DE102005020863A1

DE102005020863A1 - Kompositmaterial mit vermindertem Abrieb

Info

Publication number: DE102005020863A1
Application number: DE200510020863
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Koch
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2006-11-09
Also published as: WO2006117054A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein polymerbasierter Werkstoff, bestehend aus einem Copolymer, welches aus Ethylen und mindestens einem endständigen Olefin mit einem hydrophilen Anteil der allgemeinen Formel (I) DOLLAR F1 besteht, worin DOLLAR A X ein linearer verzweigter oder cyclischer Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 30 C-Atomen und DOLLAR A Y eine lineare oder verzweigte hydrophile Polyethylenoxid-Kette mit 4 bis 500 Wiederholungseinheiten DOLLAR A bedeutet.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein polymerbasierter Werkstoff mit verminderten Abrieb bestehend aus einem Copolymer, welches aus Ethylen und mindestens einem endständigen Olefin mit einem hydrophilen Anteil sowie deren Verwendung zur Herstellung von Gelenkimplantaten im medizinisch-technischen Bereich.
Schon seit langem bekannt ist die Verwendung von polymerbasierten Werkstoffen für künstliche Gelenke bzw. Gelenkimplantate. Für künstliche Gelenke bzw. Gelenkimplantate kommen unterschiedliche Materialien und Materialkombinationen zum Einsatz, die sich vor allem in Preis und Haltbarkeit unterscheiden. Kombinationen einer geeigneten Metalllegierung mit ultrahochmolekulargewichtigem Polyethylen (UHMWPE) gehören hierbei zu den preiswerten Ansätzen, die die Masse der Implantate ausmachen. Diese „metal-on-polymer"-Gelenkimplantate werden z.B. in WO 01/17464 (Depuy Int. Ltd.) beschrieben. Ein Nachteil der Metall-UHMWPE-Kombination ist die zwischen dem Metall und dem Kunststoff bestehende Haftreibung, wodurch das Kunststoffteil verschleissanfällig ist und die Empfindlichkeit des UHMWPE gegen Einbaufehler und Beschädigung beim Einbau, z.B. durch Kontaminationen mit Knochenpartikeln oder Knochenzement.
Das für Gelenkimplantate verwendete UHMWPE gehört zu den abriebfesten Thermoplasten. Dennoch zeigen sich bei damit hergestellten Implantaten nach einigen Jahren Abriebpartikel, die einen Austausch nötig machen. Komposite für UHMWPE sind bisher kaum im Einsatz, da eine homogene Einmischung nach der Polymerisation wegen der schlechten Verarbeitbarkeit des UHMWPE kaum möglich ist. Die Verwendung von Reaktorblends wie in WO 04/106391 (Merck Patent GmbH) beschrieben, ermöglicht jedoch die Herstellung homogener Mischungen.
Ferner sind aus WO 01/008570 Mischungen aus Ethylen-Propylen-Copolymeren mit Polytetrafluorethylen bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines polymerbasierten Werkstoffes, bei dem der Abrieb speziell bei Gleitpaarungen in wässriger Umgebung (z.B. bei Implantaten im Körper) durch Hydrophilierung des Materials vermindert wird, was die Ausbildung eines reibungs-mindernden Wasserfilmes begünstigt, wie er auch bei natürlichen Gelenken präsent ist. Durch die verminderte Reibung zwischen den beiden Gleitpartnern wird der Abrieb herabgesetzt und die Lebensdauer des Implantates erhöht. Dies ist mit großen Vorteilen für den Patienten verbunden, weil dadurch ggf. ein Austausch des Implantates vermieden werden kann.
Bekannt ist die Hydrophilierung von Polyolefinen durch Plasmabehandlung. Hierbei wird zwar eine deutliche Hydrophilierung erreicht, diese bleibt jedoch auf die Oberfläche beschränkt. Da die Hydrophilierung die Reibung gegenüber dem Gleitpartner und damit einen Abrieb des Materials nicht vollständig unterbinden kann, wird diese oberflächenbehandelte Schicht mit der Zeit abgetragen und der Reibungsminimierende Effekt verschwindet. Die Hydrophilierung darf also nicht nur auf der Oberfläche erfolgen, es soll vielmehr ein dauerhafter Effekt erzielt werden.
Es ist nun überraschenderweise gefunden worden, dass bei der Ethylenpolymerisation olefinische Verbindungen, die eine Polyethylenoxidkette tragen, trotz der Inkompatibilität zwischen Polyethylen und Polyethylenoxid als Comonomere in die Polyethylenkette einpolymerisiert werden können. Unterzieht man ein derartiges Material nach der Polymerisation einem Pressformen, wird ein Formkörper erhalten, der gegenüber Wasser eine deutlich bessere Benetzbarkeit zeigt, als reines Polyethylen. Ein Vergleichsexperiment, bei dem zu konventionellem Polyethylenpulver Polyethylenoxid beigemischt wurde, führte während des Pressformens zur Entmischung der beiden Komponenten.
Diese Entmischung ist beim vorliegenden Verfahren nicht möglich, da das Polyethylenoxid über seine Olefinfunktion in die Polyethylenkette einpolymerisiert wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer, welches aus Ethylen und mindestens einem endständigen Olefin mit einem hydrophilen Anteil der allgemeinen Formel (I)
besteht, worin
X ein linearer, verzweigter oder cyclischer Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 30 C-Atomen und
Y eine lineare oder verzweigte hydrophile Polyethylenoxid-Kette mit 5-500 Wiederholungseinheiten
bedeutet.
Bevorzugt ist ein Copolymer der Formel I, bei der Y eine Polyethylenoxid-Kette mit 6 bis 80 Wiederholungseinheiten bedeutet.
Besonders bevorzugt besitzt die Polyethylenoxid-Kette eine endständige Methylgruppe. Aber auch andere Alkylgruppen wie Ethyl-, Propyl oder Butylgruppen sind möglich.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach Anspruch 1, worin X ein Kohlenwasserstoffrest mit 3 bis 15 C-Atomen bedeutet.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach Anspruch 1, wobei es neben einem endständigen Olefin mit einem hydrophilen Anteil bevorzugt mindestens ein weiteres olefinisches Monomer enthält. Bevorzugt ist dies Propen, Hexen, Octen oder Norbornen.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein polymerbasierter Werkstoff nach Anspruch 1, worin das Olefin mit dem hydrophilen Anteil zwischen 0.1 und 20 Mol% aller eingesetzten Monomere ausmacht. Ein Olefin-Anteil über 20 Mol% führt dazu, dass das Copolymer zu weich und damit ungeeignet für Gelenkimplantate wird.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein polymerbasierter Werkstoff nach Anspruch 1, worin das Olefin mit dem hydrophilen Anteil bevorzugt zwischen 0.5 und 8 Mol% aller eingesetzten Monomere ausmacht.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein polymerbasierter Werkstoff nach Anspruch 1, wobei das Molekulargewicht des Copolymer größer 1 Mio g/mol ist. Bevorzugt ist ein Molekulargewicht von 1 bis 4 Mio g/mol.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung eines polymerbasierten Werkstoffes gemäß Anspruch 1 zur Herstellung von Gelenkimplantaten im medizinisch-technischen Bereich, da dort das hydrophilierte Material die Ausbildung eines reibungsmindernden Wasserfilmes begünstigt. Eine wässrige Umgebung ist hierzu zwingend notwendig, weswegen der Einsatz für gewöhnliche, trockene oder gefettete Metall-Kunststoff-Gleitpaarungen, wie sie bei „nicht medizinisch-technischen Anwendungen" üblich sind, für das erfindungsgemäße Material nicht in Frage kommen.
Unter Polyolefinen werden ganz allgemein makromolekulare Verbindungen verstanden, die durch Polymerisation von substituierten oder unsubstituierten Kohlenwasserstoffverbindungen mit mindestens einer Doppelbindung im Monomer-Molekül erhalten werden können.
Olefin-Monomere weisen dabei vorzugsweise eine Struktur gemäß der Formel R¹CH=CHR² auf, wobei R¹ und R² gleich oder verschieden sein können und ausgewählt sind aus der Gruppe, die Wasserstoff und die cyclischen und acyclischen Alkyl- und Aryl- bzw. Alkyarylreste mit 1 bis 30 C-Atomen enthält.
Einsetzbare Olefine sind Monoolefine, wie zum Beispiel Ethylen, Propylen, But-1-en, Pent-1-en, Hex-1-en, Oct-1-en, Hexadec-1 en, Octadec1-en, 3-Methylbut-1-en, 4-Methylpent-1-en, 4-Methylhex-1-en, Diolefine wie z.B. 1,3-Butadien, 1,4-Hexadien, 1,5-Hexadien, 1,6-Hexadien, 1,6-Octadien, 1,4-Dodecadien, aromatische Olefine, wie Styren, o-Mehtylstyren, m-Methylstyren, P-Methylstyren, p-tert.-Butylstyren, m-Chlorostyren, p-Chlorostyren, Inden, Vinylanthracen, Vinylpyren, 4-Vinylbiphenyl, Dimethano-octahydro-naphthalen, Acenapthalen, Vinylfluoren, Vinylchrysen, cyclische Olefine und Diolefine, wie z.B. Cyclopenten, 3-Vinylcyclohexen, Dicyclopentadien, Norbornen, 5-Vinyl-2-norbornen, ter.-Ethylilden-2-norbornen, 7-Octenyl-9-obrabicyclo-(3,3,1)nonan, 4-Vinylbenocyclobutan, Tetracyclododecen und weiterhin z.B. Acrylnitril, „Ethylhexylacrylat, Methacrylnitril, Maleimid, N-Phenyl-maleimid, Vinylsilan, Trimethylallylsilan, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Isobutylen..
Insbesondere bevorzugt sind die Olefine Ethen, Propen, Hexen, Octen, Norbornen und im allgemeinen weitere 1-Olefine, die entweder homopolymerisiert werden oder auch in Mischungen mit anderen Monomeren copolymerisiert werden.
Die Polymere können verzweigt oder unverzweigt sein; bevorzugt sind die Polymere linear aufgebaut.
Übliche Katalysatorsysteme zur Polymerisation von Olefinen bestehen dabei aus einer Verbindung eines Übergangsmetalles aus der 3. bis 8. Nebengruppe des Periodensystems und einem Cokatalysator der üblicherweise eine Organometall-Verbindung eines (Halb-)metalls der 3. oder 4. Hauptgruppe des Periodensystems ist.
Bei der Verbindung eines Übergangsmetalles aus der 3. bis 8. Nebengruppe des Periodensystems, die im folgenden auch als „Katalysator" bezeichnet wird, handelt es sich vorzugsweise um eine Komplexverbindung, insbesondere bevorzugt um eine Metallocenverbindung. Prinzipiell kann es sich dabei um jedes Metallocen handeln. Denkbar sind dabei verbrückte (ansa-) wie unverbrückte Metallocenkomplexe mit (substituierten)p-Liganden wie Cyclopentadienyl-, Indenyl- oder Fluorenyl-Liganden, wobei sich symmetrische oder unsymmetrische Komplexe mit Zentralmetallen aus der 3. bis 8. Gruppe ergeben. Vorzugsweise werden als Zentralatom die Elemente Titan und Zirkonium eingesetzt.
Anstelle des Metallocenes ist ebenso die Beladung mit einer polymerisationsaktiven Spezies nach Ziegler-Natta (z.B. TiCl₄) oder Phillips möglich.
Die Polymerisation wird in bekannter Weise in Lösungs-, Suspensions- oder Gasphasenpolymerisation kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt. Bevorzugt ist dabei die Suspensionspolymerisation.
Typische Temperaturen bei der Polymerisation liegen im Bereich von 0 bis 150°C, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 80°C.
Typische Drücke bei der Polymerisation liege im Bereich von 20 bis 50 bar.
Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung näher erläutern ohne sie einzuschränken.
Beispiele zur Herstellung von PE-PEG-Kompositmaterialien
Beispiel 1:
a. Herstellung eines Ziegler-Katalysators zur Polymerisation von PE:
In einem 250 ml Schlenckkolben werden 2,5g SiO₂ (Grace Davison, Sylopol 948) über Nacht bei 150C im Vakuum getrocknet und nach dem Abkühlen mit 62,5 ml trockenem Heptan aufgeschlämmt. Zu dieser Suspension werden 2,35 ml Dibutylmagnesium-Lsg. (1M) gegeben und erneut über Nacht gerührt. Darauf werden 0,34 ml Titantetrachlorid zugegeben, für weite 3h gerührt und das Produkt unter Schutzgas über eine Fritte filtriert. Der Katalysator fällt als beigefarbenes Pulver an.
b. Herstellung eines olefinischen Comonomeren mit einer Polyethylenoxidkette:
140g Polyethylenglycolmonomethylether (M_n = 350, Aldrich) werden in 100 ml THF mit 120 ml Natronlauge (5M in Wasser) vermischt und auf 0°C abgekühlt. Zu der gekühlten Mischung kommen unter Rühren 70g para-Toluolsulfonsäurechlorid. Nach 2h rühren bei 0°C wird die Kühlung entfernt und für 12 h nachgerührt. Darauf wird die wäßrige Phase abgetrennt, dreimal mit je 100 ml Diethylether gewaschen und mit der organischen vereinigt. Die organische Phase wird dreimal mit je 150 ml Wasser gewaschen und das Lösungsmittel entfernt. Das Produkt fällt als klare leicht viskose Flüssigkeit an, die im Hochvakuum getrocknet wird. 13 ml 9-Decen-1-ol werden in 200 ml THF gelöst und zusammen mit 4g Natrium für 12h. Dazu kommen 25g des oben hergestellten tosylierten Polyethylenoxides. Nach Rühren für weitere 12h wird der gebildete farblose Niederschlag abfiltriert, das Lösungsmittel entfernt und das Produkt im Hochvakuum getrocknet.
c. Polymerisation mit dem Ziegler-Katalysator
50mg des unter b) hergestellten Monomers werden zusammen mit 4 ml Triethylaluminium in 100 ml trockenem Heptan in einem 250 ml Glasreaktor vorgelegt und auf 50C erhitzt. 20mg des unter a) hergestellten Katalysators werden zugegeben und der Reaktor mit Ethen auf einen Druck von 5bar gebracht. Nach 30min wird die Reaktion durch Ablassen des Druckes und Zugabe von 2 ml Ethanol gestoppt. Man erhält 2,3g farbloses Pulver mit einem Gehalt an Polyethylenoxid von etwa 2%.
Beispiel 2:
a. Herstellung eines aktivierten Metallocenkatalysators zur Polymerisation von PE:
30mg Dicyclopentadienylzircondichlorid werden in 10 ml Methylaluminoxan (10%ige Lösung in Toluol) gelöst. Die polymerisationsaktive Verbindung liegt als gelbliche Lösung vor.
b. Herstellung eines olefinischen Comonomeren mit einer Polyethylenoxidkette:
122g Toluol-4-sulfonsäurechlorid werden in 500 ml trockenem Chloroform gelöst und diese Mischung wird auf 0°C abgekühlt. Dazu werden unter Rühren erst 122 ml trockenes 10-Undecen-1-ol und danach 100 ml trockenes Pyridin zugetropft. Nach 90 Min. wird die Kühlung entfernt und weitere 16 h gerührt.
Zur Aufarbeitung werden 350 ml konz. Salzsäure in 1 kg Eis langsam unter kräftigem Rühren zum Reaktionsgemisch gegeben. Nach 90 Min. wird die wässrige Phase abgetrennt und die organische dreimal mit jeweils 1 L Wasser und danach mit 300 ml halbgesättigter Natriumcarbonatlösung ausgeschüttelt. Darauf wird die organische Phase mit Wasser neutralgewaschen und über Natriumsulfat getrocknet. Nach Entfernen des Lösungsmittels bleibt das Produkt als leicht viskose, gelbliche Flüssigkeit zurück.
Das entstandene tosylierte Olefin wird folgendermaßen mit Polyethylenglycolmonomethylether (M_n = 350, Aldrich) gekoppelt:
Zu einer Suspension von 0.8g Natriumhydrid (95%) in 100 ml THF werden 11 g trockener PEG-Monomethylether gegeben, für 3h bei Raumtemperatur gerührt und sodann auf 0°C abgekühlt. Zu dieser Mischung werden 10 g des wie oben hergestellten Tosyl-Undecenolates gegeben und für 12h gerührt.
Das Gemisch wird abfiltriert und das Filtrat eingeengt. Das PEG-funktionalisierte Undecenol fällt als gelbe Flüssigkeit an.
c. Polymerisation mit dem Metallocen-Katalysator
In einem 1 l Stahlautoklaven werden 400 ml Heptan mit 6 ml Triisobutylaluminium (1 M in Heptan), 8 ml Methylaluminoxan (10% in Toluol) und 200mg des in b) hergestellten Comonomers vorgelegt. Der Autoklav wird auf 60°C erwärmt und mit Ethen auf 30bar gebracht. Über eine Schleuse werden 1,2 ml der in a) hergestellten Metallocenlösung zugegeben. Die Polymerisation wird nach 60min durch Ablassen des Druckes und Zugabe von 5 ml Ethanol abgebrochen. Nach Filtration und Trocken erhält man 18g des farblosen Polymerpulvers, Polyethylenoxidgehalt. etwa 1 %.
Benetzungsversuche:
Mit einem beheizbaren Presswerkzeug werden runde Probenkörper (30 mm Durchmesser) des unter den Beispielen 1 und 2 erzeugten Polyethens mit einpolymerisiertem Polyethylenoxid sowie eine Vergleichsprobe ohne Polyethylenoxid hergestellt. Zusätzlich wurde eine Probe hergestellt, bei der zu reinem Polyethylen nachträglich 2% Polyethylenoxid (M_n = 350, Aldrich) zugemischt und gemeinsam verpresst wurden. Von den drei ersten Proben wurde der Kontaktwinkel gegenüber Wasser bestimmt. Bei der letzten Probe mit nachträglich zugemischtem Polyethylenoxid war dies nicht möglich, da sie Polyethen und Polyethylenoxid während des Heißpressens entmischten und kein einheitlicher Probenkörper erhalten wurde.
Der Kontaktwinkel eines aufgebrachten Wassertropfens beträgt:

Polymer nach Beispiel 1 (PEG-Gehalt 2%): 56 Grad

Polymer nach Beispiel 2 (PEG-Gehalt 1%): 61 Grad

Vergleichsprobe ohne PEG: 148 Grad
Dies zeigt eine deutliche Hydrophilisierung der Oberfläche, die die Ausbildung eines Wasserfilmes begünstigt. Der Effekt kann durch erhöhten Polyethylenoxidgehalt noch gesteigert werden.

Claims

Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer, welches aus Ethylen und mindestens einem endständigen Olefin mit einem hydrophilen Anteil der allgemeinen Formel (I)
besteht, worin X ein linearer verzweigter oder cyclischer Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 30 C-Atomen und Y eine lineare oder verzweigte hydrophile Polyethylenoxid-Kette mit 4 bis 500 Wiederholungseinheiten bedeutet.
Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Y eine Polyethylenoxid-Kette mit 6 bis 80 Wiederholungseinheiten bedeutet.
Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass X ein Kohlenwasserstoffrest mit 3 bis 15 C-Atomen bedeutet.
Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen weiteren olefinischen Kohlenwasserstoff als Monomer enthält.
Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der olefinische Kohlenwasserstoff Propen, Hexen, Octen oder Norbornen ist.
Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyethylenkette eine endständige Methylgruppe besitzt.
Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Olefin mit dem hydrophilen Anteil zwischen 0.1 und 20 Mol% aller eingesetzten Monomere ausmacht.
Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Olefin mit dem hydrophilen Anteil zwischen 0.5 und 8 Mol% aller eingesetzten Monomere ausmacht.
Polymerbasierter Werkstoff bestehend aus einem Copolymer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekulargewicht des Copolymers größer 1 Mio. g/mol ist.
Verwendung eines polymerbasierten Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung von Gelenkimplantaten im medizinisch-technischen Bereich.