DE19828369A1 - Coated polymeric substrate, e.g. catheter, tube, probe, glove, condom or endoscope, with coating having high degree of lubricity, biocompatibility and bacteria repellency - Google Patents
Coated polymeric substrate, e.g. catheter, tube, probe, glove, condom or endoscope, with coating having high degree of lubricity, biocompatibility and bacteria repellencyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft hydrophil beschichtete polymere Substrate mit einer sehr gute haftenden Beschichtung, die in Kontakt mit wäßrigen Medien eine hohe Gleitfähigkeit aufweist und zudem bioverträglich und in hohem Maße bakterienabweisend ist. Die Erfindung betrifft weiter hin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen beschichteten Sub strats, dessen Verwendung für die Herstellung von medizinischen Gerä ten oder Instrumenten sowie diese Geräte und Instrumente.The invention relates to hydrophilic coated polymeric substrates a very good adhesive coating that is in contact with aqueous Media has a high lubricity and is also biocompatible and is highly bacteria-resistant. The invention further relates hin a method for producing such a coated sub strats, its use in the manufacture of medical devices or instruments and these devices and instruments.
Hydrophile Beschichtungen mit hoher Gleitfähigkeit (d. h. niedrigem Reibungskoeffizienten) auf der Oberfläche von medizinischen Geräten oder Instrumenten, wie Kathetern, Schläuchen, Sonden und Endoskopen, sind erwünscht, weil sie deren Einführung in Gefäße erleichtern und sie darin leichter gleiten lassen. Es ist bekannt, daß die Oberflä chen von Polymeren, aus denen solche Geräte und Instrumente in der Regel bestehen, mit hydrophilen, gleitfähigen Beschichtungen versehen werden können, die aus Kombinationen von Polyurethan mit Polyvinyl pyrrolidon (PVP) bestehen. So wird in US-A-4,642,267 eine Beschich tung beschrieben, die aus einer Mischung aus einem thermoplastischen Polyurethan und und PVP besteht. Die Komponenten regieren nicht mit einander und auch nicht mit dem Polymersubstrat, auf das sie aufge bracht werden. Die Beschichtungen haften daher bei bestimmungsgemäßen Gebrauch der Geräte und Instrumente in Wasser oder wäßrigem Medium nicht fest genug, sind also nicht hinreichend dauerhaft.Hydrophilic coatings with high lubricity (i.e. low Coefficient of friction) on the surface of medical devices or instruments such as catheters, tubes, probes and endoscopes, are desired because they facilitate their introduction into vessels and let them slide in it more easily. It is known that the surface chen of polymers from which such devices and instruments in the Usually exist, provided with hydrophilic, lubricious coatings can be made from combinations of polyurethane with polyvinyl pyrrolidone (PVP) exist. For example, a coating is disclosed in US-A-4,642,267 tion described, consisting of a mixture of a thermoplastic Polyurethane and and PVP exists. The components do not govern each other and not with the polymer substrate on which they are applied be brought. The coatings therefore adhere when used as intended Use of the devices and instruments in water or aqueous medium not firm enough, so they are not sufficiently durable.
In US-A-4,585,666 werden medizinische Geräte und Instrumente mit hy drophilen Beschichtungen offenbart, die in einem zweistufigen Verfah ren erzeugt werden. Dabei bringt man zunächst eine Polyisocyanat schicht auf, die dann mit einer PVP-Schicht überschichtet wird. Die Beschichtung wird ausgehärtet, indem man sie in feuchter Atmosphäre erhitzt, wodurch aus dem Polyisocyanat ein Polyharnstoff entsteht. Die Beschichtungen sind wiederum nicht durch kovalente Bindungen auf dem Substrat fixiert, so daß sie ebenfalls nicht die wünschenswerte hohe Beständigkeit beim Gebrauch in wäßrigen Medien zeigen.In US-A-4,585,666 medical devices and instruments with hy drophilic coatings disclosed in a two-stage process be generated. First you bring a polyisocyanate layer, which is then covered with a PVP layer. The Coating is cured by placing it in a humid atmosphere heated, whereby a polyurea is formed from the polyisocyanate. The coatings, in turn, are not due to covalent bonds fixed to the substrate so that they are also not the most desirable show high resistance when used in aqueous media.
Zweistufige Verfahren sind apparativ und hinsichtlich des Zeitbedarfs aufwendiger als einstufige Arbeitsweisen, ermöglichen keine exakte Einstellung von Mengenverhältnissen der beiden Schichten, bewirken keine gleichmäßigen Lösungsvorgänge der beiden Schichten ineinander und erschweren so die Erzeugung von Schichten mit reproduzierbaren, "maßgeschneiderten" Eigenschaften.Two-stage processes are equipment and in terms of time required more complex than one-step procedures, do not allow exact Adjustment of the proportions of the two layers no uniform dissolution of the two layers into each other and make it difficult to create layers with reproducible, "tailor-made" properties.
Nach dem Vorschlag der U.S.-Patentanmeldung Serial No. 512.872, ein gereicht am 23. 04. 1990 werden Beschichtungen aus Polyurethanen herge stellt, die aus Polyisocyanaten und Polethylenoxiden entstehen. Die Beschichtungen werden durch einen einstufigen Tauchprozeß erzeugt, haben einen niedrigen Reibungswiderstand und werden als abriebbestän dig, hydrophil und gleitfähig beschrieben.Following the proposal of U.S. patent application Serial No. 512,872, a handed over on 04/23/1990 Polyurethane coatings are produced provides that arise from polyisocyanates and polyethylene oxides. The Coatings are created by a one-step immersion process, have a low frictional resistance and are resistant to abrasion dig, described hydrophilic and lubricious.
Die Europäische Patentanmeldung 0 483 941 A2 offenbart eine flexible. gleitfähige organische Beschichtung, die in einem wiederum einstufi gen Verfahren dadurch entsteht, daß man eine Mischung aus einem Polyisocyanat, einem Polyol, PVP und einer Trägerflüssigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche aufbringt, die Trägerflüssigkeit ent fernt, die verbliebene Mischung erhitzt und dadurch reagieren läßt. Das PVP nimmt an der Reaktion nicht teil, es entsteht vielmehr ein interpenetrierendes polymeres Netzwerk (IPN), in dem das gebildete Polyurethan und das eingebrachte PUP einander durchdringen. In der erwähnten US-Patentanmeldung heißt es entsprechend, daß das entste hende Polyurethan das PVP mittels Wasserstoffbrücken "komplexiert", die sich "höchstwahrscheinlich" zwischen dem Carbonylsauerstoff des PVP und dem NH-Wasserstoff der Urethanbindung ausbilden. Die Beschichtung eignet sich für medizinische Instrumente, die in den Körper eingeführt werden, zeigt in Wasser oder wäßrigem Medium einen erheblich verminderten Reibungswiderstand und gute Haftung auf Sub straten, insbesondere auf polymeren Substraten. Die Haftung werde möglicherweise durch "some reaction" zwischen Beschichtung und Sub strat verbessert (Spalte 1. Zeilen 35 bis 37). Es werden jedoch keine besonderen Maßnahmen getroffen, um das IPN kovalent auf dem Substrat zu fixieren. Im Ergebnis führt dieser Mangel dazu, daß die Beschich tungen hinsichtlich der Haftung auf der Oberfläche von medizinischen Instrumenten nicht vollbefriedigend sind. Sie lösen sich vielmehr ebenso wie die Beschichtungen gemäß der zuvor erwähnten US-Patentan meldung im Laufe der Zeit ab, insbesondere dann, wenn die Instrumente nach dem Gebrauch jeweils durch Behandlung mit Heißdampf sterilisiert werden müssen.European patent application 0 483 941 A2 discloses a flexible one. lubricious organic coating, which in turn in one step gene process arises from the fact that a mixture of a Polyisocyanate, a polyol, PVP and a carrier liquid on the applies to the surface to be coated, ent the carrier liquid distant, the remaining mixture heated and thereby reacted. The PVP does not take part in the reaction, rather it arises interpenetrating polymer network (IPN), in which the formed Polyurethane and the inserted PUP penetrate each other. In the mentioned US patent application accordingly states that the first polyurethane "complexes" the PVP using hydrogen bonds, which is "most likely" between the carbonyl oxygen of the Form the PVP and the NH hydrogen of the urethane bond. The Coating is suitable for medical instruments used in the Body inserted, shows one in water or aqueous medium significantly reduced frictional resistance and good adhesion to sub strate, especially on polymeric substrates. The liability will possibly due to "some reaction" between coating and sub strat improved (column 1. lines 35 to 37). However, none will special measures are taken to make the IPN covalent on the substrate to fix. As a result, this lack leads to the coating in terms of adhesion to the surface of medical Instruments are not fully satisfactory. Rather, they come loose as well as the coatings according to the aforementioned U.S. patent deregistration over time, especially when the instruments sterilized after use by treatment with superheated steam Need to become.
Ein Gegenstand der Erfindung sind beschichtete polymere Substrate mit einer sehr gut haftenden flexiblen, hydrophilen und bakterienabwei senden gleitfähigen Beschichtung, die ein integriertes polymeres Netzwerk ist, welches mittels eines Beschichtungsmittels aus (a) ei nem Polyisocyanat (b) einem Polyol (c) einem Polyvinylpyrrolidon und (d) einem Lösemittel erzeugt wurde. Die beschichteten Substrate sind dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung an das polymere Substrat über reaktive Gruppen, insbesondere über Aminogruppen gebun den ist, die durch eine Behandlung des polymeren Substrats mit einem Ammoniak-Plasma erzeugt wurden.The invention relates to coated polymeric substrates with a very well adhering flexible, hydrophilic and bacteria repellent send lubricious coating that is an integrated polymer Network is, which by means of a coating agent from (a) ei nem polyisocyanate (b) a polyol (c) a polyvinylpyrrolidone and (d) a solvent was generated. The coated substrates are characterized in that the coating on the polymer Bun substrate via reactive groups, especially via amino groups is that by treating the polymeric substrate with a Ammonia plasma were generated.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstel lung dieser beschichteten polymeren Substrate, bei dem man ein Beschichtungsmittel aus (a) einem Polyisocyanat (b) einem Polyol (c) einem Polyvinylpyrrolidon und (d) einem Lösemittel auf das poly mere Substrat aufbringt, das Lösemittel gegebenenfalls mindestens teilweise entfernt und die verbliebenen Komponenten (a) und (b) zu einem Polyurethan härtet, das mit der Komponente (c) ein integriertes polymeres Netzwerk bildet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man das polymere Substrat vor der Beschichtung mit einem Ammo niak-Plasma behandelt.Another object of the invention is a method of manufacture development of these coated polymeric substrates, in which one Coating agent from (a) a polyisocyanate (b) a polyol (c) a polyvinylpyrrolidone and (d) a solvent on the poly mers substrate, the solvent if necessary at least partially removed and the remaining components (a) and (b) too a polyurethane that hardens with component (c) polymer network forms. The process is characterized by that the polymeric substrate before coating with an ammo treated with niak plasma.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfin dungsgemäßen beschichteten polymeren Substrate für die Herstellung von medizinischen Geräten oder Instrumenten, deren Oberfläche ganz oder teilweise erfindungsgemäß beschichtet ist, oder von erfindungs gemäß beschichteten Teilen solcher Geräte oder Instrumente.Another object of the invention is the use of the inventions coated polymeric substrates according to the invention for the production of medical devices or instruments, the entire surface of which or partially coated according to the invention, or from fiction according to coated parts of such devices or instruments.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind diese Geräte und Instru mente bzw. deren beschichtete Teile selbst. Another object of the invention are these devices and instru elements or their coated parts themselves.
Die Behandlung des polymeren Substrats mit Ammoniak-Plasma verbessert die Haftung der Beschichtung erheblich, wohl durch Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen dem Polyisocyanat (und somit dem Poly urethan) und reaktiven Gruppen, insbesondere Aminogruppen, die auf dem Substrat bei der Einwirkung des Ammoniak-Plasmas entstehen. Erfindungsgemäß beschichtete Geräte und Instrumente behalten ihre ho he Gleitfähigkeit deutlich länger als vergleichbare Geräte und Instrumente, deren Polymeroberfläche keine Behandlung mit Ammoniak- Plasma erfahren hatte. Hinsichtlich der Gleitfähigkeit bzw. des Rei bungswiderstandes sowie der Flexibilität stehen die erfindungsgemäß auf polymere Substrate aufgebrachten Beschichtungen denen der erwähn ten europäischen Patentanmeldung nicht nach. Überraschenderweise ist der Reibungskoeffizient der Beschichtung auf einem mit Ammoniak-Plas ma behandelten Substrat noch niedriger als der Reibungskoeffizient auf einem unbehandelten Substrat unter sonst gleichen Bedingungen. Weiterhin ist überraschend, daß die bekannte IPN-Beschichtung aus Polyvinylpyrrolidon und Polyurethan auch eine ausgeprägte bakterien abweisende Wirkung zeigt und daß diese Wirkung unter sonst gleichen Bedingungen stärker ist, wenn die IPN-Beschichtung auf ein mit Ammo niak-Plasma vorbehandeltes Substrat aufgebracht ist.Treatment of the polymeric substrate with ammonia plasma improved the adhesion of the coating considerably, probably through the formation of covalent bonds between the polyisocyanate (and thus the poly urethane) and reactive groups, especially amino groups, which the substrate when exposed to the ammonia plasma. Devices and instruments coated according to the invention retain their ho he glide significantly longer than comparable devices and Instruments, the polymer surface of which is not treated with ammonia Had experienced plasma. With regard to the lubricity or the Rei Resistance to exercise and flexibility are available according to the invention coatings applied to polymeric substrates to those mentioned ten European patent application. Surprisingly it is the coefficient of friction of the coating on one with ammonia plas ma treated substrate even lower than the coefficient of friction on an untreated substrate under otherwise identical conditions. It is also surprising that the known IPN coating Polyvinyl pyrrolidone and polyurethane also have a pronounced bacteria shows repellent effect and that this effect under otherwise the same Conditions is stronger if the IPN coating is coated with an Ammo niak plasma pretreated substrate is applied.
Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Vorbehand lung des polymeren Substrats mit einem Ammoniak-Plasma. Hinsichtlich des Beschichtungsmittels und seiner Komponenten (a) bis (d), etwaiger Hilfs- und Zusatzstoffe, des Beschichtungs- und des Härtungsverfah rens sowie der Anwendungen der beschichteten polymeren Substrate unterscheidet sich das erfindungsgemäße beschichtete polymere Sub strat nicht oder nicht wesentlich von dem beschichteten Substrat nach der Lehre der europäischen Patentanmeldung 0 483 941 A2. Die Be schreibung dieser Merkmale kann daher kurz gehalten werden.The essential feature of the present invention is the pretreatment treatment of the polymeric substrate with an ammonia plasma. Regarding the coating agent and its components (a) to (d), any Auxiliaries and additives, the coating and curing process rens and the applications of the coated polymeric substrates the coated polymeric sub according to the invention differs did not or did not streak significantly from the coated substrate the teaching of European patent application 0 483 941 A2. The Be the description of these characteristics can therefore be kept short.
Zu den geeigneten polymeren Substraten zählen Polyamide, wie Polyca prolactam, Polylaurinlactam, Polyamid-6,6 und -6,12, Polyetheramide, Polyesteramide und Polyetheresteramide; Polyester, wie Polyethylente rephthalat und Polybutylenterephthalat; Polyadditionspolymere, wie Polyetherurethane, Polyesterurethane, Polyharnstoffe und Polyaddi tionspolymere mit Urethan- und Harnstoffgruppen; vulkanisierte natür liche und synthetische Polydiene (Kautschuke), wie Polybutadien, Polyisopren und Polychloropren sowie Copolymere aus den Monomeren dieser Kautschuke, gegebenenfalls auch mit anderen copolymerisierba ren Monomeren; Polyolefine, wie Polyethylen, Polypropylen, Polyethy len-co-propylen und Polyisobutylen; halogenhaltige Polymere, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen und Polyvinyiidenfluorid; Polymere und Copolymere aus bzw. mit vinylaro matischen Monomeren, wie Polystyrol, Polyvinyltoluol, Polystyrol-co vinyltoluol, Polystyrol-coacrylnitril, Polystyrol-co-butadien-co- acrylnitril. Poly(styrol-co-ethylen-co-1-buten); weiterhin Poly(sty rol-co-ethylen-co-2-buten), Polyether, Polycarbonate, Polysulfone, Polyetherketone, Polyacrylnitril, Polyacrylate und -methacrylate so wie Silicone. Auch Blends aus zwei oder mehr Polymeren oder Copolyme ren lassen sich nach dem Verfahren hydrophilieren, ebenso wie Kombi nationen aus verschiedenen Kunststoffen, die durch Verkleben, Ver schweißen oder Schmelzen miteinander verbunden sind, einschließlich der Übergangsbereiche.Suitable polymeric substrates include polyamides, such as polyca prolactam, polylaurin lactam, polyamide-6,6 and -6,12, polyether amides, Polyester amides and polyether ester amides; Polyesters such as polyethylene duck rephthalate and polybutylene terephthalate; Polyaddition polymers such as Polyether urethanes, polyester urethanes, polyureas and polyaddi tion polymers with urethane and urea groups; vulcanized natural liche and synthetic polydienes (rubbers), such as polybutadiene, Polyisoprene and polychloroprene as well as copolymers from the monomers these rubbers, optionally also with other copolymerisable ren monomers; Polyolefins, such as polyethylene, polypropylene, polyethylene len-co-propylene and polyisobutylene; halogen-containing polymers, such as Polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene and Polyvinylidene fluoride; Polymers and copolymers made of or with vinylaro matic monomers, such as polystyrene, polyvinyltoluene, polystyrene-co vinyl toluene, polystyrene-coacrylonitrile, polystyrene-co-butadiene-co- acrylonitrile. Poly (styrene-co-ethylene-co-1-butene); still poly (sty rol-co-ethylene-co-2-butene), polyethers, polycarbonates, polysulfones, Polyether ketones, polyacrylonitrile, polyacrylates and methacrylates so like silicones. Even blends of two or more polymers or copolyme Ren can be hydrophilized by the process, as well as combi nations made of different plastics, which by gluing, Ver welding or melting, including the transition areas.
Für die Behandlung mit Ammoniak eignen sich sowohl Hochfrequenzplas ma, auch Radiofrequenzplasma genannt (im Kilo- und Megaherzbereich) als auch Mikrowellenplasma (im Gigaherzbereich). Man evakuiert die Behandlungskammer und stellt dann einen bestimmten Ammoniakdruck ein, beispielsweise von 10 bis 500 Pa, vorzugsweise von 20 bis 180 Pa. Der Plasmagenerator kann in einem breiten Leistungsspektrum arbeiten. z. B. von einigen hundert Watt, wie 200 Watt, bis zu einigen Kilowatt, wie 10 Kilowatt. Die Behandlungsdauer kann ebenfalls innerhalb weiter Grenzen schwanken, z. B. 10 Sekunden bis zu 30 Minuten betragen. Nach dem Ende der Behandlung wird das Ammoniakgas abgepumpt oder mit Luft verdrängt, und die Behandlungskammer wird zweckmäßig mit Luft ge spült. Alternativ kann das Ammoniak-Plasma auch in strömendem Ammo niakgas erzeugt werden, indem man laufend Ammoniak zuführt und ab zieht und dabei auf einen Druck in den genannten Bereichen einregelt. Eine optimale Kombination von Frequenz. Leistung, Behandlungsdauer und Ammoniakdruck läßt sich für eine gegebenen Beschichtungsaufgabe durch orientierende Versuche unschwer ermitteln. Both high-frequency plasma are suitable for treatment with ammonia ma, also called radio frequency plasma (in the kilo and megahertz range) as well as microwave plasma (in the gigahertz range). They are evacuated Treatment chamber and then sets a certain ammonia pressure, for example from 10 to 500 Pa, preferably from 20 to 180 Pa. Of the Plasma generator can work in a wide range of services. e.g. B. from a few hundred watts, such as 200 watts, to a few kilowatts, like 10 kilowatts. The duration of treatment can also continue within Limits fluctuate, e.g. B. 10 seconds to 30 minutes. After At the end of the treatment, the ammonia gas is pumped out or with air displaced, and the treatment chamber is expediently ge with air rinses. Alternatively, the ammonia plasma can also be flowing ammo nia gas are generated by continuously adding and removing ammonia pulls and adjusts to a pressure in the areas mentioned. An optimal combination of frequency. Performance, duration of treatment and ammonia pressure can be used for a given coating task easily determined by orienting tests.
Durch die Plasmabehandlung entstehen auf der Polymeroberfläche reak tive Gruppen, insbesondere Aminogruppen. Bei Anwesenheit von Sauer stoff werden auch sauerstoffhaltige reaktive Gruppen gebildet, mögli cherweise Hydroxyl-, Carboxyl-, Carbonyl und/oder Hydroperoxygruppen. Für die Haftung der späteren Beschichtung dürften jedoch die Amino gruppen am wichtigsten sein, da Aminogruppen bekanntlich leichter mit Isocyanaten reagieren als die genannten sauerstoffhaltigen Gruppen. Die erzeugten Aminogruppen können bei Stickstoff-freien Substraten mittels ESCA und bei allen Substraten über Sekundärreaktionen nachge sen werden, die die Aminogruppe als Anker- oder Kopplungsfunktion benutzen (D. A. Puleo, J. Biomed.Res. 29, 951-7 [1995]).The plasma treatment creates reak on the polymer surface tive groups, especially amino groups. In the presence of Sauer reactive groups containing oxygen are also formed, possibly Usually hydroxyl, carboxyl, carbonyl and / or hydroperoxy groups. For the adhesion of the later coating, however, the amino acids are likely groups are the most important, since amino groups are known to be easier to use Isocyanates react as the oxygen-containing groups mentioned. The amino groups generated can be used with nitrogen-free substrates by means of ESCA and for all substrates via secondary reactions sen, the amino group as an anchor or coupling function use (D.A. Puleo, J. Biomed. Res. 29, 951-7 [1995]).
Das Polyisocyanat (a) verfügt über durchschnittlich mindestens zwei freie Isocyanatgruppen. Man verwendet zweckmäßig die Polyisocyanate, die als Ausgangsstoffe für Polyurethane allgemein verwendet werden. Als Beispiele seien 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat und dessen Stel lungsisomere, 2,4-Toluylendiisocyanat und dessen Stellungsisomere. 3,4-Dichlorphenyldiisocyanat, 1,6-Hexamethylendiisocyanat sowie Iso phorondiisocyanat genannt. Statt dieser oder anderer monomerer Diiso cyanate kann man vorteilhaft auch deren Präpolymere oder Addukte an Polyole verwenden.The polyisocyanate (a) has an average of at least two free isocyanate groups. The polyisocyanates are advantageously used, which are generally used as starting materials for polyurethanes. Examples include 4,4'-diphenylmethane diisocyanate and its stel lung isomers, 2,4-tolylene diisocyanate and its positional isomers. 3,4-dichlorophenyl diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate and iso called phorone diisocyanate. Instead of this or other monomeric diiso Cyanates can also advantageously be their prepolymers or adducts Use polyols.
Als Polyole (b) kommen in erster Linie die für die Herstellung von Polyurethan allgemein verwendeten Polyetherpolyole, Polyesterpolyole, Polyesteretherpolyole, Ricinusölpolyole und Polyacrylatpolyole in Betracht. Die durchschnittliche OH-Funktionalität des Polyols (b) be trägt wiederum mindestens 2. Die Kombination aus einem bestimmten Polyisocyanat (a) und einem bestimmten Polyol (b) sowie die Funktio nalitäten dieser Komponenten bestimmen die Eigenschaften der Beschichtung, z. B. deren Elastizität. Diese Zusammenhänge sind dem Fachmann wohlbekannt, so daß er für ein bestimmtes Anforderungsprofil eine geeignete Kombination benennen kann, gegebenenfalls nach orien tierenden Vorversuchen. Vorteilhaft setzt man ein Polyisocyanat (a) mit einer NCO-Funktionalität von etwa 2 und ein Polyol mit einer OH- Funktionalität von 3 oder höher ein, um ein vernetztes Polyurethan zu erzeugen. Das Polyisocyanat (a) und das Polyol (b) werden vorteilhaft in solchen Mengen eingesetzt, daß das Äquivalentverhältnis von NCO- Gruppen zu OH-Gruppen 0,75 bis 3,0 vorzugsweise von 1,0 bis 1,5 be trägt. Besonders bevorzugt wird ein Äquivalentverhältnis von etwa 1, wobei ein geringer Überschuß an NCO-Gruppen dem Wassergehalt im PUP (C) und im Lösemittel (d) sowie den durch die Ammoniak-Plasma-Behand lung erzeugten Aminogruppen Rechnung trägt.The polyols (b) are primarily those for the production of Polyurethane generally used polyether polyols, polyester polyols, Polyester ether polyols, castor oil polyols and polyacrylate polyols in Consideration. The average OH functionality of the polyol (b) be again bears at least 2. The combination of a certain one Polyisocyanate (a) and a certain polyol (b) as well as the functio The characteristics of these components determine the properties of the Coating, e.g. B. their elasticity. These relationships are the Well known to those skilled in the art so that they can meet a particular requirement profile can name a suitable combination, if necessary after orien preliminary tests. It is advantageous to use a polyisocyanate (a) with an NCO functionality of about 2 and a polyol with an OH Functionality of 3 or higher to make a cross-linked polyurethane produce. The polyisocyanate (a) and the polyol (b) become advantageous used in amounts such that the equivalent ratio of NCO Groups to OH groups 0.75 to 3.0 preferably from 1.0 to 1.5 be wearing. An equivalent ratio of about 1 is particularly preferred. a small excess of NCO groups the water content in the PUP (C) and in the solvent (d) as well as by the ammonia plasma treatment generated amino groups takes into account.
Das Polyvinylpyrrolidon (c) sollte ein mittleres Molekulargewicht Mw von 50.000 bis 2.500.000 aufweisen, vorteilhaft von etwa 360.000. Der Wassergehalt sollte weniger als 0,5 Gewichtsprozent betragen, damit nicht übermäßig viele Isocyanatgruppen des Polyisocyanats durch Reak tion mit Wasser verbraucht werden. Da PVP hygroskopisch ist und han delsübliches PUP in der Regel 3 bis 5 Gew.-% Wasser enthält, empfiehlt sich eine vorherige Trocknung, z. B. durch Erhitzen auf 80 bis 100°C im Wasserstrahlpumpenvakuum.The polyvinyl pyrrolidone (c) should have an average molecular weight Mw have from 50,000 to 2,500,000, advantageously from about 360,000. Of the Water content should be less than 0.5 percent by weight so not excessive isocyanate groups of the polyisocyanate by reak tion with water. Since PVP is hygroscopic and there The usual PUP usually contains 3 to 5% by weight of water, a prior drying is recommended, e.g. B. by heating to 80 up to 100 ° C in a water jet pump vacuum.
Das Gewichtsverhältnis der Komponenten (a) + (b), d. h. des Polyure thans, zur Komponente (c), dem PVP, kann in weiten Grenzen schwanken, nämlich von etwa 0,05 bis 3,0. Vorteilhaft liegt es zwischen 0,2 und 1,0.The weight ratio of components (a) + (b), i.e. H. of the polyure thans, to component (c), the PVP, can fluctuate within wide limits, namely from about 0.05 to 3.0. It is advantageously between 0.2 and 1.0.
Das Lösemittel (d) sollte gegenüber den Komponenten (a) bis (c) inert sein, aber alle Komponenten zu lösen vermögen. Es sollte insbesondere praktisch wasserfrei sein, d. h. weniger als 100 ppm Wasser enthalten. Geeignete Lösemittel sind z. B. Chlorkohlenwasserstoffe, wie Dichlor methan und Dibrommethan. Der bevorzugte Gehalt der Komponenten (a) bis (c) im Beschichtungsmittel ist relativ gering, er beträgt bei Verwendung von Dichlormethan zwischen 1 und 15 Gew.-%, vorzugsweise 2.25 bis 4 Gew.-%, und liegt bei Verwendung von Dibrommethan etwas niedriger.Solvent (d) should be inert to components (a) to (c) be able to solve all components. It should in particular be practically anhydrous, d. H. contain less than 100 ppm water. Suitable solvents are e.g. B. chlorinated hydrocarbons, such as dichlor methane and dibromomethane. The preferred content of components (a) to (c) in the coating composition is relatively low, it is Use of dichloromethane between 1 and 15 wt .-%, preferably 2.25 to 4 wt .-%, and is somewhat when using dibromomethane lower.
Wahlweise kann das Beschichtungsmittel außer den Komponenten (a) bis (d) Hilfsstoffe enthalten, wie Viskositätsregler, Antioxidantien, Pigmente, Trennmittel und Entschäumer, die der Art und der Menge nach denjenigen entsprechen, die in der Polyurethanchemie üblich sind. Optionally, the coating agent in addition to components (a) to (d) contain auxiliaries, such as viscosity regulators, antioxidants, Pigments, release agents and defoamers, depending on the type and amount correspond to those that are common in polyurethane chemistry.
Das polymere Substrat wird nach üblichen Methoden mit dem Beschich tungsmittel beschichtet, z. B. durch Tauchen, Spritzen, Flutbeschich tung oder Spin-Coating. Es wird bevorzugt, das Lösemittel (d) nach dem Auftrag des Beschichtungsmittels auf das Substrat zumindest teil weise zu entfernen, z. B. durch Trocknen an der Luft bei Raumtempera tur. Dabei sollten Maßnahmen ergriffen werden, um die Aufnahme von atmosphärischem Wasser durch das hygroskopische PVP zu verhindern oder zu vermindern. Dazu kann man z. B. die Umgebungsluft trocknen und/oder die Trocknungstemperatur erhöhen, z. B. auf 50 bis 60°C, um die Trocknungszeit zu verkürzen. Wenn die Beschichtung durch Spin Coating erfolgte, bedarf es in der Regel keiner zusätzlichen Trock nung.The polymeric substrate is coated using conventional methods coated with agent, e.g. B. by diving, spraying, flood coating tion or spin coating. It is preferred to add solvent (d) at least partially the application of the coating agent to the substrate way to remove, e.g. B. by drying in air at room temperature door. Measures should be taken to ensure the inclusion of to prevent atmospheric water through the hygroscopic PVP or decrease. You can do this e.g. B. dry the ambient air and / or increase the drying temperature, e.g. B. to 50 to 60 ° C to shorten the drying time. If the coating by spin Coating was done, there is usually no need for additional drying nung.
Die Härtung der Beschichtung unter Bildung des Polyurethans und des IPN erfolgt durch Erhitzen, vorteilhaft auf 80 bis 120°C, für einige Minuten (z. B. 5 Minuten) bis zu einigen Stunden (z. B. 10 Stunden). Für manche Anwendungen ist es empfehlenswert, den Beschichtungsvor gang, gegebenenfalls einschließlich der Behandlung mit dem Ammoniak- Plasma, zu wiederholen, um eine vollständige Bedeckung des polymeren Substrats mit der hydrophilen Beschichtung zu erreichen.The curing of the coating to form the polyurethane and IPN is done by heating, advantageously at 80 to 120 ° C, for some Minutes (e.g. 5 minutes) to a few hours (e.g. 10 hours). For some applications it is advisable to pre-coat course, including treatment with the ammonia Repeat plasma to complete coverage of the polymer To achieve substrate with the hydrophilic coating.
Wenn es im Einzelfall besonders darauf ankommt, daß die Beschichtung frei von niedermolekularen Bestandteilen ist, kann man diese extra hieren, beispielsweise indem man die beschichteten polymeren Substra te einige Zeit, wie 10 Minuten bis 3 Stunden, in ruhendes oder strö mendes Wasser von 50 bis 70°C taucht.If it is particularly important in individual cases that the coating is free of low-molecular components, you can use these extra here, for example by using the coated polymeric substrate some time, such as 10 minutes to 3 hours, in resting or flowing water from 50 to 70 ° C.
Die beschichteten polymeren Substrate haben nach Einwirkung von Was ser oder wäßrigen Medien einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten und sind daher in hohem Maße gleitfähig. Diese Eigenschaft bleibt selbst nach sehr vielen Trocknungs/Befeuchtungs-Zyklen, auch ein schließlich von Heißdampf-Sterilisierungen, erhalten. Die beschichte ten Substrate eignen sich daher zur Herstellung von Geräten oder Instrumenten, die in den Körper eingeführt werden und in den betref fenden Öffnungen oder Gefäßen gut gleiten sollen und/oder frei von Bakterien sein und bleiben sollen, oder als Teile von solchen Geräten oder Instrumenten. Als Beispiele seien Katheter, Schläuche, medizini sche Handschuhe, Kondome und Endoskope genannt.The coated polymeric substrates have after exposure to what water or aqueous media have a very low coefficient of friction and are therefore highly slippery. This property remains even after a very large number of drying / humidifying cycles finally obtained from superheated steam sterilizations. The coating Therefore, substrates are suitable for the manufacture of devices or Instruments that are inserted into the body and in which openings or vessels should slide well and / or be free of Bacteria should and should remain, or as parts of such devices or instruments. Examples include catheters, tubes, medical devices called gloves, condoms and endoscopes.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern, nicht aber den Schutzbereich begrenzen, wie er sich aus den Patentansprü chen ergibt.The following examples are intended to illustrate the invention further, not but limit the scope of protection as it results from the patent claims chen results.
Die zu behandelnden Proben werden entweder auf einen Glasträger auf geklebt oder an einer Glasvorrichtung montiert, so daß sie bei Anle gen von Unterdruck ihre Position in der Plasmakammer nicht verändern. Anschließend wird der Druck auf 5 bis 20 Pa vermindert und Ammoniak so zudosiert und abgesaugt, daß sich ein Druck von 10 bis 500 Pa, vorzugsweise 20 bis 180 Pa, einstellt und aufrechterhalten wird. Nach 20 sec Homogenisierungszeit für das Gas wird das Plasma gezündet. Die optimale Leistung pro Flächeneinheit des Substrats hängt von der Grö ße der Plasmakammer ab und läßt sich durch Vorversuche unschwer er mitteln. Die Behandlungsdauer kann 1 sec bis 30 min betragen, je nach Substrat und gewünschtem Ausmaß der Erzeugung von basischen Gruppen. Anschließend wird die Plasmakammer etwa 1 min mit Luft gespült. Gege benfalls wird erneut Vakuum angelegt, um letzte Spuren Ammoniakgas zu entfernen. The samples to be treated are either placed on a glass slide glued or mounted on a glass device so that it can be used in Anle Do not change their position in the plasma chamber due to negative pressure. The pressure is then reduced to 5 to 20 Pa and ammonia dosed and suctioned off so that a pressure of 10 to 500 Pa, preferably 20 to 180 Pa, is set and maintained. After The plasma is ignited for 20 seconds of homogenization for the gas. The optimal performance per unit area of the substrate depends on the size esse the plasma chamber and can be easily through preliminary tests average. The treatment time can be 1 sec to 30 min, depending on Substrate and desired level of basic group generation. The plasma chamber is then flushed with air for about 1 min. Opp if necessary, vacuum is applied again to remove the last traces of ammonia gas remove.
Bestimmung von basischen Gruppen auf dem behandelten Substrat Mittels ESCA wurde die Atomzusammensetzung der Oberfläche von behan delten und unbehandelten Polyethylenplatten gemessen.Determination of basic groups on the treated substrate The atomic composition of the surface was treated with ESCA measured and untreated polyethylene plates.
Die Beschichtungslösung hatte die folgende Zusammensetzung:
The coating solution had the following composition:
1,71 g (4,2 mmol) Polyethylenglykol. mittleres Molgewicht 400
1,15 g (4,6 mmol) Methylendi(4-phenylisocyanat)
13.8 g Polyvinylpyrrolidon ( = 5 Gew. 4) in 276 g Dichlormethan
320 g Dichlormethan1.71 g (4.2 mmol) polyethylene glycol. average molecular weight 400
1.15 g (4.6 mmol) methylene di (4-phenyl isocyanate)
13.8 g polyvinylpyrrolidone (= 5 wt. 4) in 276 g dichloromethane
320 g dichloromethane
Die Substrate wurden 20 sec in die Beschichtungslösung getaucht. Anschließend ließ man das Lösemittel 5 min bei Ramtemperatur abdamp fen und trocknete das beschichtete Substrat 2 h bei 101%. Das Sub strat wurde mit destilliertem Wasser abgespült und anschließend 30 sec gewässert. Das Substrat wurde dreimal jeweils 2 h in frischem Wasser bei Raumtemperatur gelagert, um eventuell anhaftende Restmono mere zu entfernen. Danach wurde das Substrat mehrere Stunden bei 60°C getrocknet.The substrates were immersed in the coating solution for 20 seconds. The solvent was then allowed to evaporate for 5 minutes at room temperature open and dry the coated substrate at 101% for 2 hours. The sub strat was rinsed with distilled water and then 30 sec watered. The substrate was fresh three times for 2 h each Water stored at room temperature to remove any residual mono remove mere. The substrate was then at 60 ° C for several hours dried.
Der Reibungskoeffizient µ wurde nach der Methode der schiefen Ebene bestimmt. Hierzu wird das ggf. beschichtete Substrat auf eine runde Metallscheibe aufgeklebt und in Wasser bzw. einer 0,9 Gew.-% NaCl-Lö sung 15 min gelagert. Anschließend wird die Metallscheibe mit der Fo lie nach unten auf eine mit dem unbeschichteten Polymer überzogene ebene Platte gesetzt, die mit destilliertem Wasser befeuchtet war. Der Winkel der Platte zur Horizontalen wurde langsam vergrößert. Der Winkel, bei dem die Metallscheibe zu gleiten begann, wurde festgehal ten. Sein Tangens ist der Reibungskoeffizient µ.The coefficient of friction µ was based on the inclined plane method certainly. For this purpose, the possibly coated substrate is placed on a round Glued metal disc and in water or 0.9 wt .-% NaCl solution solution stored for 15 minutes. Then the metal disc with the Fo lay down on one coated with the uncoated polymer flat plate set, which was moistened with distilled water. The angle of the plate to the horizontal was slowly increased. Of the The angle at which the metal disc began to slide was fixed ten. Its tangent is the coefficient of friction µ.
Die ggf. beschichteten Substrate wurden 15 min in Wasser gelegt. Da nach wurde der Gleitwiderstand beim Überstreichen der Substrate mit der bloßen Hand geprüft und nach den Kategorien "stumpf - gleitfähig - sehr gleitfähig" bewertet. The optionally coated substrates were placed in water for 15 minutes. There after the sliding resistance when painting over the substrates tested with the bare hand and according to the categories "blunt - slippery - very smooth "rated.
Eine Über-Nacht-Kultur des Bakterienstammes Klebstella pneumoniae in Hefeextrakt-Pepton-Glukose-Nährmedium (1% + 1% + 1%) wird abzentrifu giert und in Phosphat-gepufferter Saline ( = PBS: 0,05 m KH2P04. pH 7,2 + 0,9% NaCl) wieder aufgenommen. Man verdünnt mit PBS-Puffer auf ein Zellkonzentration von 108 Zellen/ml. Die suspendierten Bakterien wer den mit dem zu untersuchenden Folienstück für 3 h in Berührung ge bracht. Dazu werden doppelseitig beschichtete kreisförmige Folien stücke mit einem Durchmesser von 1,6 cm (= 4,02 cm2) auf eine Präpa riernadel gesteckt und mit der Zellsuspension geschüttelt. Einseitig beschichtete Folien werden in Form einer runden, ebenen Scheibe von 4,5 cm Durchmesser und mit einer Stützmembran aus 2-3 cm dickem Weich-PVC in eine Membranfilterapparatur eingespannt. Auf die nach oben zeigende Seite mit der zu prüfenden Beschichtung wird die Zell suspension aufgegeben und 3 h geschüttelt. Die Membranfilterapparatur muß dicht sein, d. h. es darf keine Zellsuspension durch undichte Zel len ausfließen.An overnight culture of the bacterial strain Klebstella pneumoniae in yeast extract-peptone-glucose nutrient medium (1% + 1% + 1%) is centrifuged off and in phosphate-buffered saline (= PBS: 0.05 m KH 2 P04. PH 7.2 + 0.9% NaCl) resumed. It is diluted with PBS buffer to a cell concentration of 108 cells / ml. The suspended bacteria are brought into contact with the piece of film to be examined for 3 hours. For this purpose, double-sided coated circular pieces of film with a diameter of 1.6 cm (= 4.02 cm 2 ) are placed on a preparation needle and shaken with the cell suspension. Films coated on one side are clamped in a membrane filter apparatus in the form of a round, flat disc with a diameter of 4.5 cm and a support membrane made of 2-3 cm thick soft PVC. The cell suspension is applied to the upward-facing side with the coating to be tested and shaken for 3 hours. The membrane filter apparatus must be leakproof, ie no cell suspension may leak through leaky cells.
Nach Ablauf der Kontaktzeit wird die Bakteriensuspension mit einer Wasserstrahlpumpe abgesaugt, und die Folienstücke werden zum Waschen mit 20 ml steriler PBS-Lösung in einem 100 ml Becherglas 2 min ge schüttelt. Das Folienstück wird nochmals in sterile PBS-Lösung einge taucht und dann in 10 ml erhitztem TRIS/EDTA (0.1M Trishydroxyethyl aminomethan, 4 mM Ethylendiamintetraessigsäure, mit HCl auf pH 7,8 eingestellt) für 2 min im siedenden Wasserbad extrahiert.After the contact time has elapsed, the bacterial suspension is treated with a Aspirated water jet pump, and the pieces of film are used for washing with 20 ml sterile PBS solution in a 100 ml beaker for 2 min shakes. The piece of film is again immersed in sterile PBS solution immersed and then in 10 ml of heated TRIS / EDTA (0.1M trishydroxyethyl aminomethane, 4 mM ethylenediaminetetraacetic acid, with HCl to pH 7.8 set) extracted for 2 min in a boiling water bath.
Mit der Extraktionslösung werden kleine Eppendorf-Cups befüllt und sofort bis zur Biolumineszenz-Bestimmung des extrahierten Adenosin triphosphats (ATP) bei -20°C eingefroren. Die Bestimmung wird wie folgt ausgeführt: In ein transparentes Röhrchen aus Polycarbonat wird 100 µl Reagentienmix (Biolumineszenz-Test CLS II. Fa. BOEHRINGER MANNHEIM GmbH) gegeben, und über einen Zeitraum von 10 sec werden in einem Lichtimpuls-Meßgerät LUMAT LB9501 (Laboratorien Prof. Berthold GmbH, 75323 Bad Wildbad, Deutschland) die Lichtimpulse integriert. Dann wird eine 100 µl Probe zugegeben und erneut gemessen. Die rela tiven Lichteinheiten (RLU) werden durch Subtraktion der Lichtimpulse im Reagentienmix von der Anzahl der gemessenen Lichtimpulse im kom pletten Ansatz erhalten. Dieser Wert steht in Relation zu der Anzahl der an der Folie adhärierten Bakterien. Der Umrechnungsfaktor zwi schen dem RLU-Wert und der Bakterienzahl wird bestimmt, indem ein Aliquot von 0,1 ml der Bakteriensuspension mit 108 Zellen/ml in 10 ml heißem TRIS/EDTA extrahiert und dann der ATP-Gehalt bestimmt wird. In Tabelle 3 wurde die Bakterienadhäsion auf den unbehandelten Substra ten gleich 100% gesetzt ( = 0% Verminderung der Bakterienadhäsion). In entsprechender Weise und mit ähnlichen Ergebnissen verlaufen Ver suche mit anderen Bakterien, wie Staphylococcus aureus, Staphylococ cus epidermidis, Streptococcus pyogenes, Pseudomonas aeruginosa und Escherichia coli.Small Eppendorf cups are filled with the extraction solution immediately until the bioluminescence determination of the extracted adenosine triphosphate (ATP) frozen at -20 ° C. The determination will be like follows as follows: In a transparent tube made of polycarbonate 100 µl reagent mix (bioluminescence test CLS II. BOEHRINGER MANNHEIM GmbH) and over a period of 10 sec a light pulse measuring device LUMAT LB9501 (Laboratories Prof. Berthold GmbH, 75323 Bad Wildbad, Germany) integrated the light impulses. Then a 100 µl sample is added and measured again. The rela tive light units (RLU) are obtained by subtracting the light pulses in the reagent mix from the number of measured light pulses in the com get complete approach. This value is related to the number of bacteria adhering to the film. The conversion factor between The RLU value and the number of bacteria is determined by a Aliquot of 0.1 ml of the bacterial suspension with 108 cells / ml in 10 ml extracted hot TRIS / EDTA and then the ATP content is determined. In Table 3 shows the bacterial adhesion on the untreated substrate 100% (= 0% reduction in bacterial adhesion). In a similar manner and with similar results, Ver search with other bacteria, such as Staphylococcus aureus, Staphylococ cus epidermidis, Streptococcus pyogenes, Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli.
Man erkennt am Stickstoffeintrag, daß sowohl mit Mikrowellen- als
auch mit Radiofrequenzplasma stickstoffhaltige Gruppen auf der Poly
meroberfläche entstehen, und zwar im zweiten Fall mehr als im ersten.
It can be seen from the nitrogen input that nitrogen-containing groups are formed on the polymer surface both with microwave and with radio frequency plasma, in the second case more than in the first.
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