DE102009023651B4 - Process for the production of a polyethylene doped with a stabilizer and use of a polyethylene produced by this process - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Stabilisator dotierten Polyethylens, wobei eine Polymerisation von Ethylen in Gegenwart eines Stabilisators und eines Katalysators durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Stabilisator ein Antioxidans aus der Gruppe bestehend aus Vitamin E, Vitamin C und Kombinationen davon und als Katalysator ein Mischkatalysator, umfassend einen Präkatalysator und einen Cokatalysator, verwendet wird, wobei als Präkatalysator ein chromhaltiges Non-Metallocen und als Cokatalysator ein Alkylaluminoxan verwendet wird und das Ethylen zur Polymerisation in eine Lösung, enthaltend den Stabilisator, den Katalysator und ein Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch, geleitet wird.A process for the production of a polyethylene doped with a stabilizer, wherein a polymerization of ethylene is carried out in the presence of a stabilizer and a catalyst, characterized in that an antioxidant from the group consisting of vitamin E, vitamin C and combinations thereof and as a catalyst a Mixed catalyst comprising a precatalyst and a cocatalyst is used, a chromium-containing non-metallocene being used as the precatalyst and an alkylaluminoxane being used as the cocatalyst and the ethylene being passed into a solution containing the stabilizer, the catalyst and a solvent or solvent mixture for the polymerization becomes.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Polyethylen, welches mit einem Stabilisator dotiert ist, sowie die Verwendung eines nach dem Verfahren hergestellten Polyethylens zur Herstellung eines medizintechnischen Gegenstandes.The present invention relates to a production method for polyethylene which is doped with a stabilizer, as well as the use of a polyethylene produced by the method for the production of a medical device.
Ultra-hochmolekulares Polyethylen (UHMWPE, ultra-high molecular weight polyethylene) kommt in besonders großem Umfang zur Herstellung von orthopädischen Implantaten zum Einsatz. So besitzen beispielsweise ca. 70 % aller weltweit eingesetzten Hüft- und Knieendoprothesen Gleitflächen aus UHMWPE. Obwohl sich diese nunmehr seit mehr als 30 Jahren im klinischen Alltag bewährt haben, ist ihre Lebensdauer doch zumeist auf 10 bis 15 Jahre begrenzt. Ursache für die begrenzte Lebensdauer sind oxidative Schädigungsmechanismen des UHMWPE, welche im Körper eines Patienten stattfinden. Dadurch kann der Abrieb des Polymermaterials dramatisch zunehmen. Außerdem kann es zu Entzündungen in der Umgebung des Implantats kommen. In vielen Fällen sind daher aufwendige Revisionsoperationen erforderlich.Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE, ultra-high molecular weight polyethylene) is used to a particularly large extent for the production of orthopedic implants. For example, around 70% of all hip and knee endoprostheses used worldwide have sliding surfaces made of UHMWPE. Although these have proven themselves in everyday clinical practice for more than 30 years, their lifespan is usually limited to 10 to 15 years. The reason for the limited service life are oxidative damage mechanisms of the UHMWPE, which take place in the patient's body. This can increase the abrasion of the polymer material dramatically. In addition, inflammation in the area around the implant can occur. In many cases, expensive revision operations are therefore required.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Herstellungsverfahren für ein mit einem Stabilisator versehenes bzw. dotiertes Polyethylen bereitzustellen, welches eine möglichst homogene Verteilung des Stabilisators im Polyethylen bewirkt, einfach in der Durchführung und kostengünstig ist und sich insbesondere durch verkürzte Herstellungszeiten auszeichnet.The present invention is therefore based on the object of providing an alternative production method for a stabilizer-provided or doped polyethylene which causes the stabilizer to be distributed as homogeneously as possible in the polyethylene, is simple to implement and inexpensive and is characterized in particular by shortened production times.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 12. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines nach dem Verfahren hergestellten Polyethylens zur Herstellung eines medizintechnischen Gegenstands gemäß den Ansprüchen 13 bis 15.This object is achieved by a manufacturing method having the features of independent claim 1. Preferred embodiments of the manufacturing method are the subject matter of the dependent claims 2 to 12. Another subject matter of the invention is the use of a polyethylene manufactured by the method for manufacturing a medical device according to the claims 13 to 15.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Stabilisator, nämlich Antioxidans (Antioxidationsmittel bzw. Oxidationshemmer), versehenen bzw. dotierten Polyethylens, wobei eine Polymerisation von Ethylen in Gegenwart eines Stabilisators, nämlich Antioxidans, und eines Katalysators durchgeführt wird.The process according to the invention is a process for the production of a polyethylene provided or doped with a stabilizer, namely an antioxidant (antioxidant or oxidation inhibitor), a polymerization of ethylene being carried out in the presence of a stabilizer, namely an antioxidant, and a catalyst .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Dotierung bzw. Ausstattung mit dem Stabilisator nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, an einem Polyethylen-Formkörper, beispielsweise einem entsprechenden Würfel, sondern während der Herstellung des Polyethylens, d.h. während der Polymerisation von Ethylen zu Polyethylen. Dadurch lässt sich mit besonderem Vorteil eine gleichmäßige bzw. homogene Verteilung des Stabilisators im Polyethylen erzielen, ohne dass langwierige Nachbehandlungsschritte, insbesondere in Form von Temperungen, erforderlich sind. Dies führt zu einer erheblichen Verkürzung der Herstellzeit sowie zu einer Verringerung der thermischen Belastung des Polyethylenmaterials. Des Weiteren können Materialeigenschaften des herzustellenden Polyethylens in einfacher Weise reguliert werden, beispielsweise durch Wahl der Reaktionszeit, der Reaktionstemperatur und/oder des Reaktionsdruckes.In the process according to the invention, doping or equipping with the stabilizer does not take place, as is known from the prior art, on a molded polyethylene body, for example a corresponding cube, but rather during the production of the polyethylene, i.e. during the polymerization of ethylene to polyethylene. As a result, a uniform or homogeneous distribution of the stabilizer in the polyethylene can be achieved with particular advantage, without the need for lengthy post-treatment steps, in particular in the form of tempering. This leads to a considerable shortening of the production time and to a reduction in the thermal load on the polyethylene material. Furthermore, material properties of the polyethylene to be produced can be regulated in a simple manner, for example by selecting the reaction time, the reaction temperature and / or the reaction pressure.
Die Polymerisation wird als Lösungspolymerisation durchgeführt. Das Ethylen wird zur Polymerisation zunächst in eine Lösung geleitet, welche den Stabilisator, den Katalysator und ein geeignetes Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch enthält. Beispielsweise kann zur Herstellung der Lösung zuerst der Katalysator und anschließend der Stabilisator in dem Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch gelöst werden. Als Lösungsmittel können grundsätzlich aliphatische Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe und/oder halogenierte Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Beispiele für aliphatische Kohlenwasserstoffe können aus der Gruppe bestehend aus Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Decan, Kerosin, Cyclobutan, Methylcyclobutan, Cyclohexan, Methylcyclohexan und Gemische davon ausgewählt werden. Geeignete aromatische Kohlenwasserstoffe können aus der Gruppe bestehend aus Benzol, Toluol, ortho-Xylol, meta-Xylol, para-Xylol, Ethylbenzol, Cumol, Cymol und Gemische davon ausgewählt werden. Geeignete halogenierte Kohlenwasserstoffe können beispielsweise aus der Gruppe bestehend aus aliphatischen Fluorkohlenwasserstoffen, aromatischen Fluorkohlenwasserstoffen, Chlorbenzol, Dichlorbenzol, Trichlorbenzol und Gemische davon ausgewählt werden. In der Regel werden getrocknete, d.h. im Wesentlichen wasserfreie, Lösungsmittel verwendet.The polymerization is carried out as a solution polymerization. For the polymerization, the ethylene is first passed into a solution which contains the stabilizer, the catalyst and a suitable solvent or solvent mixture. For example, to prepare the solution, first the catalyst and then the stabilizer can be dissolved in the solvent or solvent mixture. In principle, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons and / or halogenated hydrocarbons can be used as solvents. Examples of aliphatic hydrocarbons can be selected from the group consisting of pentane, hexane, heptane, octane, decane, kerosene, cyclobutane, methylcyclobutane, cyclohexane, methylcyclohexane, and mixtures thereof. Suitable aromatic hydrocarbons can be selected from the group consisting of benzene, toluene, ortho-xylene, meta-xylene, para-xylene, ethylbenzene, cumene, cymene, and mixtures thereof. Suitable halogenated hydrocarbons can be selected, for example, from the group consisting of aliphatic fluorocarbons, aromatic fluorocarbons, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene and mixtures thereof. As a rule, dried, ie essentially anhydrous, solvents are used.
Bevorzugt wird als Stabilisator eine Verbindung verwendet, welche die Aktivität des Katalysators im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. In einer alternativen Ausführungsform wird der Stabilisator in einer Molmenge eingesetzt, welche die Aktivität des Katalysators im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Vorzugsweise wird ein Molverhältnis des Stabilisators zu dem Katalysator von 10.000 : 1 bis 1 : 1, bevorzugt 1.000 : 1 bis 10 : 1, weiter bevorzugt 250 : 1 bis 20 : 1, höchst bevorzugt 100 : 1 bis 50 : 1, verwendet.The stabilizer used is preferably a compound which essentially does not impair the activity of the catalyst. In an alternative embodiment, the stabilizer is used in a molar amount which essentially does not impair the activity of the catalyst. A molar ratio of the stabilizer to the catalyst of 10,000: 1 to 1: 1, preferably 1,000: 1 to 10: 1, more preferably 250: 1 to 20: 1, most preferably 100: 1 to 50: 1, is preferably used.
Als Stabilisator wird, wie bereits erwähnt, ein Antixoxidans verwendet. Das Antioxidans wirkt in der Regel als Radikalfänger.As already mentioned, an anti-oxidant is used as a stabilizer. The antioxidant usually works as a radical scavenger.
Das Antioxidans ist aus der Gruppe bestehend aus Vitamin E, Vitamin C (Ascorbinsäure) und Kombinationen davon ausgewählt.The antioxidant is selected from the group consisting of vitamin E, vitamin C (ascorbic acid), and combinations thereof.
Erfindungsgemäß wird Vitamin E als Stabilisator verwendet. Das Vitamin E kann dabei aus der Gruppe bestehend aus α-Tocopherol, β-Tocopherol, γ-Tocopherol, δ-Tocopherol, α-Tocotrienol, β-Tocotrienol, γ-Tocotrienol, δ-Tocotrienol, α-Tocomonoenol, β-Tocomonoenol, γ-Tocomonoenol, δ-Tocomonoenol, Salze davon und Kombinationen davon ausgewählt werden. Besonders bevorzugt wird das Vitamin E aus der Gruppe bestehend aus α-Tocopherol, γ-Tocopherol, δ-Tocopherol, Salze davon und Kombinationen davon ausgewählt. Höchst bevorzugt ist die Verwendung von α-Tocopherol als Stabilisator.
In einer weiteren geeigneten Ausführungsform erfolgt die Herstellung des Polyethylens mittels einer sogenannten Koordinationspolymerisation bzw. koordinativen Insertionspolymerisation. Hierunter versteht man eine Polymerisation von Olefinen an Lewis-aciden-Metall-Komplex-Verbindungen. Als Katalysator wird ein Mischkatalysator, umfassend einen Präkatalysator und einen Cokatalysator bzw. Aktivator, verwendet.According to the invention, vitamin E is used as a stabilizer. Vitamin E can be selected from the group consisting of α-tocopherol, β-tocopherol, γ-tocopherol, δ-tocopherol, α-tocotrienol, β-tocotrienol, γ-tocotrienol, δ-tocotrienol, α-tocomonoenol, β-tocomonoenol, γ-tocomonoenol, δ-tocomonoenol, salts thereof, and combinations thereof. Vitamin E is particularly preferably selected from the group consisting of α-tocopherol, γ-tocopherol, δ-tocopherol, salts thereof and combinations thereof. The use of α-tocopherol as a stabilizer is most preferred.
In a further suitable embodiment, the polyethylene is produced by means of a so-called coordination polymerization or coordinative insertion polymerization. This is understood to mean a polymerization of olefins on Lewis acidic metal complex compounds. A mixed catalyst comprising a precatalyst and a cocatalyst or activator is used as the catalyst.
Als Präkatalysator wird ein Non-Metallocen bzw. Nicht-Metallocen verwendet. Non-Metallocene sind molekulare Katalysatoren, die andere Liganden als Metallocen-Katalysatoren enthalten. Bevorzugte Non-Metallocene sind Mono-Cyclopentadienyl-Komplexe, Derivate von Mono-Cyclopentadienyl-Komplexen sowie eine Vielzahl von Komplexen mit einem oder mehreren Heteroatom-Donorliganden. Beispiele für geeignete Donorliganden sind stickstoff- und/oder sauerstoffhaltige Chelatliganden. Bei den Non-Metallocen-Katalysatoren sind als Metallzentren die Elemente Scandium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium, Platin sowie die Lanthanoide möglich. Erfindungsgemäß werden chromhaltige Non-Metallocene, insbesondere von 2,3,4-Trimetyhl-1-(8-Chinolyl)trimethyl-silyl-cycopentadienyl-Chrom(III)chlorid, verwendet.A non-metallocene or non-metallocene is used as the precatalyst. Non-metallocenes are molecular catalysts that contain ligands other than metallocene catalysts. Preferred non-metallocenes are monocyclopentadienyl complexes, derivatives of monocyclopentadienyl complexes and a large number of complexes with one or more heteroatom donor ligands. Examples of suitable donor ligands are nitrogen- and / or oxygen-containing chelate ligands. In the case of the non-metallocene catalysts, the elements scandium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, chromium, molybdenum, tungsten, iron, cobalt, nickel, palladium, platinum and the lanthanides are possible as metal centers. According to the invention, chromium-containing non-metallocenes, in particular 2,3,4-trimethyl-1- (8-quinolyl) trimethyl-silyl-cycopentadienyl-chromium (III) chloride, are used.
Metallocen-Katalysatoren und Non-Metallocen-Katalysatoren werden in der Regel als Präkatalysatoren in Kombination mit einem geeigneten Cokatalysator bzw. Aktivator eingesetzt. Erfindungsgemäß handelt es sich daher bei dem erfindungsgemäßen Katalysator um einen Mischkatalysator, umfassend ein Non-Metallocen als Präkatalysator und einen geeigneten Cokatalysator bzw. einen Aktivator. Bei dem Cokatalysator bzw. Aktivator handelt es sich um ein Alkylaluminoxan, besonders bevorzugt um Methylaluminoxan (MAO). Erfindungsgemäß besonders geeignet sind Mischkatalysatoren, umfassend chrombasierte bzw. chromhaltige Non-Metallocen-Katalysatoren (Nicht-Metallocen-Katalysatoren), insbesondere 2,3,4-Trimetyhl-1-(8-Chinolyl)trimethyl-silyl-cycopentadienyl-Chrom(III)chlorid, als Präkatalysator und Methylaluminoxan (MAO) als Cokatalysator.Metallocene catalysts and non-metallocene catalysts are generally used as precatalysts in combination with a suitable cocatalyst or activator. According to the invention, the catalyst according to the invention is therefore a mixed catalyst comprising a non-metallocene as a precatalyst and a suitable cocatalyst or an activator. The cocatalyst or activator is an alkylaluminoxane, particularly preferably methylaluminoxane (MAO). Mixed catalysts are particularly suitable according to the invention, comprising chromium-based or chromium-containing non-metallocene catalysts (non-metallocene catalysts), in particular 2,3,4-trimethyl-1- (8-quinolyl) trimethyl-silyl-cycopentadienyl-chromium (III) chloride, as a precatalyst and methylaluminoxane (MAO) as a cocatalyst.
Der Katalysator wird in einer weiteren Ausführungsform in einer Konzentration zwischen 0,1 µmol und 400 µmol, insbesondere 1 µmol und 200 µmol, bevorzugt 10 µmol und 100 µmol, bezogen auf 1 Liter eines für die Polymerisation verwendeten Lösungsmittels bzw. Lösungsmittelgemisches, eingesetzt. Vorzugsweise wird zur Herstellung des Katalysators ein Molverhältnis eines Präkatalysators zu einem Methylaluminoxan-Cokatalysator (MAO-Cokatalysator) von 1:20 bis 1:20.000, bevorzugt 1:100 bis 1:5.000, weiter bevorzugt 1:200 bis 1:2.000, höchst bevorzugt 1:500 bis 1:1.000, bezogen auf die Aluminiumatome des Methylaluminoxan-Cokatalysators, verwendet.In a further embodiment, the catalyst is used in a concentration between 0.1 μmol and 400 μmol, in particular 1 μmol and 200 μmol, preferably 10 μmol and 100 μmol, based on 1 liter of a solvent or solvent mixture used for the polymerization. Preferably For the preparation of the catalyst, a molar ratio of a precatalyst to a methylaluminoxane cocatalyst (MAO cocatalyst) of 1:20 to 1: 20,000, preferably 1: 100 to 1: 5,000, more preferably 1: 200 to 1: 2,000, most preferably 1 : 500 to 1: 1,000, based on the aluminum atoms of the methylaluminoxane cocatalyst, used.
Zweckmäßigerweise wird die Polymerisation des Ethylens in einem geeigneten Reaktionsbehältnis, insbesondere in einem Schlenk-Kolben oder Polymerisations-Reaktor, durchgeführt.The polymerization of the ethylene is expediently carried out in a suitable reaction vessel, in particular in a Schlenk flask or polymerization reactor.
Die Polymerisation wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 120 °C, insbesondere 20 °C und 110 °C, vorzugsweise 25 °C und 100 °C, durchgeführt. Des Weiteren kann die Polymerisation bei Normaldruck oder Überdruck, insbesondere in einem Autoklaven, durchgeführt werden. Bevorzugt wird die Polymerisation bei einem Überdruck zwischen 0,1 MPa und 10 MPa durchgeführt.The polymerization is preferably carried out in a temperature range between 0 ° C and 120 ° C, in particular 20 ° C and 110 ° C, preferably 25 ° C and 100 ° C. Furthermore, the polymerization can be carried out at normal pressure or elevated pressure, in particular in an autoclave. The polymerization is preferably carried out at an excess pressure between 0.1 MPa and 10 MPa.
Mit besonderem Vorteil kann die Polymerisation während einer Reaktionszeit zwischen 10 min und 240 min, insbesondere 10 min und 180 min, vorzugsweise 10 min und 60 min, durchgeführt werden.The polymerization can be carried out with particular advantage during a reaction time between 10 minutes and 240 minutes, in particular 10 minutes and 180 minutes, preferably 10 minutes and 60 minutes.
In der Regel wird der Katalysator nach Herstellung des Polyethylens zerstört, beispielsweise durch Zugabe eines Methanol-Salzsäure-Gemisches. Wird ein Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch eingesetzt, wird dieses gewöhnlich in einem nachfolgenden Trocknungsschritt entfernt, beispielsweise durch Anlegen eines Unterdrucks oder Vakuums, vorzugweise Hochvakuums. Alternativ oder in Kombination dazu kann eine Trocknung in einem Trockenschrank durchgeführt werden.As a rule, the catalyst is destroyed after the polyethylene has been produced, for example by adding a methanol-hydrochloric acid mixture. If a solvent or solvent mixture is used, it is usually removed in a subsequent drying step, for example by applying a reduced pressure or vacuum, preferably a high vacuum. Alternatively or in combination with this, drying can be carried out in a drying cabinet.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können grundsätzlich Polyethylenhomopolymere oder Polyethylencopolymere hergestellt werden. Die Herstellung eines Polyethylenhomopolymers ist erfindungsgemäß bevorzugt. So kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Polyethylens, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und hochmolekulares Polyethylen (HMWPE), verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von ultra-hochmolekularem Polyethylen (UHMWPE). Das in diesem Abschnitt erwähnte hochmolekulare Polyethylen (HMWPE) besitzt vorzugsweise ein Molekulargewicht zwischen 105 und 106 g/mol. Das in diesem Abschnitt genannte ultra-hochmolekulare Polyethylen (UHMWPE) besitzt vorzugsweise ein Molekulargewicht zwischen 106 und 107 g/mol.In principle, polyethylene homopolymers or polyethylene copolymers can be produced with the aid of the process according to the invention. The production of a polyethylene homopolymer is preferred according to the invention. Thus, the method according to the invention can be used for producing a polyethylene which is selected from the group consisting of high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE) and high molecular weight polyethylene (HMWPE). The use of the process for the production of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) is particularly preferred. The high molecular weight polyethylene (HMWPE) mentioned in this section preferably has a molecular weight between 10 5 and 10 6 g / mol. The ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) mentioned in this section preferably has a molecular weight between 10 6 and 10 7 g / mol.
Gegebenenfalls kann es in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass das hergestellte, mit einem Stabilisator dotierte Polyethylen in einem nachfolgenden Schritt vernetzt wird. Durch eine Vernetzung des Polyethylens, insbesondere von ultra-hochmolekularem Polyethylen (UHMWPE), kann dessen Abriebverhalten deutlich verbessert werden. Die Vernetzung kann chemisch oder physikalisch vorgenommen werden. Eine chemische Vernetzung des Polyethylens kann beispielsweise durch eine Peroxid-Behandlung erfolgen. Eine physikalische Vernetzung des Polyethylens wird vorzugsweise durch eine Bestrahlung, insbesondere durch eine ionisierende Bestrahlung, vorgenommen. Beispielsweise kann das Polyethylen durch Behandlung mit γ-Strahlen, β-Strahlen, Röntgenstrahlen, Ultraviolettstrahlen, Neutronenstrahlen, Protonenstrahlen oder Elektronenstrahlen vernetzt werden.If necessary, it can be provided in a further embodiment that the produced polyethylene doped with a stabilizer is crosslinked in a subsequent step. Crosslinking the polyethylene, especially ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), can significantly improve its abrasion behavior. The crosslinking can be carried out chemically or physically. The polyethylene can be chemically crosslinked, for example, by means of a peroxide treatment. Physical crosslinking of the polyethylene is preferably carried out by irradiation, in particular by ionizing irradiation. For example, the polyethylene can be crosslinked by treatment with γ-rays, β-rays, X-rays, ultraviolet rays, neutron rays, proton rays or electron rays.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform wird das mit einem Stabilisator dotierte Polyethylen einer Temperung unterworfen. Die Temperung kann zum Einen dazu dienen, mögliche Spannungen im Polyethylen abzubauen. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf ultra-vernetztes hochmolekulares Polyethylen (UHMWPE). Zum anderen wird die Mobilität von gegebenenfalls im Polyethylen vorhandenen Radikalen mittels der Temperung erhöht, wodurch ihre Rekombinationswahrscheinlichkeit sowie ihre Absättigung durch den Stabilisator erhöht wird. Alternativ oder in Kombination dazu kann das Polyethylen auch mit Mikro- oder Ultraschallwellen behandelt werden, um eine erhöhte Radikalabsättigung zu erzielen.In a further possible embodiment, the polyethylene doped with a stabilizer is subjected to heat treatment. On the one hand, the tempering can serve to reduce possible stresses in the polyethylene. This is especially true with regard to ultra-crosslinked high molecular weight polyethylene (UHMWPE). On the other hand, the mobility of any radicals that may be present in the polyethylene is increased by means of the tempering, which increases their recombination probability and their saturation by the stabilizer. As an alternative or in combination with this, the polyethylene can also be treated with microwaves or ultrasound waves in order to achieve increased radical saturation.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung eines Polyethylens, welches nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, zur Herstellung eines medizintechnischen Gegenstandes.Finally, the present invention also relates to the use of a polyethylene, which is produced by a method according to the invention, for producing a medical device.
Der medizintechnische Gegenstand ist vorzugsweise als Implantat, Epithese oder Orthese ausgebildet. Bevorzugt ist der medizintechnische Gegenstand aus der Gruppe bestehend aus Katheter, Trokar, chirurgisches Nahtmaterial, Herniennetz, Prolaps-Netz bzw. Prolaps-Band, Harninkontinenzband und Prothese ausgewählt. Besonders bevorzugt ist der medizintechnische Gegenstand als Prothese, insbesondere Endoprothese ausgebildet. Gemäß einer weiterführenden Ausführungsform ist der medizintechnische Gegenstand eine Gelenkprothese, vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Hüftgelenkprothese, Kniegelenkprothese, Knöchelgelenkprothese, Ellenbogengelenkprothese, Kiefergelenkprothese, Schultergelenkprothese, Fingergelenkprothese und Wirbelsäulengelenkflächenprothese. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der medizintechnische Gegenstand als Komponente, insbesondere in Form einer Gleitfläche, einer Einlage oder eines Einsatzes, für eine Gelenkprothese ausgebildet. Bezüglich der in Frage kommenden Gelenkprothesen wird auf die vorstehend genannten Gelenkprothesen verwiesen. Insbesondere kann es sich bei dem medizintechnischen Gegenstand um eine prothetische Lagerkomponente handeln.The medical-technical object is preferably designed as an implant, epithesis or orthosis. The medical-technical object is preferably selected from the group consisting of catheter, trocar, surgical suture material, hernia mesh, prolapse mesh or prolapse band, urinary incontinence band and prosthesis. The medical device is particularly preferably designed as a prosthesis, in particular an endoprosthesis. According to a further embodiment, the medical device is a joint prosthesis, preferably from the group consisting of hip joint prosthesis, knee joint prosthesis, ankle joint prosthesis, elbow joint prosthesis, temporomandibular joint prosthesis, shoulder joint prosthesis, Finger joint prosthesis and spinal joint surface prosthesis. In a further advantageous embodiment, the medical device is designed as a component, in particular in the form of a sliding surface, an insert or an insert, for a joint prosthesis. With regard to the joint prostheses in question, reference is made to the joint prostheses mentioned above. In particular, the medical device can be a prosthetic bearing component.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Form von Beispielen in Kombination mit den Unteransprüchen. In diesen Ausführungsformen können einzelne Merkmale der Erfindung allein oder in Kombination mit anderen Merkmalen verwirklicht sein. Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung zu verstehen.Further details and features of the invention emerge from the following description of preferred embodiments in the form of examples in combination with the subclaims. In these embodiments, individual features of the invention can be realized alone or in combination with other features. The preferred embodiments described are to be understood only as a descriptive disclosure and in no way as a disclosure that is limiting in any way.
BeispieleExamples
Allgemeines:General:
Alle Versuche wurden unter Verwendung der Schlenk-Technik und vorgetrocknetem Argon als Schutzgas durchgeführt. Als Polymerisationsgas wurde kommerziell erhältliches Ethylen 3.0 ohne weitere Aufreinigung eingesetzt. Toluol wurde wasserfrei und in 99,9 %iger Reinheit von der Firma Sigma-Aldrich bezogen und mit einer Lösungsmittel-Trocknungsapparatur der Firma VAC bis zu einem Wassergehalt von < 5 ppm weiter getrocknet. Der Cokatalysator PMAO (Polymethylenaluminooxan) wurde von der Firma AKZO als 7 %ige Lösung in Toluol bezogen. Alle weiteren kommerziell erhältlichen Chemikalien wurden wie erhalten eingesetzt.All experiments were carried out using the Schlenk technique and pre-dried argon as protective gas. Commercially available ethylene 3.0 was used as the polymerization gas without further purification. Toluene was obtained anhydrous and in 99.9% purity from Sigma-Aldrich and was further dried using a solvent drying apparatus from VAC to a water content of <5 ppm. The cocatalyst PMAO (polymethylene aluminooxane) was obtained from AKZO as a 7% solution in toluene. All other commercially available chemicals were used as received.
Als Präkatalysator wurde 2,3,4-Trimethyl-1-(8-chinolyl)trimethylsilylcyclopentadienyl-Chrom(III)chlorid-Katalysator, im Folgenden als KAT 1 abgekürzt, verwendet. Als Vitamin E wurde α-Tocopherol eingesetzt (Reinheit > 96 %, CAS-Nr 10191-41-0, Sigma-Aldrich).2,3,4-Trimethyl-1- (8-quinolyl) trimethylsilylcyclopentadienyl-chromium (III) chloride catalyst, abbreviated as CAT 1 in the following, was used as the precatalyst. Α-Tocopherol was used as vitamin E (purity> 96%, CAS No. 10191-41-0, Sigma-Aldrich).
Polymerisationsexperiment 1Polymerization experiment 1
In einem 25 mL-Schlenk-Kolben wurden 3,60 mg (8,38 × 10-6 mol) des Präkatalysators KAT 1 in 10 mL Toluol gelöst. In einem zweiten 250 mL-Schlenk-Kolben wurden 100 mL Toluol vorgelegt und darin 0,31 g (7,17 × 10-4 mol, entspricht 85 eq. bezogen auf KAT 1) Vitamin E gelöst. Der Präkatalysator KAT 1 wurde mit 3,23 g (8.38 × 10-3 mol) PMAO (1000 eq Al, bezogen auf den Katalysator) in die aktivierte Spezies überführt und mit Hilfe einer Spritze in das Polymerisationsgefäß gegeben. Über den Schlenk-Anschluss wurde Ethylen eingeleitet und das Reaktionsgemisch auf höchster Stufe gerührt. Der Ansatz wurde in einem Wasserbad gekühlt. Zur Beendigung der Polymerisation wurde mit Methanol/HCI terminiert. Die Reaktion wurde aufgrund eines starken Viskositätsanstiegs im Kolben, bedingt durch ausgefälltes Polymer, bereits nach 13 Min. terminiert. Das erhaltene Produkt wurde für 2 Stunden in Aceton gewaschen und über Nacht bei 80 °C getrocknet.3.60 mg (8.38 × 10 -6 mol) of the precatalyst CAT 1 were dissolved in 10 ml of toluene in a 25 ml Schlenk flask. 100 ml of toluene were placed in a second 250 ml Schlenk flask and 0.31 g (7.17 × 10 -4 mol, corresponds to 85 eq. Based on CAT 1) of vitamin E were dissolved in it. The precatalyst CAT 1 was converted into the activated species with 3.23 g (8.38 × 10 -3 mol) PMAO (1000 eq Al, based on the catalyst) and added to the polymerization vessel with the aid of a syringe. Ethylene was passed in via the Schlenk connection and the reaction mixture was stirred at the highest level. The batch was cooled in a water bath. To terminate the polymerization, it was terminated with methanol / HCl. The reaction was terminated after just 13 minutes due to a sharp increase in viscosity in the flask caused by the precipitated polymer. The product obtained was washed in acetone for 2 hours and dried at 80 ° C. overnight.
Polymerisationsexperiment 2Polymerization experiment 2
In einem 25 mL-Schlenk-Kolben wurden 4,20 mg (9,78 × 10-6 mol) des Präkatalysators KAT 1 in 10 mL Toluol gelöst. In einem zweiten 250 mL-Schlenk-Kolben wurden 100 mL Toluol vorgelegt und darin 0,86 g (1,99 × 10-3 mol, entspricht 205 eq. bezogen auf KAT 1) Vitamin E gelöst. Der Präkatalysator KAT 1 wurde mit 3,77 g (9,78 x 10-3 mol) PMAO (1000 eq AI, bezogen auf den Katalysator) in die aktivierte Spezies überführt und mit Hilfe einer Spritze in das Polymerisationsgefäß gegeben. Über den Schlenk-Anschluss wurde Ethylen eingeleitet und das Reaktionsgemisch auf höchster Stufe gerührt. Insgesamt wurde der Ansatz während 3 Stunden gerührt, wobei der Ansatz mit einem Wasserbad gekühlt wurde. Zur Beendigung der Polymerisation wurde mit Methanol/HCI terminiert. Das erhaltene Polymer wurde für 2 Stunden in Aceton gewaschen und über Nacht bei 80 °C getrocknet.4.20 mg (9.78 × 10 -6 mol) of the precatalyst CAT 1 were dissolved in 10 ml of toluene in a 25 ml Schlenk flask. 100 ml of toluene were placed in a second 250 ml Schlenk flask and 0.86 g (1.99 × 10 -3 mol, corresponds to 205 eq. Based on CAT 1) of vitamin E were dissolved in it. The precatalyst CAT 1 was converted into the activated species with 3.77 g (9.78 × 10 -3 mol) PMAO (1000 eq Al, based on the catalyst) and added to the polymerization vessel with the aid of a syringe. Ethylene was passed in via the Schlenk connection and the reaction mixture was stirred at the highest level. The batch was stirred for a total of 3 hours, the batch being cooled with a water bath. To terminate the polymerization, it was terminated with methanol / HCl. The polymer obtained was washed in acetone for 2 hours and dried at 80 ° C. overnight.
Polymerisationsexperiment 3 (nicht erfindungsgemäß)Polymerization experiment 3 (not according to the invention)
In einem 25 mL-Schlenk-Kolben wurden 7,70 mg (2,63 × 10-5 mol) des Präkatalysators Zirkonocendichlorid in 10 mL Toluol gelöst. In einem zweiten 250 mL-Schlenk-Kolben wurden 100 mL Toluol vorgelegt und darin 0,91 g (2,11 × 10-3 mol, entspricht 80 eq. bezogen auf Zirkonocendichlorid) Vitamin E gelöst. Der Präkatalysator Zirkonocendichlorid wurde mit 10,15 g (2,63 × 10-2 mol) PMAO (1000 eq AI, bezogen auf den Katalysator) in die aktivierte Spezies überführt und mit Hilfe einer Spritze in das Polymerisationsgefäß gegeben. Über den Schlenk-Anschluss wurde Ethylen eingeleitet und das Reaktionsgemisch auf höchster Stufe gerührt. Insgesamt wurde die Reaktion für 20 Minuten betrieben, wobei der Ansatz mit einem Wasserbad gekühlt wurde. Zur Beendigung der Polymerisation wurde mit Methanol/HCI terminiert. Das erhaltene Polymer wurde für 2 Stunden in Aceton gewaschen und über Nacht bei 80 °C getrocknet.7.70 mg (2.63 × 10 -5 mol) of the precatalyst zirconocene dichloride were dissolved in 10 ml of toluene in a 25 ml Schlenk flask. 100 ml of toluene were placed in a second 250 ml Schlenk flask and 0.91 g (2.11 × 10 -3 mol, corresponds to 80 eq. Based on zirconocene dichloride) of vitamin E were dissolved in it. The precatalyst zirconocene dichloride was converted into the activated species with 10.15 g (2.63 × 10 -2 mol) PMAO (1000 eq Al, based on the catalyst) and added to the polymerization vessel with the aid of a syringe. Ethylene was passed in via the Schlenk connection and the reaction mixture was stirred at the highest level. The reaction was run for a total of 20 minutes, the batch being cooled with a water bath. To terminate the polymerization, it was terminated with methanol / HCl. The polymer obtained was washed in acetone for 2 hours and dried at 80 ° C. overnight.
Die nach Durchführung der vorstehend beschriebenen Polymerisationsexperimente erhaltenen Polymere waren gefärbt, was den Einbau von Vitamin E in die Polymere bzw. die Dotierung der Polymere mit Vitamin E bestätigte.The polymers obtained after carrying out the polymerization experiments described above were colored, which confirmed the incorporation of vitamin E into the polymers or the doping of the polymers with vitamin E.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in untenstehender Tabelle 1 zusammengefasst, wobei die Versuche K1 und K2 Kontrollexperimente ohne Stabilisator bedeuten.
Tabelle 1: Daten der Polymerisationsexperimente
ZusammenfassungSummary
Insgesamt zeigen die vorstehend beschriebenen Experimente, dass zum einen die Synthese von Polyethylen in Gegenwart eines Antioxidans möglich ist. Beim verwendeten Katalysator auf Chrom-Basis wird die katalytische Aktivität durch die Anwesenheit des Antioxidans nur leicht verringert, so dass eine technische Realisierung leicht möglich ist. Beim Katalysator ZrCp2Cl2 tritt ein deutlicherer Aktivitätsverlust auf. Doch ist die verbleibende Aktivität immer noch ausreichend, um damit zufriedenstellende Katalysen betreiben zu können. Die Experimente zeigen weiterhin, dass die Herstellung von mit einem Antioxidans dotierten Polyethylen unter an sich schonenden Reaktionsbedingungen möglich ist. Ein besonderer Vorteil betrifft die im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erheblich verkürzte Reaktionszeit. Das Molekülgewicht der hergestellten Polymere betrug ca. 1,6 × 106 mol/g.Overall, the experiments described above show that, on the one hand, the synthesis of polyethylene is possible in the presence of an antioxidant. In the case of the chromium-based catalyst used, the catalytic activity is only slightly reduced by the presence of the antioxidant, so that technical implementation is easily possible. In the case of the ZrCp 2 Cl 2 catalyst, there is a more pronounced loss of activity. However, the remaining activity is still sufficient to be able to operate satisfactory catalysis with it. The experiments also show that the production of polyethylene doped with an antioxidant is possible under generally gentle reaction conditions. A particular advantage relates to the considerably shortened reaction time compared to the processes known from the prior art. The molecular weight of the polymers produced was approx. 1.6 × 10 6 mol / g.
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