UHMWPE：超高分子量ポリエチレン

XLPE：架橋ポリエチレン

これらの材料はどちらも広く使用されています 関節置換 インプラントを摩擦界面として利用することについて。今日は、インプラントの材料特性、利点、欠点について詳しく解説します。臨床現場で適切な選択をしたかどうかを確認してみましょう。

• UHMWPEとXLPEとは何ですか？

従来の超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）は、エチレンを微粉末に重合させた後、高圧・高温下で圧縮成形やラム押出成形などのプロセスを用いて製造されます。関節インプラントに使用されるUHMWPEは、滅菌のために低線量の放射線照射を受けることがよくあります。

架橋ポリエチレン（XLPE）は、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）の改良型です。高架橋ポリエチレンライナー材の放射線照射量は、一般的に50～100kGyです。照射後、材料は融点（135℃）以上に加熱されるか、融点以下にアニーリングされます。本稿では、高架橋ポリエチレンとは、これらの特定の処理条件下で製造されたXLPEを指します。

• 機械的性能：UHMWPEとXLPEの比較

架橋によりポリエチレンの密度が増加し、耐摩耗性が向上する。しかし、架橋密度の増加に伴い、高架橋ポリエチレンの機械的特性が多少影響を受ける可能性があり、さらに後処理によって機械的特性や酸化性能がさらに変化する可能性がある。

準静的引張性能

Gomollらの研究によると、一定の結晶化度において、ポリエチレンの架橋度が高いほど、弾性率、破壊強度、延性（延性は破壊ひずみに関係する）が低下することがわかった（表1、青色のハイライト）。

表1：異なる放射線量における超高分子量ポリエチレンの物理的特性

機械的特性は実際の応力-ひずみ曲線から導き出され、破壊靭性はライス・ソレンソンJ積分法を用いて決定される。

破壊靭性

Gencurらによる研究[3]は、放射線量と破壊靭性の間に線形相関があることを示しており（図2）、高線量のガンマ線照射は、高度に架橋されたポリエチレンの破壊靭性を著しく低下させる。

Gomollらは[2]、低線量（≤50 kGy）では架橋により破壊靭性が向上するが、高度に架橋されたポリエチレンはJICに達した後に自発的で不安定な破壊を示すことを発見した（表1、赤で強調表示）。

疲労亀裂進展抵抗

Bakerら[4,5]は、初期亀裂伝播値ΔKincepが架橋線量の増加とともに減少することを発見した。200 kGyの線量でのXLPEでは、ΔKincepはUHMWPEと比較して61%減少しており、高架橋が疲労亀裂成長抵抗に悪影響を及ぼすことを示している（表2、青色で強調表示）。

表2：高分子量ポリエチレンおよび架橋ポリエチレンの疲労亀裂進展データ

• UHMWPEとXLPEのどちらを選ぶべきか？

架橋ポリエチレン（XLPE）は、摩耗や接着摩耗に対する優れた耐性により、人工股関節全置換術（THR）において優れた耐摩耗性を示してきました。このことから、近年では高架橋ポリエチレン（XLPE）が人工股関節全置換術に広く採用されるようになりました。 膝関節置換術 （TKR）手術。

しかし、架橋の効果はTKRにも適用されるのだろうか？研究[6]によると、これは主にポリエチレンベアリングに関わる動きの種類と応力に依存する。

THRに見られるような高い適合性を持つ球関節（特有の摩耗と接着摩耗を伴う）とは異なり、TKRにおける大腿骨と脛骨の関節面の適合性は比較的低く、図3に示すように、より多くの滑り運動と回転運動が伴います。

A) 関節内の接触領域では、大腿骨顆インプラント表面に垂直な方向で、インサートの表面に沿って圧縮応力が発生します。

B) 接触点が移動すると、新しい接触領域が形成され、それに対応する圧縮応力領域が生成される。

C) 接触点の交互運動により、インサート接合面の下に周期的な引張応力が発生する。

上述の生体力学的原理に基づき、材料特性を考慮すると、高架橋ポリエチレン（XLPE）を人工膝関節全置換術（TKA）の挿入材料として使用した場合、潜在的な問題として、ピット形成、層間剥離、応力集中による挿入部の破損などが挙げられることが観察される。

シナリオ1：

ポリエチレンインサートの端部における引張応力と接合接触面における表面せん断応力は、インサートのピット形成や剥離を引き起こす可能性がある。しかしながら、架橋は亀裂伝播に対する抵抗を低下させ、インサートの疲労摩耗破壊のリスクを高める可能性がある。この状況を図4に示す。

左矢印は、インサート表面下の亀裂と初期剥離を示しています。右矢印は、インサート中央部の剥離箇所を示しています。

シナリオ2：

脛骨支柱およびインサートの縁にかかる負荷が増加すると、その領域で摩耗が発生します。XLPEは疲労強度と延性が低いため、インサートにおけるこの種の損傷に対する感受性が高まります。極端な場合、図5に示すように、脛骨支柱やインサートの縁の破損など、深刻な結果を招く可能性があります。

架橋処理は、高架橋ポリエチレン（XLPE）材料における摩耗や接着摩耗を低減する。しかしながら、TKR（人工膝関節置換術）でよく見られる亀裂の伝播、変形、ピッチング、および層間剥離のリスクを低減することはできないようである。高架橋ポリエチレン（XLPE）の靭性、延性、および疲労抵抗の低下は、最終的にTKR固定ベアリングインサートの破損につながる可能性がある。したがって、TKA（人工膝関節置換術）における高架橋ポリエチレンの使用は依然として疑問視されている。

では、これら2つの素材のどちらを選ぶべきでしょうか？詳細は下記の表をご覧ください。

表3：さまざまなシナリオにおける推奨される最適な挿入材料の選択

Gass膝関節システムは、ドイツから輸入した超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）素材を圧縮成形した、様々なポリエチレン製インサートを提供しています。これにより、優れた耐摩耗性と耐凝着性を実現するとともに、優れた耐疲労性も確保しています。

参考文献