, и их эквивалентами.
Ссылки
За исключением приоритетной заявки (Предварительная заявка на патент США №61/175308, поданная 4 мая 2009 года, приоритет которой заявлен в настоящей заявке и которая включена здесь путем ссылки), патенты, патентные заявки и публикации, упомянутые в определении, характеризуют уровень подготовки специалистов в данной области техники, к которой относится изобретение. Они также предназначены для иллюстрации не ограничивающим объем изобретения образом того, что на момент написания изобретения известно специалистам в данной области техники, к которой относится изобретение. Не предполагается, чтобы они каким-либо образом ограничивали изобретение.
[1] L.Costa and P.Bracco, "Mechanisms of crosslinking, oxidative degradation and stabilization of UHMWPE," in UHMWPE Biomaterials Handbook, S.M.Kurtz, Ed., Burlington, MA: Elsevier, 2009.
[2] F.W. Shen, H.A. McKellop, and R. Salovey, "Irradiation of chemically crosslinked ultrahigh molecular weight polyethylene," J Polym Sci B, 1996; 34:1063-1077.
[3] M.Nakris, A.Tzur, A.Vaxman, H.G.Fritz, "Some properties of silane-grafted moisture-crosslinked polyethylene," Polym Eng Sci, 1985; 25(13):857-862.
[4] S.Al-Malaika and S.Issenhuth, "Processing effects on antioxidant transformation and solutions to the problem of antioxidant migration," in Polymer Durability: degradation, stabilization, and lifetime prediction, R.L.Clough, N.C.Billingham and K.T.Gillen, Eds., Washington D.C.: American Chemical Society, 1996.
[5] F.Gugumus, "Possibilities and limits of synergism with light stabilizers in polyolefins 1. HALS in polyolefins," Polym Degrad Stabil, 2002; 75(2):295-308.
Поскольку можно осуществить различные модификации воплощений, как описано выше со ссылкой на соответствующие иллюстрации, без выхода за объемы изобретения, предполагается, что все материалы, содержащиеся в предыдущем описании и продемонстрированные на сопровождающих фигурах, следует интерпретировать как пояснительные, а не ограничивающие. Хотя большинство примеров, описанных здесь, относятся к СВМПЭ, можно применять любой другой полимер. Таким образом, объем и границы настоящего изобретения не ограничиваются любым из описанный выше иллюстративных воплощений, но их следует определять только в соответствии со следующими приложенными пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.
Далее, хотя настоящее изобретение описано подробно, следует понимать, что можно производить различные изменения, замещения и исправления не выходя за объем изобретения, как определено приложенными предложениями и описаниями. Кроме того, объемы настоящей заявки не ограничиваются конкретными воплощениями способа, механизма, производства, состава материала, средств, способов или стадий, уже существующих или разработанных позднее, которые выполняют по существу ту же функцию или достигают того же результата, как и соответствующие воплощения, описанные здесь, можно применять ту же самую функцию или достигать по существу такой же результат, как при использовании описанных здесь воплощений или когда любые различия являются кажущимися. Соответственно, предполагается, что в объем изобретения включены такие приложенные объекты как способы, механизмы, производство, составы материалов, средства или стадии.