[发明专利]一种抗氧化人工关节假体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗氧化人工关节假体及其制备方法，特别是涉及一种抗氧化人工髋臼及其制备方法，该假体适用于关节置换，属于内植入医疗器械领域。

背景技术

超高分子量聚乙烯由于其优异的耐磨性、良好的力学性能和生物相容性，于上世纪60年代开始用于人工关节内衬受力材料。人工关节各部件的制造方法种类繁多，而且制造方法对于人工关节的力学性能和磨损有重要的影响。传统的方法是将模压成型或者柱塞挤出成型的超高分子量聚乙烯切削成特定的假体元件，与其它部件组装成人工关节。行关节置换术时，需用特制的手术工具将聚乙烯元件与金属元件嵌合。为了保证聚乙烯内衬在髋臼中长期稳定，通常需要在金属髋臼和聚乙烯内衬上设计和制造复杂的限位机构。此外，在传统的人工髋关节中，聚乙烯内衬与金属球头之间、聚乙烯内衬与金属髋臼之间存在至少两个摩擦界面，由于聚乙烯内衬往往没有固定，这两个摩擦面都可进行相对运动，从而发生磨损，产生大量的磨屑，是导致假体周边骨溶解的主要原因。

超高分子量聚乙烯与金属元件一体成型技术具有独特的优势。申请号为US2004/0098127 A1的专利公开了一种类似的“一体式”人工髋臼及其制造方法：通过热模压成型，将超高分子量聚乙烯熔体强迫嵌入多孔的金属髋臼内壁，形成物理咬合的一体式髋臼。其优点在于：聚乙烯材料与金属的孔洞形成“互穿结构”，成为一个整体，不需要另外设计和制造限位机构，生产效率大大提高；此外，减少了超高分子量聚乙烯与金属髋臼的滑动摩擦面，避免了背面磨损，利于降低磨损速率和磨屑数量。

无论是哪种假体，在制成成品后，植入人体前，必须经过灭菌处理，而辐照灭菌是重要的方法之一。此外，为了提高假体的耐磨损性能，常常将超高分子量聚乙烯进行辐照交联。辐照灭菌和辐照交联都会产生自由基，导致聚乙烯在库存期和植入后发生氧化。下面分别从辐照灭菌和辐照交联两个方面介绍相关的技术背景。

早期主要的人工关节生产商普遍采用在空气中伽马射线辐照灭菌，并在空气气氛中包装保存。在空气中辐照时，聚乙烯分子链被离解，生成的自由基迅速与氧分子结合，形成过氧自由基，诱发瀑布式氧化-链断裂-自由基转移等反应，不断地导致聚乙烯链发生氧化，断裂，降解，材料强度和韧性显著降低。这样的人工关节在储存超过一年半以后即发生严重的氧化，特别是聚乙烯下表面氧化程度最高，表面次之。辐照灭菌的人工关节植入体内5-10年时，关节滑液中溶解的氧分子可随关节滑液侵入聚乙烯假体，与聚乙烯中的烷基自由基反应，生成过氧自由基，过氧自由基导致聚乙烯分子链发生瀑布式氧化反应，特别是下表面发生最大的氧化，疲劳韧性降低，易发生片状剥离，导致假体发生松动、脱位，是导致假体（特别是膝关节假体）翻修的主要原因之一。

将聚乙烯假体置于真空中或低氧或无氧气氛中辐照交联，可避免在辐照时发生材料的氧化，避免或降低过氧化物或者过氧自由基的生成。辐照时以及辐照后将假体进行真空包装、惰性气氛包装、低氧气氛包装、或者无氧气氛包装，可大大提高聚乙烯假体在储存过程中的稳定性，显著降低或者避免发生氧化。若采用不透气的包装，隔绝氧气渗入，可进一步降低库存期间发生氧化的程度。然而，辐照产生的自由基在聚乙烯假体中稳定存在，惰性辐照灭菌并且惰性保存的聚乙烯假体在植入人体后，虽然发生氧化的程度显著降低，发生显著氧化所需的时间显著延长，但假体在体内的长期（10年以上）氧化稳定性仍有待临床研究。

非辐照灭菌技术不改变聚乙烯分子结构，不产生自由基，因此可完全避免自由基导致的聚乙烯氧化问题。环氧乙烷被广泛地应用于人工关节灭菌。其主要原理是将环氧乙烷渗入聚乙烯假体近表面层，利用环氧乙烷的毒性来杀灭细菌、孢子等。完成灭菌后，将环氧乙烷彻底挥发，环氧乙烷与聚乙烯不发生化学反应，没有残留。环氧乙烷是易燃易爆、有毒的气体，因此在保存、灭菌、处置过程中必须严格按照国际标准实施，尤其要避免环氧乙烷在聚乙烯假体中的残留。

辐照灭菌技术的显著优点在于效率高、易操作、灭菌彻底、无残留，并且在辐照过程中能使聚乙烯分子链发生交联，获得突出的耐磨损性能。这种耐磨损性能对于聚乙烯假体的临床表现和使用寿命至关重要。因此，辐照灭菌技术仍然是非常有竞争力的灭菌方法，特别是适于对一体式假体进行灭菌处理，关键在于发展一种方法以稳定辐照产生的自由基。