專利名稱：通過控制壓力和溫度制備超高分子量低模量聚乙烯成形制品的方法,及用其制成的組合 ...的制作方法
背景技術：
和目的本發明大致涉及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料，特別涉及彈性模量比傳統注模方法制得的材料低達50％的UHMWPE材料、用其制得的制品和其制備方法。這種新的成形制品形式的低模量UHMWPE有獨特的性質組合，使得材料通常可用作一支承表面(bearing surface)，但特別可用作假補膝關節、假補髖關節的支承表面和其它人體關節假補替代物的支承表面。
矯形植入物，如假補膝蓋植入物的脛骨坪和髕骨鈕(patellar button)，和假補髖植入物的髖臼凹(acetabular cup)的UHMWPE部件目前是通過機械加工來自UHMWPE樹脂固體塊的部件，或是對來自天然UHMWPE粉末的部件注模來生產的。如果采用前一方法，UHMWPE部件通常是從水壓機擠塑的、整體注模或“增強(enhanced)”UHMWPE原料機械加工制得。Champion等，Trans.ORS19,585(1994)描述了水壓機擠塑和整體注模的UHMWPE的典型生產的結果，生產采用常規的低壓和低溫技術，以制得彈性模量約為900-1400MPa的UHMWPE材料。美國專利No.5,037,928描述了“增強”的UHMWPE的制備方法，方法采用高溫和高壓長時間處理UHMWPE擠塑條，以制得彈性模量大于常規注模或擠塑的聚乙烯(大于1700，小于4800MPa)。
用于矯形植入物的部件可用注模方法來制備，UHMWPE部件的成品形狀或接近成品的形狀是用常規注模方法采用天然UHMWPE粉末來制得的。但是這些方法也制成超過900MPa的UHMWPE材料。例如，美國專利No.4,110,391公開了一種典型的用常規的低溫和低壓注模UHMWPE粉末來制備有常規模量的成形UHMWPE材料的方法。
采用上述方法制得的總關節植入物(totle joint implant)，尤其是整個膝蓋假體所遇到的主要問題是UHMWPE部件的磨損和表面傷害，從而產生有害的UHMWPE顆粒。因此，希望制備一種適用于磨損程度最小的總關節植人物的UHMWPE制品。由于已知UHMWPE部件的磨損和表面損傷與UHMWPE支承表面在負荷下和在關節聯接時所受的接觸應力大小有關，因此減少這種接觸應力就可使由于UHMWPE制品的磨損和表面損傷而產生的碎片最少。
Bartel等(Trans of the ASME,107,193-199(1985))指出，接觸應力與接觸支承關節，如膝關節中支承材料的彈性模量有關。因此，一種解決UHMWPE制品中的磨損和碎片產生問題的方法是制備一種模量盡可能低、但仍有常規UHMWPE所需強度性質的UHMWPE材料。但是不論是常規的整體注模、液壓機擠塑的UHMWPE，還是高溫高壓方法制得的增強UHMWPE，均沒有低于900MPa的彈性模量。已有技術也沒有指出怎樣來改進這些方法以制備低模量的UHMWPE。
UHMWPE也可用結合迅速淬火或冷卻步驟的方法來制備。例如，美國專利No.3,944,536公開了迅速冷卻的用途，但是這是為了制備模量高于約900MPa的的材料。在該方法中，為了獲得高模量的UHMWPE，在冷卻階段采用約200至700MPa的壓力。
因此，本發明的一個目的是提供一種用類似于那些用天然粉末制備常規UHMWPE的成型方法制備低模量(即，在約500至800MPa之間)UHMWPE的方法。本發明的其他目的是從有均一低模量或在整個制品中有低模量選擇性區域的UHMWPE來制備低模量UHMWPE組合物，和接近成形或最終成形部件。
本發明的前述具體目的和優點描述了本發明可實現的那些目的和優點，它們不意味著窮盡或限制可以理解的可能存在的優點。因此，本發明的這些和其他目的和優點可從本文描述中明顯看出，或可從實施發明中了解，這兩者均包括在本文中或作為對于該領域技術人員是顯而易見的任何改動。因此，本發明存在于本文所示以及描述的新的部件、結構、排列方式、組合和改進。
發明概述簡要地說，優選的成形UHMWPE制品表現出(1)彈性或彎曲模量在約500至800MPa之間，(2)屈服強度大于或等于約20MPa,(3)斷裂伸長量大于約300％,(4)結晶度小于或大約等于用來制成部件的天然UHMWPE粉末的結晶度(通常小于約60％結晶度)，(5)密度小于或約等于用于制成部件的天然UHMWPE粉末的的密度(通常小于約0.935g/cc),(6)注模UHMWPE的熔點小于或約等于先在常壓下熔融(通常小于約140℃)和冷卻的天然UHMWPE粉末的熔點，和(7)平均分子量在約1,000,000至約10,000,000之間(常規的粘度測定方法如ASTM D-4020測得)。
簡要的說，獲得本發明成形制品的優選方法包括5個步驟1．用UHMWPE粉末填充模具；2．用陽模(piston)蓋住模具；3．將模具溫度升高到約140℃至約225℃，并同時向模具及其中物體施加約2.5至15MPa的壓力；4．維持步驟3所選的大致壓力和溫度約5至25分鐘，時間的選擇根據注模部件的厚度來確定，其中時間的選擇必須使模具內物體在所選溫度下平衡；和5．以約4至175℃/分鐘的速度降低全部或局部注模部件的溫度，并維持模具在注模壓力下，在小于注模壓力的壓力下或沒有外部施加壓力下。注模部件的降溫可通過用合適的冷卻流體如水或空氣來直接冷卻，或是通過冷卻模具來實現。
該領域技術人員應當理解，前述的簡要描述和下面的詳述是本發明的典型的描述性的例子，但不意味著局限于這些或限制通過本發明可實現的優點。因此，本文指出的且是本文一部分的附圖和詳述部分一起描述了本發明的較佳例子，它們用來解釋本發明的原理。
附圖簡述
圖1是實施例4中從4150HP樹脂制得的UHMWPE擠塑條切片剖面結構的透射式電子顯微照片，它顯示了相當大的片晶(lamallae)。
圖2是實施例1(實驗Ⅰ，測試9)制得的注模樣品切片剖面結構的透射式電子顯微照片，它顯示了較小的片晶。
發明詳述在步驟1中，本發明方法中的UHMWPE粉末可以包括任何商業上生產的分子量在約1,000,000至10,000,000(用常規粘度方法測得)的UHMWPE粉末，另外，任何研磨的、分成小塊的或制成顆粒形式的UHMWPE也適用于注模方法。較佳的，UHMWPE粉末分子量在約2,000,000至6,000,000間。
在步驟1和3中，當加入粉末時，注模可以在室溫或升高的溫度下進行，但是不應超過起始粉末的熔點。在施加約2.5MPa至15MPa的壓力之前或期間，注模可以升高至約140℃至225℃的溫度。
用來制備低模量UHMWPE的模具的結構可以設計成用來制備低模量UHMWPE的條狀或片狀原料，這些原料適用于制備最終部件。在一個較佳的實施例中，模具的結構可以設計成用來制備接近最終形狀的低模量UHMWPE制品，它只需很少的機械加工就可制得最終部件。在本發明的一個特別佳的實施例中，模具的結構可設計成來制備低模量UHMWPE的最終部件。
可采用各種方法來淬火或冷卻模具。在本發明的一個實施例中，模具可以通過在任何合適的冷卻流體，如空氣、水、油等中的外部淬火來冷卻。模具也可通過使流體通過模具中的曲徑結構來淬火。或者，可采用上述任何淬火方法的組合，來使模具的選擇性區域獲得選擇性的彈性模量。淬火速度通過淬火流體的溫度和導熱率及其通過或環繞模具的流速來控制。
注模部件的部分淬火將產生一在鄰近淬火表面處有低模量UHMWPE的成形制品。注模部件的整體淬火將產生一成形制品，低模量UHMWPE分布在整個注模部件的體積中，除了厚度大于約5至15毫米的注模制品的內部區域外。
本發明的方法將在下列每一實驗的測試例子中有更詳細的描述。實驗Ⅰ，測試1-16的起始材料是1900樹脂粉末(Himont生產)或415GUR樹脂粉末(Hoechst/Celanese生產)。粉末用有加熱壓板的Carver2699液壓機在各種條件下直接注模成ASTM D368 V型拉伸樣品，這些條件列在標題為“實驗Ⅰ，測試數據和物理性質數據的歸納”中。
對每一實驗變量，即壓力、溫度和冷卻速度，選擇三個數值壓力為2.55、5.11和7.66MPa；溫度為145℃、165℃和200℃；冷卻速度為4、10和175℃/分鐘。三種變量的三個數值以及兩種材料可以有54種不同的組合。然而，并不進行54種不同的測試，而是用二次模型(quadratic model)(用RS/Discover軟件)來進行最優設計，從54種可能的組合中選出16種作為本發明方法的典型。
在每一次測試中制備5件拉伸樣品。根據ASTM D368測定拉伸彈性模量、最終拉伸強度和斷裂伸長。密度和結晶度分別用密度梯度管(density gradientcolumn)和差示量熱掃描法來測定。
測試1-16(包括實施例1)中采用的實驗條件列在表1的前5列中。下面描述了測試9的步驟作為實施例1，它描述了測試1-16的進行所采用的通用步驟。這些實施例(以及本文中以后提及的實施例)是沒有限制的，其目的是為了描述本發明的基本原理和獨特優點。在不脫離本發明的精神和范圍內可以作各種變化和改動。
實施例實施例1(測試9)將415GUR樹脂放在形狀為ASTM D368 V型拉伸樣品的5個模具中，并均用不銹鋼鋼板蓋住表面。將壓機的壓板加熱至200℃，并將模具放在壓板間。用Carver2699液壓機將壓力升高到7.66MPa，維持超過5分鐘。除去壓力，然后用水淬火，以獲得約175℃/分鐘的冷卻速度。測得5件樣品的物理性質的平均值是模量為580.8MPa，屈服強度為19.5MPa，伸長400％，最終拉伸強度為28.3MPa，結晶度為47.5％。測試1-8和10-16采用同樣方法按照表1中列出的方法參數來進行。
所有16個測試的物理性質測定結果列在表1的最后5列中。每一數值是取自3至5個樣品的平均值。彈性模量數值在580至880MPa范圍內(52％范圍)。斷裂伸長在286至400％范圍內(40％范圍)。最終拉伸強度在26至42MPa范圍內(50％范圍內)。得到的密度平均值在低于0.9232-0.9338g/cc的范圍內(大于0.5％范圍)，而得到的結晶度數值在46至61％范圍內(33％范圍)。
表1實施例1-測試數據和物理性質數據的歸納<
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N/A指沒有足夠樣品來提供模量數據。
1擠塑注模2Champion等，Trans.ORS19,585(1994)測試1-16表明，改變樹脂類型、壓力、溫度和冷卻速度均對UHMWPE的物理性質有影響。關系和趨勢用RS/Explore軟件來作模型，在數據上，對每個變量均有明顯的不同。為了描述，比較測試12和13，將冷卻速度從4℃/分鐘變為175℃/分鐘，而其他所有變量保持恒定(1900樹脂、2.55MPa、200℃)，結果彈性模量降低25％(p＜.02)。同樣，測試3和8的比較表明，將注模壓力從2.55增加到7.66MPa，而其他變量保持恒定(514樹脂，200℃、10℃/分鐘的冷卻速度)，結果使最終拉伸強度降低16％(p＜.008)。
基于上述實驗，本發明方法中較佳的溫度范圍是約140℃至225℃，更佳的溫度范圍是約165℃至225℃，最佳的溫度范圍約為195℃至215℃。本發明方法中較佳的壓力范圍是約2.5MPa至15MPa，更佳的壓力范圍是約5MPa制12.5MPa，最佳的壓力范圍是約7.5MPa至10MPa。本發明方法中較佳的冷卻速度應大于約10℃/分鐘，更佳的應大于約100℃/分鐘，最佳的冷卻速度約為175℃/分鐘。
本發明最佳的例子是在7.66MPa壓力、200℃的溫度和175℃/分鐘的冷卻速度下用415GUR樹脂作為起始材料來獲得的(實驗Ⅰ，測試9)，結果得到581MPa的彈性模量。根據這16個測試結果所作的模型表明，用1900樹脂不能獲得同樣低的模量數值。在幾個不同的條件下(測試12、14、16)，用1900數值可獲得最大的最終拉伸強度42Mpa。
實驗Ⅱ實驗Ⅱ是測定冷卻速度(淬火)對與總膝關節脛側骨支承部件大小大致相同的注模塊的效果。
測試1-16也表明，通過改變加工條件可顯著改變從單一樹脂注模得到的UHMWPE的機械性質。其關系是復雜的，對于任一因素來說，因素對性質的影響是由其余因素的數值來決定的。特別是，如測試1-16所表明的，冷卻速度對注模UHMWPE的機械性質有顯著的影響。應當理解，對于每一種起始材料，通過重復實驗Ⅰ可獲得最優溫度和壓力條件的不同系列。然而，在該壓力/溫度條件下，采用最高的冷卻速度可獲得最低的模量。測試1-16也描述了改變注模、壓力、溫度和冷卻速度可獲得性質與那些商業上獲得的UHMWPE明顯不同的注模UHMWPE。例如，測試9中獲得的581MPa的模量比商業上獲得的UHMWPE低50％(p＜.002)。實驗Ⅰ也表明，某些壓力和溫度的組合是本發明中不理想的例子，如測試12所示。
測試17-20組成了實驗Ⅱ，它們采用GUR4150粉末、lot47B樹脂或Himont1900樹脂來制成注模薄片原料(大約為127mm×127mm×21.6mm)。步驟在實施例2中有詳細描述。
實施例2(測試17)將正方形鋼注模模頭(約127mm×127mm)用兩塊厚約6.4mm的滑動板(陽模)裝配。將大約300g GUR4150粉末放在模頭中，然后將模頭放在Carver2518液壓機中。壓板加熱至205℃，施加27700磅的合力，產生大約11100psi或7.66MPa的壓力。
一旦模具放在加熱平板中后，使壓板在約5分鐘內回到其原來的設定溫度。然后用20分鐘使粉末熔融并與設定溫度平衡。這個時間是根據實驗來決定的，在實驗中約8分鐘的時間不足以使粉末完全熔融，從而導致中央的粉末物部分以未熔融形式存在。估計15分鐘是粉末完全熔融所需的最少時間，而20分鐘是300克粉末達到熱平衡的最少時間。然后將模具從壓機上取下并放在水浴中維持在0℃下。水浴在整個冷卻期間保持在0℃(約10分鐘)。
然后將塊切成4毫米厚的薄片，使得薄片躺在平行于塊表面的方向上。在塊的整個厚度內可獲得三層這樣的4毫米薄片，然后用輪廓鏤銑機(contour routingmachine)將這些薄片切成ASTM D638 V型拉伸樣品的形狀。測定測試樣品的機械性質，結果列在標題為“實驗Ⅱ，物理性質歸納-測試17-20”的表2中。測試18-19也以相同的方法進行并分析，結果也列在表2中。
表2實驗Ⅱ-物理性質歸納測試17-20
Himont1900，其他三個測試為GUR4150--一個樣品---只淬火底部表面，頂部表面用空氣冷卻對于從GUR4150型樹脂注模并完全淬火制得的模塊表面獲得的4毫米薄片加工而成的7件樣品(實施例17和18)，獲得751±33.3MPa的平均模量，或對于4150樹脂，模量降低18％。這一數值比對比UHMWPE的模量(如前表1中所述，大約為916MPa)要低得多。當1900樹脂如上所述進行注模和淬火時，獲得的三件樣品的彈性模量平均值為685±12MPa(測試19)。應當注意的是，所用的對比UHMWPE提供了一個保守(偏低)的彈性模量數值，因為文獻中報道的所有其他415GUR樹脂的彈性模量數值均在1353至1593MPa間。因此，18％的模量減少是最小程度的減少。當與較常規的UHMWPE材料相比，實際的減少應為約50％(見表1)。
實施例3(測試20)在實驗Ⅱ(測試20)中，UHMWPE模塊用與實施例2相同的注模模頭、加壓壓力和溫度從4150樹脂注模得到。然而，在測試20中，在注模完成后，模頭底部用室溫水淬火。使模頭頂部緩慢冷卻，使得在3分鐘時其降溫至190℃，在15分鐘時降低至161℃，在20分鐘時降低至143℃。在超過1小時后，模頭頂部才達到室溫。
如實施例2所述的那樣，切割獲得的UHMWPE塊，測定鄰近淬火陽模部分材料的彈性模量。對于兩個樣品，獲得812±6MPa的平均模量。從鄰近緩慢冷卻陽模的樣品表面切下的材料彈性模量為908MPa。因此，在室溫水中淬火的注模塊表面的彈性模量約比空氣冷卻的模塊部分的彈性模量低11％。
實驗Ⅲ接觸應力測定實驗Ⅲ是證明模量的減少同時伴隨著接觸應力的減少。在測試21中，用人工膝關節的典型髁結構形狀的壓頭使平均表面模量約為750MPa的淬火材料塊受2000N的力。在整個接觸表面積上測得平均壓力為21.5MPa。測試22采用測試21的方法，只是采用對比聚乙烯材料，其獲得23.8MPa的平均接觸壓力。10％的接觸壓力減少基本上與Bartel等指出18％的彈性模量減少相符合(見Barrel,Burstein,Toda,Ewards的“適合度和塑料厚度對金屬支承的塑料植入物的接觸應力的影響(The Effect of Conformity and Plastic Implants)”Trans.of ASTM,107,193-199,(1985))。
由于總膝蓋假體中的磨損和材料劣化是疲勞的結果，因此接觸應力降低10％將有利地延長總膝蓋假體的脛骨部件的疲勞壽命。材料的疲勞壽命與應力呈指數關系是熟知的。因此，接觸應力減少10％就可使人工膝關節的有用壽命延長數年。應當強調的是，上述測得的接觸應力數值比較了標稱低模量的聚合物測試模塊與所有其他出版的和測得的UHMWPE材料的模量。因此，我們在本文中指出的優點是按照本發明方法可獲得的最小優點，而為在人工膝蓋和類似人工關節替代物使用這種材料的使用者帶來的實際優點基本上是上述的那些。
實驗Ⅳ為進一步確定本發明方法制得的材料的性質和結構，進行實驗Ⅳ來測定材料的熔點、結晶度和密度。
通常合成的UHMWPE粉末的熔點和結晶度分別是145-146℃和64-90％。然而，每當粉末在高于其熔點的溫度下然后冷卻后，其熔點會降低至134-138℃，結晶度則降低至約50％。隨后的熔融和冷卻處理卻不會再進一步引起熔點或結晶度的顯著變化。商業上獲得的UHMWPE形狀(例如用擠料桿式擠塑方法或壓制注模方法制得的條狀和片狀材料)在熔點和結晶度方面有這樣的熱誘導變化。然而，生產這些商業材料時實際采用的溫度和壓力條件是未知的，它們是這些成形制品的提供者所專有的。為了比較，用415OHP、413GUR、415GUR或1900粉末來進行測試23-32。結構歸納在表3中。表3描述了商業上購得的粉末(假定是合成的)、受高于熔點的溫度作用然后冷卻而得的粉末、以及用這種粉末樹脂制得的擠塑注模條的熔點和結晶度。
實驗Ⅳ表3-商業材料的熔點、結晶度和密度
對于其它比較，采用比本發明方法中更高的溫度和壓力來制備“增強UHMWPE”的方法(美國專利No.5,037,928提出)制得的UHMWPE材料，其中UHMWPE的熔點和結晶度在熔融后處理后增加。為測定本發明制得的材料的熔點、結晶度和密度，進行測試33-39，結果歸納在表4中。
與美國專利5,037,928中報道的方法不同，本發明方法制得的材料的熔點和結晶度(表4)與表3中在環境壓力下熔融和冷卻得到的相同材料相同，或比其低。UHMWPE的密度通常反映了材料的結晶度。受熔融和冷卻處理的UHMWPE密度通常在0.930至0.940g/cc間。用本申請所述的方法制得的材料的密度與這些數值相同，或比其低(表4)。
表4實驗4-用本發明方法制得的材料的熔點、結晶度和密度
樣品數與實驗Ⅰ的測試數對應。
實驗Ⅴ制備UHMWPE的傳統方法是使冷卻在非控制的速度下，通常通過與室內空氣傳導和對流來進行(美國專利No.4,110,393)，或是非常緩慢地冷卻加工的UHMWPE(美國專利No.5,037,928)。在第一種情況下，結晶在正常冷卻的材料中繼續進行，從而產生正常預計大小的在結構上重要的片晶。在美國專利No.5,037,928中對溫度下降進行了控制，以使冷卻比常規冷卻更慢。美國專利No.5,037,928得到了較高的結晶度。在我們的方法中，迅速冷卻使固化時正常發生的結晶過程程度最小，并產生了小得多的片晶材料結構。方法用下列例子來描述。
實施例4將從4150HP樹脂制得的聚乙烯擠塑條的一部分在室溫下暴露在濃氯磺酸中2小時。然后將一小塊這樣處理過的樣品包埋在環氧樹脂中，在室溫下用顯微切片機切得薄的剖面。然后拍攝透射電子顯微照片(TEM)。然后，以相同方法制得實驗Ⅰ、測試9的樣品，所得TEM如圖2所示。圖1和圖2的比較表明，常規方法冷卻的材料中(圖1)的片晶比圖2中所示的(淬火樣品)要大得多。TEM的放大倍數為10000倍，照片再放大2.5倍。原始照片的直接測量結果表明，常規冷卻材料的片晶長度大多始終大于10mm(圖1)，通常為20mm，而淬火材料照片的直接測量結果表明，片晶長度典型地小于10mm(圖2)，通常在4至7mm。(片晶實際長度應縮小2.5×104倍。)因此，淬火通過使結晶時間最小而形成了片晶比正常冷卻或緩慢冷卻更小的材料。其它材料在用常規方法冷卻或緩慢冷卻時，可以有其各自的片晶大小。淬火通常將這些片晶的大小減小一半。
本文描述的實施例采用常規的注模方法和對整個模頭和注模部件或其部分進行淬火。其它方法也可用來保證更有效的整體淬火和注模表面的選擇性淬火。其中一種方法是在需要冷卻的那些模頭部分提供曲徑式冷卻通道。用了這種方法，各種冷卻流體就可以在注模過程結束時泵入通過曲徑，從而提高并控制了淬火速度以及獲得的機械性質。在該方法中，在模壓過程結束時，模頭和加熱的壓機壓板間可插入絕熱材料，在恢復注模壓力后，冷卻流體可以在曲徑中循環以提供所需的淬火。如果需要有更均一的性質，則模頭的所有表面均可這樣冷卻，并同時維持樣品上的壓力以提高熱傳遞速度。或者，注模模頭或其部分可以用循環流體加熱和冷卻，或是電加熱和循環液體冷卻。
或者，需要制成一種結構，其中結構的一部分含有低模量材料。例如，這種情況是不用金屬背襯來制備一全部為UHMWPE的脛骨部件。假補部件的主干最好有較高的模量，以提高對骨的荷載傳遞，而部件的支承表面應有較低的模量，以盡量減少接觸應力，從而盡可能地增加磨損壽命。
盡管具體的例子采用的是413GUR、415GUR、4150GUR和1900UHMWPE樹脂，但是也可用其它樹脂。方法通常適用于其它高分子量、半晶形聚合物，其包括(但不局限于)乙烯共聚物、枝狀聚乙烯、聚酯、離聚物、聚四氟乙烯、聚酰胺和聚酰亞胺。方法通常也適用于UHMWPE樹脂的混合物和UHMWPE樹脂與其它高度混溶的高分子量半晶形聚合物的混合物。
該領域技術人員應當理解，本發明較寬的范圍不局限于本文所述的特定例子，在附加權利要求范圍內可以作各種變化而不脫離本發明原理及喪失其主要優點。
權利要求
1．一種制備彈性或彎曲模量約為500至800MPa的超高分子量聚乙烯的成形制品的方法，包括步驟(a)將超高分子量聚乙烯粉末填充在一個模具中；(b)用一個陽模蓋住模具；(c)使模具溫度升高至約140至225℃，并同時向模具和其中物體施加約2.5至15MPa的壓力；(d)維持基本如步驟(c)所選的壓力和溫度約5至25分鐘，時間的選擇由注模部件的厚度來確定，其中所選的時間必須使模具內物體在所選溫度達到平衡；和(e)以約4至175℃/分鐘的速度降低注模部件整體或局部的溫度，并維持模具在注模壓力下、在低于注模壓力的壓力下，或外部沒有施加壓力，其中注模部件的溫度下降可通過使部件接觸合適的冷卻流體如水或空氣來直接冷卻，或通過冷卻模具來實現。
2．根據權利要求1所述的方法，其中步驟(a)中當加入粉末時模具處于升高的溫度下。
3．根據權利要求1所述的方法，其中步驟(c)中在施加約2.5至15MPa壓力之前或期間，將模具溫度升高至約140℃至225℃。
4．根據權利要求1所述的方法，其中步驟(c)中溫度在約165℃至225℃間，壓力在約5至12.5MPa間。
5．根據權利要求4所述的方法，其中步驟(a)中當加入粉末時模具處于升高的溫度下。
6．根據權利要求4所述的方法，其中步驟(c)中在施加約5至12.5MPa壓力之前或期間，將模具溫度升高至約165℃至225℃。
7．根據權利要求1所述的方法，其中步驟(c)中溫度范圍在約195℃至215℃間，壓力在約7.5至10MPa間。
8．根據權利要求7所述的方法，其中步驟(a)中當加入粉末時模具處于升高的溫度下。
9．根據權利要求7所述的方法，其中步驟(c)中在施加約7.5至10MPa壓力之前或期間，將模具溫度升高至約195℃至215℃。
10．一種彈性或彎曲模量約為500至800MPa的超高分子量聚乙烯，它由包括下列步驟的方法制成(a)將超高分子量聚乙烯粉末填充在一個模具中；(b)用一個陽模蓋住模具；(c)使模具溫度升高至約140至225℃，并同時向模具和其中物體施加約2.5至15MPa的壓力；(d)維持基本如步驟(c)所選的壓力和溫度約5至25分鐘，時間的選擇由注模部件的厚度來確定，其中所選的時間必須使模具內物體在所選溫度達到平衡；和(e)以約4至175℃/分鐘的速度降低注模部件整體或局部的溫度，并維持模具在注模壓力下、在低于注模壓力的壓力下，或外部沒有施加壓力，其中注模部件的溫度下降可通過使部件接觸合適的冷卻流體如水或空氣來直接冷卻，或通過冷卻模具來實現。
11．根據權利要求10所述的方法制成的產品，其中步驟(a)中當加入粉末時模具處于升高的溫度下。
12．根據權利要求10所述的方法制成的產品，其中步驟(c)中在施加約2.5至15MPa壓力之前或期間，將模具溫度升高至約140℃至225℃。
13．根據權利要求10所述的方法制成的產品，其中步驟(c)中溫度在約165℃至225℃間，壓力在約5至12.5MPa間。
14．根據權利要求13所述的方法制成的產品，其中步驟(a)中當加入粉末時模具處于升高的溫度下。
15．根據權利要求13所述的方法制成的產品，其中步驟(c)中在施加約5至12.5MPa壓力之前或期間，將模具溫度升高至約165℃至225℃。
16．根據權利要求10所述的方法制成的產品，其中步驟(c)中溫度在約195至約215℃間，壓力在約7.5至10MPa間。
17．根據權利要求16所述的方法制成的產品，其中步驟(a)中當加入粉末時模具處于升高的溫度下。
18．根據權利要求16所述的方法制成的產品，其中步驟(c)中在施加約7.5至10MPa壓力之前或期間，將模具溫度升高至約195℃至215℃。
19．一種彈性或彎曲模量約為500至800MPa的超高分子量聚乙烯。
20．一種權利要求19所述的組合物，其屈服強度大于或等于約20MPa，斷裂伸長大于約300％，平均分子量在約1,000,000至10,000,000之間。
全文摘要
本發明公開了從注模的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制得的成形制品,UHMWPE的平均分子量約為1,000,000至10,000,000,整個成形制品或成形制品的選擇區域的彈性模量很低。這些制品是通過將UHMWPE粉末填充在一個模具中,用一個陽模蓋住模具,使模具和其中物體的溫度升高至約140至225℃,并同時向模具和其中物體施加約2.5至15MPa的壓力,維持壓力和溫度約5至25分鐘,時間的選擇由注模部件的厚度確定,然后以約4至175℃/分鐘的速度降低注模部件整體或局部的溫度,并維持模具在注模壓力下、在低于注模壓力的壓力下,或外部沒有施加壓力。如此制備的成形制品有組合的性質,其彈性模量約為500至800MPa,屈服強度等于或大于約20MPa,斷裂伸長大于約300%,結晶度和密度小于或等于用來制成部件的天然UHMWPE粉末的結晶度和密度,熔點小于或等于在環境壓力下經熔融和冷卻處理的天然UHMWPE粉末的熔點。成形制品可用作總膝關節、假補髖關節凹和用來代替其它人體關節其它假補形狀的替代物的支承表面。
文檔編號B29C43/52GK1211211SQ97192264
公開日1999年3月17日 申請日期1997年2月5日 優先權日1996年2月16日
發明者A·H·伯斯坦, S·李 申請人:紐約殘疾人協會下屬特種外科醫院