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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines vernetzten Polymerisats aus einer Vinylimidazolium-Verbindung, ein vernetztes Polymerisat aus einer Vinylimidazolium-Verbindung und die Verwendung des Polymerisats für medizinische Anwendungen.
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Polymere Materialien zur Reparatur von Knochen und Knorpel sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der Übersichtsartikel von Puppi et. Al, progress in Polymer Science 35 (2010) 403–440 stellt verschiedenste Materialien vor. Darunter sind natürliche Polymere, wie Proteine und Polysaccharide, und synthetische Polymere, wie Polyester, Polyurethane, und weitere.
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Ebenfalls bekannt sind Hydrogele auf Basis von Chitosan zur Verwendung als Knorpelersatz. Die Publikation von Park et. Al., Ann. Biomed. Eng., 2008, 36, 425–434 zeigt ein solches Hydrogel auf Chitosan-Basis, das eine Kompressionsbelastung (Compression stress) von 0,5 bis 10 MPa aufweist.
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Aufgabe der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist es, ein synthetisches Material bereit zu stellen, das für medizinische Anwendungen, insbesondere als Knorpelersatzmaterial, geeignet ist und eine erhöhte mechanische Stabilität aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird von der Erfindung ein Polymerisat aus einer Vinylimidazolium-Verbindung bereitgestellt. Eine Vinylimidazolium-Verbindung kann in Gegenwart eines Vernetzungsmittels polymerisiert werden, um dieses Polymerisat zu erhalten. Bereitgestellt wird insbesondere ein vernetztes Polyvinylimidazoliumhalogenid. Von der Erfindung wird sowohl ein Gel, insbesondere ein Hydrogel, bereitgestellt, dass das Polymerisat aus der Vinylimidazolium-Verbindung aufweist, als auch ein getrocknetes vernetztes Polymerisat aus der Vinylimidazolium-Verbindung. Es hat sich gezeigt, dass durch eine schonende Trocknungsmethode, bei der das Hydrogel in ein getrocknetes Produkt überführt wird, verbesserte mechanische Eigenschaften erhalten werden können.
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Eine schonende Trocknungsmethode ist ein Trocknen bei einem Druck im Bereich des Normaldrucks oder leichten Unterdrucks, insbesondere bei 600–1100 mbar.
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Eine weitere schonende Trocknungsmethode, die mit der obigen Methode kombiniert werden kann, ist ein Trocknen des Hydrogels an der Luft. Vorzugsweise wird eine Temperatur zur Trocknung von 10–30 Grad Celsius gewählt. Vorzugsweise erfolgt die Trocknung bei Atmosphärendruck oder leichtem Unterdruck, wie oben bereits erwähnt und unten noch detaillierter ausgeführt.
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Man erhält als verbesserte mechanische Eigenschaft insbesondere verbesserte Kompressions-Belastungs-Eigenschaften, auch bezeichnet als Kompressions-Stress-Eigenschaften. Von diesen mechanischen Eigenschaften ausgehend sind die erfindungsgemäßen Substanzen für den Einsatz als Knorpelersatz besonders geeignet. Ferner kann über den Wassergehalt der erfindungsgemäßen Substanzen, insbesondere den Wassergehalt, eines getrockneten vernetzten Polymerisats, die Substanz in den mechanischen Eigenschaften beeinflusst werden.
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Ein erfindungsgemäßes getrocknetes und vernetztes Polymerisat kann wieder zum Quellen gebracht werden, beispielsweise bei Kontakt mit Wasser.
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Weiterhin hat sich gezeigt, dass nach einer starken Belastung die erfindungsgemäßen Substanzen innerhalb kürzester Zeit ihre Ausgangsform nach einer vorangehenden Verformung, insbesondere einer Kompression, wieder einnehmen, wenn man vor einer Schädigung des Prüflings (beispielsweise Riss) die Belastung wieder wegnimmt. Dies sowohl für Hydrogele als auch für getrocknete Hydrogele. Methoden bzw. Prüfverfahren sind im Beispielteil angegeben.
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Weiterhin weisen die erfindungsgemäßen Substanzen den Vorteil auf, dass es sich um ein synthetisches Polymer mit Langzeitstabilität handelt, was die Eignung im langfristigen Einsatz als beispielsweise Knorpelersatz besonders empfehlenswert macht.
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Angegeben wird von der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung und eines vernetzten Polymerisats aus einer Vinylimidazolium-Verbindung, umfassend die Schritte
- – Polymerisieren einer Vinylimidazolium-Verbindung in Gegenwart eines Vernetzungsmittels in wässrigem Medium, sodass ein Hydrogel erhalten wird, das ein vernetztes Polymerisat aus der Vinylimidazolium-Verbindung aufweist,
- – Trocknen des Hydrogels bei einem Umgebungsdruck von 0,6 bis 1,1 bar, wobei ein getrocknetes vernetztes Polymerisat aus der Vinylimidazolium-Verbindung erhalten wird.
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Die Vinylimidazolium-Verbindung dient als Monomer für die Polymerisation zur Herstellung des Polymerisats. Die Polymerisation ist beispielsweise eine radikalische Polymerisation. Die Polymerisation findet an den Vinylgruppen der Vinylimidazolium-Verbindung statt. Erhalten wird ein Polymer-Rückgrat, das aus polymerisierten Vinylgruppen der Vinylimidazolium-Verbindung gebildet ist. Das polymere Rückgrat weist als Seitengruppen Imidazolium-Reste auf. Die Vinylimidazolium-Verbindung ist eine ionische Verbindung, die eine Imidazol-Struktur mit einem positiv geladenen Imidazol-Stickstoff aufweist und die ferner ein Gegen-Ion bzw. Anion aufweist. Entsprechend weist das Polymerisat aus der Vinylimidazolium-Verbindung, auch bezeichnet als Polyvinylimidazolium-Verbindung, positiv geladene Imidazolium-Reste und negativ geladene Gegenionen auf.
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Die Vinylimidazolium-Verbindung ist insbesondere eine Vinylimidazolium-Verbindung, die die folgende Formel aufweist
wobei R ein Alkylrest ist und X
– ein Halogenid-Anion oder Acetat ist.
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R ist insbesondere ein verzweigter oder unverzweigter Alkylrest mit 1-10 Kohlenstoffatomen. R ist insbesondere ausgewählt aus Methyl, Ethyl, verzweigtem oder unverzweigtem Propyl, wie n-Propyl, i-Propyl, verzweigtem oder unverzweigtem Butyl, wie n-Butyl, i-Butyl, t-Butyl, Pentyl (verzweigt oder unverzweigt), Hexyl (verzweigt oder unverzweigt).
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Das Halogenid-Anion ist vorzugsweise ausgewählt aus Chlorid oder Bromid.
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Besonders bevorzugte Vinylimidazolium-Verbindungen sind ausgewählt aus 1-Vinyl-3-ethylimidazolium bromid (VEImBr), 1-Vinyl-3-butylimidazolium bromid (VBImBr) und 1-Vinyl-3-butylimidazolium chlorid (VBImCl).
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Die Vinylimidazolium-Verbindung ist vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit oder hat Eigenschaften einer ionischen Flüssigkeit. Die polymerisierte Vinylimidazolium-Verbindung bzw. das Polymerisat aus der Vinylimidazolium-Verbindung kann in diesem Zusammenhang auch als polyionische Flüssigkeit oder polymere ionische Flüssigkeit (abgekürzt als PIL, polymeric ionic liquid), wobei diese Flüssigkeit auf einer Vinylimidazoliumverbindung basiert, bezeichnet werden. Solche Substanzen und ihre Herstellung sind beispielsweise beschrieben in Bandomir et al., Macromol. Chem. Phys. 2014, 215, 716–724.
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Das Vernetzungsmittel ist an sich nicht besonders beschränkt. Das Vernetzungsmittel weist vorzugsweise zwei Vinylreste auf, vorzugsweise endständige Vinylreste. Die Struktur ist beispielsweise beschrieben mit Vinyl-(Vernetzergruppe)-Vinyl.
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Die Vernetzergruppe kann ein geradkettiges oder verzweigtes Kohlenstoffgerüst, insbesondere eine geradkettige oder verzweigte Kohlenwasserstoffgruppe, aufweisen, das/die ein oder mehrere Heteroatome, insbesondere O, N oder S aufweisen kann. Heteroatome können in ein Kohlenstoffgerüst integriert oder an ein Kohlenstoffgerüst angefügt sein.
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In einer Variante der Erfindung weist das Vernetzungsmittel N,N´-Methylenbisacrylamid auf, beispielsweise als Hauptkomponente, oder das Vernetzungsmittel besteht aus N,N´-Methylenbisacrylamid. Ein weiteres beispielhaftes Vernetzungsmittel ist Divinylglycidylether.
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Das wässrige Medium, in dem die Polymerisation durchgeführt wird, ist eine wässrige Flüssigkeit. Das Medium weist vorzugsweise mindestens 50 %, mehr bevorzugt mindestens 50 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 80 Vol.-% und am meisten bevorzugt mindestens 90 Vol.-% Wasser auf. Neben Wasser kann eine weitere, mit Wasser mischbare, Flüssigkeit vorhanden sein, wie Alkohol.
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Die Einsatzmengen von Vinylimidazolium-Verbindung zu Vernetzungsmittel betragen in einer Ausführungsform der Erfindung:
95 mol%–99 mol% Vinylimidazolium-Verbindung, vorzugsweise 98–99 mol%, und 1 mol%–5 mol% Vernetzungsmittel, vorzugsweise 1–2 mol%,
wobei sich die Molprozente von Vinylimidazolium-Verbindung und Vernetzungsmittel vorzugsweise zu 100 mol% addieren. Sofern weitere Bestandteile vorhanden sind,
können sich die Molprozente von Vinylimidazolium-Verbindung und Vernetzungsmittel zu weniger als 100% addieren. Wässriges Medium bzw. Molmengen wässriges Medium bleiben außer Betracht.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem Polymerisierungsschritt ein Hydrogel erhalten. Das Hydrogel weist auf oder ist definiert als: Ein dreidimensionales Netzwerk aus vernetztem Polymerisat aus der Vinylimidazolium-Verbindung sowie wässrige Flüssigkeit. Zumindest ein Teil, vorzugsweise der überwiegende Teil der wässrigen Flüssigkeit ist in Zwischenräumen des dreidimensionalen Netzwerks angeordnet bzw. lokalisiert. Weiterhin kann ein Teil der wässrigen Flüssigkeit nach Polymerisieren physikalisch an das dreidimensionale Netzwerk gebunden sein oder frei vorliegen, beispielsweise an der Oberfläche des Hydrogels.
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Das Trocknen erfolgt in einer Ausführungsform bei Atmosphärendruck oder einem leichten Unterdruck der Umgebung. Bevorzugte Druckbereiche sind
700 mbar–1100 mbar,
800 mbar–1100 mbar,
900 mbar–1100 mbar,
950 mbar–1100 mbar,
600 mbar–1050 mbar,
700 mbar–1050 mbar,
800 mbar–1050 mbar,
900 mbar–1050 mbar,
950 mbar–1050 mbar,
600 mbar–1015 mbar,
700 mbar–1015 mbar,
800 mbar–1015 mbar,
900 mbar–1015 mbar,
950 mbar–1015 mbar.
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Die Umgebung zur Trocknung ist eine Gasatmosphäre. Anders ausgedrückt ist des Hydrogel zur Trocknung von einer Gasatmosphäre umgeben. Eine bevorzugte Gasatmosphäre ist Luft. Weitere mögliche Gasatmosphären sind Stickstoff oder Edelgas, wie Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon. Beliebige Mischungen der genannten Gase sind möglich. Die Gasatmosphäre kann eine definierte Feuchtigkeit oder einen definierten Wasserdampfpartialdruck aufweisen.
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Das Trocknen des Hydrogels erfolgt in einer Variante der Erfindung bei einer Temperatur von 10–30 Grad Celsius, vorzugsweise 15–25 Grad Celsius, insbesondere bei Raumtemperatur.
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Das getrocknete vernetzte Polymerisat weist in einer Ausführungsform der Erfindung einen Wassergehalt von ≤ 10 Gewichts-%, vorzugsweise ≤ 8 Gewichts-%, noch mehr bevorzugt ≤ 6 Gewichts-%, am meisten bevorzugt ≤ 5 Gewichts-% auf. Der Wassergehalt kann mit Thermogravimetrie oder Karl-Fischer Titration bestimmt werden. Die oben angegebenen Wassergehalte sind mit Thermogravimetrie bestimmt. Die Methode ist im Beispielteil beschrieben.
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Bei dem Verfahren findet das Trocknen des Hydrogels insbesondere solange statt, bis der Wassergehalt in einem der obigen Wertebereiche liegt bzw. einen der oben genannten Werte erreicht oder unterschritten hat.
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In einer Variante der Erfindung erfolgt das Trocknen in dem Verfahren über eine Zeitdauer von ≥ 4 Tage, vorzugsweise ≥ 5 Tage, noch mehr bevorzugt ≥ 6 Tage, noch mehr bevorzugt ≥ 10 Tage oder ≥ 20 Tage. Vorzugsweise wird die Trockendauer so gewählt, dass ein oben genannter Wassergehalt erzielt wird.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein vernetztes Polymerisat aus einer Vinylimidazolium-Verbindung, das eine Kompression auf ≤ 20 % der ursprünglichen Länge eines Prüflings aus dem Polymerisat bei einer Belastung von ≥ 3 MPa in Längsrichtung aufweist. Eine Kompression auf ≤ 20 % der ursprünglichen Länge eines Prüflings bedeutet, dass der Prüfling im komprimierten Zustand ≤ 20 % der ursprünglichen Länge aufweist. Anders ausgedrückt ist der Prüfling um ≥80% der ursprünglichen Länge komprimiert.
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Die Kompression und die zugeordnete Belastung eines Prüflings werden vorzugsweise mit folgender Methode ermittelt:
Die EN ISO 527-1 (aktuelle ISO-Version Februar 2012, letzte Ausgabe vom April 1996) ist eine Europäische Norm für Kunststoffe zur Bestimmung der Zugeigenschaften, welche durch einen Zugversuch mit einer Zugprüfmaschine ermittelt werden.
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Härteprüfmaschine Z2.5 der Firma Zwick/Roell, Temperatur: 22 +/– 2 Grad Celsius, Kraftaufnehmer 500N oder 2000N, jaw inserts (Backen, Zahnbacken), Kompressionsgeschwindigkeit 1 mm/min., Dimension des Prüflings: zylindrisch, wobei Länge des Zylinders = Durchmesser des Zylinders. Je nach Wassergehalt des vernetzten Polymerisats kann die Länge/der Durchmesser von 6 mm bis 10 mm variieren.
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In einer speziellen Ausführungsform eines vernetzten Polymerisats weist das Polymerisat eine Kompression auf ≤ 2% der ursprünglichen Länge eines Prüflings aus dem Polymerisat bei einer Belastung von ≥ 7 MPa, in Längsrichtung auf. Weitere mögliche Bereiche sind:
Kompression auf ≤ 2% der ursprünglichen Länge eines Prüflings aus dem Polymerisat bei einer Belastung von ≥ 8 MPa in Längsrichtung,
Kompression auf ≤ 2% der ursprünglichen Länge eines Prüflings aus dem Polymerisat bei einer Belastung von ≥ 10 MPa in Längsrichtung,
Kompression auf ≤ 2% der ursprünglichen Länge eines Prüflings aus dem Polymerisat bei einer Belastung von ≥ 12 MPa in Längsrichtung,
Kompression auf ≤ 2% der ursprünglichen Länge eines Prüflings aus dem Polymerisat bei einer Belastung von ≥ 14 MPa in Längsrichtung,
Kompression auf ≤ 2% der ursprünglichen Länge eines Prüflings aus dem Polymerisat bei einer Belastung von ≥ 16 MPa in Längsrichtung,
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Eine Kompression auf ≤ 2 % der ursprünglichen Länge eines Prüflings bedeutet, dass der Prüfling im komprimierten Zustand ≤ 2 % der ursprünglichen Länge aufweist. Anders ausgedrückt ist der Prüfling um ≥ 98% der ursprünglichen Länge komprimiert.
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Die Längsrichtung ist die Richtung, in welcher der Prüfling komprimiert wird. Die Länge des komprimierten Prüflings im Verhältnis zur Länge des nicht komprimierten Prüflings (ursprüngliche Länge) wird also in Richtung der Kompression bzw. des Drucks betrachtet. Je nach Prüflingsgeometrie kann auch in eine Richtung komprimiert werden, in welche der Prüfling eine kürzere Ausdehnung aufweist als in eine andere Richtung. Definitionsgemäß ist die Richtung der Kompression dann dennoch die Längsrichtung zur Bestimmung der Kompression. Die oben bezeichnete Längsrichtung kann nach oben weisen, und als Höhenrichtung bezeichnet werden, wenn eine Belastung in Höhenrichtung stattfindet, also beispielsweise durch Druck von oben nach unten, oder unten nach oben, und wenn ein erwähnter Prüfling durch Druck von unten oder von oben belastet wird, also in der sogenannten Höhenrichtung des Prüflings. Entsprechend kann die Länge eines erwähnten Prüflingszylinders dann als Höhe des Prüflingszylinders bezeichnet werden.
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Die Erfindung betrifft insbesondere auch ein vernetztes Polymerisat, das nach einem vorangehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist. Entsprechend wird auf die bei dem Verfahren bereits erläuterten strukturellen Eigenschaften eines Verfahrensprodukts Bezug genommen, die auch entsprechend das erfindungsgemäße vernetzte Polymerisat aufweisen kann. Beispielsweise weist das vernetzte Polymerisat einen Wassergehalt von ≤ 10 Gewichts-% auf.
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Das Polymerisat kann folgende(s) Struktur, Unterstruktur oder Strukturmerkmal aufweisen:
wobei n und m ganze Zahlen sind, n vorzugsweise größer 1 ist, m vorzugsweise 1 ist, R ein Alkylrest ist und X
– ein Halogenid-Anion oder Acetat ist, und die Abkürzung „Vernetzergruppe“ für eine chemische Struktur einer vernetzenden Gruppe steht, die Teil eines Vernetzungsmittels ist. R und X
– kann vorzugsweise die Bedeutung aufweisen, wie vorangehend bei einer Vinylimidazolium-Verbindung beschrieben.
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Die Struktur der vernetzenden Gruppe eines nicht reagierten Vernetzungsmittels weist an den Enden gemäß obiger Darstellung jeweils eine Vinylgruppe auf, welche in die polymere Kette eingebaut wird, zur Bildung der Struktur zwischen den beiden eckigen Klammern mit dem Index „m“, nämlich [-CH2-CH(Vernetzergruppe)-]m.
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Die Struktur des unreagierten Vernetzungsmittels ist somit vorzugsweise: Vinyl-Vernetzergruppe-Vinyl
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Das Polymerisat kann folgende(s) Struktur, Unterstruktur oder Strukturmerkmal aufweisen:
wobei n und m ganze Zahlen sind, n vorzugsweise größer 1 ist, m vorzugsweise 1 ist, R ein Alkylrest ist und X
– ein Halogenid-Anion oder Acetat ist.
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Die obigen Formeln geben das vernetzte Polymerisat verkürzt bzw. in einem Ausschnitt wieder, was durch die Begriffe „Unterstruktur“ oder „Strukturmerkmal“ ausgedrückt ist. Im oberen Teil der Formeln wird nach der Klammer mit dem Index m (Vernetzungseinheit) die Struktur rechts mit einer oder mehr Einheiten mit der eckigen Klammer mit dem Index n (Wiederholungseinheit des Polymers) fortgesetzt. Im unteren Teil der Formeln sind rechts und links der Vernetzungseinheit eine oder mehrere Einheiten mit der eckigen Klammer mit dem Index n (Wiederholungseinheit des Polymers) vorhanden, aber nicht dargestellt, sodass das obere polymere Molekül und das untere polymere Molekül eine ähnliche Struktur aufweisen (unterscheidend ggf. in der Zahl m und/oder n). Die Enden der polymeren Moleküle stellen somit keine Methylgruppen dar sondern es wird das Molekül dort mit Einheiten mit dem Index n oder Einheiten mit dem Index m fortgesetzt, wie bei der Darstellung von Polymeren allgemein üblich. Außerdem können selbstverständlich mehrere mehr als die jeweils beispielhaft gezeigten beiden polymeren Moleküle, aufweisend Wiederholungseinheiten []n und eine oder mehrere Vernetzungseinheiten []m, vorhanden sein. Eine Vielzahl polymerer Moleküle kann untereinander quervernetzt sein, sodass ein Netzwerk erhalten wird, von dem oben nur zwei polymere Moleküle und eine Vernetzungsstelle gezeigt sind.
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Das Verfahrensprodukt des vorangehend beschriebenen Verfahrens kann ebenfalls eine(s) der oben bezeichneten Strukturen, Unterstrukturen oder Strukturmerkmale aufweisen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Implantat für medizinische Zwecke, aufweisend ein vorangehend beschriebenes vernetztes Polymerisat oder ein Polymerisat, das nach einem vorangehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist. Das Implantat ist insbesondere ein Knorpelimplantat. Ein Implantat, insbesondere ein Knorpelimplantat, weist vorzugsweise die äußere Form eines zu ersetzenden Körperteils, insbesondere eines zu ersetzenden Knorpels, auf. Das Implantat kann weiterhin Füll- oder Zusatzstoffe aufweisen, beispielsweise natürlich vorkommende Polymere, künstliche Polymere oder anorganische Materialien.
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Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines vorangehend beschriebenen vernetzten Polymerisats oder eines nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren erhaltenen vernetzten Polymerisats für eine medizinische Anwendung. Eine medizinische Anwendung ist insbesondere eine chirurgische Anwendung, eine implantologische Anwendung, und/oder eine therapeutische Anwendung.
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Insbesondere kann das vernetzte Polymerisat als Implantat, Vehikel zum Wirkstofftransport, Vehikel zur Wirkstofffreisetzung, Material für Kontaktlinsen, Gerüstmaterial zur Gewebebildung, Gerüstmaterial für Knochenbildung, Beschichtung von Implantaten verwendet werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Es zeigen:
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1 Einfluss verschiedener Trocknungsprozesse und Lagereffekte in verschiedenen Lösungsmitteln auf mechanischen Eigenschaften von Hydrogelen,
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2 Vergleich der mechanischen Eigenschaft von Poly(VEImBr)-Hydrogel im Vergleich zu abgewandelten Hydrogelen.
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Beispiele
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1. Eingesetzte Ionische Flüssigkeiten (ILs) und ihre Synthese
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Monomere/ILs:
- – 1-Vinyl-3-ethylimidazolium bromid (1): VEImBr
- – 1-Vinyl-3-butylimidazolium bromid (2): VBImBr
- – 1-Vinyl-3-butylimidazolium chlorid (3): VBImCl
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Synthese IL 1 (VEImBr):
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37,644 g (0,4 mol) 1-Vinylimidazole wird in einem braunen Rundkolben (250 mL) vorgelegt, welcher mit Eis gekühlt wird. In einem braunen Becherglas werden 56,66 g (0,52 mol) 1-Ethylbromid abgewogen. Das Ethylbromid wird in 40 mL Acetonitril verdünnt, um die Flüchtigkeit zu verringern. Im Anschluss wird diese Lösung tropfenweise zum 1-Vinylimidazole hinzu pipettiert. Die Reaktionslösung muss dann 36 h rühren, wobei das
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Eis schmilzt und die Reaktion bei Raumtemperatur stattfindet. Die IL (1) fällt im Kolben als weißer Feststoff aus. Nach Beendigung der Reaktion wird das überschüssige Acetonitril abrotiert. Das Produkt wird mit Diethylether in ein Becherglas überführt und gewaschen. Dazu wird die IL mit Lösungsmittel bedeckt und ca. 20 min gerührt. Der Diethylether wird dann abdekantiert und neues Lösungsmittel bedeckt die IL. Die beschriebene Aufarbeitung wird drei bis viermal durchgeführt. Nach der letzten Aufarbeitung wird die IL in Methanol gelöst und in einen Rundkolben gefüllt. Zum Schluss wird das Methanol abrotiert und ein weißer Feststoff mit 90% Ausbeute wird erhalten.
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Synthese IL 2 (VBImBr):
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18,8 g (0,2 mol) 1-Vinylimidazole wird in einem braunen Rundkolben (250 mL) eingewogen und mit Argon an der Schlenkline gesättigt. 34,26 g (0,25 mol) 1-Brombutan wird in einem braunen Vial eingewogen und mit Argon überströmt. Das 1-Brombutan wird dann tropfenweise zu dem vorgelegten 1-Vinylimidazole pipettiert, wobei die Spritze vorher mit Argon gespült wurde. Nach vollständiger Zugabe wird der Schlenkaufsatz sofort auf den Kolben gesetzt und Argon wird in den Rundkolben eingeleitet. Die Reaktionslösung wird 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Aufarbeitung erfolgt mit Diethylether, wobei dreimal sehr lange (1 h) gewaschen wird. Die IL (2) fällt als weißgelblicher Feststoff aus. Das Lösungsmittel wird durch abdekantieren ausgetauscht. Nach Beendigung der Waschung wird der überschüssige Diethylether entfernt und die IL wird in Methanol gelöst. Das Lösungsmittel wird abrotiert und der ölige Rückstand wird über Nacht im Tiefkühler zum Kristallisieren gebracht. Die Ausbeute beträgt 50%.
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Synthese IL 3 (VBImCl):
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20 g (0,2125 mol) 1-Vinylimidazole werden in einem braunen Rundkolben (250 mL) vorgelegt. In einem Becherglas werden 37 g (0,4 mol) 1-Butylchlorid abgewogen, welches dann tropfenweise zum 1-Vinylimidazole hinzu pipettiert wird. Auf den Rundkolben wird ein Rückflusskühler mit Stopfen aufgesetzt. Die Reaktionslösung muss dann 50 h bei 70 °C rühren. Nach abkühlen der Lösung auf Raumtemperatur wird die obere Phase vorsichtig in ein Becherglas abgenommen, die dann mindestens viermal mit Diethylether gewaschen wird. Dabei fällt ein beigefarbener Feststoff (3) aus, wodurch das Lösungsmittel abdekantiert werden kann. Am Ende der Aufarbeitung wird die IL (3) in Methanol gelöst und in einen Rundkolben überführt. Das Lösungsmittel wird am Rotationsverdampfer abrotiert. Das erhaltene ölige Produkt wird dann über Nacht in den Tiefkühler gelegt, um Kristalle zu bilden. Die IL (3) wird dann an der Schlenkline unter Hochvakuum mehrere Stunden getrocknet und gelbliche Kristalle mit einer Ausbeute von 35% werden erhalten.
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2. Allgemeine Synthese der IL-basierten Hydrogele
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Die Synthese der Hydrogele basiert auf einer radikalischen Polymerisation, die im nachfolgenden Schema dargestellt ist. Bei dem eingesetzten Quervernetzer handelt es sich um N, N´-Methylenbisacrylamid (Bisacrylamid).
Schema 1 Synthese von polymerisierten ILs als Hydrogelmaterialien
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1.47 mmol der jeweiligen IL (1-3) werden in 467 µL Reinstwasser gelöst und 197 µL Bisacrylamidlösung (Rotiphorese Gel B, 2%-ige Lösung) werden hinzugegeben. Im Anschluss werden noch 30 µL frische Ammoniumperoxodisulfat-Lösung (10%, w/w) sowie der Katalysator TEMED (6 µL, Tetramethylethylendiamin) dazu gegeben. Die Lösung wird 10 s mit dem Vortex gemixt und dann in eine zylindrische Gießform mit 10 mm Zylinderhöhe und 10 mm Zylinderdurchmesser überführt. Das IL zu Quervernetzer-Verhältnis beträgt 98,3:1,7 mol%.
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3. Prüfmethode für Kompressionstests
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Die Kompression und die zugeordnete Belastung eines Prüflings wurden mit folgender Methode ermittelt: EN ISO 527-1 (aktuelle ISO-Version Februar 2012).
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Alle Hydrogele wurden in einer spezifizierten Größe in einer Gießform hergestellt. Die Gießform wies eine zylindrische Form auf mit 10 mm Zylinderdurchmesser und 10 mm Zylinderhöhe. Wie unter Punkt 2. beschrieben, wurden Hydrogele in der Gießform hergestellt, so dass man Prüflinge entsprechend zylindrischer Dimensionierung erhielt. Anhand dieser zylindrischen Prüflinge wurde das mechanische Verhalten der synthetisierten Hydrogele nach Trocknung oder Lagerung in verschiedenen Lösungsmitteln untersucht. Die Materialien wurden auf Kompression belastet bzw. durch äußeren Druck in Längsrichtung bzw. Höhenrichtung des Zylinders komprimiert. Die Messungen wurden bei 22 +/– 2 Grad Celsius mit einer Einzelsäulen-Zwecke-Line-Testmaschine (Härteprüfmaschine) Z2.5 von Zwick/Roell durchgeführt. Ausgerüstet mit einer 500N oder 2000N Kraftaufnehmer und Jaw-Einsätzen. Zur Datenanalyse wurde die Software TestXpert-Standard verwendet. Die Komprimierungsgeschwindigkeit betrug 1 mm/Min. Alle Hydrogele wurden mindestens dreimal synthetisiert und mittels Kompressionstest untersucht.
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4. Ergebnisse Kompressionstests
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In 1 ist der Einfluss verschiedener Trocknungsprozesse und Lagereffekte in verschiedenen Lösungsmitteln auf die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele gezeigt, die auf den untersuchten polymerisierten ionischen Flüssigkeiten basiert sind. Zylindrische Hydrogel-Test-Prüfkörper mit einer Höhe von 10 mm und einem Durchmesser von 10 mm wurden hergestellt wie oben ausgeführt und für Trocknungsexperimente verwendet. Getrocknete Hydrogele wurden mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min. komprimiert, bis sie entweder brachen oder bis zu einem Maximum von 2000N belastet waren. Der Effekt der Dehydrierung auf die mechanische Festigkeit von poly-1-vinyl-3-ethyl-imidazolium Bromid (poly(VEImBr)) unter Verwendung verschiedener Bedingungen und Zeitdauern ist in der 1 gezeigt. 1 zeigt die Druck(stress)-Kompressions-Kurven von Poly(VEImBr)-Hydrogelen in getrockneter Luft bei 22 +/– 2 Grad Celsius über eine verschiedene Anzahl von Tagen und andererseits getrocknet in einem Vakuum-Trocknungsofen (VDO) bei 25 Grad Celsius über einen Tag bei verschiedenen Drücken (jeweils dreifach gemessen, n = 3).
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Drei Typen Wasser wurden in hydrophilen Polymergelen klassifiziert: Gebundenes Wasser (nicht frierend), Zwischenraumwasser und freies Wasser. Zunächst schrumpft aufgrund der Verdampfung des freien Wassers das polymere Netzwerk, gefolgt von Zwischenraumwasser und gebundenem Wasser. Die Poly(VEImBr)-Hydrogele zeigten ein günstiges und gleichmäßiges Schrumpfverhalten mit einem Verlust von bis zu 40 % Größe in jeder Dimension, gemessen an der anfänglichen Größe. Aus einem zylindrischen Prüfling mit 10 mm Durchmesser und 10 mm Höhe erhielt man bei einem Schrumpfen von 40 % einen Prüfling von 6 mm Höhe und 6 mm Durchmesser. Eine Übersicht über die Prüflingsdimensionen infolge einer Schrumpfung beim Trocknen an der Luft über verschiedene Zeitdauern ist in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1:Veränderungen der Masse und Abmessungen von Hydrogelen bei Trocknung an Luft bei 22 ± 2 °C als Funktion der Trocknungszeit
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Die getrockneten Hydrogele zeigten eine verbesserte Kompressibilität, wie aus 1 hervorgeht.
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Während frische Poly(VEImBr)-Hydrogele bis zu 75,3 +/– 0,8 % kompressibel sind, (bei einer Druckbelastung von nur 51,5 kPa, Daten nicht gezeigt) zeigten über einen Tag getrocknete Poly(VEImBr)-Hydrogele eine höhere Kompression (82,6 +/– 2,3 %) bei einem Druckbelastungs(Stress)-Wert von 200 kPa (in 1 nicht gezeigt).
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Nach 4 Tagen Trocknung an der Luft wurde immer noch kein Bruch des Prüflings während der Kompressionsexperimente beobachtet. Stattdessen zeigten komprimierte Hydrogele eine hervorragende Elastizität und erreichen bei Wegnahme der Druckbelastung ihre ursprüngliche Form innerhalb weniger Minuten. Ein weiteres Trocknen von bis zu 7 oder 30 Tagen erhöhte den Druck bei 80 % Kompression auf 3,05 +/– 0,34 MPa bzw. 8,63 +/– 0,69 MPa. Über sieben Tage getrocknete Poly(VEImBr)-Hydrogele waren bis auf 2 % ihrer ursprünglichen Höhe, also um 98 %, kompressibel, bei einem enormen Druckbelastungswert von 16,4 +/– 0,1 MPa. Siehe hierzu 1.
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Aus 1 geht auch hervor, dass Poly(VEImBr)-Hydrogele, die einem Vakuum-Ofen getrocknet wurden, anderweitige und schlechtere mechanische Eigenschaften in Reaktion auf verschiedene Drücke aufwiesen (1). Bei 10 mbar getrocknete Hydrogele waren nur bis zu 15,7 +/– 5,0 % kompressibel, bei einem Druckbelastungswert von 10,4 MPa. Bei einem Druck von 250 mbar ergab sich eine vergleichsweise bessere Kompression von 94,4 +/– 2,2 % bei einem Druckbelastungswert von 4,44 MPa. Den geringsten Druckbelastungswert zeigte Poly(VEImBr)-Hydrogel, das bei 500 mbar getrocknet wurde (0,54 MPa), was eine direkte Beziehung zwischen aufgebrachtem Druck und mechanischen Eigenschaften anzeigt.
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2 zeigt einen Vergleich der mechanischen Eigenschaft von Poly(VEImBr)-Hydrogel im Vergleich zu abgewandelten Hydrogelen. Einmal wurde eine Butyl-Gruppe statt einer Ethyl-Gruppe verwendet, bei Poly(VBImBr) und einmal Bromid gegen Chlorid als Anion ausgetauscht, bei Poly(VBImCl). Alle Hydrogele wurden sieben Tage an Luft getrocknet und zur Charakterisierung der mechanischen Stabilität komprimiert.
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Man erhielt keine erwähnenswerten Differenzen in den Schrumpfungsraten von Poly(VEImBr) (1), Poly(VBImBr) (2) und Poly(VBImCl) (3) (siehe Tabelle 1). Die Hydrogele zeigten keinen Bruch aufgrund der Druckbelastungen. Die Druckbelastungs-Kompressionskurven für (1) und für (2) Hydrogele sind ähnlich. Die getrockneten Hydrogele (3) waren weicher und zeigten weniger mechanische Festigkeit (7,8 +/– 0,9 MPa bei 98 % Kompression) im Vergleich zu (1), das einen Druckbelastungswert von 16,4 +/– 0,1 MPa bei 98 % Kompression aufweist und zu (2) mit 14,1 +/– 1,0 MPa, ebenfalls bei 98 % Kompression.
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Die 1 und 2 zeigen kurz zusammengefasst, dass bei einem schonenden Trocknen von Hydrogelen bei leichtem Unterdruck bis Normaldruck und an der Luft aus einer polymerisierten und quervernetzten Vinylimidazolium-Verbindung festere Hydrogele mit extrem hoher Kompressibilität und erhöhten Druckbelastungswerten erhalten wurden, wenn man mit einer Trocknung im Vakuum-Ofen vergleicht.
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5. Thermogravimetrische Analyse
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Zur Untersuchung der thermischen Stabilität der Hydrogele wurden thermogravimetrische Analysen durchgeführt. Daraus ergeben sich die Massenverluste in Abhängigkeit von der Temperatur sowie die Zersetzungstemperatur. Die Messungen wurden mit einem Gerät Setaram Labsys 1600 TGA-DSC in Argon-Atmosphäre durchgeführt. Die Heizrate beträgt 5 K/min. Die Hydrogele werden in einem Aluminiumoxid-Tiegel eingewogen (20–30 mg). Nach Einbringen in das Gerät wird der Ofen 30 min mit Argon gespült. Die Daten werden durch Abzug der Basislinie korrigiert. Eine Temperaturkorrektur wurde nicht durchgeführt. Die Datenauswertung erfolgte mit dem Programm Setsoft 2000.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Übersichtsartikel von Puppi et. Al, progress in Polymer Science 35 (2010) 403–440 [0002]
- Publikation von Park et. Al., Ann. Biomed. Eng., 2008, 36, 425–434 [0003]
- Bandomir et al., Macromol. Chem. Phys. 2014, 215, 716–724 [0018]
- EN ISO 527-1 [0032]
- ISO-Version Februar 2012, letzte Ausgabe vom April 1996 [0032]
- EN ISO 527-1 (aktuelle ISO-Version Februar 2012) [0058]
