ES2271880T3 - Polietileno reticulado de peso molecular ultra elevado (uhmw-pe). - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la estabilización de polietileno reticulado de peso molecular ultra elevado con alfa-tocoferol, caracterizado por el hecho de que el alfa-tocoferol se deja difundir en el polietileno.

Description

Polietileno reticulado de peso molecular ultra elevado (UHMW-PE).

La presente invención se refiere a un novedoso polietileno entrecruzado de peso molecular ultra elevado (UHMW-PE).

Aproximadamente el 70% de todas las prótesis de rodilla y cadera utilizadas en todo el mundo poseen superficies de deslizamiento hechas de UHMW-PE. Aunque dichas endoprótesis se han utilizado clínicamente con éxito desde hace más de 30 años, su vida útil se encuentra limitada en general a 10 hasta 15 años. La causa de dicha limitación de vida útil son los mecanismos de deterioro oxidativo del UHMW-PE en el cuerpo humano, tras lo cual la abrasión del PE puede aumentar de forma dramática y se produce una inflamación en el entorno del implante. En la mayoría de los casos, esto hace necesaria una costosa operación de revisión.

Extensas investigaciones (C. Wolf et al., J. Mat. Sci.: Mat. in Med. 13 (2002), 185-189; C. Wolf et al., J. Mat. Sci.: Mat. in Med. 13 (2002), 701-705)) han mostrado que este deterioro de las superficies de deslizamiento de UHMW-PE a consecuencia de la oxidación puede retardarse mediante la adición del oxidante natural \alpha-tocoferol (vitamina E), pudiéndose esperar una prolongación de la vida útil de las prótesis de estos tipos en un factor de 2,5.

En la solicitud de patente EP 0 995 449 A se describe un polietileno UHMW provisto con un depósito de vitamina A disuelta o suspendida en un líquido sobre el material de partida en forma de polvo.

Según la solicitud de patente internacional WO 00/49079 A se prepara UHMW-PE provisto de un antioxidante, como por ejemplo \alpha-tocoferol, mezclando partículas de polietileno con el antioxidante y CO_{2} bajo condiciones de fluido supercrítico, a una temperatura elevada y una elevada presión, para formar una mezcla supercrítica y posteriormente expandiéndola, de manera que se evapora el CO_{2}.

En ambos procedimientos descritos más arriba, el UHMW-PE provisto con el depósito se conforma a continuación en forma de barras y bloques mediante extrusión, prensado y procedimientos similares para su posterior elaboración.

En los últimos años, con el UHMW-PE reticulado, se ha introducido otro material para las superficies de deslizamiento de las endoprótesis. Mediante el tratamiento con irradiación de alta energía, puede mejorarse sustancialmente el comportamiento frente a la abrasión de UHMW-PE. Al procedimiento de irradiación se le asocia una etapa de templado especial, la cual conduce a otra reticulación así como a una saturación de los radicales libres creados por la irradiación. Dado que los radicales libres se consideran como punto de partida para la oxidación, esto conduce a una elevada estabilidad a la oxidación del material. Sin embargo, si se examina la estructura química del UHMW-PE reticulado, es prácticamente idéntica químicamente al UHMW-PE estándar utilizado hasta el momento (de hecho el UHMW-PE reticulado presenta átomos de carbono terciario como puntos de reticulación, los cuales todavía son más susceptibles a ataques oxidativos como átomos de carbono secundarios de la cadena principal). Así pues, una carga de \alpha-tocoferol debería aumentar sustancialmente la estabilidad a la oxidación del UHMW-PE reticulado.

A diferencia del UHMW-PE convencional, en el caso de PE reticulado por irradiación no es posible introducir \alpha-tocoferol antes del propio procesamiento en el polvo de PE, dado que impide la reticulación y además el propio \alpha-tocoferol se descompone en gran medida durante el procedimiento de irradiación y también durante el proceso de templado.

Es objeto de la invención proporcionar polietileno reticulado de peso molecular ultra elevado, con una estabilidad a la oxidación mayor, es decir, estabilizado. Para ello debe conseguirse en particular una vida útil elevada de los cuerpos moldeados hechos de dicho UHMW-PE, especialmente aquellos que se han conformado como endoprótesis. Además, es objeto de la presente invención proporcionar un procedimiento a través del cual pueda obtenerse UHMW-PE según la invención.

El primer objeto se resuelve según la invención mediante un polietileno reticulado de ultra elevado peso molecular que contiene \alpha-tocoferol como estabilizador.

El procedimiento según la invención a través del cual puede obtenerse UHMW-PE que contiene \alpha-tocoferol se caracteriza por el hecho de que se deja difundir el \alpha-tocoferol hacia el interior del polietileno reticulado de peso molecular ultra elevado.

Debido a la prevención de la reticulación del polietileno y de la descomposición del \alpha-tocoferol, su introducción en el UHMW-PE sólo puede llevarse a cabo después de las etapas de acabado en el producto semiacabado irradiado o en el producto final acabado. Se ha demostrado que el fenómeno de transporte físico de la difusión puede utilizarse con el objetivo de introducir el \alpha-tocoferol en el UHMW-PE reticulado. Al hacerlo, la concentración de \alpha-tocoferol queda afectada por la variación de los parámetros de procesamiento (temperatura, tiempo de difusión).

En una forma de realización preferida del procedimiento, la difusión se lleva a cabo bajo atmósfera inerte.

La difusión del \alpha-tocoferol se lleva a cabo preferentemente a una temperatura en el rango de 100ºC a 200ºC.

Preferentemente, el polietileno se templa después de la difusión del \alpha-tocoferol bajo atmósfera inerte. Esto lleva a una distribución uniforme del \alpha-tocoferol en el polietileno, cuyo \alpha-tocoferol en primera instancia sólo se aplica substancialmente en las regiones de la periferia y de la superficie del UHMW-PE reticulado, mediante sorción y difusión.

El templado del polietileno se lleva a cabo preferentemente a una temperatura en el rango de 160ºC a 200ºC.

Según una realización preferida de la invención, el \alpha-tocoferol se deja difundir en el polietileno a 130ºC durante 60 minutos en el polietileno y a continuación se templa a 200ºC durante 24 horas.

El polietileno reticulado de peso molecular ultra elevado según la invención puede obtenerse también dejando difundir el \alpha-tocoferol en el polietileno en presencia de CO_{2} supercrítico.

El CO_{2} puede transferirse relativamente fácilmente en estado supercrítico y difundir rápidamente en polímeros debido a sus pequeñas dimensiones moleculares. Además no es tóxico, no es inflamable, no es perjudicial para el medio ambiente y es económico. La vitamina A se disuelve en el CO_{2} supercrítico según la siguiente relación (W. Chrastil, J. Phys. Chem., 86 (15), 1982, 3016-3021):

c = d^{8.231} * e^{(-17353.3/T + 0.646)}

donde c representa la concentración [g/l] del \alpha-tocoferol en CO_{2}, d [g/l] la densidad del CO_{2} y T la temperatura
en K.

Preferentemente, la difusión del \alpha-tocoferol en el polietileno se lleva a cabo a una temperatura en el rango de 100ºC a 180ºC.

La difusión del \alpha-tocoferol en el polietileno se lleva a cabo preferentemente a una presión en el rango de 150 bar a 300 bar.

La temperatura ajustada durante la difusión del \alpha-tocoferol en el polietileno se mantiene preferentemente durante el procedimiento de expansión, para evitar la modificación estructural del UHMW-PE.

Según otro aspecto, la invención se refiere a cuerpos moldeados hechos de UHMW-PE según la invención, en particular a aquellos que se han conformado como endoprótesis.

La invención se describe con más detalle a continuación con la ayuda de los ejemplos y de las figuras 1-9, mostrando la Fig. 5 el perfil de oxidación de un cuerpo moldeado según la invención y las figuras 1-4 y 6-9 un diagrama donde se representa la concentración de \alpha-tocoferol a lo largo de una sección transversal de un cuerpo moldeado según la invención.

Material y metódica de medida general

El UHMW-PE irradiado utilizado en las investigaciones son Durasul de la casa comercial Centerpulse, Winterthur, Suiza. Como forma para los cuerpos de muestra se seleccionaron cubiletes con una longitud de arista de
20 mm.

Para determinar la distribución del \alpha-tocoferol se seccionaron por la mitad los cubiletes después de los ensayos y se desbastó una lámina con un grosor de aproximadamente 200 \mum con la ayuda de un aparato de sección micrótomo. Entonces se lleva a cabo con un microscopio FTIR un escaneo en línea en dicha lámina, desde la mitad de un borde hasta el otro, con una separación de puntos de medida de 300 \mum. La concentración de \alpha-tocoferol en cada punto de medida se calculó a partir de la relación del pico correspondiente a \alpha-tocoferol a 1230-1279 cm^{-1} respecto al pico de PE a 2020 cm^{-1}. Dicha concentración se registró en un diagrama a lo largo de la distancia de los bordes laterales de la lámina y de esta manera se representó el perfil de concentración. La unidad de los datos de concentración es la masa de \alpha-tocoferol respecto a la masa de UHMW-PE en tanto por ciento. Además se pesaron los cubiletes antes y después de los ensayos y se determinó la concentración global de \alpha-tocoferol.

Introducción de \alpha-tocoferol en UHMW-PE reticulado por difusión

Se intentó introducir \alpha-tocoferol en el cubileto de Durasol mediante simple difusión. Para ello se introdujeron los cubiletes en una autoclave y se llenó con \alpha-tocoferol puro. A continuación se irrigó la autoclave durante 10 minutos con nitrógeno, para crear una atmósfera inerte. Después del transcurso de la fase de irrigación, se cerró el autoclave y se ajustó una presión de aproximadamente 50 bar mediante la entrada de nitrógeno. Una variación de la presión en el recipiente de autoclave no mostró ninguna influencia sustancial sobre la velocidad de difusión. En varios ensayos, se variaron los parámetros con una influencia substancial: la temperatura y la duración de la
difusión.

Resultados

En la primera parte de dicha secuencia de ensayos se fijó la temperatura máxima a 100ºC. El motivo para ello es que el UHMW-PE reticulado es bastante estable en cuanto a la forma a dicha temperatura, es decir, puede introducirse \alpha-tocoferol en un producto final acabado sin que sean necesarias etapas de procesamiento posterior adicionales. Por este motivo sólo se varió el tiempo de ensayo, es decir, la duración de la difusión.

Los parámetros de ensayo seleccionados se deducen de la Tabla 1, los perfiles de concentración correspondientes se representan en la Fig. 1.

TABLA 1

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Aunque no tuvieron lugar penetraciones demasiados grandes en un espacio de tiempo razonable (véase la fig. 1), sin embargo se provee a la capa periférica afectada en primera instancia por la oxidación, con una concentración variable de estabilizador y por tanto se consigue una protección contra la descomposición oxidativa. Dicho procedimiento es apropiado especialmente para productos acabados.

En un segundo ciclo de ensayos, se llevaron a cabo los ensayos a una temperatura elevada. En particular, al alcanzar el rengo de fusión de la cristalita, pudo observarse un claro aumento de la velocidad de difusión así como de la masa absorbida de \alpha-tocoferol.

Las regiones cristalinas en PE representan una barrera a la difusión del \alpha-tocoferol; la migración de las moléculas tiene lugar prácticamente exclusivamente en la fase amorfa. Mediante la fusión de las regiones cristalinas, se obtiene - además del efecto acelerador de la temperatura elevada - se llega a observar un fuerte aumento de la velocidad de difusión.

Mediante el aumento de la temperatura, se alcanza demás a un fuerte aumento de la solubilidad del \alpha-tocoferol en UHMW-PE. A 200ºC pudo introducirse hasta un 40% peso/peso de \alpha-tocoferol en el polietileno. Evidentemente, dichos valores se encuentran muy por encima de la concentración de saturación a temperatura ambiente, por lo cual el material estaba "sobrecargado" con \alpha-tocoferol a temperatura ambiente. Esto produjo tras el enfriamiento una fuerte difusión hacia fuera de la vitamina E, los cubiletes "sudaban" muy fuertemente.

En la Fig. 1 y en los ensayos descritos más arriba se observa que la temperatura influye en gran medida sobre la concentración límite o la concentración de saturación así como sobre la profundidad de penetración, pudiéndose ajustar la profundidad de penetración en primera instancia mediante el tiempo de difusión.

Aunque el aumento de la temperatura acelera el proceso de difusión, tal como se ha descrito más arriba, de forma considerable, también aumenta la concentración límite muy por encima del rango de una concentración razonable de estabilizador de aproximadamente 0,2 hasta como máximo el 1%. Sin una dilución del \alpha-tocoferol y por tanto sin la introducción de otro componente, no puede llevarse a cabo una distribución homogénea de vitamina E en un espacio de tiempo y en un rango de concentración razonables mediante la simple difusión. Sin embargo, de cara a una utilización como material de implante, la introducción de un nuevo componente debe evitarse, ya que puede complicar considerablemente el proceso de autorización necesario.

Para alcanzar una distribución uniforme, se llevó a cabo a continuación de la difusión un proceso de templado. Para ello las muestras, descritas más arriba, se transfirieron a una autoclave con \alpha-tocoferol, después se extrajeron del mismo y a continuación se almacenaron en un matraz bajo atmósfera de nitrógeno a diferentes temperaturas durante intervalos de tiempo diferentes. En el autoclave, mediante la temperatura, se creó una capa periférica de diferente espesor dependiendo del tiempo de difusión, con una alta concentración de \alpha-tocoferol y dicha capa se distribuyó después del proceso de templado sobre los cubiletes. La Tabla 2 y las figuras 2, 3 y 4 muestran los parámetros de ensayo y los perfiles de concentración obtenidos para las muestras templadas.

TABLA 2

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Además se calcularon los valores de CO, para determinar un deterioro eventual del material con el transcurso del proceso de templado. La fig. 5 muestra el perfil de oxidación del cubilete de PE del ensayo DIFF11_T200_6. Manteniendo minuciosamente la atmósfera inerte, no pudo observarse ningún deterioro oxidativo del material.

En base a los resultados obtenidos, es evidente que mediante una variación de los parámetros de tiempo de difusión, temperatura durante la difusión, duración y temperatura del proceso de templado, puede ajustarse el perfil de concentración del \alpha-tocoferol en el cubilete de UHMW-PE en otros rangos, según se desee.

El perfil de concentración DIFF10_T200_24 en la Fig. 4 muestra, por ejemplo, una impregnación aproximadamente homogénea del cubilete de UHMW-PE con una concentración de estabilizador de aproximadamente el 0,4% peso/peso. Lo cual se considera óptimo para muchas aplicaciones.

Preparación de un cubilete impregnado de forma homogénea con una concentración del 0,4% peso/peso de \alpha-tocoferol.

La autoclave se llena con \alpha-tocoferol en frío y se introduce el cubilete de tal manera que se encuentre completamente rodeado por \alpha-tocoferol. A continuación se cierra la autoclave y se irriga con nitrógeno durante 15 minutos. Al finalizar el proceso de irrigación, se aplica una presión de 15 bar y se calienta la autoclave a 130ºC. Al alcanzar los 130ºC, la temperatura se mantiene constante durante 60 minutos y luego se enfría a temperatura
ambiente.

El cubilete se extrae de la autoclave y se coloca en un recipiente de vidrio que se irriga durante 15 minutos con nitrógeno. El recipiente se cierra y se almacena a 200ºC durante 24 horas. Después del transcurso de dicho intervalo de tiempo, se enfría a temperatura ambiente y se saca el cubilete del recipiente.

Introducción de \alpha-tocoferol en UHMW-PE reticulado mediante CO_{2} supercrítico

Para los ensayos se utilizó una autoclave de laboratorio con una capacidad de 300 ml, la cual se encontraba calentándose en un horno. La temperatura se determinó con un sensor que se introdujo en la pared exterior de la autoclave. Conectado a la autoclave se encontraba una bomba de alta presión de CO_{2} y una válvula de escape mecánica.

Los cubiletes de UHMW-PE se introdujeron junto a la cantidad pesada de \alpha-tocoferol sobre un soporte de rejilla en la autoclave. A continuación se colocó la autoclave en el horno y se calentó lentamente a la temperatura deseada, estableciéndose al mismo tiempo la presión de CO_{2}. Después de alcanzar la temperatura deseada, empezó el cronometraje. Después de transcurrir el tiempo de ensayo deseado, se comenzó el procedimiento de expansión.

La expansión se lleva a cabo a tal velocidad y temperatura que no se produce la ruptura del cuerpo moldeado de UHMW-PE ni la modificación de la estructura cristalina.

En el proceso de expansión se procedió de la siguiente manera: después de transcurrir el tiempo de ensayo predeterminado, se desacopló la autoclave de la bomba de CO_{2}. Esto sirvió para impedir un vertido adicional de dióxido de carbono frío. Dado que sólo se encontraba disponible una válvula mecánica, no fue posible llevar a cabo la disminución de forma continua de la presión lenta requerida, sino que la presión se disminuyó de forma discontinua por etapas. En un espacio de tiempo de 24 horas, la presión se disminuyó aproximadamente cada hora en 20 bar durante 30 segundos (con una larga interrupción durante una noche). La temperatura se dejó siempre a la temperatura de ensayo, por un lado debido a la elevada velocidad de difusión, por otro lado para impedir modificaciones estructurales mediante una cristalización del material a una concentración de CO_{2} elevada. La temperatura se disminuyó lentamente (en el transcurso de 3 horas) a temperatura ambiente a continuación del procedimiento de
expansión.

El procedimiento de expansión puede optimizarse en relación al tiempo mediante válvulas de escape reguladas, siendo necesario en cualquier caso una duración mínima determinada.

Resultados

De forma similar a los ensayos, en la difusión convencional la temperatura de ensayo y la duración del ensayo determinan en gran medida la velocidad de difusión y la profundidad de penetración del \alpha-tocoferol en el UHMW-PE reticulado. Al excederse el rango de fusión de la cristalita se consigue, tal como se ha descrito más arriba, un aumento sustancial de la velocidad.

La Fig. 6 visualiza la influencia de la temperatura sobre la introducción del \alpha-tocoferol en el UMW-PE reticulado. En la Tabla 3 se listan los correspondientes parámetros de ensayo.

TABLA 3

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Mediante la modificación de la duración de ensayo se producen en primera instancia diferentes profundidades de penetración, tal como se evidencia a partir de la Fig. 7 y de la Tabla 4.

TABLA 4

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La influencia de la presión es un caso diferente, dado que juega un papel decisivo en la entrega del \alpha-tocoferol con CO_{2}. La presión influye sobre el espesor de CO_{2} y como consecuencia sobre la solubilidad del \alpha-tocoferol en CO_{2} así como la velocidad de difusión, según la fórmula indicada más arriba. Como se observa claramente en la fig. 8, la disminución de la presión disminuye considerablemente la cantidad de vitamina E que ha difundido hacia el interior. Por tanto, la presión para el resto de ensayos de mantuvo a 300 bar. La Tabla 5 muestra los parámetros de ensayo correspondientes a la Fig. 8.

TABLA 5

5

La mayor diferencia respecto la introducción por difusión convencional consiste en el hecho de que mediante la alimentación del \alpha-tocoferol en CO_{2}, puede ajustarse la concentración máxima en el material; el CO_{2} funciona, por decirlo de alguna manera, como diluyente. La Fig. 9 (los parámetros de ensayo correspondientes se indican en la Tabla 6) muestra los resultados de los ensayos con diferente alimentación de \alpha-tocoferol. Una disminución de la concentración de \alpha-tocoferol en CO_{2} conduce a una disminución de la concentración media de \alpha-tocoferol en UHMW-PE.

TABLA 6

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A partir de los resultados obtenidos resulta evidente que el \alpha-tocoferol puede introducirse en UHMW-PE reticulado como estabilizador mediante CO_{2} supercrítico. A través de una variación de los cuatro parámetros con mayor influencia: duración de ensayo, presión, temperatura y concentración de \alpha-tocoferol en CO_{2}, puede ajustarse el perfil de concentración del \alpha-tocoferol en UHMW-PE en otros rangos, según se desee.

Dado que el máximo de la evolución de la concentración no se ajusta en primer término a través de la temperatura sino a través de la carga de \alpha-tocoferol en CO_{2}, puede utilizarse altas temperaturas y presiones de CO_{2} teniendo en cuenta tiempos de procesamiento cortos. Para impregnar de forma homogénea un cubilete de UHMW-PE de 2 cm de longitud de arista, aún así son necesarias 12 horas a 170ºC y a 30 bar de presión de CO_{2}.

Es de remarcar especialmente el ajuste del proceso de expansión, dado que una expansión rápida puede conducir a una destrucción del material.

Preparación de un cubilete impregnado de forma homogénea con una concentración del 0,4% peso/peso de \alpha-tocoferol

El cubilete se introduce en la autoclave fría junto al \alpha-tocoferol. La cantidad de vitamina E se pesa de tal manera que la concentración en CO_{2} corresponda a 0,75 g/l. Después la temperatura y la presión se aumentan a 170ºC y 300 bar, respectivamente, lentamente (aproximadamente a lo largo de una hora). Después de 12 horas a 170ºC y 300 bar, comienza el proceso de expansión. Para ello se reduce la presión en el transcurso de 24 horas a una temperatura constante de 170ºC. A continuación se disminuye la temperatura a temperatura ambiente en el transcurso de 3 horas.

Claims (13)

1. Procedimiento para la estabilización de polietileno reticulado de peso molecular ultra elevado con \alpha-tocoferol, caracterizado por el hecho de que el \alpha-tocoferol se deja difundir en el polietileno.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la difusión se lleva a cabo bajo una atmósfera inerte.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que la difusión del \alpha-tocoferol se lleva a cabo a una temperatura en un rango de 100ºC a 200ºC.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el polietileno se templa bajo una atmósfera inerte después de la difusión del \alpha-tocoferol.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el templado del polietileno se lleva a cabo a una temperatura en el rango de 160ºC a 200ºC.

6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado por el hecho de que el \alpha-tocoferol se deja difundir en el polietileno a 130ºC durante 60 minutos y que finalmente se templa a 200ºC durante 24 horas.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el \alpha-tocoferol se deja difundir en el polietileno en presencia de CO_{2} supercrítico.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que la difusión del \alpha-tocoferol en el polietileno se lleva a cabo en una temperatura en un rango de 100ºC a 180ºC.

9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, caracterizado por el hecho de que la difusión del \alpha-tocoferol en el polietileno se lleva a cabo a una presión en el rango de 150 bar a 300 bar.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por el hecho de que la temperatura ajustada durante la difusión del \alpha-tocoferol en el polietileno se mantiene durante un procedimiento de expansión.

11. Polietileno reticulado de peso molecular ultra elevado, caracterizado por el hecho de que contiene \alpha-tocoferol como estabilizador.

12. Cuerpo moldeado hecho de polietileno reticulado de ultra elevado peso molecular según la reivindicación 11.

13. Cuerpo moldeado según la reivindicación 12, conformado como endoprótesis.