可硬化的多部分丙烯酸组合物
本发明涉及包含不透辐射填充剂(radiopacifyingfiller)的可硬化的多部分聚合物组合物,特别地但不排外地涉及具有至少两个部分的丙烯酸组合物,该至少两个部分在被混合在一起之后彼此反应以形成硬化成固体的水泥,例如骨水泥。
通过将丙烯酸聚合物和单体混合在一起形成的可硬化的组合物在范围广泛的应用中是有用的。在牙科应用、医学应用、粘合剂应用和建筑应用中发现特定的效用,在这些应用中此类材料已经被使用超过40年。
牙科应用包括义齿基托(denturebase)、义齿基托板(denturebaseplate)、义齿内衬(dentureliner)、义齿修复、定制托盘、用于牙冠(crown)和假牙架(bridgework)的镶饰、人造牙、用于天然牙的镶饰和修复以及牙恢复填料。医学应用包括用于骨腔的骨水泥,例如假体水泥、颅水泥以及在椎体成形术(vertebroplasty)和椎体后凸成形术(kyphoplasty)中的脊椎水泥。另外的应用包括体外(extra-corporeally)硬化并且然后可以被引入体内的成形的物品的产生。
本发明在其中是有利的一种类型的可硬化的丙烯酸组合物大体上包含固体组分和液体组分。固体组分包括从聚合物颗粒形成的粉末和(如果合适)另外的添加剂,例如聚合引发剂和催化剂、填充剂和染料。液体组分包括一种液体单体或多种液体单体和另外的添加剂,例如加速剂(accelerator)和稳定剂。当准备使用时,将固体组分和液体组分混合在一起以形成液体或半固体糊状物,该液体或半固体糊状物在聚合引发剂和加速剂的作用下粘度增大并且硬化成固体。
通常使用的固体组分由聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)的小球形珠(直径通常约20-150微米)和小量的聚合引发剂例如过氧化二苯甲酰(BPO)组成,聚合引发剂通常被封装在PMMA珠内,但其还可以作为单独的组分被添加。液体组分通常是单体,典型地甲基丙烯酸甲酯(MMA),该液体组分还可以包含聚合活化剂例如N,N-二甲基-对甲苯胺(叔胺)(DMPT)和抑制剂例如氢醌(HQ)以防止单体自发地聚合。
当将固体组分和液体组分混合在一起时,聚合物颗粒用单体润湿、溶剂化并且开始溶解。溶剂化的聚合物颗粒将过氧化二苯甲酰引发剂释放到与活化剂(如果存在)相互作用的单体中以产生与单体反应的自由基并且引发单体的室温加成聚合。混合物以相对低的粘度开始并且发展成最终完全硬化的越来越硬的体系。
料团时间(doughtime)和典型地是持续10分钟至25分钟的凝固时间(settime)。工作时间有效地界定对于操作者可用的时间段,以按期望的方式操纵料团(dough),例如,按压到用于义齿基托制造的义齿模具中、或在髋关节修复或髋关节置换期间按压到骨腔中或在脊柱手术期间注射到脊椎腔中或在工业水泥操作期间迫使进入间隙或腔中。料团时间通过固体组分和液体组分的组合在混合之后立即粘度升高的速率来确定并且被许多因素所控制,例如聚合物珠的粒度和形状、聚合物分子量、以及聚合物组成。
不透辐射填充剂例如硫酸钡或二氧化锆是添加至骨水泥组合物的必需成分。它们用作X射线对比剂(X-raycontrastagent)以示出骨水泥在被植入体内时的位置。不透辐射填充剂可以传统地以固体组分或液体组分、或两者被添加至固-液骨水泥组合物。然而,填充剂颗粒的引入具有降低硬化的组合物的机械性质例如弯曲性质(flexuralproperty)、抗拉性质和疲劳性质(fatigueproperty)的倾向。
US4,500,658公开了某些类型的金属填充剂例如铅箔、银合金、金和1%设定的汞齐具有的问题是,它们在插入物和树脂之间的界面处引起使材料弱化并且断裂的应力集中(stressconcentration)。
在另一方面,外部附接至珠的重金属化合物是不便利的。此外,应指出,在树脂中高水平的硫酸钡是必需的,以致使树脂不透射线,但在这些水平下,对材料的强度有负影响。文献描述了可以使用悬浮聚合将填充剂封装且均匀地分散在珠中。珠被认为在生物医学应用至彩色生物医学材料和装置中是有用的。提出将珠颗粒混合到用于固-液义齿组合物的干粉中的实例。珠在用于组合物之前可以被碾碎。公开的具有单体的混合物暗示,珠的大部分被溶解在单体中,从而允许被封装的不透射线的颜料分散在单体中。相应地,文献仅仅教导了将不透光剂(opacifier)递送至最终聚合物的基质的方式。
EP0218471教导了并入到甲基丙烯酸乙酯聚合物珠中的硫酸钡不透辐射剂(radiopacifier)可以给出改进的机械性质,其中甲基丙烯酸正丁酯单体在固-液体系中。没有提及通过封装在丙烯酸聚合物珠颗粒内降低不透辐射填充剂颗粒的浓度的可能性。此外,在混合之后,珠聚合物被认为几乎完全被溶解在单体中,使得不意图保持将不透辐射填充剂封装在最终产物中。
本发明的一个目的是提供具有改进的机械性质的骨水泥和牙组合物。
令人惊讶地,可硬化的固-液多部分组合物和产生其的方法已经被发现,引入不透辐射填充剂,而不显著影响硬化的组合物的机械性质。因此,有利地,提供具有改进的机械性质例如改进的弯曲性质、抗拉性质和疲劳性质的组合物。
根据本发明的第一方面,提供了可硬化的多部分丙烯酸组合物,所述可硬化的多部分丙烯酸组合物包含固体第一部分和储存稳定的液体第二部分以及任选地另外的固体部分和/或液体部分,这些部分是可操作的,以在将这些部分混合在一起之后形成硬化成固体团块的水泥,组合物还包含在第二部分中的丙烯酸单体组分、引发剂组分、在第一部分和/或另外的部分中的丙烯酸聚合物颗粒的第一子群、在第一部分和/或另外的部分中的丙烯酸聚合物颗粒的第二子群以及任选地丙烯酸聚合物颗粒的一个或更多个另外的子群以及不透辐射填充剂,引发剂组分以在与丙烯酸单体组分混合和/或活化之后有效使丙烯酸单体组分聚合的量存在,其特征在于不透辐射填充剂中的至少某些被封装在丙烯酸聚合物颗粒的第一子群内和/或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒的第一子群上并且其中丙烯酸聚合物颗粒的第二子群具有比第一子群低的平均粒度。
通常,第一子群和/或第二子群是在第一部分中。第一子群和/或第二子群还可以是在第三部分或另外的部分中。然而,优选地第一子群或第二子群中的至少一个并且更优选地两个子群是在第一部分中。如所指示的,组合物可以包括多于两个部分,例如可以被储存在单独的第三部分中的引发剂组分和/或任何子群,但为了便利,本发明的任何方面的多部分丙烯酸组合物在本文中通常仅仅是两部分组合物,即没有第三部分或另外的部分。
丙烯酸聚合物组合物包括丙烯酸聚合物颗粒的两个或更多个子群。子群可以通过一种或更多种性质例如分子量(MW)、分子量分布、孔隙度、(共聚用)单体残余物的性质和分布、粒度、粒度分布和/或类型、残余的引发剂的存在或不存在以及残余的引发剂(如果存在)的量和类型而大体上区别于其他子群。丙烯酸聚合物颗粒的两个或更多个子群因此可以具有一种或更多种类型,例如悬浮聚合的、乳液聚合的、溶液聚合的和/或本体聚合的(bulkpolymerize)。通常,如果是悬浮聚合的、本体聚合的或溶液聚合的,则子群作为聚合物珠存在,并且如果是乳液聚合的,则子群作为乳液聚合的微粒存在,微粒可以被合并在一起、被凝聚在一起或是独立的。可选择地,子群可以作为压碎的、碾磨的、或研磨的本体聚合的丙烯酸聚合物或压碎的、碾磨的、或研磨的丙烯酸聚合物珠存在。
丙烯酸组合物固体第一部分和储存稳定的液体第二部分优选地在0℃和30℃之间、更优选地在18℃和25℃之间、最优选地在20℃和23℃之间以及在任何情况下通常在正常大气压范围下储存和反应。从将丙烯酸组合物固体第一部分和液体第二部分混合制备水泥可以以将被本领域技术人员所理解的各种方式、例如通过手动混合来进行。
通常,引发剂组分以使单体组分完全聚合有效的量存在。例如,为了至少使85%w/w的单体组分、更典型地至少90%w/w、最典型地95%-98%w/w的单体组分聚合。此外,引发剂组分可以超过将使单体组分完全聚合有效的量存在。
典型地,存在于组合物中以及因此通常也存在于最终硬化的组合物中的总的不透辐射填充剂中的至少25%w/w被封装在丙烯酸聚合物颗粒内和/或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒上,更典型地至少50%w/w,最典型地至少75%w/w被这样封装和/或吸附。
因此,在组合中以及因此通常也在最终硬化的组合物中的不透辐射填充剂中的20%w/w和100%w/w之间的不透辐射填充剂被封装在丙烯酸聚合物颗粒内和/或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒上,更典型地在30%w/w和100%w/w之间,最典型地在60%w/w和100%w/w之间。虽然其对于待被保持在最终硬化的组合物中的被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的水平是优选的,然而在单体中可能存在载体颗粒的一些溶解并且相应地,在可选物中,被封装在丙烯酸聚合物颗粒内和/或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒上的最终硬化的组合物中的不透辐射填充剂的水平是在10%w/w和100%w/w之间,更典型地在20%w/w和95%w/w之间,最典型地在50%w/w和90%w/w之间。
通常,在本发明的可硬化的多部分组合物中的不透辐射填充剂的水平是在1%w/w和50%w/w之间,更典型地在5%w/w和40%w/w之间,最典型地在6.5%w/w和30%w/w之间。优选地,不透辐射填充剂以被封装在丙烯酸聚合物颗粒内或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒上的指定的组合物水平存在。通常,不透辐射填充剂以处于或大约在硬化的水泥(即完全聚合的产物)中的被封装在丙烯酸聚合物颗粒内或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒上的指定的组合物水平存在。因此,被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂应该优选地不被释放到基质单体中并且因此通常在丙烯酸聚合物颗粒中或丙烯酸聚合物颗粒上以指定的组合物水平存在。然而,在混合期间,被吸附的不透辐射填充剂中的某些可以迁移到单体中,并且此外,聚合物颗粒中的某些可以溶解,由此将不透辐射填充剂释放到基质单体中。因此,存在于最终硬化的水泥中的被封装的不透辐射填充剂的水平可以以组合的水平被降低高于多达40%,更典型地多达20%。
有利地,在最终硬化的产物中的高水平的封装通过将丙烯酸聚合物颗粒的至少第二子群并入到组合物中来实现,该组合物的平均粒度比具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物颗粒的第一子群的平均粒度低。此第二子群的平均粒度典型地是<30μm,更典型地<20μm,最典型地<10μm。典型的较低的平均粒度的第二子群的范围是0.01-30μm,更典型地0.02-20μm,最典型地0.1-10μm。此类较低的平均粒度的子群可以存在于可硬化的组合物的任何部分中,但大体上保持远离单体,使得该子群在混合之后优先地溶解在单体中,以防止或减少具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的第一子群的溶解。因此,具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的较大的平均粒度丙烯酸聚合物颗粒第一子群不溶解或不以与较低的平均粒度的第二子群相同的程度溶解在单体中。另外的子群可以具有比第一子群大或低的平均粒度和/或具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂。然而,优选的是,至少第二子群的平均粒度比具有存在于组合物中的被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的所有子群低,并且还独立地优选的是,第二子群基本上不含被封装的不透辐射填充剂,其中不含意指小于5%w/w,更典型地小于1%w/w不透辐射填充剂。
因此,在乳液聚合的微粒的情况下,较低的平均粒度的子群(无论第二子群或另外的子群)的Z平均粒度优选地是在0.01μm至2μm,更优选地0.02μm至1μm,最优选地0.05μm至0.5μm,尤其0.1μm至0.45μm的范围内。
当在珠颗粒的情况下,较低的平均粒度的子群(无论第二子群或另外的子群)的平均粒度优选地是在1-30μm,更优选地2-20μm,最优选地2.5-15μm范围内。
虽然任何丙烯酸聚合物颗粒可以被用作较低的平均粒度的子群,但优选的是,使用如本文定义的乳液聚合的微粒。
具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的子群的平均粒度优选地是在10μm至1000μm,更优选地20μm至600μm,最优选地25μm至200μm范围内。大体上,在这样的范围内,这应该被采用以指的是平均粒度。
通常,在本文中,平均粒度通过适合于颗粒的大小被表征的技术来确定。因此,较低的平均粒度的子群可以具有通过不同于与其相比较的子群的技术表征的其平均粒度。然而,这在相关子群的平均粒度是清楚地可区分的情况下是合适的。在平均粒度是相对接近的情况下,可能合适的是仅使用相同的技术。例如,子微粒可以通过其Z平均粒度(Z-averageparticlesize)来表征,然而>10μm的颗粒可以通过其平均粒度(meanparticlesize)来表征。在1μm和10μm之间的颗粒可以通过任一测量来表征,并且如果用于比较的两个子群落在此范围内,那么相同的技术应该被采用。因此,在本文中,乳液聚合的微粒优选地通过其Z平均粒度来表征,并且珠颗粒优选地通过其平均粒度来表征。
优选地,较低的平均粒度的子群的粒度(无论第二子群或另外的子群)充分地低于具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的子群的粒度以延迟后者溶解在单体中。优选地,平均粒度(无论第二子群或另外的子群)是比较大的颗粒的平均粒度低至少10%。
上文值得注意的是,对于某些不透辐射填充剂还可能的是在组合物和/或硬化的水泥中以不被封装在丙烯酸聚合物颗粒中和/或不被吸附在丙烯酸聚合物颗粒上、例如在丙烯酸组合物第一部分和/或液体第二部分中的形式存在。这是独立地添加的不透辐射填充剂或已经从被封装的或被吸附的形式迁移到周围的液体中的不透辐射填充剂。
被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂可以被封装在丙烯酸聚合物颗粒的仅第一子群内或多于一个的子群中和/或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒的仅第一子群上或多于一个的子群上。如果子群扩展至多于一种的类型的丙烯酸聚合物颗粒(例如,珠和乳液),则不透辐射填充剂可以以任一种或更多种类型存在。然而,优选地,不透光剂被封装在一个或更多个聚合物珠子群内和/或被吸附在一个或更多个聚合物珠子群上。因此,第一子群优选地是丙烯酸珠聚合物颗粒。
优选地,在组合物中的总的丙烯酸单体组分的至少90%w/w存在于液体第二部分中,更优选地至少95%w/w,最优选地至少99%w/w。在优选的实施方案中,在组合物中的大体上所有的丙烯酸单体组分存在于液体第二部分中。因此,通常,丙烯酸单体组分仅存在于组合物的一个部分中。通常,包含液体部分的丙烯酸单体组分包括溶解于其中的丙烯酸聚合物颗粒。
通常,所述丙烯酸单体组分和所述引发剂组分位于所述多部分组合物的单独的部分中,使得包含单体组分的部分是对聚合储存稳定的。
丙烯酸聚合物颗粒的子群(无论第一子群、第二子群或另外的子群)可以包含丙烯酸聚合物珠的一个或更多个子群和乳液聚合的微粒的一个或更多个子群。
优选地,不透辐射填充剂被封装和/或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒的仅第一子群中,但其可以被封装在和/或被吸附在如上文提及的多于一个的另外的子群中。通常,不透辐射填充剂仅被封装在丙烯酸聚合物珠内和/或被吸附在丙烯酸聚合物珠上,但其可以可选择地仅仅或另外地被封装在乳液聚合的微粒中和/或被吸附在乳液聚合的微粒上。通常,便利的是已经将不透辐射填充剂封装和/或吸附在组合物的仅一个部分中,优选地其第一部分。如果不透辐射填充剂被封装和/或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒的仅一个子群类型中,则丙烯酸聚合物颗粒的另外的子群类型仍然可以存在于组合物中。例如,如果不透辐射填充剂被封装和/或被吸附在乳液聚合的微粒或丙烯酸聚合物珠中,则两种类型的颗粒仍然可以存在于在组合物中。在优选的实施方案中,组合物包含在第一部分和第二部分两者中的丙烯酸聚合物珠以及通常在仅第一部分中的乳液聚合的微粒,并且任选地不透辐射填充剂可以被封装和/或被吸附在第一部分中的任一种或更多种类型的丙烯酸聚合物颗粒中。然而,优选地,不透辐射填充剂仅被封装和/或被吸附在丙烯酸组合物第一部分中的丙烯酸聚合物珠中。
通常,在组合物中的总的被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂中的至少50%w/w存在于丙烯酸聚合物珠中,更典型地至少90%w/w,最典型地至少95%w/w存在于丙烯酸聚合物珠中,并且更优选地以这些水平存在于丙烯酸组合物第一部分中的丙烯酸聚合物珠中。
一种封装的方法是将不透辐射填充剂例如硫酸钡分散在丙烯酸单体内,然后通过例如本体聚合、乳液聚合或悬浮聚合使单体聚合,从而将不透辐射填充剂封装在得到的丙烯酸聚合物颗粒内。
如所指示的,组合物可以包含乳液聚合的丙烯酸颗粒或珠聚合物颗粒。这些可以根据对本领域技术人员已知的技术来制造。然而,产生的优选的特征包括:
任选地在不透辐射填充剂的存在下,使至少一种丙烯酸单体组合物乳液聚合以产生任选地具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物乳液;和/或
任选地在不透辐射填充剂的存在下,使至少一种丙烯酸单体组合物悬浮聚合、本体聚合或溶液聚合以产生任选地具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠颗粒。
优选的方法是将不透辐射填充剂封装在珠聚合物颗粒内,例如通过悬浮聚合产生的那些珠聚合物颗粒。
令人惊讶地已经发现,在较低的平均粒度的第二子群的存在下,通过将不透辐射填充剂封装在第一子群中的丙烯酸聚合物颗粒内,在通过将丙烯酸组合物第一部分和液体第二部分混合形成的连续基质中的不透辐射填充剂颗粒的浓度被降低,从而减少在连续基质中的应力集中缺陷数。因此,可以避免在所有填充剂被发现在连续基质中时将发生的机械性质的正常降低。另外,通过将不透辐射填充剂初始地精细地分散在单体中并且然后将其封装在丙烯酸聚合物颗粒内,通过使用甚至较低量的填充剂来实现相同的不透辐射效应是可能的。这导致机械性质的进一步的增强。
合适的不透辐射填充剂可以选自包括二氧化锆、碳酸锶、粉末状钽、粉末状钨、硫酸钡及其混合物的清单。优选地,不透辐射填充剂是硫酸钡。通常,当不透辐射填充剂是硫酸钡时,硫酸钡被封装在丙烯酸聚合物颗粒(更通常,珠聚合物颗粒)中和被吸附在丙烯酸聚合物颗粒(更通常,珠聚合物颗粒)上。在另一方面,对于其他的不透辐射填充剂例如二氧化锆,二氧化锆通常仅被封装。
本文中不透辐射意指当经受X射线时致使材料更可区分于周围材料的能力。
在优选的实施方案中,丙烯酸组合物第一部分包括作为聚合物珠存在并且具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物颗粒第一子群。优选地,本发明的组合物包含作为第二子群的乳液聚合的微粒。有利地,乳液聚合的微粒的平均粒度大体上低于聚合物珠的平均粒度。
在本发明的特定地优选的方面,包含聚合物珠第一子群并且具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸组合物固体第一部分还包含乳液聚合的微粒的第二子群。
在另一方面,本发明扩展至从将根据本文的任何方面的多部分丙烯酸组合物混合而产生的固体水泥组合物。
有利地,本发明用于治疗人类骨或动物骨。
此外,在另一方面,本发明扩展至本发明的丙烯酸聚合物固体第一部分的组合物,其在可硬化的多部分丙烯酸组合物中用作料团时间减少剂或用作机械强度改进剂。
根据本发明的另外的方面,提供了从根据本发明的任何方面的多部分丙烯酸组合物产生丙烯酸水泥的方法,所述方法包括将所述第一部分、所述第二部分以及任选地另外的部分混合的步骤。
上文的混合工艺可以通过任何合适的手段,例如手动混合工艺。
根据本发明的另外的方面,提供了产生根据本发明的任何方面的可硬化的多部分丙烯酸组合物的方法,所述方法包括以下步骤:
a)产生根据本发明的第一方面的丙烯酸聚合物组合物第一部分和储存稳定的第二部分;
b)其中步骤a)包括使丙烯酸单体组合物聚合以形成丙烯酸聚合物颗粒的子群的步骤,其中聚合在不透辐射填充剂的存在下进行,从而将不透辐射填充剂封装在丙烯酸聚合物颗粒中。
根据本发明的第二方面,提供了可硬化的多部分丙烯酸组合物,所述可硬化的多部分丙烯酸组合物包含固体第一部分和储存稳定的液体第二部分以及任选地第三或另外的固体部分或液体部分,这些部分是可操作的,以在将这些部分混合在一起之后形成硬化成固体团块的水泥,组合物还包含在第二部分中的丙烯酸单体组分、引发剂组分、在第一部分和/或另外的部分中的丙烯酸聚合物珠的第一子群、以及在第一部分和/或另外的部分中的丙烯酸乳液聚合的微粒的第二子群,引发剂组分以在与丙烯酸单体组分混合和/或活化之后有效使丙烯酸单体组分聚合的量存在,其特征在于不透辐射填充剂中的至少某些被封装在丙烯酸聚合物珠的第一子群内和/或被吸附在丙烯酸聚合物珠的第一子群上。
如所指示的,组合物包括乳液聚合的微粒。这些微粒可以根据对本领域技术人员已知的技术来制造。通常,乳液聚合的微粒呈合并的乳液聚合的微粒的网络(通常通过将液体乳液干燥以形成粉末产生)的形式。
通常,在对技术人员已知的合适的其他组合物组分的存在下,不同类型的丙烯酸聚合物颗粒可以被共混在一起以形成丙烯酸组合物的固体第一部分。这样的组合物添加剂包括引发剂、催化剂、染料和填充剂。
将本发明的丙烯酸聚合物颗粒共混可以通过用于将不同大小的颗粒共混的对技术人员已知的任何合适的技术进行。
然而,将小颗粒和较大颗粒共混的优选的手段是通过常规的翻滚共混法(tumbleblendingmethod)。共混粉末的其他方法也是可能的,例如螺杆共混(screwblending)和轧辊共混(rollblending)。
有利地,本发明的多部分可硬化的组合物在硬化期间还达到低的最大放热温度,因此避免在骨水泥的情况下的组织坏死(丙烯酸骨水泥的熟知的问题)。
另外的优点是,从本发明形成的可硬化的组合物还展示长的工作时间,从而为操作者提供较长的时间段以在应用期间以期望的方式操纵水泥料团。
为用以产生本发明的丙烯酸聚合物颗粒例如珠或微粒的至少一种丙烯酸单体组合物的聚合可以在有或没有过量的引发剂下发生。
通常,本发明的任何方面的可硬化的组合物的优选的实施方案通过以下来制备:
a)将不透辐射填充剂分散在丙烯酸单体/聚合物糖浆中以产生分散体;
b)在引发剂的存在下并且任选地在过量的引发剂的存在下,使分散体悬浮聚合以产生包含被封装的和/或被吸附的填充剂的丙烯酸聚合物珠颗粒;
c)在引发剂的存在下并且任选地在过量的引发剂的存在下,使丙烯酸单体组合物乳液聚合以产生聚合物乳液;
d)将步骤c)的聚合物乳液干燥以产生合并的乳液聚合的微粒的网络;
e)任选地在添加的引发剂下,将步骤b)的包含被封装的和/或被吸附的填充剂的丙烯酸聚合物珠颗粒与步骤d)的合并的乳液聚合的微粒混合,以形成丙烯酸聚合物组合物第一部分;
f)产生包含丙烯酸单体和加速剂的液体第二部分;
g)将丙烯酸组合物第一部分与液体第二部分混合以制造料团;
h)任选地,通过手动操纵或注射将料团放在模具或腔中;以及
i)允许料团凝固并且硬化。
特定地优选的方法将过量的引发剂引入到悬浮聚合步骤b)和/或乳液聚合步骤c)中,使得残余的引发剂被封装在丙烯酸聚合物珠颗粒和/或乳液聚合的微粒内。然而,可选择地,引发剂还可以随后被添加至步骤e)中的丙烯酸聚合物组合物第一部分。
在本发明的任何方面的优选的实施方案中,两部分组合物包含丙烯酸组合物第一部分以及小量的聚合引发剂例如过氧化二苯甲酰(BPO),所述丙烯酸组合物第一部分通常包括具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的聚合物珠的第一子群(通常具有约10-200μm的平均粒度并且通常是PMMA)、乳液聚合的丙烯酸微粒的第二子群以及任选地乳液聚合的丙烯酸微粒和/或丙烯酸聚合物珠的一个或更多个另外的子群,所述聚合引发剂通常还被封装在PMMA珠子群内,但其还可以作为单独的组分被添加。第二液体部分通常是单体,典型地甲基丙烯酸甲酯(MMA),所述第二液体部分还可以包含聚合活化剂,例如N,N-二甲基-对甲苯胺(叔胺)(DMPT)和抑制剂例如氢醌(HQ),以防止单体自发地聚合。通常,可以是丙烯酸聚合物珠颗粒或乳液聚合的微粒的丙烯酸聚合物颗粒的第二子群的平均粒度比具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的珠的第一子群的平均粒度低。
当两个部分被混合在一起时,丙烯酸聚合物颗粒的第一子群、第二子群以及任选地另外的子群用单体润湿、被溶剂化并且开始溶解。本文中的第二子群以比至少第一子群更快的速率溶解。溶剂化的聚合物颗粒将过氧化二苯甲酰引发剂释放到与活化剂(如果存在)相互作用的单体中,以产生与单体反应的自由基并且引发单体的室温加成聚合。混合物作为相对低的粘度水泥开始并且发展成最终完全硬化成其最终凝固组合物的越来越硬的体系。
水泥的此不断地改变的粘度通过料团时间和凝固时间以及如由BSISO5833:2002界定的达到的最大放热温度来表征。料团时间被认为是在用于水泥的混合开始之后实现料团样团块的时间的长度,该料团样团块当轻轻地接触时不粘附至戴手套的手指。凝固时间被认为是达到在环境和最大值之间的温度中间值花费的时间。
面团料团时间和凝固时间和最大放热温度是确定可硬化的组合物如何被使用的非常重要的参数。在室温下可硬化的组合物(称为“自固化”体系或“冷固化”体系)具有通常4分钟至10分钟的料团时间和通常是持续10分钟至25分钟的凝固时间。这些参数有效地界定对于操作者以期望的方式操纵料团(例如,按压到用于义齿基托制造的义齿模具中、或在髋关节修复或髋关节置换期间按压到骨腔中或在脊柱手术期间注射到脊椎腔中)可用的时间段。可以有利的是使对操作者可用的工作时间最大化。这应该理想地被实现,而不增加凝固时间,因为这界定用于水泥操作或固定操作的终点。因此,这将注意力聚焦在缩短料团时间上。料团时间通过液体组分的组合在混合之后立即粘度升高的速率来确定并且被许多因素例如聚合物珠的粒度和形状、聚合物分子量、以及聚合物组成所控制。
聚合物珠
优选地,如上文提及的,丙烯酸聚合物颗粒子群可以是(be)或是(are)聚合物珠。这样的珠优选地不由乳液聚合的颗粒形成,但优选地通过常规的非乳液聚合物加工来产生。这样的聚合物珠对丙烯酸聚合物组合物的领域中的技术人员是熟知的,并且可以例如是通过本体聚合、溶液聚合或悬浮聚合制造的那些聚合物珠。通常,珠通过悬浮聚合来制造。
如本文所使用的,除非另外指示,否则如本文所使用的术语珠不意指被限制性地解释并且指的是任何合适大小、形状和表面纹理的离散的聚合物颗粒。然而,在本申请的上下文中,术语珠可以被用于区分此类型的丙烯酸聚合物颗粒与乳液聚合的微粒或从合并的乳液聚合的微粒形成的较大的颗粒。
乳液聚合的微粒
通常,如上文提及的,丙烯酸聚合物颗粒子群可以是(be)或是(are)乳液聚合的微粒。通常,乳液聚合的微粒呈合并的乳液聚合的微粒的网络的形式。
为了避免疑问,合并的意指各个微粒完全合并,但它们充分地连接在一起以形成较大类型的颗粒。通常,微粒开始紧密接触,但还保留各个特征。
优选地,乳液聚合的微粒的Z平均粒度小于2μm,如使用MalvernZetasizer纳米系列S粒度分析仪通过光散射确定的(将一滴乳液添加至在测量比色皿中的1ml的去离子水,允许测试样品在25℃下平衡并且使用由仪器提供的软件确定Z平均粒度),更优选地小于1μm,最优选地小于0.8μm,尤其小于0.5μm。用于乳液聚合的微粒的优选的Z平均粒度的范围是在0.01-2μm,更优选地0.02-1μm,最优选地0.05-0.5μm,尤其0.1-0.45μm之间,如使用如上文的MalvernZetasizer通过光散射确定的。
通常,乳液聚合的微粒可以是单阶段或多阶段,即所谓的核/壳颗粒。在这一点上,可能合适的是使用单一的单体,例如用于制造种子、核和壳的甲基丙烯酸甲酯。在此情况下,特别地如果种子、核和壳的组成和分子量被设计为是相同的,则可以部署对技术人员已知的标准的单阶段乳液聚合技术。然而,为了获得对其结构、特别是其组成、粒度和分子量展示某种控制的乳液聚合的微粒,可优选的是使用多阶段核-壳乳液聚合方法。
聚合制造核-壳颗粒,便利的是采用初始地形成种子颗粒的广泛使用的方法,所述种子颗粒然后用作用于进一步生长的核,即为了产生聚合的核以及然后壳。该概念被V.L.Dimonie等人的“EmulsionPolymerizationandEmulsionPolymers”,P.A.Lovell和M.S.El-Aasser,编辑,JohnWiley&SonsLtd,第9章,第294-326页,(1997)更详细地描述。种子颗粒可以使用不含乳化剂的技术(即,由使用离子水溶性引发剂例如过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵引起的颗粒稳定)或通过使用乳化剂来形成和稳定。在形成种子颗粒之后,由另外等份的单体和引发剂的连续添加形成核和壳。
通常,乳液聚合的微粒通过将液体乳液干燥以形成粉末来形成。
微粒干燥的优选的手段是使用喷雾干燥。然而,直接干燥乳液聚合的微粒的其他方法也是可能的,例如真空桨叶干燥或旋转干燥。另外,乳液可以通过使用离子盐(例如,硫酸镁、氯化钙、硫酸铝等等)来凝结,然后过滤、洗涤和干燥。所有这些技术将引起乳液聚合的微粒合并成较大的颗粒。令人惊讶地,已经发现,在可硬化组合物中使用这些较大的颗粒显著地缩短料团时间。不曾预计到使用这样形成的颗粒引起这样的改进。乳液聚合的微粒的合并不引起其完全地合并,并且反而它们形成连接的微粒的网络。这些干燥技术和现有乳液聚合允许非常小心地控制乳液聚合的微粒大小和较大的合并的颗粒大小,这给出容易的再现性并且降低批次间差别(batchtobatchvariation)。
干燥意指将乳液聚合的微粒的水分含量降低至<10%w/w,更优选地<5%w/w,最优选地<2%w/w。
在干燥之前,乳液的%wt固体含量典型地是在5%wt和45%wt之间,更典型地在7.5%wt和40%wt之间,优选地在10%wt和37.5%wt之间。
通常,较大的合并的颗粒的大小不被认为是重要的,但将清楚地超过乳液聚合的微粒的大小。典型地,较大的合并的颗粒具有1-300μm、更典型地2-200μm、最典型地5-200μm、尤其5-150μm的平均粒度。然而,较大的合并的颗粒的大小被认为没有组成其结构的乳液聚合的微粒的大小重要。
有利地,乳液聚合的微粒形成多孔的较大的合并的颗粒,更优选地微孔的较大的合并的颗粒。
在本发明中,微孔包括具有在0.1nm和2000nm之间、更优选地在1-1000nm之间、最优选地在10-500nm之间的平均孔径的颗粒。孔径可以通过扫面电子显微镜(SEM)根据以下测试法来确定:将丙烯酸聚合物颗粒的样品洒至在标准铝SEM桩(standardaluminiumSEMstub)上的传导的自粘附性碳标签(carbontab)上。通过真空金属化(vacuummetallization)用金属(Pt)的薄层涂覆样品以避免在SEM仪器中变化。可以使用HitachiS4500FieldEmissionSEM、使用3kV的加速电压和20mm的工作距离来采取SEM图像。在若干颗粒上进行成像并且在不同放大率下获得代表性图像。
通常,合并的乳液聚合的微粒的网络自身是多孔的较大的合并的颗粒,所述多孔的较大的合并的颗粒通常具有大的表面积,该大的表面积至少部分地由在所述颗粒中存在空隙造成。典型地,这些较大的合并的颗粒具有在1m2/g和100m2/g之间,更优选地在10m2/g和100m2/g之间,最优选地在15m2/g和50m2/g之间的平均表面积。
因此,表面积典型地是至少5m2/g,更典型地至少10m2/g,最典型地至少15m2/g。表面积在本文中可以通过根据ISO9277:2010的Brunauer-Emmett-Teller(BET)的方法来确定。
典型地,这些较大的合并的颗粒具有在0.005cm3/g和0.5cm3/g之间,更优选地在0.015cm3/g和0.2cm3/g之间,最优选地在0.025cm3/g和0.1cm3/g之间的平均总孔体积。因此,在颗粒中的总孔体积典型地是至少0.01cm3/g,更典型地至少0.020cm3/g,最典型地至少0.025cm3/g。总孔体积在本文中可以通过根据DIN66134的Barrett-Joyner-Halenda(BJH)的方法来确定。
因此,在一个实施方案中,如根据上文的方法测量的较大的合并的颗粒具有在1m2/g和100m2/g之间,更优选地在10m2/g和100m2/g之间,最优选地在15m2/g和50m2/g之间和/或至少5m2/g,更典型地至少10m2/g,最典型地至少15m2/g的平均表面积和在0.005cm3/g和0.5cm3/g之间,更优选地在0.015cm3/g和0.2cm3/g之间,最优选地在0.025cm3/g和0.1cm3/g之间和/或至少0.01cm3/g,更典型地至少0.020cm3/g,最典型地至少0.025cm3/g的平均总孔体积。
乳液聚合的微粒的核壳(C:S)比典型地是在C:S95%wt:5%wt和C:S40%wt:60%wt之间,更典型地在C:S90%wt:10%wt和C:S50%wt:50%wt之间,优选地在C:S85%wt:15%wt和C:S70%wt:30%wt之间。
微粒通过将微粒的聚合物乳液干燥例如通过喷雾干燥、桨叶干燥、烘箱干燥或在凝结和过滤之后干燥来合并。有利地,喷雾干燥通过合适地改变喷雾液滴大小来允许最终粒度的容易的控制。在任何情况下,干燥步骤引起乳液聚合的微粒合并并且形成乳液聚合的微粒的网络,通常给出多孔的较大的合并的颗粒。通常,已经发现乳液聚合的可以大体上在相同的平面中合并成疏松地六边形紧密堆积的基质,但在本情况下,由于在此布置中的洞和缺陷以及还有颗粒网络的三维结构,所以多孔的宏观结构产生。微粒乳液聚合的微粒还不可避免地以较小的簇以及还有作为各个颗粒存在于较大的粉末颗粒的合并的网络中。喷雾干燥的温度和特别地喷雾干燥器出口温度优选地是为了避免乳液的主要颗粒烧结在一起而形成融合的或部分地融合的聚集物,并且这通常通过确保干燥器出口温度不大于在聚合物玻璃化转变温度Tg以上15℃是可实现的。
有利地,如上文提及的,呈合并的乳液聚合的微粒的网络的形式的乳液聚合的微粒是微孔的。较大的合并的颗粒的微孔性质意指,它们在液体第二部分中比在固体非多孔颗粒中更容易被溶剂化。这意指第二子群相比于具有被封装在其中和/或被吸附的不透辐射剂的丙烯酸聚合物颗粒的第一子群在液体第二部分中进一步优先地溶剂化。
较大的合并的颗粒的平均粒度将比由其形成的乳液聚合的微粒的平均粒度大。然而,由于较大的颗粒的性质,组成较大颗粒的微粒大体上仍然存在。
为了避免疑问,本文对乳液聚合的微粒的平均粒度或乳液聚合的微粒的子群的平均粒度的任何引用是关于乳液聚合的微粒自身并且不是关于由合并的微粒的网络形成的任何较大的颗粒的平均粒度,合并的微粒的网络可以是微粒存在于其中的形式。
聚合物量和其他组分量
通常,本发明的丙烯酸聚合物颗粒子群在混合之前形成存在于组合物中的未溶解的聚合物中的至少98%w/w,更优选地至少99%w/w,最优选地,在混合之前形成存在于组合物中的未溶解的聚合物中的约100%w/w。在混合之后,单体聚合并且引起混合的组合物形成逐渐硬化最后凝固成固体的水泥。某些聚合物、优选地如本文定义的丙烯酸聚合物还可以在混合之前被溶解在单体组合物中。溶解的聚合物的这样的水平典型地是在丙烯酸单体组分中的0-60%w/w,更典型地10-30%w/w的范围内。
丙烯酸聚合物颗粒子群与被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂一起通常可以形成丙烯酸聚合物组合物第一部分的50-99.9%w/w之间,更优选地60-97.5%w/w,最优选地65-94.5%w/w。平衡大体上由其他固体组成,所述其他固体可以是填充剂、颜料、染料、催化剂、非封装的不透辐射填充剂和引发剂。
当乳液聚合的微粒与非乳液聚合的丙烯酸聚合物颗粒例如珠两者存在于子群中时,两者的比率取决于最终应用而变化。然而,在某些应用例如骨水泥中,有利的是其具有在其2:98w/w至50:50w/w、更优选地3:97w/w至40:60w/w、最优选地5:95w/w至30:70w/w之间的比率。然而,据此应该不采取限制并且其他乳液聚合的微粒比也是可能的,例如0%w/w乳液聚合的微粒。对于子群还可能的是组成多达100%w/w珠聚合物颗粒,即0%乳液聚合的微粒。
除了单体之外,液体第二部分可以包括作为另外的液体组分的水或其他溶剂,该另外的液体组分在任何情况下足以提供用于其他组分的液体载体,该其他组分可以包括对技术人员已知的其他聚合物组合物组分,例如丙烯酸聚合物、引发剂(虽然这不是优选的并且只要活化剂不存在)、填充剂、颜料、染料、催化剂、加速剂、增塑剂等。在这一点上,虽然可能的是,任选地在增塑剂的存在下使用在液体载体例如水或有机溶剂中的引发剂糊状物,以形成组合物的另外的部分,但更典型的是使丙烯酸单体作为唯一的液体载体在组合物中,任选地具有溶解在其中的丙烯酸聚合物颗粒以及具有添加的其他组分,例如加速剂、填充剂、染料等。大体上,在可硬化的组合中(无论在第二部分中或另外的部分中)的单体的量是在10-70%w/w、更典型地15-60%w/w、更优选地20-50%w/w的范围内。通常,单体在第二部分中以这些总体组成水平存在。
当单体和丙烯酸聚合物两者溶解的树脂或颗粒形成第二液体部分、或另外的液体部分的大部分(bulk)时,丙烯酸单体:聚合物的比率是在99:1w/w至40:60w/w的范围内。
丙烯酸聚合物组合物第一部分在与单体组合物混合之前通常作为干粉存在。干粉组分与单体组分的重量比通常是<3:1,更优选地<2.5:1,最优选地<2.2:1。典型地,重量比是在2.15-1.85:1的范围内。
通常,在本发明的可硬化的丙烯酸组合物中的填充剂(无论不透辐射填充剂或另外的填充剂)的水平是丙烯酸组合物的1-55%w/w,更优选地5-45%w/w,最优选地6.5-35%w/w。填充剂可以存在于这些部分中的任一个中或可以被分布在两个或更多个部分中。
优选地,在组合物中的总不透辐射填充剂中的至少90%w/w存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中,更优选地至少95%w/w,最优选地至少99%w/w。在优选的实施方案中,在组合物中的大体上所有的不透辐射填充剂存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中。因此,通常,不透辐射填充剂存在于组合物的仅一个部分中。
通常,所有或大体上所有的所述丙烯酸单体组分和所述不透辐射填充剂位于组合物的单独的部分中,使得不透辐射填充剂在最终硬化的材料的聚合物基质中大体上不存在或减少。
优选地,在组合物中的具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的总的第一子群或(如果存在)另外的子群丙烯酸聚合物颗粒中的至少90%w/w、更优选地至少95%w/w,最优选地至少99%w/w存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中。在优选的实施方案中,在组合物中的具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的大体上所有的第一子群或(如果存在)另外的子群丙烯酸聚合物颗粒存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中。因此,通常,具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物颗粒子群在混合之前存在于组合物的仅一个部分中。
通常,具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的所有或大体上所有的所述丙烯酸单体组分和所述聚合物颗粒子群位于所述组合物的单独的部分中,使得被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂在混合之前不被释放到单体组分中,并且因此存在于最终硬化的材料的聚合物基质中的释放的不透辐射填充剂被减少或被避免。
优选地,在组合物中的具有较低的平均粒度的总的第二子群或(如果存在)另外的子群丙烯酸聚合物颗粒中的至少90%w/w存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中,更优选地至少95%w/w,最优选地至少99%w/w。在优选的实施方案中,在组合物中的具有比第一子群低的平均粒度的大体上所有的第二子群或(如果存在)另外的子群丙烯酸聚合物颗粒存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中。因此,通常,具有比第一子群低的平均粒度的第二子群或(如果存在)另外的子群丙烯酸聚合物颗粒在混合之前存在于组合物的仅一个部分中。
通常,具有较低的平均粒度的所有或大体上所有的所述丙烯酸单体组分和所述聚合物颗粒子群位于所述组合物的单独的部分中,使得被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂在混合被延迟或被避免之后释放到单体组分中,并且因此存在于最终硬化的材料的聚合物基质中的释放的不透辐射填充剂被减少。
优选地,存在于组合物中(无论在第二子群或另外的子群中)的总的乳液聚合的微粒中的至少90%w/w存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中,更优选地至少95%w/w,最优选地至少99%w/w。在优选的实施方案中,在组合物中的大体上所有的乳液聚合的微粒存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中。因此,通常,乳液聚合的微粒存在于组合物的仅一个部分中。
优选地,在组合物中(无论在第一子群或另外的子群中)的具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的总的丙烯酸聚合物珠中的至少90%w/w存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中,更优选地至少95%w/w,最优选地至少99%w/w。在优选的实施方案中,在组合物中的具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的大体上所有的丙烯酸聚合物珠存在于丙烯酸聚合物组合物第一部分中。因此,通常,具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠存在于组合物的仅一个部分中。
加速剂可以在未混合的组合物中以按质量计0.1%至5%、更典型地按质量计0.5-3%的范围内存在。
在多部分丙烯酸组合物中的未反应的引发剂(无论残余的或添加的)的总水平典型地是丙烯酸组合物的0.1-10%w/w,优选地0.15-5%w/w,更优选地0.2-4.0%w/w。
在引发剂被用于组分中的一个组分时,引发剂自身可以被封装在聚合物珠和/或乳液聚合的微粒内或单独地被添加至组合物的任何部分。虽然,可能的是在具有丙烯酸单体组分的液体部分中具有引发剂,但这样将仅具有短的储存期(shelflife)。因此,通常,引发剂和丙烯酸单体组分位于组合物的单独的部分中。
在聚合物被溶解在液体第二部分或任何另外的液体部分中的单体中时,聚合物必须优选地包含非常低(例如,<0.1%w/w)水平的残余的引发剂以避免缩短储存期。
引发剂可以存在于形成丙烯酸组合物的部分的丙烯酸聚合物颗粒中。在丙烯酸聚合物颗粒中的引发剂可以是在聚合物颗粒的形成中使用的未反应的引发剂的残余的量,其因此等于引发剂的过量的量。某些引发剂可以可选择地或另外地作为单独的组分添加至多部分组合物。在乳液聚合的微粒或珠聚合物颗粒中,在反应之前存在的残余的引发剂的水平典型地是0.001-10%w/w聚合物颗粒,优选地0.1-6%w/w,更优选地0.1-5%w/w。
优选地,引发剂以将实现至少大于90%聚合、更典型地大于93%聚合、更典型地大于95%聚合的单体组分的聚合的水平存在。
在存在于组合物中的丙烯酸聚合物颗粒的两个或更多个子群可以存在于相同的部分和/或存在于不同的部分中。在优选的实施方案中,具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的第一子群存在于具有乳液聚合的微粒的第二子群的丙烯酸聚合物组合物第一部分中,所述乳液聚合的微粒的第二子群可以具有或可以不具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂。另外的聚合物子群可以存在于溶解或部分地溶解在丙烯酸单体组分中的液体第二部分中。
聚合物组分通常存在对技术人员已知的合适的其他聚合物组合物组分。这样的聚合物组合物添加剂包括引发剂、乳化剂、催化剂、颜料、染料和填充剂。
具体的材料
可以被用于引发乳液聚合的引发剂并且因此可以在组合物中形成残余的引发剂以引发硬化过程的那些引发剂是过硫酸盐(例如,过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵)、过氧化物(例如,过氧化氢、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、特戊基过氧化氢、过氧化二碳酸二(2-乙基己基)酯或过氧化月桂酰以及偶氮引发剂(例如,4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸))。
除了上文的乳液引发剂之外,用于硬化阶段的特别优选的引发剂是过氧化二苯甲酰。
可以被用于常规的或不含乳化剂的乳液聚合并且因此可以作为残余的引发剂存在的引发剂包括:离子水溶性引发剂、例如过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵。
此外,上文的引发剂中的任一个或更多个可以独立地被添加至组合物。
在特别优选的实施方案中,丙烯酸聚合物颗粒将引发剂并入其聚合物基质中。引发剂可以被并入到丙烯酸聚合物珠颗粒和/或乳液聚合的微粒的聚合物基质中。优选地,引发剂被并入丙烯酸聚合物珠颗粒中。相应地,在此实施方案中,引发剂不单独地添加至组合物的第一部分。
有利地,用于可硬化组合物的引发剂可以在颗粒的聚合期间作为过量的引发剂被添加,使得某些引发剂在颗粒的聚合中被使用,但作为颗粒形式,过量的引发剂被并入到聚合物基质中。随后,在用单体润湿或溶解之后,引发剂被释放并且因此能够引发硬化期。在核/壳颗粒中,引发剂优选地被并入外部壳中,即在多阶段乳液聚合工艺的最终阶段期间,并且因此,过量的引发剂被用于最终壳聚合阶段。在聚合物颗粒的聚合期间,还可以使用多于一种的引发剂。在多种引发剂的情况下,有利的是,对于引发剂中的一种在聚合中大体上被用完并且第二引发剂是过量的并且仅部分被使用,使得过量的第二引发剂被并入到颗粒中。此程序可以通过具有不同半衰期的引发剂来帮助,使得较短半衰期的引发剂(即,在给定的温度和反应介质下具有较高的分解速率的引发剂)优先地被用完。此外,较高的温度可以被用于在第一引发剂的存在下驱动聚合完成,而较低的温度可以在意图为残余的引发剂的第二引发剂的存在下延迟单体的聚合。然而,第二引发剂中的某些将不可避免地被用完,因为为了将引发剂并入到颗粒中,某些聚合必须在第二引发剂的存在下发生。无论使用一种或更多种引发剂,作为残余物留下的引发剂的量取决于引发剂暴露于聚合条件和反应物的时间,以及与第一引发剂(如果存在)的相对反应性。将被技术人员理解的是,残余的引发剂的精确的量将取决于实验条件,并且可以通过试验和误差来容易地确定,并且然后通过小心控制单体和引发剂的定量以及工艺条件来可再现性地做出。过量的引发剂的添加的时间还与聚合物的分子量有关。如果在聚合中添加太早,则颗粒的分子量将被减小。相应地,所需要的分子量还将影响过量的引发剂的添加的时间,使得并入过量的引发剂,同时实现对于特定应用所需要的分子量。
优选地,当包括乳液颗粒时,产生本发明的方法的步骤(a)包括种子乳液聚合步骤、核乳液聚合步骤以及至少一个壳乳液聚合步骤。特别优选的方法将过量的引发剂引入到乳液聚合步骤中,使得残余的引发剂被封装在乳液颗粒内。优选地,在多阶段乳液聚合中,过量的引发剂在最后阶段期间被引入,使得其存在于多阶段颗粒的外部壳中。然而,可选择地,引发剂还可以随后被添加至丙烯酸聚合物乳液。
为了避免疑问,“过量的引发剂”意指完成丙烯酸聚合物颗粒的聚合所不需要的并且可用于随后的反应的引发剂的部分,该随后的反应在丙烯酸聚合物颗粒的初始聚合终止之后。
被封装的残余的引发剂或添加的引发剂(例如,过氧化二苯甲酰)的量的变化具有改变可硬化组合物的凝固时间的效应。增加的引发剂水平导致缩短的凝固时间。另外,在丙烯酸单体组合物中的加速剂(例如,DMPT)的量的变化还可以影响凝固时间。增加的加速剂浓度导致缩短的凝固时间。
通常,在本文中,引发剂将以总的单体和引发剂的0.1%w/w至5%w/w的水平存在于组合物中。
在根据本发明的组合物中,可以使用其他填充剂并且这些填充剂对这样的领域的本领域技术人员将是已知的。另外,除了填充剂之外,可以使用有机x射线不透明单体。这些单体可以在其产生期间被共聚到任何丙烯酸聚合物颗粒中或被并入到丙烯酸单体组合物中。典型的有机x射线不透明单体包括卤化的甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯,例如,甲基丙烯酸2,3-二溴丙酯、2,3,5-三碘苯甲酸-2-甲基丙烯酰氧乙基酯(2-methacryloyloxyethyl-2,3,5-triiodobenzoate)。为了避免疑问,这样的x射线不透明单体不被认为是填充剂或不透辐射填充剂。
可以在乳液聚合中使用的乳化剂是在常规乳液聚合中是典型的那些乳化剂,包括阴离子乳化剂(例如,二辛基磺基琥珀酸钠、磺基琥珀酸的乙氧基化醇半酯二钠(disodiumethoxylatedalcoholhalfesterofsulfosuccinicacid)、N-(1,2-二羧基乙基)-N-十八烷基磺基琥珀酸四钠、硫酸烷基酚聚氧乙烯醚的钠盐、烷基磺酸钠、十二烷基磺酸钠或2-乙基己基磺酸钠)、非离子乳化剂(例如,聚乙二醇壬基苯基醚、聚氧乙烯辛基苯基醚、或双官能环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物)或阳离子乳化剂(例如,十六烷基三甲基溴化铵或烷基聚乙二醇醚甲基氯化铵)。还可以使用用于与丙烯酸乳液一起使用的合适的反应性或可聚合的乳化剂或表面活性剂,例如十二烷基烯丙基磺基琥珀酸钠、苯乙烯醚十二烷基磺酸钠(styrenesodiumdodecylsulfonateether)、甲基丙烯酰胺十二烷基乙基磺酸钠(dodecylsodiumethylsulfonatemethacrylamide)、聚氧乙烯或环氧乙烷/环氧丙烷嵌段共聚物的甲基丙烯酸大分子单体或乙烯基苄基大分子单体或甲基丙烯酰基乙基十六烷基二甲基溴化铵。
本发明的另外的组分与液体载体在液体第二部分或任何另外的液体部分中的混合可以通过用于将固体或液体与液体混合的对技术人员已知的任何合适的技术来进行。
优选地,在本发明中,有至少1wt%的每个子群存在,更优选地5wt%,最优选地10wt%。例如,在存在两个子群时,典型的比率是在1-99wt%:99-1wt%,更典型地10-90wt%:90-10wt%的范围内。例如另外的实例,在存在三种类型时,典型的比率是在1-98wt%:98-1wt%:98-1wt%,更典型地5-90wt%:90-5wt%:90-5wt%的范围内。
优选地,通过将本发明的任何方面中的所述部分混合而产生的固体的抗压强度(compressivestrength)大于40MPa,更优选地大于70MPa。在所产生的固体中发现的抗压强度的典型的范围是40–130MPa,更优选地70–130MPa。
定义
术语“吸附的”采用其常用含义并且意指结合至其表面。
本文术语“液体”在本文中不需要定义,因为其被技术人员很好地理解。然而,为了避免疑问,其还包括具有液体载体的可流动的材料,例如浆料、悬浮液、乳液或因此易于通过注射器递送或通过施加压力填塞枪出口的糊状物。典型地,术语液体适用于至少在5℃和35℃之间,更典型地在5℃和30℃之间的材料或组合物。
术语“固体部分”意指非液体部分或非气体部分并且大体上自由流动的干燥的颗粒状材料,该自由流动的干燥的颗粒状材料通常由一种粉末或粉末的混合物组成并且不包括液体载体。
“储存稳定的”意指单体或液体在温度和时间的正常可接受的储存条件(即,在5℃和30℃之间和在1天至250天之间,更典型地,在15℃至25℃之间和在1天至170天之间)下不聚合。
术语“子群”通常被技术人员理解,但为了避免疑问,其指的是多个聚合物颗粒,该多个聚合物颗粒具有特定的分子量(MW)、分子量分布、孔隙度、(共聚)单体残余物的性质和分布、平均粒度、粒度分布、残余的引发剂的存在或不存在以及(如果存在)残余的引发剂的量和类型和/或如通常由已经一起经历相同聚合过程的单体所产生的类型。
在本文中,术语“较低”在平均粒度或类似粒度的上下文中意指,具有较低的值,但优选地是低于比较的较大值的至少10%,更优选地低于至少20%,最优选地低于较大值的至少50%。
本文Z平均粒度在本文中使用MalvernZetasizer纳米系列S粒度分析仪通过光散射来确定。
本文平均粒度在本文中可以使用CoulterLS230激光衍射仪器来确定。
本文术语“微粒”在本文中意指具有<10μm,优选地<2μm,更优选地<1μm的平均粒度的聚合物颗粒。
丙烯酸珠聚合物颗粒的制造方法通常是常规的悬浮聚合或分散聚合以产生大体上球形的聚合物颗粒,或珠。然而,其他制造方法也是可能的,例如本体聚合或溶液聚合,随后是溶剂的蒸发。
本文丙烯酸聚合物((无论与丙烯酸聚合物颗粒有关或以其他方式的丙烯酸聚合物在本文中意指,独立地对于每个子群,聚(烷基)丙烯酸烷基酯或(烷基)丙烯酸的均聚物、或(烷基)丙烯酸烷基酯或(烷基)丙烯酸与一个或更多个其他乙烯基单体的共聚物。通常,使用甲基丙烯酸甲酯的均聚物或甲基丙烯酸甲酯与一个或更多个其他乙烯基单体的共聚物。其他乙烯基单体包括另外的(烷基)丙烯酸烷基酯或(烷基)丙烯酸,例如甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸月桂酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸环己酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸或丙烯酸;丙烯酸羟基官能酯,例如甲基丙烯酸2-羟基乙酯、甲基丙烯酸羟丙基乙酯、丙烯酸2-羟基乙酯、或丙烯酸羟基丙酯;乙烯基化合物,例如苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮或乙烯基吡啶;以及相容的交联单体,例如甲基丙烯酸烯丙酯、二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸1,4-丁二醇酯、二丙烯酸1,4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸1,6-己二醇酯或二丙烯酸1,6-己二醇酯、特别是相容的丙烯酸交联单体。
包含官能化单体的共聚物是特别感兴趣的,因为它们可以帮助将非封装的不透辐射填充剂分散到包含单体的部分中。合适的官能化的单体在墨水和涂层的颜料分散领域中是熟知的。例如,胺,例如甲基丙烯酸-N,N-二甲胺乙酯、甲基丙烯酸-N,N-二乙胺乙酯、甲基丙烯酸正丁胺乙酯;和酸,例如甲基丙烯酸和丙烯酸。
交联的单体可以被用于使丙烯酸聚合物颗粒或丙烯酸聚合物颗粒子群中的一个或更多个交联。对于乳液聚合的微粒,交联可以在核和壳中或仅在核中或仅在壳中进行。交联用于精细调整可硬化的多部分丙烯酸组合物的性质的目的。
乳液聚合的微粒的重量平均分子量(Mw)典型地是在25,000道尔顿和3,000,000道尔顿之间,更典型地在100,000道尔顿和1,500,000道尔顿之间,优选地在250,000和1000000之间,例如在250,000和600,000之间。为此目的,分子量可以通过凝胶渗透色谱法(GPC)来确定。
虽然,在可硬化的组合物的聚合物组分中的聚合物的分子量可以影响料团时间和工作时间,但本发明不限于任何特定的分子量。在任何情况下,分子量的减少和/或丙烯酸聚合物颗粒的粒度的增大可以被用于增加可硬化组合物的工作时间。
聚合物颗粒(如果存在)的珠类型的重量平均分子量(Mw)典型地是在10,000道尔顿和3,000,000道尔顿之间,更典型地在30,000道尔顿和1,000,000道尔顿之间,优选地在50,000和700,000之间,例如在60,000道尔顿和600,000道尔顿之间。为此目的,分子量可以通过凝胶渗透色谱法(GPC)来确定。
本文丙烯酸单体在本文中意指任一种或更多种合适的(烷基)丙烯酸烷基酯或(烷基)丙烯酸,例如,甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸或丙烯酸、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸月桂酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸环己酯、丙烯酸异冰片酯或甲基丙烯酸异冰片酯;丙烯酸羟基官能酯,例如,甲基丙烯酸2-羟基乙酯、甲基丙烯酸羟丙基乙酯、丙烯酸2-羟基乙酯、或丙烯酸羟基丙酯;乙烯基化合物,例如苯乙烯、乙烯基吡咯烷酮或乙烯基吡啶;以及相容的交联单体,例如甲基丙烯酸烯丙酯、二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸1,4-丁二醇酯、二丙烯酸1,4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸1,6-己二醇酯或二丙烯酸1,6-己二醇酯、特别是相容的丙烯酸交联单体。可选择地,合适的丙烯酸单体可以从前述中排除甲基丙烯酸乙酯和/或甲基丙烯酸正丁酯。通常,甲基丙烯酸甲酯是本发明的单体组分。
本发明的丙烯酸单体组分任选地提供有随附的合适的抑制剂,例如氢醌(HQ)、甲基氢醌(MeHQ)、2,6-二叔丁基-4-甲氧基苯酚(TopanolO)以及2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚(TopanolA)。存在抑制剂以防止单体自发地聚合。合适的抑制剂是60ppm的氢醌以确保在室温下的长的储存期。
聚合反应活化剂或加速剂还可以任选地存在聚合活化剂或加速剂,例如N,N-二甲基对甲苯胺(DMPT)和N,N-二羟乙基对甲苯胺(DHEPT)(两种叔胺)或可溶有机物的过渡金属催化剂。活化剂或加速剂的存在取决于最终应用。在“冷固化”是必需的时,例如在义齿应用或骨水泥应用中,加速剂常常是必需的。然而,对于某些应用,在“热固化”体系中使用热也是可能的。例如,义齿可以通过热来活化。当存在于组合物中时,加速剂通常以在引发剂的存在下将有效地活化聚合反应的水平存在,通常,这是在总的单体和加速剂的0.1%w/w至5%w/w的水平下。
本文烷基(alkyl)在本文中意指C1-C18烷基,其中术语烷基(alkyl)和烷基(alk)涵盖环烷基和羟基官能的C1-C18烷基。烷基(alk)在本文中意指C0-C8烷基。
在一个优选的实施方案中,包含丙烯酸聚合物颗粒的丙烯酸聚合物组合物第一部分包括乳液聚合的微粒和丙烯酸聚合物珠颗粒的仅单一的另外的子群,该乳液聚合的微粒通常为了控制料团时间并且该子群通常控制工作时间,所述丙烯酸聚合物颗粒具有被封装和/或被吸附的不透辐射填充剂。
“丙烯酸组合物”意指其中存在的总的单体和单体残余物的至少50%作为上文定义的丙烯酸单体中的一种或更多种存在或衍生自上文定义的丙烯酸单体中的一种或更多种的组合物,更典型地意指存在的总的单体或单体残余物的至少70%、最典型地95%或尤其99%。
在本发明的优选的两部分实施方案中,丙烯酸聚合物组合物第一部分包括乳液聚合的微粒、具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠颗粒(优选地PMMA珠)的子群和引发剂,并且第二部分包括丙烯酸单体(优选地MMA单体)和加速剂。在此实施方案中,乳液聚合的微粒的Z平均粒度低于具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠平均粒度。
在本发明的另外优选的两部分实施方案中,丙烯酸聚合物组合物第一部分包括乳液聚合的微粒、具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠颗粒的子群和引发剂,并且第二部分包括不含引发剂的丙烯酸聚合物(优选地PMMA)在具有加速剂的丙烯酸单体(优选地MMA)中的溶液。在此实施方案中,乳液聚合的微粒的Z平均粒度低于具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠平均粒度。
在本发明的另外优选的两部分实施方案中,丙烯酸聚合物组合物第一部分包括丙烯酸聚合物珠颗粒的第一子群、具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠颗粒的子群和引发剂(任选地,被封装在一个或两个珠群中),并且第二部分包括不含引发剂的丙烯酸聚合物(优选地PMMA)在具有加速剂的丙烯酸单体(优选地MMA)中的溶液。在此实施方案中,丙烯酸聚合物珠颗粒的平均粒度低于具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠平均粒度。
在本发明的另外优选的实施方案中,第一部分包括具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂(优选地PMMA珠)的不含引发剂的丙烯酸聚合物珠、乳液聚合的丙烯酸聚合物微粒、丙烯酸单体(优选地,MMA)和加速剂,并且第二部分包括引发剂糊状物。引发剂糊状物通常作为与水或增塑剂的混合物是可商购的。在此实施方案中,乳液聚合的丙烯酸聚合物颗粒的Z平均粒度低于具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠颗粒的平均粒度。
有利地,在本发明中,单体和引发剂被保持在多部分组合物的单独的部分中,使得当未反应的引发剂存在于一个部分中时,单体从另一个部分添加,并且使得当没有未反应的引发剂但反而单体存在于一个部分中时,引发剂从其他部分添加。
前述内容值得注意的是,本发明的方面的丙烯酸组合物的特别有利的应用是其用作骨水泥组合物。这样的组合物用于椎体成形术中。关于本发明的组合物的类似的应用是牙修复。
乳液聚合的微粒在冲击改性剂的领域中是熟知的。为了这个原因,冲击改性剂例如丁二烯或丙烯酸丁酯通常作为共聚单体被引入到多阶段核壳颗粒的壳中的一个中。然而,在本发明的多部分组合物中,可以不需要冲击改性剂。因此,本发明的乳液聚合的微粒可以不含冲击改性剂共聚单体残余物。
包含被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的本发明的丙烯酸组合物第一部分可以作为干粉单独地提供,其中具有或不具有如本文定义的添加的另外的组分,该添加的另外的组分用于稍后用作可硬化组合物中的干粉部分。
因此,根据本发明的另外的方面,提供了包含以下的固体丙烯酸聚合物组合物:乳液或非乳液聚合的丙烯酸聚合物颗粒的第一子群、和乳液或非乳液聚合的丙烯酸聚合物颗粒的至少一个另外的子群,并且其特征在于,在丙烯酸聚合物组合物中以足以引起丙烯酸聚合物组合物在与反应性单体液体接触之后硬化的水平存在聚合引发剂,并且其特征在于,不透辐射填充剂被封装和/或被吸附在丙烯酸聚合物颗粒的第一子群中并且其中在组合物中的丙烯酸聚合物颗粒的另外的子群中的一个或更多个的平均粒度比具有被封装的和/或被吸附的不透辐射填充剂的第一子群低。
对本发明的用途没有特定的温度限制。然而,大体上,在对于操作者可接受的温度下使用,即在可以由操作者在室内或室外所遭遇的正常工作条件期间发现的温度,例如5-40℃以及大气压和/或施加的注射器压力。
为了医学应用,例如本发明的组合物主要涉及的骨水泥和牙科学,组合物是生物相容的并且特别地硬化成在原位是生物相容的固体水泥或粘合剂。因此,本发明的组合物发现作为医学植入材料例如骨水泥或在牙科应用中的固体有效物(solideffective)的特别有利的效用。因此,多部分组合物通常是骨水泥组合物或牙科组合物。
根据本发明的另外的方面,提供了从将根据本发明的多部分丙烯酸组合物混合而产生的医学植入材料。
根据本发明的又另外的方面,提供了根据本发明的任一方面的多部分组合物,其用于手术,更特定地用于治疗人类或动物的骨或牙齿。
根据本发明的又另外的方面,提供了根据本发明的任一方面的多部分组合物,其用于人类或动物的骨的置换或部分置换。
根据本发明的又另外的方面,提供了根据本发明的任一方面的多部分组合物,其用于牙科学、更特定地用于治疗人类牙齿或动物牙齿,或用于兽医外科学、更特定地用于治疗蹄、指甲或角。
根据本发明的又另外的方面,提供了根据本发明的任一方面的多部分组合物,其用于人类牙齿或动物牙齿、蹄、指甲或角的置换或部分置换。
描述如下:在混合之前,将两种组分平衡持续合适的时间段,通常1小时或更多,在5-40℃、更典型地10-35℃、最典型地15-30℃的温度下。将丙烯酸聚合物组合物第一部分与合适量的液体第二部分以及如果存在的根据本文界定的比率的任何其他液体部分混合。然后,将混合在平衡的温度下进行持续至少5秒,更典型地至少20秒,最典型地至少30秒。当已经达到料团时间时,将揉捏好的材料堆积到在合适的温度下预先调整的位置例如模具中,该合适的温度通常在高于平衡温度的范围内并且允许放热和硬化。可选择地,可以将揉捏好的材料植入某些其他腔、例如骨内并且允许放热和硬化。
两种组分的混合和随后的反应可以在平衡的温度下进行。技术人员将意识到温度对料团时间和凝固时间的影响。较高的混合温度导致较短的料团时间和凝固时间,对于较低的混合温度则相反。
现在将参考附图和实施例来描述本发明的实施方案,在附图中:
图1示出根据本发明的喷雾干燥的粉末的SEM图像;以及
图2示出珠聚合物的SEM图像。
实施例
表征技术:
乳液聚合的微粒的Z平均粒度使用MalvernZetasizer纳米系列S粒度分析仪来确定。
从喷雾干燥乳液聚合的微粒而产生的粉末的粒度(d10、d50、d90)通过MalvernMastersizer2000粒度分析仪来确定。
d10、d50、d90是来自粒度分析仪的标准“百分位”读数。
d50是样品中的50%较小并且50%较大的微米大小。
d10是样品中的10%低于其的颗粒的大小。
d90是样品中的90%低于其的颗粒的大小。
使用Ubbelohde粘度计型号OB在25℃下在氯仿(1wt%溶液)中测量降低的粘度(RV,dl/g)。
w/w%残余的过氧化二苯甲酰含量通过滴定法来确定。
丙烯酸聚合物珠的平均粒度使用CoulterLS230激光衍射仪器来确定。
根据BSISO5833:2002测量料团时间。
通过根据ISO1567:1997的三点弯曲测试来确定可硬化的组合物的弯曲强度。
表面积的确定是通过根据ISO9277:2010的Brunauer-Emmett-Teller(BET)的方法,使用在室温下操作的MicromeriticsTristarII3020并且使用氮气作为吸收性气体。
孔体积的确定是通过根据DIN66134的Barrett-Joyner-Halenda(BJH)的方法,使用在室温下操作的MicromeriticsTristarII3020并且使用氮气作为吸收性气体。
孔大小孔径通过扫面电子显微镜(SEM)根据以下测试方法来确定:将丙烯酸聚合物颗粒的样品洒至在标准铝SEM桩上的传导的自粘附性碳标签上。通过真空金属化用金属(Pt)的薄层涂覆样品以避免在SEM仪器中变化。使用HitachiS4500FieldEmissionSEM、使用3kV的加速电压和20mm的工作距离来采取SEM图像。在若干颗粒上进行成像并且在不同放大率下获得代表性图像。
制备实施例1
使用乳液聚合和喷雾干燥以产生聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)的合并的乳液聚合的微粒。
乳液聚合
将1.0升的去离子水添加至装有氮气入口、冷凝器和电操作的不锈钢桨式搅拌器的五升圆底玻璃烧瓶。借助于电加热罩将水加热至82℃,同时以392min-1搅拌。将氮气流通过烧瓶的在液体的表面上方的蒸汽空间。
制备由500克的甲基丙烯酸甲酯、1.85克的1-十二烷硫醇含量以及5.0克的75%活性二辛基磺基琥珀酸钠乳化剂(商品名:AerosolTMOT)组成的单体混合物。在使用之前混合这些组分。
在水的温度在82℃下的情况下,通过将50克的单体混合物添加至烧瓶、随后过硫酸钾在去离子水中的10毫升的2wt%溶液来制备聚合物种子(阶段1)。在略微放热之后,反应进行持续三十分钟直到温度返回到82℃。
然后,通过首先将过硫酸钾在去离子水中的20毫升的2wt%溶液添加至烧瓶、随后使用蠕动泵在约35分钟内连续添加350克的单体混合物来在聚合物种子颗粒上生长核(阶段2)。反应在单体混合物添加完成之后进行持续另外的十五分钟,直到温度返回到82℃。
将30.0克的70%活性过氧化苯甲酰溶解在剩余的100克的单体混合物中。这在聚合物产物中产生约2wt%的残余的过氧化苯甲酰(BPO)含量。
然后,通过首先将过硫酸钾在去离子水中的五毫升的2wt%溶液添加至烧瓶、随后使用蠕动泵在约10分钟内连续添加包含添加的BPO的单体混合物来在核上生长含BPO壳(阶段3)。在所有单体混合物已经被添加之后,反应进行持续另外的十五分钟,直到温度已经返回到82℃。
然后,将反应器内容物冷却至低于40℃并且通过150微米筛过滤。
获得得到的丙烯酸聚合物乳液具有2.09dl/g的降低的粘度和215nm的Z平均粒度。
喷雾干燥
使用LabPlantTMSD05实验室喷雾干燥器通过喷雾干燥将乳液分离为粉末。入口温度是135℃,出口温度是80℃,将乳胶给料速率设定在15,采用1.0mm喷口大小并且对于空气流速和空气压缩器压力使用最大设定值。
这产生具有粒度d10=8.6微米,d50=25.9微米,d90=62.9微米的粉末和2.02%w/w的残余的过氧化苯甲酰。
制备实施例2
包含用于制备可硬化的组合物的约40%w/w的被封装的和/或被吸附的不透X射线填充剂的丙烯酸聚合物珠的制备。
包含被封装的和/或被吸附的硫酸钡的丙烯酸珠的制备在两步工艺中进行。首先,将硫酸钡(来自SachtlebenChemieGmbH)分散在从将聚合物溶解在单体中制备的糖浆中,随后通过悬浮聚合将分散体转换到硫酸钡填充的丙烯酸聚合物珠中。
通过在室温下将100克的聚(MMA-共聚-DMAEMA)溶解在400g的MMA中来制备聚(甲基丙烯酸甲酯-共聚-甲基丙烯酸N,N'-二甲胺基乙酯)(聚(MMA-共聚-DMAEMA))(RV=0.5dl/g)在MMA中的的20%wt溶液。将300克的此糖浆转移至配备有不锈钢锚型搅拌器的2升玻璃烧瓶,并且添加400克的硫酸钡(医学级)。将烧瓶和内容物称重并且记录重量。然后,以1500-1900rpm的搅拌器速度在室温下搅拌混合物持续5小时。然后,添加300克的MMA单体并且以1500rpm继续搅拌持续另外的40分钟。将烧瓶称重并且计算由于MMA的蒸发的重量的减少。然后,将蒸发的MMA的计算量与10克的过氧化苯甲酰(75%活性)引发剂一起添加至烧瓶,并且在室温下以1500rpm搅拌混合物持续15分钟。这形成悬浮聚合的有机相。
通过将2000ml的去离子水和8克的羟乙基纤维素粉末(来自AqualonLtd的NatrosolHEC250HR)添加至包含不锈钢锚型搅拌器的5升玻璃烧瓶来单独地制备悬浮聚合的水相。将烧瓶内容物以400rpm搅拌并且加热至40℃以溶解羟乙基纤维素。然后,添加包含分散在单体/聚合物糖浆中的硫酸钡的有机相,并且使用水浴将反应器烧瓶的内容物加热至82℃。在82℃下继续聚合,直到反应器内容物经历放热通常至约90-92℃。然后,将反应器烧瓶冷却并且将得到的包含被封装的和/或被吸附的硫酸钡的丙烯酸聚合物珠过滤、用去离子水洗涤、在空气循环的烘箱中在50℃下干燥过夜并且通过300微米网筛分。得到的产物具有40.2%w/w的灰分含量、1.1%w/w的残余的过氧化苯甲酰含量、75微米的平均粒度。灰分含量表示在丙烯酸聚合物珠中的被封装的和/或被吸附的硫酸钡的量。
制备实施例3
重复制备实施例2,除了在丙烯酸聚合物珠中的被封装的和/或被吸附的硫酸钡的量是约30%w/w之外。
通过在室温下将100克的聚(MMA-共聚-DMAEMA)溶解在400克的MMA中来制备聚(甲基丙烯酸甲酯-共聚-甲基丙烯酸N,N'-二甲胺基乙酯)(聚(MMA-共聚-DMAEMA))(RV=0.5dl/g)在MMA中的20%wt溶液。将300克的此糖浆转移至配备有不锈钢锚型搅拌器的2升玻璃烧瓶,并且添加300克的硫酸钡(医学级)。将烧瓶和内容物称重并且记录重量。然后,以1500-1900rpm的搅拌器速度在室温下搅拌混合物持续5小时。然后,添加400克的MMA单体并且以1500rpm继续搅拌持续另外的40分钟。将烧瓶称重并且计算由于MMA的蒸发的重量的减少。然后,将蒸发的MMA的计算的量与10克的过氧化苯甲酰(75%活性)引发剂一起添加至烧瓶,并且在室温下以1500rpm搅拌混合物持续15分钟。这形成悬浮聚合的有机相,其然后以与实施例2相同的方式进行。得到的产物具有29.2%w/w的灰分含量、1.18%w/w的残余的过氧化苯甲酰含量、78微米的平均粒度。灰分含量表示在丙烯酸聚合物珠中的被封装的和/或被吸附的硫酸钡的量。
实施例1
此实施例描述将制备实施例1的喷雾干燥的乳液聚合物与制备实施例2的包含被封装的和/或被吸附的不透X射线填充剂的丙烯酸聚合物珠以及未填充的丙烯酸聚合物珠的一部分共混,以首先制备固体组分以及然后可硬化的组合物。
将喷雾干燥的乳液粉末与丙烯酸聚合物珠共混的一般实验室规模方法是使用在合适的容器中的翻滚共混方式。容器通常被填充至总体积的四分之三并且共混时间通常是15分钟至30分钟。
根据上文的方法,将3.6克的制备实施例1的喷雾干燥的乳液粉末、15.0克的制备实施例2的包含被封装的和被吸附的不透X射线填充剂的丙烯酸聚合物珠以及1.4克的平均直径75微米的未填充的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)珠共混在一起以形成固体组分。
可硬化组合物的制备被描述如下:在混合之前,将固体组分和液体组分在温育器中在23℃下平衡持续至少10小时。将20.0g的固体组分放置到聚丙烯烧杯中,随后10.0ml(9.40克)的液体组分,所述液体组分包括包含60ppm的氢醌(HQ)抑制剂和相对于MMA1%w/w的N,N-二甲基对甲苯胺(DMPT)加速剂的甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体。然后,使用金属刮刀在23℃下进行手动混合持续30秒,在这之后材料被覆盖并且留下至静止。周期性地,针对初始混合一致性来评估材料并且确定料团时间。为了制备用于机械测试的样本,将揉捏好的材料堆积到在23℃下预先调整的模具中并且允许硬化。在总混合物中的硫酸钡的量是20.4%w/w。得到的材料的弯曲强度是75.0MPa。
实施例2
此实施例描述将制备实施例1的喷雾干燥的乳液聚合物与制备实施例2和制备实施例3的包含被封装的和/或被吸附的不透X射线填充剂的丙烯酸聚合物珠的混合物共混以首先制备固体组分以及然后可硬化组合物。
因此,根据实施例1的方法,将3.6克的制备实施例1的喷雾干燥的乳液粉末、10.82克的制备实施例2的包含被封装的和/或被吸附的不透X射线填充剂的丙烯酸聚合物珠以及5.58克的制备实施例3的包含被封装的和/或被吸附的不透X射线填充剂的丙烯酸聚合物珠共混在一起以形成固体组分。
可硬化组合物的制备描述如下:在混合之前,将固体组分和液体组分在温育器中在23℃下平衡持续至少10小时。将20.0g的固体组分放置到聚丙烯烧杯中,随后10.0ml(9.40克)的液体组分,所述液体组分包括包含60ppm的氢醌(HQ)抑制剂和相对于MMA1%w/w的N,N-二甲基对甲苯胺(DMPT)加速剂的甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体。然后,使用金属刮刀在23℃下进行手动混合持续30秒,在这之后材料被覆盖并且留下至静止。周期性地,针对初始混合一致性来评估材料并且确定料团时间。为了制备用于机械测试的样本,将揉捏好的材料堆积到在23℃下预先调整的模具中并且允许硬化。在总混合物中的硫酸钡的量是20.4%w/w。得到的材料的弯曲强度是77.3MPa。
比较实施例1
重复实施例1,除了包含被封装的和/或被吸附的硫酸钡的丙烯酸聚合物珠全部用未填充的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)珠代替并且硫酸钡作为单独的粉末成分被添加之外。另外,不添加喷雾干燥的乳液聚合物粉末。
因此,根据实施例1的粉末共混法,将14.0克的具有残余的BPO2.94%w/w和39微米的平均粒度的PMMA珠聚合物与6.0克的硫酸钡(来自SachtlebenChemieGmbH)共混以形成固体组分。
可硬化组合物的制备描述如下:在混合之前,将固体组分和液体组分在温育器中在23℃下平衡持续至少10小时。将20.0g的固体组分放置到聚丙烯烧杯中,随后10.0ml(9.40克)的液体组分,所述液体组分包括包含60ppm的氢醌(HQ)抑制剂和相对于MMA1%w/w的N,N-二甲基对甲苯胺(DMPT)加速剂的甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体。然后,使用金属刮刀在23℃下进行手动混合持续30秒,在这之后材料被覆盖并且留下至静止。周期性地,针对初始混合一致性来评估材料并且确定料团时间。为了制备用于机械测试的样本,将揉捏好的材料堆积到在23℃下预先调整的模具中并且允许硬化。在总混合物中的硫酸钡的量是20.4%w/w。得到的材料的弯曲强度是50.5MPa。
比较实施例2
将制备实施例3的包含被封装的和/或被吸附的不透X射线填充剂的丙烯酸聚合物珠用作固体组分的唯一的粉末成分(没有喷雾干燥的乳液聚合物粉末或未填充的丙烯酸聚合物珠存在)。
可硬化组合物的制备描述如下:在混合之前,将固体组分和液体组分在温育器中在23℃下平衡持续至少10小时。将20.0g的固体组分放置到聚丙烯烧杯中,随后10.0ml(9.40克)的液体组分,所述液体组分包括包含60ppm的氢醌(HQ)抑制剂和相对于MMA1%w/w的N,N-二甲基对甲苯胺(DMPT)加速剂的甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体。然后,使用金属刮刀在23℃下进行手动混合持续30秒,在这之后材料被覆盖并且留下至静止。周期性地,针对初始混合一致性来评估材料并且确定料团时间。为了制备用于机械测试的样本,将揉捏好的材料堆积到在23℃下预先调整的模具中并且允许硬化。在总混合物中的硫酸钡的量是20.4%w/w。得到的材料的弯曲强度是71.6MPa。
表1比较在实施例与比较实施例中制备的最终材料的弯曲强度结果。
表1
注解:
1.‘包含被封装的硫酸钡的珠’意指包含被封装的和/或被吸附的硫酸钡的丙烯酸聚合物珠。
2.‘未填充的珠’意指不包含任何不透辐射填充剂的丙烯酸聚合物珠。
3.‘喷雾干燥的乳液粉末’意指PMMA的合并的乳液聚合的微粒。
实施例1和实施例2与比较实施例1的比较示出,通过使用包含被封装的和/或被吸附的硫酸钡的丙烯酸聚合物珠来制造最终的可硬化组合物而不是将硫酸钡用作单独的粉末成分来如何增强最终的可硬化组合物的机械性质(如通过弯曲强度测量的)。
另外,实施例2与比较实施例2(两者均包括使用包含被封装的和/或被吸附的硫酸钡的丙烯酸聚合物珠)的比较表明,相比于比较实施例2,在实施例2中包括喷雾干燥的乳液粉末如何导致弯曲强度增强,以及总体材料的机械性质的令人惊讶的改进。
实施例3
此实施例表明,制备实施例1的喷雾干燥的粉末由微孔的合并的乳液聚合的微粒的网络组成。制备实施例1的喷雾干燥的粉末的样品通过扫描电子显微镜(SEM)来检查以示出材料的形态学。方法包括将丙烯酸聚合物颗粒的样品洒至在标准铝SEM桩上的传导的自粘附性碳标签上。通过真空金属化用金属(Pt)的薄层涂覆样品以避免在SEM仪器中变化。使用HitachiS4500FieldEmissionSEM、使用3kV的加速电压和20mm的工作距离来采取SEM图像。在若干颗粒上进行成像并且在不同放大率下获得代表性图像。
使用在室温下操作的MicromeriticsTristarII3020仪器和使用氮气作为吸附性气体,在粉末上还进行Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积分析和Barrett-Joyner-Halenda(BJH)孔体积分析。
通过悬浮聚合制备的聚(甲基丙烯酸甲酯)PMMA珠聚合物作为不被认为是微孔的材料的实例来研究。这是B866,由LuciteInternationalSpecialityPolymers&ResinsLimited获得(平均粒度39微米和降低的粘度2.4dl/g)。
图1示出制备实施例1的喷雾干燥的粉末的SEN图像并且表明其由合并的乳液聚合的微粒的网络组成。还示出的是,材料的性质是微孔的,由直径0.01-0.2微米(10-200nm)的孔组成。
图2示出在相同的放大率下B866PMMA珠聚合物的SEM图像。与图1相比,此图像示出,PMMA珠聚合物不是微孔的。
表2示出两种材料的BET表面积分析和BJH孔体积分析的结果。可以看到的是,制备实施例1的喷雾干燥的粉末具有比PMMA珠聚合物大得多的表面积和孔体积,再次强化以下事实:合并的乳液聚合的微粒是微孔的。
表2:制备实施例1和典型的PMMA珠聚合物的喷雾干燥的粉末的BET分析和BJH分析的结果
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