DE10053554B4 - Beschichtungsverfahren zur Erhöhung der Wärmestandfestigkeit und Hydrophilierung der Oberflächen von Substraten und damit erhaltene Werkstücke - Google Patents

Beschichtungsverfahren zur Erhöhung der Wärmestandfestigkeit und Hydrophilierung der Oberflächen von Substraten und damit erhaltene Werkstücke Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Wärmestandfestigkeit und Hydrophilierung der polymeren Oberflächen von Substraten, insbesondere für medizinische Zwecke, mit den Schritten
– Polarisierung der Substratoberfläche mittels Bestrahlung oder chemischer Aktivierung;
– Aufbringen einer einerseits Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon und andererseits ein Lösungsmittel enthaltenden Beschichtungslösung;
– Fixierung der auf die polarisierte Substratoberfläche aufgetragenen Beschichtung mittels UV-Bestrahlung; und
– Verdampfen des Lösungsmittels vor oder während der UV-Bestrahlung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Wärmestandfestigkeit und Hydrophilierung der Oberflächen von Substraten, vorzugsweise von polymeren Substraten, welche insbesondere für medizinische Zwecke zum Einsatz kommen. Die Erfindung betrifft ferner nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte Erzeugnisse.
  • Hydrophile Polymere weisen in der Medizin gegenüber hydrophoben Polymeren insofern Vorteile auf als sie mit Wasser bzw. wässrigen Körperflüssigkeiten, mit denen sie in Kontakt kommen, benetzbar und daher auch verträglich sind. Andererseits wären aber gerade auch hydrophobe Polymere, insbesondere Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen und Polybuten wegen ihrer charakteristischen Eigenschaften, wie z.B. der mechanischen Eigenschaften gute Dauerstandsfestigkeit, Reißfestigkeit, Zähigkeit etc., sehr geringer Wasserdampfdurchlässigkeit und guter Verarbeitbarkeit bei guter physiologischer Verträglichkeit für einen medizinischen Einsatz geeignet. Um daher die für einen medizinischen Einsatz erwünschten vorteilhaften Eigenschaften hydophober Polymere mit den erwünschten vorteilhaften Oberflächeneigenschaften hydrophiler Polymere zu kombinieren, wurden im Stand der Technik entsprechende Verfahren entwickelt, die Oberfläche von hydrophobem Polymermaterial zu hydrophilisieren.
  • In der EP 0 093 093 wird ein Verfahren zum Aufbringen einer hydrophilen Beschichtung auf ein Polymer, wie z.B. ein Vinylpolymer, einen Polyester oder ein Polyacrylat beschrieben. Zunächst wird eine Lösung aus Isocyanat aufgetragen und das Lösungsmittel eingedampft. Auf den so aufgebrachten Haftvermittler wird eine zweite Polyvinylpyrrolidon (PVP) enthaltende Lösung aufgebracht, das Lösungsmittel erneut abgedampft und die dabei gebildete hydrophile PVP-Schicht bei 50-100°C ausgehärtet.
  • In der WO 98/58990 wird das Substrat, im allgemeinen aus PVC, in eine Lösung aus PVP oder einem Copolymeren des PVP getaucht, die feuchte Beschichtung getrocknet und zur Quervernetzung einer UV-Bestrahlung ausgesetzt. Wahlweise kann vor dem Auftragen der mit UV zu behandelnden Schicht zur Haftvermittlung eine erste Schicht aus PVP oder einem Copolymeren desselben aufgetragen und getrocknet werden. Die so aufgetragenen hydrophilen Schichten weisen dann im substratnahen Bereich einen höheren Quervernetzungsgrad auf.
  • In der EP 0 814 116 wird ein Verfahren beschrieben, in dem die Substratoberfläche zunächst aktiviert wird, z.B. in einem Hochfrequenz- oder Mikrowellenplasma, mittels einer Koronastrahlung, durch Elektronen- oder Gammabestrahlung, durch Beflammung der Oberfläche oder durch Einwirkung von starken Säuren oder Basen. Sodann wird auf die solcherart aktivierte Oberfläche eine Lösung aus Vinylmonomeren aufgetragen und nach Verdampfen oder während des Verdampfens des Lösungsmittels mit langwelligem UV-Licht bestrahlt, wodurch einerseits die Polymerisation oder Copolymerisation des (der) auf die Oberfläche aufgetragenen Monomere(n) induziert und andererseits das (die) Monomer(e) auf die Oberfläche pfropfpolymerisiert wird (werden).
  • Die EP 0103 993 beschreibt ein Verfahren, in welchem die Oberfläche eines polare Gruppen enthaltenden Polyolefins ebenfalls zunächst aktiviert wird, u.a. mittels Behandlung im Niedertemperaturplasma oder mittels Korona-Entladung, wobei dann auf die aktivierte Oberfläche ein unter Bestrahlung aushärtendes Harz aufgetragen wird. Diesem Harz kann zur Einstellung der Viskosität und Quervernetzung neben einem Initiator für Photopolymerisation noch eine ethylenisches, ungesättigtes Monomer, darunter auch N-Vinylpyrrolidon, zugesetzt sein.
  • In der DE 35 23 515 A1 wird ein medizinisches Gerät aus Kunststoff oder kunststoffbeschichtetem Metall beschrieben, wobei der Kunststoff oder die Kunststoffoberfläche aus unterschiedlichen Polymeren, z.B. auch aus Polysulfon und/oder Polyvinylpyrrolidon bestehen können.
  • In der JP 2000135421 A wird eine Filtermembran, bestehend aus einem auf Polysulfon basierenden Polymer und Polyvinylpyrrolidon beschrieben.
  • Die DE 198 28 369 offenbart hydrophil beschichtete Polymere. Die Beschichtung ist ein interpenetrierendes Netzwerk, das mittels eines Beschichtungsmittels aus einem Polyisocyanat, einem Polyol, einem Polyvinylpyrrolidon und einem Lösungsmittel, erzeugt wird.
  • Die WO 98/58990 offenbart ein Verfahren zur Hydrophilierung von Substratoberflächen für medizinische Zwecke unter Verwendung von Beschichtungslösungen aus Polyvinylpyrrolidon. Um die Haftfestigkeit dieser hydrophilen Beschichtungen auf bestimmten Oberflächen, wie z.B. Polyolefin-Substraten zu verbessern, muss gemäß der WO 98/58990 zunächst eine Primerbeschichtung aufgetragen werden.
  • Die WO 89/09246 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Substratoberflächen unter Verwendung von vernetzbaren Polymeren, bei dem die Oberfläche mit einer Lösung aus einem vernetzbaren hydrophilen Polymer und einem Radikalinitiator beschichtet, die beschichtete Oberfläche getrocknet, und das hydrophile Polymer auf der getrockneten Oberfläche vernetzt wird. Die Beschichtungslösung kann auch ein nicht-hydrophiles Polymer, wie Polyurethan enthalten. Die Haftung des derart vernetzten hydrophilen Polymers an die Substratoberfläche beruht wohl auf physikalischen Kräften.
  • Solcherart beschichtete hydophile Oberflächen weisen in der Regel sehr gute Kratzfestigkeiten, Härten und Abziehfestigkeiten auf. Werden sie aber in medizinischen Vorrichtungen oder Apparaten verwendet, werden diese vor ihrem Einsatz gewöhnlich einer Dampfsterilisation unterzogen, wie z.B. Hämodialysatoren, wo das an der Oberfläche dann hydrophilierte Substrat über einen längeren Zeitraum im Autoklaven gespanntem und gesättigtem Wassererdampf bei Temperaturen bis zu 140°C ausgesetzt ist. Dann zeigt sich, daß diese Beschichtungen nicht ausreichend stabil sind. Ebenso kann es beim bestimmungsgemäßen Einsatz, insbesondere wenn sie in längeren Kontakt mit Körperflüssigkeiten, wie z.B. Blut, kommen, zur Abgabe niedermolekularer Anteile und Monomerbestandteile an die Körperflüssigkeit kommen, was nicht unproblematisch ist. Insbesondere bei der Hämodialyse kann es dann zu Komplikationen kommen.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem hydrophobe Substrate, vorzugsweise Polymersubstrate, insbesondere aus Polyolefin, auf ihrer Oberfläche wirkungsvoll hydrophilisiert werden können, dabei aber insbesondere einer Heißdampfsterilisation standhalten. Bei Kontakt mit einer Körperflüssigkeit, auch über einen längeren Zeitraum hinweg, sollte keine Kontamination der Körperflüssigkeit auftreten. Eine weitere Aufgabe besteht darin, heißdampfstabile Werkstücke aus hydrophobem Basismaterial mit hydrophiler Oberfläche, insbesondere zum Einsatz in medizinische Geräte, zur Verfügung zu stellen.
  • Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Beschichtung des hydrophoben Polmermaterials in drei Schritten erfolgt.
  • Im ersten Schritt wird die hydrophobe Substratoberfläche einer Aktivierung unterzogen. Zur Aktivierung sind prinzipiell alle im Stand der Technik bekannten Verfahren geeignet, mit welchen die Substratoberfläche polarisiert wird. Bevorzugt wird die Korona-Entladung eingesetzt. Auch eine chemische Behandlung mit starken Säuren oder Basen ist möglich. Die Dauer der Aktivierungsbehandlung ist abhängig von der Natur des Substrats, von der verwendeten Methode (ggf. von dem verwendeten Korona-Gerät) sowie von der Größe und Geometrie der zu aktivierenden Oberfläche. Es wird prinzipiell solange behandelt, bis die behandelte Oberfläche vollständig mit der Beschichtungslösung des folgenden Schrittes benetzbar ist.
  • Im zweiten Schritt wird eine Beschichtungslösung auf die aktivierte Oberfläche aufgetragen. Die Beschichtungslösung enthält das hydrophile Polymer Polyvinylpyrrolidon (PVP) und das hydrophobe Polymer Polysulfon (PSU) sowie ein Lösungsmittel für die enthaltenen Polymere. Das Mischverhältnis der beiden Polymere, in Abhängigkeit von der Natur und dem Einsatzgebiet des nachher hydrophilisierten Werkstückes, in weiten Bereichen variabel. Der Bereich kann sich von 1:99 bis 99:1 Gew.-% (Gesamtgewicht der beiden Polymere – 100 Gew.-%) erstrecken. Bevorzugtes Lösungsmittel ist Dimethylacetamid (DMAC).
  • Das Aufbringen der Polymerlösung auf das Substrat kann nach jedem im Stand der Technik bekannten Beschichtungsverfahren erfolgen, wie z.B. Print-Coating, Spray-Coating, Spin-Coating oder Eintauchen. Bevorzugt ist das Spin-Coating. Für den Fall, daß das zu beschichtende Substrat eine Filterkappe eines Hämodialysefilters ist, ist das Basismaterial vorzugsweise Polypropylen.
  • Der dritte Schritt besteht in einer Fixierung der mit der Beschichtungslösung aufgebrachten Schicht am Substrat mittels UV-Bestrahlung. Je nach eingesetzter Beschichtungslösung und Strahlungsintensität erfolgt die UV-Bestrahlung bei verschiedenen Wellenlängen zu verschiedenen Zeitpunkten. Typische Wellenlängen sind 366 nm bei einer Intensität von 225 mW/cm2, 310 nm bei einer Intensität von 81 mW/cm2 und 254 nm bei einer Intensität von 1 mW/cm2. Zum einen kann die Bestrahlung während des Verdampfens der Lösung aus der aufgetragenen Beschichtungslösung erfolgen, zum anderem aber auch erst nach dem Verdampfen.
  • Die Erfindung wird nun durch das folgende Beispiel näher erläutert.
    •
  • Beispiel:
  • Es wird eine Beschichtungslösung hergestellt, indem 6,6 g PVP (PVP K90 von ISP) und 3,3 g PSU (Ultrason 6010 natur von BAYER) in 100 ml DMAC gelöst werden (gewichtproz. Verhältnis PVP:PSU = 2:1).
  • Die aus Polypropylen gefertigten Filterkappen eines FX-Dialysefilters werden einer Korona-Behandlung unterzogen. Dabei werden die Kappen mit Hilfe eines Elektrodensystems (Anlage: Polydyne 3 von SOFTAL electronic GmbH) bei 18,4 KV (entspricht 68% der Volleistung der Anlage) über einen Zeitraum von 2 bis 4 Sekunden behandelt.
  • Auf die derart aktivierte Oberfläche der Filterkappen wird 1 ml der Beschichtungslösung mittels eines Spincoatingverfahrens bei einer Drehzahl von 180 Upm während 5 Sekunden aufgebracht.
  • Die aufgetragene Beschichtung wird während des Verdampfens des Lösungsmittels einer UV-Bestrahlung ausgesetzt und fixiert. Dabei werden die Kappen bei einer Wellenlänge von 366 nm und einer Leistung von 250 mW/cm2 1 Minute lang bestrahlt (mit dem Gerät 5000-EC der Firma DYMAX Europe GmbH), oder mit einer Leistung von 2000 mW/cm2 über einen Zeitraum von 25 sec (mit UV-Lampe F 300 der Firma DYMAX Europe GmbH).
  • Danach ist die aufgebrachte Schicht auf den Filterkappen fixiert und gegenüber heißem gesättigten Dampf bis zu Temperaturen von 140°C (Heißdampfsterilisation) beständig.
  • Derartig behandelte Filterkappen werden sodann mit Hohlfasern aus PVP/PSU zu einem Hämödialysefilter zusammengebaut. Derartige Dialysefilter weisen dann zusätzlich zu ihrer Heißdampfsterilisierbarkeit den Vorteil auf, daß sich beim Befüllen mit Blut an den (zumindest an ihrer Innenseite) mit einer hydrophilen Beschichtung überzogenen Kappen wegen der hydrophilen Oberfläche keine Blasenbildung mehr erfolgt. Darüber hinaus weist die mit dem Blut in Kontakt kommende Oberflächenschicht der Kappen dieselbe Zusammensetzung wie die Fasern selbst auf, so daß das Blut nicht mit unterschiedlichen Materialien in Kontakt kommt, was die Biokompatibilität der solcherart zusammengebauten Hämodialysefilter zusätzlich fördert.

Claims (23)

  1. Verfahren zur Erhöhung der Wärmestandfestigkeit und Hydrophilierung der polymeren Oberflächen von Substraten, insbesondere für medizinische Zwecke, mit den Schritten – Polarisierung der Substratoberfläche mittels Bestrahlung oder chemischer Aktivierung; – Aufbringen einer einerseits Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon und andererseits ein Lösungsmittel enthaltenden Beschichtungslösung; – Fixierung der auf die polarisierte Substratoberfläche aufgetragenen Beschichtung mittels UV-Bestrahlung; und – Verdampfen des Lösungsmittels vor oder während der UV-Bestrahlung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisierung der Substratoberfläche so lange erfolgt, bis die Oberfläche vollständig mit der Beschichtungslösung benetzbar ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisierung mittels Korona-Behandlung erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslösung mittels Spin-Coating, Spray-Coating, Print-Coating oder durch Tauchen aufgetragen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtungslösung Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon im Verhältnis 1:99 bis 99:1 (w/w) enthalten sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel der Beschichtungslösung Dimethylacetamid ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Polyolefin besteht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Polypropylen ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat die Filterkappen eines Hämodialysefilters eingesetzt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappen mit einem Einelektrodensystem über einen Zeitraum von 2 bis 4 Sekunden einer Koronabehandlung bei 16 bis 20 KV unterzogen werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtungslösung das Verhältnis (w/w) von Polyvinylpyrrolidon zu Polysulfon 2:1 und das Verhältnis (v/w) von Lösungsmittel zu den Polymeren 10:1 beträgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslösung mit einem Spincoating-Verfahren auf die Kappen aufgetragen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass 1 ml Beschichtungslösung innerhalb von 5 Sekunden bei einer Drehzahl von 180 Upm aufgetragen werden.
  14. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Beschichtungslösung 1 Minute lang mit einer UV-Strahlung von 366 nm mit einer Intensität von 225 mW/cm2 bestrahlt wird.
  15. Erzeugnis, aufweisend ein Substrat als Basismaterial und eine polymere, die Oberfläche des Substrats bedeckende Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon besteht und die Schicht vollständig mit Wasser benetzbar und gegen Heißdampfsterilisation beständig ist, wobei dieses Erzeugnis erhalten wird durch – Polarisierung der Substratoberfläche mittels Bestrahlung oder chemischer Aktivierung; – Aufbringen einer Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon enthaltenden Beschichtungslösung; – Fixierung der auf die polarisierte Substratoberfläche aufgetragenen Beschichtung mittels UV-Bestrahlung; und – Verdampfen des Lösungsmittels vor oder während der UV-Bestrahlung.
  16. Erzeugnis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial aus einem polymeren Substrat besteht.
  17. Erzeugnis nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht aus Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon ein gewichtsprozentuales Verhältnis im Bereich von 99:1 bis 1:99 aufweist.
  18. Erzeugnis nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Polyolefin besteht.
  19. Erzeugnis nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Polypropylen besteht.
  20. Verwendung des Erzeugnisses nach den Ansprüchen 15 bis 19 als Werkstück eines Hämodialysefilters.
  21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück eine Filterkappe ist.
  22. Erzeugnis nach den Ansprüchen 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oberflächenschicht aus Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon im Verhältnis (w/w) von 2:1 zusammensetzt.
  23. Hämodialysefilter mit Fasern aus Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkappen aus Polypropylen zumindest auf ihrer dem Blut zugewandten Innenseite mit einer gegen Heißdampfsterilisation beständigen Schicht aus Polyvinylpyrrolidon und Polysulfon, erhalten durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, überzogen sind.
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