Ultravysokomolekulární polyethylen (UHMWPE) se již po čtyři desetiletí používá jako materiál pro části totálních kloubních náhrad. Tento polymer vykazuje vyvážený komplex užitných vlastností pro zmíněné aplikace a je zároveň v makroskopickém měřítku dobře tolerován živou tkání. Navzdory této skutečnosti však zůstávají komponenty z UHMWPE slabým článkem umělých kloubů. Je to způsobeno především uvolňováním mikroskopických otěrových částic vznikajících při vzájemném pohybu kloubních komponent, které způsobují poškození okolních tkání. Proto je ve světě vyvíjeno velké úsilí směřující k zvýšení odolnosti tohoto materiálu vůči otěru a byly vypracovány postupy modifikace jeho struktury vedoucí k tomuto cíli.
Tato práce byla zaměřena na modifikaci UHMWPE dvoukrokovou metodou sestávající z ozáření materiálu \recke{gamma}-paprsky nebo urychlenými elektrony a následnou tepelnou úpravou. Cílem práce bylo najít optimální podmínky modifikace, aby výsledný materiál vykazoval co nejvyšší odolnost vůči otěru při zachování dostatečných mechanických vlastností. Zároveň musí modifikovaný polymer obsahovat minimum oxidačních produktů a volných makroradikálů. Vedle modifikace vlastností UHMWPE se práce zabývala vývojem spolehlivé a pokud možno jednoduché metody, umožňující stanovení množství otěrových částic UHMWPE izolovaných z tkání obklopujících totální kloubní náhrady.
Na základě získaných výsledků byl navržen postup modifikace UHMWPE sestávající z ozáření urychlenými elektrony a následné tepelné úpravy nad teplotou tání polymeru. Množstvím různých analytických metod bylo prokázáno, že navržený způsob modifikace vede k vysoce sesítěnému materiálu bez zbytkových makroradikálů, který se vyznačuje zvýšenou odolností vůči otěru, velmi nízkým oxidačním poškozením a přijatelnými mechanickými vlastnostmi.
V průběhu práce byla vyvinuta nová kontrastovací metoda pro zviditelnění nadmolekulární struktury UHMWPE pomocí transmisní elektronové mikroskopie. Dále byly vyvinuty nové, rychlé a spolehlivé metody pro kvantitativní stanovení otěrových částic UHMWPE založené na obrazové analýze mikrofotografií získaných rastrovací elektronovou mikroskopií a na zpracování infračervených spekter.
Annotation in English
Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) has been used as a bearing material in total joint replacements for more than four decades. This polymer shows a balanced complex of end-used properties for the mentioned applications and is tolerated by living tissue. In spite of this fact the UHMWPE components remain the weakest link of artificial joints. It is due to wear particles released during articulation of joint components which cause damage of the surrounding tissue. Therefore a considerable effort has been made to improve the wear resistance of UHMWPE and the modification procedures leading to the mentioned purpose were developed.
This work is focused to UHMWPE modification using two-step method consisting of irradiation by \recke{gamma}- rays or accelerated electrons and subsequent thermal treatment. The goal of the dissertation is to find optimal conditions of the modification to obtain final material with high wear resistance, maintaining acceptable level of mechanical properties. The modified polymer should contain minimum of oxidation products and free radicals. In addition to UHMWPE properties modifications the dissertation deals with a development of reliable and simple method which makes possible the quantitative determination of the wear particles isolated from tissue surrounding total joint replacement.
On the basis of the results obtained in this study, a modification method for UHMWPE consisting of an irradiation with accelerated electrons and a consequent thermal treatment above melting point of the polymer was proposed. It was proved by many different analytical methods, that developed modification leads to the highly crosslinked material without any macroradicals. Such modified UHMWPE is characterized by enhanced wear resistance, very low oxidative degradation and acceptable mechanical properties.
Moreover, a new staining method for visualizing of UHMWPE supramolecular structure in transmission electron microscopy was developed during the study. Furthermore, two new, fast and reliable techniques for quantitative analysis of UHMWPE wear debris are introduced in the thesis. The first is based on automatic image analysis of micrographs obtained by scanning electron microscopy, whereas the second deals with infrared spectra.
Keywords
UHMWPE, kloubní náhrady, otěr, ozařování
Keywords in English
UHMWPE, joint replacements, wear, irradiation
Length of the covering note
-
Language
CZ
Annotation
Ultravysokomolekulární polyethylen (UHMWPE) se již po čtyři desetiletí používá jako materiál pro části totálních kloubních náhrad. Tento polymer vykazuje vyvážený komplex užitných vlastností pro zmíněné aplikace a je zároveň v makroskopickém měřítku dobře tolerován živou tkání. Navzdory této skutečnosti však zůstávají komponenty z UHMWPE slabým článkem umělých kloubů. Je to způsobeno především uvolňováním mikroskopických otěrových částic vznikajících při vzájemném pohybu kloubních komponent, které způsobují poškození okolních tkání. Proto je ve světě vyvíjeno velké úsilí směřující k zvýšení odolnosti tohoto materiálu vůči otěru a byly vypracovány postupy modifikace jeho struktury vedoucí k tomuto cíli.
Tato práce byla zaměřena na modifikaci UHMWPE dvoukrokovou metodou sestávající z ozáření materiálu \recke{gamma}-paprsky nebo urychlenými elektrony a následnou tepelnou úpravou. Cílem práce bylo najít optimální podmínky modifikace, aby výsledný materiál vykazoval co nejvyšší odolnost vůči otěru při zachování dostatečných mechanických vlastností. Zároveň musí modifikovaný polymer obsahovat minimum oxidačních produktů a volných makroradikálů. Vedle modifikace vlastností UHMWPE se práce zabývala vývojem spolehlivé a pokud možno jednoduché metody, umožňující stanovení množství otěrových částic UHMWPE izolovaných z tkání obklopujících totální kloubní náhrady.
Na základě získaných výsledků byl navržen postup modifikace UHMWPE sestávající z ozáření urychlenými elektrony a následné tepelné úpravy nad teplotou tání polymeru. Množstvím různých analytických metod bylo prokázáno, že navržený způsob modifikace vede k vysoce sesítěnému materiálu bez zbytkových makroradikálů, který se vyznačuje zvýšenou odolností vůči otěru, velmi nízkým oxidačním poškozením a přijatelnými mechanickými vlastnostmi.
V průběhu práce byla vyvinuta nová kontrastovací metoda pro zviditelnění nadmolekulární struktury UHMWPE pomocí transmisní elektronové mikroskopie. Dále byly vyvinuty nové, rychlé a spolehlivé metody pro kvantitativní stanovení otěrových částic UHMWPE založené na obrazové analýze mikrofotografií získaných rastrovací elektronovou mikroskopií a na zpracování infračervených spekter.
Annotation in English
Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) has been used as a bearing material in total joint replacements for more than four decades. This polymer shows a balanced complex of end-used properties for the mentioned applications and is tolerated by living tissue. In spite of this fact the UHMWPE components remain the weakest link of artificial joints. It is due to wear particles released during articulation of joint components which cause damage of the surrounding tissue. Therefore a considerable effort has been made to improve the wear resistance of UHMWPE and the modification procedures leading to the mentioned purpose were developed.
This work is focused to UHMWPE modification using two-step method consisting of irradiation by \recke{gamma}- rays or accelerated electrons and subsequent thermal treatment. The goal of the dissertation is to find optimal conditions of the modification to obtain final material with high wear resistance, maintaining acceptable level of mechanical properties. The modified polymer should contain minimum of oxidation products and free radicals. In addition to UHMWPE properties modifications the dissertation deals with a development of reliable and simple method which makes possible the quantitative determination of the wear particles isolated from tissue surrounding total joint replacement.
On the basis of the results obtained in this study, a modification method for UHMWPE consisting of an irradiation with accelerated electrons and a consequent thermal treatment above melting point of the polymer was proposed. It was proved by many different analytical methods, that developed modification leads to the highly crosslinked material without any macroradicals. Such modified UHMWPE is characterized by enhanced wear resistance, very low oxidative degradation and acceptable mechanical properties.
Moreover, a new staining method for visualizing of UHMWPE supramolecular structure in transmission electron microscopy was developed during the study. Furthermore, two new, fast and reliable techniques for quantitative analysis of UHMWPE wear debris are introduced in the thesis. The first is based on automatic image analysis of micrographs obtained by scanning electron microscopy, whereas the second deals with infrared spectra.
