VITAL-E & VITAL-XE®
Vitamin E-vernetztes Polyethylen
VITAL-XE® ist ein Polyethylen (UHMWPE) mit einem Zusatz von 0,1 Gewichtsprozent Vitamin E (Alpha-Tocopherol) und wird zur Herstellung von Gelenkeinlagen verwendet.
Das Vitamin E wird mit dem Polyethylenpulver gemischt, bevor die Rohmaterialstangen geformt werden.
VITAL-XE® ist ein vernetztes Polyethylen, da es mit Betastrahlen in einer Dosis von 60 kGy bestrahlt und anschließend in Ethylenoxid sterilisiert wird.
VITAL-XE® wird für die Herstellung von Gelenkeinsätzen in der Hüft-Totalendoprothetik verwendet.
VITAL-E® ist die unbestrahlte, d.h. unvernetzte Version von Polyethylen mit zugesetztem Vitamin E, sterilisiert durch Ethylenoxid.
VITAL-E® wird zur Herstellung von unvernetzten Gelenkeinsätzen für Knieprothesen sowie Oberarm- und Glenosphärenköpfen für Schulterprothesen verwendet.
OXIDATION
Der Abbau von UHMWPE und Polymeren im Allgemeinen ist der Prozess, bei dem sich die chemische Struktur des Materials mit einer Abnahme des Molekulargewichts verändert. Die Degradation verschlechtert die mechanischen Eigenschaften von Polyethylen und führt so zu vorzeitigem Verschleiß.
Der Abbau eines Polymers erfolgt durch das Aufbrechen bestimmter chemischer Bindungen und die Bildung neuer freier Radikale, wenn das Material beispielsweise einer höheren Energie ausgesetzt wird als die chemischen Bindungen, aus denen die Molekülketten des Polymers aufgebaut sind. Dieser Prozess in Gegenwart von Sauerstoff wird als oxidative Degeneration oder einfach als Oxidation bezeichnet.
Einmal ausgelöst, ist der oxidative Prozess unumkehrbar. Die Bildung neuer Radikale, die mit Sauerstoff reagieren, löst das Aufbrechen anderer chemischer Bindungen aus, die wiederum andere Radikale erzeugen, und so weiter, so dass eine Kettenreaktion entsteht, die sich mit zunehmender Geschwindigkeit selbst ernährt. Die Geschwindigkeit der Oxidation hängt von der Anzahl der vorhandenen Radikale und der Menge an Sauerstoff ab, die während der Verarbeitung und Sterilisation des Polyethylens in der Atmosphäre vorhanden ist, in die sie während der Lagerung des Produkts oder nach der Implantation in den Patienten durch Diffusion eindringen kann.
Die in der Endoprothetik verwendeten Polyethylene werden in der Regel hohen Energiedosen in Form von Gamma- oder Betabestrahlung ausgesetzt, um sie zu sterilisieren oder den Vernetzungsgrad des Polyethylens zu erhöhen. Diese Bestrahlung führt zur Bildung von aktiven freien Radikalen im Material. Die meisten freien Radikale rekombinieren und bilden neue Vernetzungen in der amorphen Phase des Polyethylens, der Vernetzung. Im Gegensatz dazu bleiben freie Radikale, die sich in der kristallinen Phase von Polyethylen bilden, lange Zeit eingeschlossen, ohne sich zu neuen Bindungen zu rekombinieren. Diese Radikale sind in Gegenwart von Sauerstoff für den fortschreitenden Bruch der Polymerketten durch Oxidationskaskadenreaktionen verantwortlich und damit für die Verringerung der mechanischen Eigenschaften von Polyethylen.
Die Oxidation führt zum Abbau der Molekularstruktur von Polyethylen und damit im Laufe der Zeit zu einer schrittweisen Verschlechterung seiner mechanischen und tribologischen Eigenschaften.
VITAMIN ‚E‘ ALS STABILISIERENDER ZUSATZSTOFF
Die Stabilisierung von Polymeren basiert hauptsächlich auf der Verringerung der Sauerstoffkonzentration oder der Reduzierung der Anzahl freier Radikale oder ihrer Reaktivität, um das Problem der Polyethylenoxidation zu verringern oder theoretisch zu beseitigen. Im Falle von Polyethylen (UHMWPE) bringt die Sterilisation unter Vakuum oder modifizierter Atmosphäre Vorteile mit sich, aber Sauerstoff ist durch Diffusion während des Produktionsprozesses immer noch im Material vorhanden; es ist daher praktisch unmöglich, Sauerstoff vollständig aus Polyethylen zu entfernen.
Es gibt viele Zusatzstoffe auf dem Markt, die die Reaktivität von Radikalen begrenzen können. Leider haben fast alle von ihnen Probleme mit der Biokompatibilität, die für ein Produkt, das in den menschlichen Körper implantiert werden soll, unbedingt erforderlich ist.
Ein biokompatibles Dotiermittel, das in der Literatur seit langem für die Stabilisierung von medizinischem Polyethylen untersucht wird, ist Vitamin E (Alpha-Tocopherol). Vitamin E ist in vielen Gemüsesorten enthalten und ist ein essentieller Vitamin-Nährstoff für den Stoffwechsel des Menschen.
Die Stabilisierung von UHMWPE mit Vitamin E wurde als alternative Methode eingeführt, um die Oxidationsbeständigkeit sicherzustellen, ohne die mechanischen Eigenschaften von UHMWPE zu beeinträchtigen. Es gibt zwei Methoden, um geringe Konzentrationen (0,05%-1%) von Vitamin E in UHMWPE einzubringen. Die erste besteht darin, Vitamin E in flüssiger Form mit UHMWPE-Pulver zu mischen, bevor der Stabextrusionsprozess und die Bestrahlung zur Vernetzung erfolgen. Die zweite Methode besteht darin, das Vitamin E in das bereits verfestigte und vernetzte UHMWPE zu diffundieren.
Die Zugabe von winzigen Konzentrationen von Vitamin E in Polyethylen beseitigt das Problem der Oxidation und erhöht folglich seine Langlebigkeit.
BIBLIOGRAPHIE
Torre M, Brach Del Prever E, Costa L, Romanini E, Masciocchi M, Manno V. Innovative Materialien in der Orthopädie: vernetztes Polyethylen.
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