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CN101810884A - 抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼 - Google Patents

抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼 Download PDF

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CN101810884A
CN101810884A CN 201010129279 CN201010129279A CN101810884A CN 101810884 A CN101810884 A CN 101810884A CN 201010129279 CN201010129279 CN 201010129279 CN 201010129279 A CN201010129279 A CN 201010129279A CN 101810884 A CN101810884 A CN 101810884A
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CN
China
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ultra
powder
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high molecular
weight polyethylene
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Pending
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CN 201010129279
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English (en)
Inventor
葛世荣
刘洪涛
倪自丰
黄孝龙
王世博
罗勇
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China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Original Assignee
China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
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Abstract

一种抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼，属于人造髋关节臼。该髋关节臼选用医药级超高分子量聚乙烯UHMWPE粉末为基础材料，并对其复合添加天然维生素VE和天然珊瑚粉NC，制成混合粉末，将混合粉末加入设计好的髋关节臼模具中，加温加压制备出UHMWPE/VE-NC复合材料的髋关节臼；随后对其进行的γ-射线辐照交联处理，最终得到抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼。优点：1、γ-射线辐照交联UHMWPE/VE-NC髋关节臼具有优良的耐磨性能；2、降低了磨损，减少了磨屑数量，并降低了由磨屑而引起细胞不良反应的程度，提高人工髋关节臼的可靠性和稳定性；3、具有良好的抗氧化抗老化性能。

Description

抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼
技术领域
本发明涉及一种人造髋关节臼，特别是一种抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼。
背景技术
医用超高分子量聚乙烯(英文名称缩写：UHMWPE)是目前广泛采用的髋关节臼材料，它与金属髋关节头的摩擦系数接近人体髋关节的磨擦系数，其配副方式最为广泛。纯超高分子量聚乙烯髋关节臼一般经过热压成型或由棒材精车成型制备而成，它具有良好的生物相容性、化学稳定性、抗冲击性、耐磨性及耐腐蚀性，是较为理想的医用高分子材料。然而，在长期的应用过程中，超高分子量聚乙烯因其氧化、磨损以及磨屑积聚，易引起骨质溶解，发生无菌松动，从而加重了患者的痛苦，降低了人工关节的使用寿命。因此，人们在探寻如金属对金属、陶瓷对陶瓷的材料的同时，就如何提高聚乙烯本身的耐磨性作了很大的努力。
发明内容
本发明的目的是要提供一种：既耐磨又稳定的抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼。
本发明的目的是这样实现的：超高分子量聚乙烯(英文名称缩写：UHMWPE)粉末处理工艺：选用医药级超高分子量聚乙烯粉末为基础材料，粒度范围为4.3～200μm，将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末在100℃温度环境下干燥12小时，去除超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末中的水分；
天然珊瑚粉(英文名称缩写：NC)处理工艺：先把大块的天然珊瑚粉NC破碎成小块，再用浓度为10％的次氯酸钠溶液浸泡2小时，然后用超声波蒸馏水清洗20分钟，随后置于真空干燥箱中，真空度约为10-2Pa，在100℃温度下干燥8小时，然后放入球磨机粉碎8小时，取出后过200目筛后得到微米级天然珊瑚粉(NC)颗粒；在丙酮溶液中利用超声波清洗器清洗20分钟；然后再置于真空干燥箱中，真空度约为10-2Pa，100℃温度下干燥12小时；
混合粉料制作工艺：将质量百分比为90％±2％的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末，质量百分比为0.1％±0.05％的维生素E粉末(维生素E的纯度为VE＞98％，粒度小于100μm)，及质量百分比9.9％±2％的天然珊瑚粉(NC)粉末进行球磨混合12小时，形成均匀三体混合粉末；
成型工艺：取100克～105克混合粉末加入设计好的髋关节臼模具中，并将模具放入加热炉中，将加热炉抽真空至10-3Pa，常温下以10Mpa的压力预压，然后在10Mpa的压力下加热到180℃，并在180℃下保温至混合粉体中的超高分子量聚乙烯UHMWPE粉料完全熔融；随后，以15Mpa的压力保压至模具温度降至室温，即制备出UHMWPE/VE-NC复合材料的髋关节臼；
辐照工艺：将复合材料的髋关节臼在室温、空气中，采用γ-射线进行辐照交联处理，辐照剂量为100kGy，辐照的剂量率为5kGyh-1，γ-射线源采用60Co，最终得到抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼。
有益效果，由于上述方案选用医药级超高分子量聚乙烯UHMWPE粉末为基础材料，并对其复合添加天然维生素VE和天然珊瑚粉NC，充分利用了维生素VE和天然珊瑚粉NC的优良品质，在随后对其进行的γ-射线辐照交联处理，又增加了材料的抗氧化性，最终得到抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼。
天然珊瑚粉取材于造礁石珊瑚，其化学成分与人体骨类似，主要由碳酸钙及有机质构成，天然珊瑚人工骨具有良好的生物相容性，安全无毒，天然珊瑚中的CaCO3在体液内可分解为Ca2+和HCO3 -，HCO3 -可参与体液的HCO3 -/CO2缓冲系，而Ca2+则可参与植入体表面的钙磷离子交换，促进新骨的形成。
维生素VE分子结构中的氧杂萘满端可以吸取和稳定自由基，形成苯氧基自由基；苯氧基自由基会遭受位阻，使本身稳定并保留在聚合物内，阻止了氧化过程。
通过γ射线对UHMWPE/VE-NC复合材料的照射，引起(UHMWPE/VE-NC复合材料)UHMWPE分子间发生交联，将抗氧化剂和天然骨成分材料添加到超高分子量聚乙烯里面，提高了材料的耐磨性和材料的生物相容性，这是制造髋关节臼材料的一个重要突破，提高了(UHMWPE/VE-NC复合材料)UHMWPE的耐磨性能约50％，髋关节臼的成型工艺将三种不同的材料有机地结合在一起，并通过一定的处理方式改善了复合材料的使用性能；在医药级UHMWPE粉末中添加了天然维生素VE，使关节臼既耐磨又稳定，达到了本发明的目的。
本发明具有以下优点：
1、γ-射线辐照交联UHMWPE/VE-NC髋关节臼具有优良的耐磨性能，新型髋关节臼的磨损率约为辐照交联UHMWPE髋关节臼的磨损率的二分之一，是未辐照UHMWPE髋关节臼的磨损率的四分之一。
2、γ-射线辐照交联UHMWPE/VE-NC髋关节臼的磨屑尺寸介于3-300μm范围内，平均粒径为9.55μm，并且粒径在5μm以下的磨屑占总磨屑的4.10％；未辐照UHMWPE髋关节臼的磨屑尺寸介于2-200μm范围内，平均粒径为7.54μm，粒径在5μm以下的磨屑占总磨屑的27.44％。这表明辐照交联UHMWPE/VE在降低磨损的同时也很好地控制了UHMWPE磨屑的尺寸，减少了磨屑数量，并降低了由磨屑而引起细胞不良反应的程度，对于提高人工髋关节臼的可靠性和稳定性具有重要的意义
3、γ-射线辐照交联UHMWPE/VE-NC髋关节臼具有良好的抗氧化抗老化性能。
具体实施方式
实施例1：超高分子量聚乙烯(英文名称缩写：UHMWPE)粉末处理工艺：选用医药级超高分子量聚乙烯粉末为基础材料，粒度范围为4.3～200μm，将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末在100℃温度环境下干燥12小时，去除超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末中的水分；
天然珊瑚粉(英文名称缩写：NC)处理工艺：先把大块的天然珊瑚粉NC破碎成小块，再用浓度为10％的次氯酸钠溶液浸泡2小时，然后用超声波蒸馏水清洗20分钟，随后置于真空干燥箱中，真空度约为10-2Pa，在100℃温度下干燥8小时，然后放入球磨机粉碎8小时，取出后过200目筛后得到微米级天然珊瑚粉(NC)颗粒；在丙酮溶液中利用超声波清洗器清洗20分钟；然后再置于真空干燥箱中，真空度约为10-2Pa，100℃温度下干燥12小时；
混合粉料制作工艺：将质量百分比为90％±2％的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末，质量百分比为0.1％±0.05％的维生素E粉末(维生素E的纯度为VE＞98％，粒度小于100μm)，及质量百分比9.9％±2％的天然珊瑚粉(NC)粉末进行球磨混合12小时，形成均匀三体混合粉末；
成型工艺：取100克～105克混合粉末加入设计好的髋关节臼模具中，并将模具放入加热炉中，将加热炉抽真空至10-3Pa，常温下以10Mpa的压力预压，然后在10Mpa的压力下加热到180℃，并在180℃下保温至混合粉体中的超高分子量聚乙烯UHMWPE粉料完全熔融；随后，以15Mpa的压力保压至模具温度降至室温，即制备出UHMWPE/VE-NC复合材料的髋关节臼；
辐照工艺：将复合材料的髋关节臼在室温、空气中，采用γ-射线进行辐照交联处理，辐照剂量为100kGy，辐照的剂量率为5kGyh-1，γ-射线源采用60Co，最终得到抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼。
本发明选用医药级UHMWPE粉末为基础材料，按照合适的成分配比复合添加天然维生素VE和天然珊瑚粉NC，在球磨机中将三种材料均匀混合；设定优选成型工艺，采用模压成型法制备出UHMWPE/VE-NC复合材料；对复合材料进行适量的γ-射线辐照交联处理，最终得到抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼。最后，将髋关节臼表面抛光，经医学消毒即得产品。
实验表明，新型髋关节臼的磨损率约为辐照交联UHMWPE髋关节臼的磨损率的二分之一，是未辐照UHMWPE髋关节臼的磨损率的四分之一。由此可见，辐照交联UHMWPE/VE-NC髋关节臼的耐磨性有了大幅度提高。另外，γ-射线辐照交联UHMWPE/VE-NC髋关节臼可以有效地控制磨屑的尺寸，减少了磨屑数量，降低由磨屑而引起细胞不良反应的程度，对于提高人工髋关节臼的可靠性和稳定性具有重要的意义。

Claims (1)

1.一种抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼，其特征是：超高分子量聚乙烯(英文名称缩写：UHMWPE)粉末处理工艺：选用医药级超高分子量聚乙烯粉末为基础材料，粒度范围为4.3～200μm，将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末在100℃温度环境下干燥12小时，去除超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末中的水分；
天然珊瑚粉(英文名称缩写：NC)处理工艺：先把大块的天然珊瑚粉NC破碎成小块，再用浓度为10％的次氯酸钠溶液浸泡2小时，然后用超声波蒸馏水清洗20分钟，随后置于真空干燥箱中，真空度约为10-2Pa，在100℃温度下干燥8小时，然后放入球磨机粉碎8小时，取出后过200目筛后得到微米级天然珊瑚粉(NC)颗粒；在丙酮溶液中利用超声波清洗器清洗20分钟；然后再置于真空干燥箱中，真空度约为10-2Pa，100℃温度下干燥12小时；
混合粉料制作工艺：将质量百分比为90％±2％的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末，质量百分比为0.1％±0.05％的维生素E粉末(维生素E的纯度为VE＞98％，粒度小于100μm)，及质量百分比9.9％±2％的天然珊瑚粉(NC)粉末进行球磨混合12小时，形成均匀三体混合粉末；
成型工艺：取100克～105克混合粉末加入设计好的髋关节臼模具中，并将模具放入加热炉中，将加热炉抽真空至10-3Pa，常温下以10Mpa的压力预压，然后在10Mpa的压力下加热到180℃，并在180℃下保温至混合粉体中的超高分子量聚乙烯UHMWPE粉料完全熔融；随后，以15Mpa的压力保压至模具温度降至室温，即制备出UHMWPE/VE-NC复合材料的髋关节臼；
辐照工艺：将复合材料的髋关节臼在室温、空气中，采用γ-射线进行辐照交联处理，辐照剂量为100kGy，辐照的剂量率为5kGyh-1，γ-射线源采用60Co，最终得到抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯髋关节臼。
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