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Die Erfindung betrifft ein Additiv gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und Mischungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7, welche ein solches Additiv enthalten.
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Insbesondere betrifft die Erfindung den Aufbau von Funktionsadditiven für chemische Mischungen.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Additive werden entweder als reiner Stoff mit definierter Partikelgröße verwendet oder es werden Körper, beispielsweise Glaskugeln oder Zeolithe, mit Wirkstoffen beschichtet, um die Oberfläche der Additive bei konstanter Konzentration zu maximieren. Auch sind aus dem Stand der Technik mit Wirkstoffen gefüllte kapselartige Elemente bekannt, die sich unter definierten Bedingungen auflösen und dann den Wirkstoff verzögert freisetzen. Eine vergleichbare verzögerte Wirkstofffreisetzung ist auch bei Stoffen bekannt, die einen kompakten Körper bilden, der sich nach und nach auflöst, um einen in dem Körper enthaltenen Wirkstoff auf diese Art und Weise freizugeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Additiv bereitzustellen, das eine möglichst große Oberfläche aufweist und bei Bedarf eine gezielte Wirkverzögerung der Wirkstoffe ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einem Additiv mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein solches Additiv weist einen schaumartig strukturierten Träger und mindestens einen Wirkstoff auf, wobei der Wirkstoff in den Träger eingelagert ist, ohne dass eine chemische Bindung zwischen dem Wirkstoff und dem Träger ausgebildet ist. Unter „schaumartig strukturiert“ wird dabei eine einem natürlichen oder künstlichen Schaum nachempfundene oder entsprechende Struktur verstanden. Während grundsätzlich in geschlossenporige und offenporige Schäume unterschieden wird, kommen erfindungsgemäß vorzugsweise offenporige Schäume zum Einsatz. Bei geschlossenporigen Schäumen liegen in einem schaumartig strukturierten Träger gasförmige Bläschen vor, die insbesondere von festen Wänden eingeschlossen sind. Bei offenporigen Schäumen wird die den schaumartig strukturierten Träger ausmachende Schaumstruktur durch Schaumkanäle bzw. Schaumröhrchen gebildet, die einander teilweise überkreuzen. Der Wirkstoff (und optional weitere Stoffe) kann sowohl im Innern der Schaumkanäle als auch in den zwischen den einzelnen Schaumkanälen vorliegenden Hohlräumen aufgenommen werden.
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Offenporige Schäume (also im Wesentlichen zellwandlose bzw. nicht zellige Schäume) bieten gegenüber geschlossenporigen Schäumen den Vorteil, dass ein in den Schaum bzw. in den aus dem Schaum bestehenden Träger einzulagernder Wirkstoff in viel tiefere Bereiche des Schaums bzw. Trägers vordringen kann. Während bei geschlossenporigen Schäumen im Wesentlichen nur die Oberfläche (und ggf. in geringem Abstand darunterliegende Bereiche von dem aufzubringenden Wirkstoff erreicht werden können, ist bei offenporigen Schäumen bzw. Trägern ein Eindringen des Wirkstoffs (und anderer Stoffe) in tiefere Bereiche insbesondere durch das Innere der Schaumkanäle hindurch und/oder an der Außenseite der Schaumkanäle entlang problemlos möglich.
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Es liegt also ein poröser Träger vor, in dessen Inneren mindestens ein Wirkstoff eingelagert ist. Wenngleich der Fokus der Erfindung auf festen Schäumen liegt, ist grundsätzlich auch eine Ausgestaltung in Form von flüssigen Schäumen, also mit einem flüssigen Trägermaterial, denkbar.
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Unter einer „chemischen Bindung“ im Sinne dieser Erfindung wird insbesondere eine kovalente oder ionische Bindung verstanden. Insbesondere bildet sich zwischen dem Wirkstoff und dem Träger also keine kovalente Bindung und/oder keine ionische Bindung aus. Die erfindungsgemäßen Wechselwirkungen zwischen Wirkstoff und Träger sind vielmehr rein physikalischer Natur. Das heißt, der Wirkstoff wird durch physikalische Kräfte auf dem Träger gebunden, beispielsweise durch Adsorption beziehungsweise physikalische Adsorption (Physisorption). Dadurch, dass keine chemischen Bindungen ausgebildet werden, kommt es zu keiner chemischen Veränderung des Wirkstoffs, wenn dieser an den Träger bindet. Vielmehr wird er durch die wirkenden physikalischen Kräfte (insbesondere Van-der-Waals-Kräfte) an den Träger gebunden.
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In einer Variante besteht das Additiv nur aus dem Träger und dem Wirkstoff. In einer weiteren Variante weist das Additiv neben dem Träger und dem Wirkstoff zusätzlich noch einen Hilfsstoff auf, der den Wirkstoff beispielsweise bei der kontrollierten Entwicklung seiner Wirkung unterstützt. Der Hilfsstoff kann auch dazu dienen, die Freisetzung des Wirkstoffs aus dem Träger zu erleichtern oder zu erschweren und/oder verstärkend oder abschwächend auf die Wirkung des Wirkstoffs einzuwirken. Wie auch im Falle des Wirkstoffs, werden zwischen dem Träger und dem Hilfsstoff keine chemischen Bindungen ausgebildet. Vielmehr erfolgt auch die Bindung des Hilfsstoffs an den Träger unter Ausnutzung rein physikalischer Phänomene. Es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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In einer Variante bildet sich allerdings eine chemische Bindung zwischen dem Hilfsstoff und dem Wirkstoff aus. Das heißt, durch den Einsatz eines Hilfsstoffes kann der Wirkstoff in seiner chemischen Zusammensetzung beispielsweise derart modifiziert werden, dass er erleichtert aus dem Träger freigesetzt werden kann und/oder eine erhöhte Wirksamkeit aufweist. Beispielsweise ist es möglich, dass der Hilfsstoff durch chemische Modifikation die physikalischen Eigenschaften des Wirkstoffs derart ändert, dass die Adsorptionsfähigkeit des Wirkstoffs an dem Träger vermindert wird. Dadurch kann zwar immer noch eine ausreichende Menge von Wirkstoff an den Träger gebunden werden, gleichzeitig jedoch eine erleichterte Freisetzung des Wirkstoffes vom Träger erreicht werden.
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Insgesamt dienen die verwendeten Hilfsstoffe, sofern sie eingesetzt werden, zur Unterstützung der Wirkstoffe bei der Beschleunigung, Verzögerung oder Verstärkung ihrer jeweiligen Funktion. So ist es auch denkbar, dass durch den Einsatz eines Hilfsstoffes die Adsorption des Wirkstoffes an den Träger erhöht wird, wodurch dessen Freisetzung vom Träger verzögert wird. Werden beispielsweise ein Wirkstoff und verschiedene Hilfsstoffe eingesetzt, können die jeweiligen Eigenschaften des Wirkstoffes in verschiedenen Richtungen angepasst werden. So kann beispielsweise ein Teil des Wirkstoffes dahingehend angepasst werden, dass er verbessert freigesetzt wird, während ein anderer Teil des Wirkstoffes dahingehend verändert wird, dass er verzögert freigesetzt wird, und ein weiterer Teil des Wirkstoffs ohne Hilfsstoff eingesetzt werden. Auf diese Art und Weise können Additive mit einem kontrollierten Freisetzungsverhalten bezüglich des Wirkstoffes hergestellt werden. Ebenso ist es möglich, das jeweilige Freisetzungsverhältnis des Wirkstoffs über ein breites Spektrum zu variieren.
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Bei dem eingesetzten Hilfsstoff kann es sich beispielsweise um einen Katalysator handeln. Sowohl der Wirkstoff als auch der Hilfsstoff können beispielsweise ausgewählt werden aus reinen Metallen, Metallsalzen, metallorganischen Verbindungen und Legierungen. Dotierte Verbindungen können ebenfalls als Materialien verwendet werden. Beliebige Kombinationen dieser Materialien sind ebenfalls denkbar. Geeignete Metalle als reine Substanzen oder für Verbindungen sind beispielsweise Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Aluminium, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Eisen, Silber und Gold.
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In einer Variante ist der Träger ausgewählt aus natürlichen Schäumen und/oder künstlich geschäumten Materialien. Im Ergebnis kann durch die geschäumte beziehungsweise schaumartige Struktur des Trägers eine besonderes große Oberfläche des Trägermaterials bereitgestellt werden, auf dem dann der Wirkstoff und bei Bedarf der Hilfsstoff gebunden werden können. Es ist durch die Erfindung also möglich, sowohl eine Oberflächenmaximierung der Wirkstoffe als auch eine gezielte Wirkverzögerung einzustellen beziehungsweise zu erzielen. Auf diese Eigenschaften kann gezielt Einfluss genommen werden, indem die Schaumstruktur des Trägers beispielsweise besonders fein gewählt wird. Außerdem ist es möglich, die Größe der Additivpartikel nachträglich beispielsweise durch Zermahlen anzupassen, ohne die Funktionsqualität der Additive negativ zu beeinflussen. Eine derartige Zerkleinerung kann nötig sein, um eine saubere Homogenisierung der Additive in Kunststoff, Zellstoff, Farben oder Lacken zu ermöglichen.
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Wie bereits oben erwähnt, kann der Träger in einer Variante einen offenporigen Schaum aufweisen, insbesondere aus einem offenporigen Schaum bestehen. Ein offenporiger, insbesondere aus Schaumkanälen oder Schaumröhrchen gebildeter Schaum bietet den Effekt, dass ein in den Träger einzubringender Wirkstoff ebenso wie andere Stoffe (beispielsweise Hilfsstoffe) in den Schaumröhrchen und/oder auf der Oberfläche der Schaumröhrchen adsorbieren kann. Damit geht eine signifikante Erhöhung der zur Adsorption der Stoffe zur Verfügung stehende Oberfläche einher. Außerdem können die Stoffe durch die hohlen Schaumröhrchen praktisch beliebig tief in die jeweilige Schaumstruktur eindringen. Es kann auf diese Weise also ein sehr hohes (Wirk)stoff/Träger-Verhältnis erreicht werden bei gleichzeitig sehr hoher und/oder sehr gleichmäßiger Durchdringung des Trägers mit dem Wirkstoff bzw. den anderen Stoffen.
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Die Schaumröhrchen bzw. Schaumkanäle weisen in einer Variante einen mittleren Durchmesser von etwa 500 bis 1000 nm, insbesondere etwa 600 bis 900 nm, insbesondere etwa 750 bis 850 nm und ganz besonders rund 800 nm auf.
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In einer Variante weist der Träger eine grobe oder eine feine Struktur auf. Beispielsweise kann er eine dichte Packung von Schaumröhrchen aufweisen (feine Struktur) oder nur eine sehr lose Packung von Schaumröhrchen (grobe Struktur) und damit eine unterschiedliche Aufnahmekapazität und/oder ein unterschiedliches Freisetzungsvermögen bezüglich des Wirkstoffs und etwaiger Hilfsstoffe haben. Der Träger kann dabei besonders hart oder besonders weich ausgestaltet sein. Die jeweiligen konkreten physikalischen Eigenschaften des Trägers sind an den konkreten Einsatzzweck des Additivs anpassbar. So lässt sich die Härte des Trägers und damit im Wesentlichen die Härte des Additivs beispielsweise an die Härte eines mit dem Additiv zu mischenden Grundstoffes anpassen. Auf diese Weise fällt die Anwesenheit des Additivs in einer Mischung aus Additiv und Grundstoff im Hinblick auf die Härte der Mischung nicht ins Gewicht.
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Geeignete Härten sind beispielsweise 2 bis 5 Mohs für harte Träger und 10 bis 100, insbesondere 20 bis 100, insbesondere 30 bis 80 und ganz besonders 40 bis 70 Shore-A (gemessen entsprechend DIN 53505 und DIN 7868) für weiche Träger.
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Geeignete Materialien für den Träger können organische oder anorganische Stoffe oder Kunststoffe sein, wobei sowohl reine Materialien, wie beispielsweise Metalle oder Metallsalze, als auch kombinierte Materialien wie etwa Legierungen als Träger geeignet sind. Dotierte Verbindungen können ebenfalls als Materialien verwendet werden. Geeignete Metalle als reine Substanzen oder für Verbindungen sind beispielsweise Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Aluminium, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Eisen, Silber und Gold. Wichtig ist jeweils nur, dass zwischen dem gewählten Trägermaterial und dem auf dem Trägermaterial aufzubringenden (also in den Träger einzubringenden) Wirkstoff ausreichend starke physikalische Bindungen erzeugt werden können, die für eine vorübergehende Haftung oder zumindest ein zeitweises Verbleiben des Wirkstoffes auf dem Trägermaterial sorgen. Wie oben erläutert, können diese Bindungseigenschaften des Wirkstoffes durch geeignete Hilfsstoffe in beliebiger Weise modifiziert werden.
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In einer Variante werden als Träger gerade keine Glasschäume verwendet. Diese sind in der Regel zu hart und zu spröde, um als geeignete Träger eingesetzt werden zu können.
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Die originäre Aufgabe des Trägers ist es, die Wirkstoffe und Hilfsstoffe (beziehungsweise Katalysatoren) aufzunehmen und bei der weiteren Verarbeitung ausreichend mechanische und chemische Stabilität zu vermitteln beziehungsweise zu besitzen.
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In einer Variante weist das Additiv eine linear ausgerichtete Kristallstruktur seiner einzelnen Bestandteile auf. Durch eine derartige hochgeordnete Struktur lässt sich ein besonders gleichmäßig wirksames Additiv erzeugen. Es kann jedoch auch eine andere Additivstruktur gewählt werden, so dass sich insgesamt eine sehr flexible Gestaltung der Konstruktion des Additivs ergibt. Beispielsweise können auch Kupplungsschichten ausgebildet werden, um auch Wirkstoffe an einen Träger zu binden, die als solche nur schlecht an das gewählte Trägermaterial binden. Die Ausbildung derartiger Kupplungsschichten kann beispielsweise durch Hilfsstoffe erfolgen beziehungsweise begünstigt werden. Das erfindungsgemäße Additiv ist insbesondere als rein physikalische Konstruktion mit einem Schichtaufbau zu verstehen.
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In einer Variante beträgt die Dicke einer in den Träger eingelagerten Wirkstoffschicht rund 10 bis 200 nm, insbesondere ca. 20 bis 150 nm und ganz besonders 50 bis 100 nm. In einer weiteren Variante weist die ausgebildete Schicht eine anisotrope nanoskalige Insutu-Struktur auf. Das heißt, es wird – im nanoskaligen Bereich – ein raues, kraterartiges Oberflächenprofil der Schicht ausgebildet.
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In einer Variante wird der Wirkstoff derart ausgewählt, dass das Additiv antimikrobielle Eigenschaften aufweist. In dieser Variante lässt sich das Additiv wirksam gegen verschiedene mikrobielle Erreger, insbesondere Bakterien, Viren und/oder Pilze, einsetzen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Mischung, die aus einem Grundstoff und einem Additiv gemäß der vorherigen Beschreibung besteht. Durch den Einsatz eines entsprechenden Additivs in einem beliebigen Grundstoff lassen sich die Eigenschaften des Grundstoffs in nahezu beliebiger und vorteilhafter Weise beeinflussen. Dabei kann die Funktion der Additive sowohl auf der Oberfläche als auch (beispielsweise ausschließlich) im Inneren der endgültigen Mischungen im Gebrauchszustand zum Tragen kommen beziehungsweise erfüllt werden. Wie bereits oben erwähnt, können als Grundstoff beispielsweise Kunststoffe, Zellstoffe, Farben oder Lacke (jeweils in beliebiger Form, beispielsweise als Granulat, als flüssige Stoffe (Flüssigbatches) oder als Pulver) verwendet werden.
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In einer Variante werden durch das Additiv die biologischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Grundstoffes beeinflusst. Bei diesen Eigenschaften kann es sich insbesondere um die Farbe, die mechanischen Eigenschaften und/oder die antimikrobiellen Eigenschaften des jeweiligen Grundstoffes handeln. Die Additive können also beispielsweise antimikrobiell, UV-stabilisierend, flammhemmend, färbend, antistatisch oder weichmachend wirken. Ferner können die Additive die Oberflächenstrukturen, Oberflächenspannungen oder pH-Werte der Grundstoffe beeinflussen. Schließlich kann durch die Additive in den Grundstoffen auch die Migration von Ionen oder sonstigen Stoffen in den Grundstoff hinein oder aus dem Grundstoff hinaus erreicht, vereinfacht, verzögert oder verhindert werden.
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Durch die spezielle Struktur der Additive, das heißt ihre Konstruktion, wird die Reduktion des Migrationsrisikos von Nanopartikeln aus einer Mischung bestehend aus einem Grundstoff und dem Additiv im Gebrauchszustand unterstützt, da die Nanopartikel (wenn sie als Wirkstoff und/oder Hilfsstoff eingesetzt werden) aufgrund der Schaumstruktur des Trägers im Träger verbleiben.
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Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Additivs offenbart, das die folgenden Schritte aufweist:
- a) Aufschäumen eines Basismaterials mittels eines Treibmittels,
- b) Zerkleinern des geschäumten Basismaterials auf eine Korngröße von ca. 1 bis ca. 10 µm, insbesondere ca. 2 bis ca. 6 µm und ganz besonders ca. 3 bis ca. 5 µm, zur Bereitstellung eines Trägers und
- c) Aufbringen mindestens eines Wirkstoffes auf den Träger.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des Additivs sind in analoger Weise auch auf das Verfahren anwendbar.
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Nach dem Aufbringen des Wirkstoffes auf den Träger liegt der Wirkstoff vorzugsweise als Wirkstoffschicht auf dem Träger vor. Es wird hierzu auf die obigen Erläuterungen zur möglichen Dicke und Struktur dieser Schicht verwiesen.
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Zum Aufschäumen des Basismaterials kann jedes geeignete Treibmittel verwendet werden. Alternativ ist es auch möglich, einen bereits vorhandenen (beispielsweise natürlichen) Schaum zu verwenden. In diesem Fall ist ein gesondertes Aufschäumen des Basismaterials nicht notwendig.
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Um eine für den jeweiligen Anwendungszweck geeignete Korngröße des Basismaterials zu erreichen, wird Schritt b) durchgeführt. Wenn das bereitgestellte geschäumte Basismaterial bereits eine geeignete Korngröße aufweist, ist ein gesondertes Zerkleinern gemäß Schritt b) nicht mehr erforderlich. In einer Variante wird Schritt b) als Zermahlen des geschäumten Basismaterials in einer Luftstrahlmühle ausgeführt. Auf diese Weise ist ein besonders effizientes Zermahlen des Basismaterials möglich.
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Sollen weiche Trägermaterialien (beispielsweise mit einer Shore-A-Härte von etwa 20 bis 100) zerkleinert werden, ist es in der Regel notwendig, das Basismaterial vor der Zerkleinerung zu gefrieren. Dies kann durch Schockgefrieren beispielsweise mit flüssigem Stickstoff erfolgen.
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Sowohl vor dem Zermahlen als auch danach kann eine Korngrößenkontrolle durchgeführt werden. Dies ist beispielsweise durch Laserdiffraktometrie unter dem Fachmann allgemein bekannten Standardbedingungen möglich. Eine derartige Korngrößenkontrolle ist außerdem nach Fertigstellung des Additivs möglich und mitunter sinnvoll, um ein für den jeweiligen Anwendungszweck optimal bemessenes Additiv in den Händen zu halten.
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Bevor der Wirkstoff auf den Träger aufgebracht wird, findet in einer Verfahrensalternative eine Trocknung beziehungsweise Vortrocknung des Trägers statt. Dies sollte unter Einsatz von Schutzgas erfolgen, um Nebenreaktionen zu vermeiden. Die Trocknung kann beispielsweise in einer Zentrifuge erfolgen. Schutzgas mit einem Druck von beispielsweise etwa 2 bis 10 bar, insbesondere etwa 3 bis 8 bar, insbesondere etwa 5 bar, ist geeignet, um Nebenreaktionen zu vermeiden.
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Das Aufbringen des mindestens einen Wirkstoffes auf das Trägermaterial kann beispielsweise durch ein reaktives modifiziertes Sputterdispositionsverfahren erfolgen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei dem Wirkstoff um ein Metall handelt. Sollen mehrere Wirkstoffe oder mehrere Schichten eines Wirkstoffes auf das Trägermaterial aufgebracht werden, bieten sich mehrere nacheinander durchgeführte reaktive modifizierte Sputterdispositionsverfahren an. So lässt sich ein Additiv aus einem Trägermaterial und mehreren Schichten eines oder mehrere Wirkstoffe auf dem Trägermaterial erzeugen.
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Nach dem Aufbringen des Wirkstoffs kann in einer Variante noch ein Hilfsstoff auf den Träger aufgebracht werden. Dabei erfolgt das Aufbringen des Hilfsstoffs insbesondere nicht in Form einer geschlossenen Schicht, sondern als kontrolliertes Dotieren des Trägers bzw. der aufgebrachten Wirkstoffschicht. Beispielsweise kann eine geringe Menge des Hilfsstoffs auf die bereits ausgebildete Schichtstruktur aufgesprüht oder aufgesputtert werden, wodurch sich eine feine Verteilung von Hilfsstoffmolekülen auf der Wirkstoffschicht bzw. dem Träger ergibt. In einer Variante können so unvollständige (also nicht durchgehende, sondern eher punktuell vorhandene) Hilfsstoffschichten bzw. Hilfsstoffdotierungen mit einer Dicke von etwa 1 bis 30 nm, insbesondere etwa 2 bis 25 nm, insbesondere etwa 5 bis 20 nm und ganz besonders etwa 10 bis 15 nm aufgetragen werden.
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Durch eine dynamische Temperatursteuerung während des Auftragens des Wirkstoffs und/oder des Hilfsstoffs können in einer Variante Übergangsschichten von ca. 0,5 bis 1,5 nm, insbesondere ca. 0,8 bis 1,2 nm und ganz besonders rund 1 nm Dicke ausgebildet werden, an denen das Sprungverhalten (also unter anderem eine Beweglichkeit hinsichtlich Leitfähigkeit oder Desorption) der Elektronen bzw. Ionen des Wirkstoffs oder des Hilfsstoffs verändert wird. Dadurch können die Eigenschaften des Additivs in der gewünschten Weise beeinflusst werden.
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In einer weiteren Variante erfolgt nach Schritt c) beziehungsweise nach einer Korngrößenkontrolle, die sich an Schritt c) angeschlossen hat, eine Zerkleinerung des Additivs, um seine Korngröße an den spezifischen Einsatzzweck anzupassen. Diese Zerkleinerung kann beispielsweise wie die Zerkleinerung des Trägermaterials in einer Luftstrahlmühle durchgeführt werden, wobei beim Einsatz weicher Trägermaterialien wiederum ein Einfrieren vor dem Zerkleinern erfolgen sollte. Korngrößen des vollständigen Additivs von circa 1 bis circa 5 µm, insbesondere ca. 2 bis ca. 4 µm, sind bevorzugt.
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Die Funktionsqualität des Additivs wird durch eine entsprechende Zerkleinerung nicht negativ beeinflusst. Vielmehr bietet die Schaumstruktur des Trägers eine ausreichende mechanische Festigkeit, um auch nach einer entsprechenden Zerkleinerung eine gezielte Freisetzung des Wirkstoffes aus dem Additiv gemäß einer vorbestimmbaren und bei Bedarf mit Hilfsstoffen beeinflussbaren Freisetzungskinetik zu ermöglichen.
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Weitere Eigenschaften und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren und zweier Beispiele nachfolgend erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch ein Additivpartikel,
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2 einen schematischen Querschnitt durch ein zerkleinertes Additivpartikel und
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3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden Additivpartikels.
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Die 1 zeigt in schematischer Weise einen Querschnitt durch ein Additivpartikel aus einem Schaumträger 1, in dessen Innerem die poröse beziehungsweise schaumartige Struktur des Trägers 1 gut erkennbar ist. Die polygonalen Strukturen sind dabei Querschnitte durch Schaumröhrchen oder Schaumkanäle, die den offenporigen Schaum des Trägers 1 bilden. Die einzelnen Schaumröhrchen verlaufen dabei in den unterschiedlichsten Richtungen und überkreuzen sich dabei.
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In den Träger 1 sind ein Wirkstoff 2 und ein Hilfsstoff 3 eingelagert, die schematisch dargestellt sind. Wirkstoff 2 und Hilfsstoff 3 sind im Wesentlichen gleichmäßig innerhalb der porösen Struktur des Trägers 1 verteilt. Sowohl Wirkstoff 2 als auch Hilfsstoff 3 können aus dem Träger 1 des Additivpartikels bei Gebrauch freigesetzt werden. Der Wirkstoff 2 ist dabei sowohl im Innern der Schaumröhrchen als auch auf deren Außenseite angeordnet. Dies ist durch die fadenartige Struktur des Wirkstoffs 2 in der 1 in schematischer Weise dargestellt. Auch in einigen der in der 1 quergeschnittenen Schaumröhrchen ist der Wirkstoff 2 eingelagert, ohne jedoch besonders gekennzeichnet zu sein. Dabei bildet der Wirkstoff 2 jeweils im Wesentlichen durchgängige Schichten in und/oder auf den Schaumröhrchen aus.
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Der Hilfsstoff 3 wird in signifikant geringerer Konzentration als der Wirkstoff 2 eingesetzt. Er bildet daher keine durchgängigen Schichten auf dem Träger oder dem Wirkstoff aus. Er dotiert den Träger und/oder eine Wirkstoffschicht lediglich. Dies ist durch schematische Darstellung des Hilfsstoffs 3 durch vereinzelte schwarze Punkte illustriert.
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Die 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein zerkleinertes Additivpartikel aus einem Träger 1 mit in den Träger 1 eingelagerten Wirkstoffen 2 und Hilfsstoffen 3. Wie aus dieser Darstellung zu erkennen ist, hat die Zerkleinerung des Additivpartikels keinen negativen Einfluss auf die Verteilung der Wirkstoffe 2 und Hilfsstoffe 3 innerhalb der porösen Struktur des Trägers 1.
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Beispiel 1
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Bariumsulfatpartikel als Basismaterial wurden in einer Luftstrahlmühle zermahlen, bis die Korngröße 1,5 µm betrug. Die Größe der Partikel wurde laserdiffraktometrisch ermittelt. Bariumsulfat stellt aufgrund seiner natürlichen Porosität einen natürlichen schaumartig strukturierten Träger dar, der nicht zusätzlich aufgeschäumt werden muss. Die zerkleinerten Partikel wurden unter Argon als Schutzgas mit einem Druck von 5 bar in einer Zentrifuge getrocknet.
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Die so getrockneten Partikel wurden mittels eines reaktiven modifizierten Sputterdispositionsverfahrens mit einer Schicht bestehend aus Silberphosphat als antibakteriellem Wirkstoff beschichtet. Anschließend erfolgte in einem weiteren reaktiven modifizierten Sputterdispositionsverfahrens die Aufbringung von Platin als Hilfsstoff (Katalysator) auf die Silberphosphatschicht. Dabei bildete das Platin keine vollständige Schicht auf der Silberphosphatschicht aus, sondern bildete lediglich eine Dotierung dieser Schicht (das heißt, ein geringerer Anteil an Platin wurde auf die Silberphosphatschicht aufgebracht).
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Abschließend wurden die beschichteten Partikel erneut in einer Luftstrahlmühle zermahlen, bis die Korngröße 1,5 µm betrug. Die Größe der Partikel wurde abermals laserdiffraktometrisch kontrolliert.
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Beispiel 2
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Aluminiumpulver als Basismaterial wurde mit Titandihydrid als Treibmittel vermischt, zu Formkörpern gepresst und anschließend auf eine Temperatur von 670 °C erwärmt. Bei dieser Temperatur kommt es zur Zersetzung des Titandihydrids und in deren Folge zu einer Wasserstofffreisetzung. Diese führt zur Bildung von Gasblasen im flüssigen Metall und damit zum Aufschäumen des Aluminiums. Es wurde dabei darauf geachtet, dass sich eine im Wesentlichen offenporige Schaumstruktur einstellte.
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Das derart aufgeschäumte Aluminium wurde wieder auf Raumtemperatur abgekühlt, auf eine durchschnittliche Korngröße von 2,2 µm zermahlen und unter Argon als Schutzgas mit einem Druck von 4,5 bar in einer Zentrifuge getrocknet. Anschließend wurden die Partikel mittels eines reaktiven modifizierten Sputterdispositionsverfahrens mit einer Schicht bestehend aus Silbersulfat als antibakteriellem Wirkstoff beschichtet. Anschließend erfolgte in zwei weiteren Durchläufen eines reaktiven modifizierten Sputterdispositionsverfahrens zunächst die Aufbringung einer Dotierung aus Platin als erstem Hilfsstoff (Katalysator) und anschließend die Aufbringung einer Dotierung aus Kupfer als zweitem Hilfsstoff (Katalysator) auf die Silbersulfatschicht.
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Abschließend wurden die beschichteten Partikel erneut zermahlen, bis die Korngröße 2,2 µm betrug. Die Größe der Partikel wurde abermals laserdiffraktometrisch kontrolliert.
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Die 3 zeigt in schematischer Weise ein Flussdiagramm zum Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines Additivpartikels.
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Dieses Verfahren kann sowohl für harte Partikel 10 (also Partikel mit einer Härte von etwa 2 bis 5 Mohs) oder weiche Partikel 11 (insbesondere solche mit einer Härte von rund 20 bis 100 Shore-A) durchgeführt werden.
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Im Flussdiagramm der 3 sind Verfahrensschritte, die sowohl für harte Partikel 10 als auch für weiche Partikel 11 zutreffen, mittig dargestellt, während Verfahrensschritte, die nur im Falle weicher Partikel 11 erforderlich sind, rechter Hand angeordnet sind.
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Zunächst erfolgt ein Aufschäumen 20 der harten Partikel 10 oder weichen Partikel 11 des Basismaterials. Hierzu können Materialblöcke des Basismaterials, welche die harten Partikel 10 oder die weichen Partikel 11 enthalten, eingesetzt werden.
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Anschließend erfolgt ein Schockgefrieren 25 der weichen Partikel 11. Die weichen Partikel 11 können dann im gefrorenen Zustand – wie auch die harten Partikel 10 ohne weitere Vorbehandlung – einer Zerkleinerung 30 zugeführt werden. Diese wird vorzugsweise als ein Zermahlen der Partikel 10, 11 auf eine Korngröße von 5 bis 10 µm ausgestaltet sein.
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Anschließend erfolgt eine Überprüfung 40 der erzeugten Schaumstruktur der Partikel 10, 11, insbesondere hinsichtlich der Größe der erhaltenen Partikel. Die Größenbeurteilung kann dabei beispielsweise mittels eines Laserdiffraktometers durchgeführt werden.
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Die weichen Partikel 11 werden nun erneut einem Schockgefrieren 45 unterzogen, um sie einem weiteren Zerkleinerungsschritt 50 zuzuführen. Die harten Partikel 10 können nach der Überprüfung 40 unmittelbar der weiteren Zerkleinerung 50 zugeführt werden. Diese weitere Zerkleinerung 50 ist beispielsweise als ein Zermahlen auf eine Korngröße von ca. 1 µm ausgestaltet.
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Anschließend erfolgt eine Trocknung 60 der aufgeschäumten und zerkleinerten Partikel 10, 11. Die vorgenannten Schritte lassen sich als Phase A zusammenfassen und betreffen die Herstellung eines schaumartig strukturierten Trägers.
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Nun folgt die Phase B des Herstellungsverfahrens, in der eine Beschichtung des Trägers erfolgt. Zur Beschichtung werden die getrockneten Partikel einem Sputter-Schritt 70 zur Aufbringung des Wirkstoffs auf den Träger zugeführt. Anschließend erfolgt ein optionales Dotieren 80 des Trägers bzw. des Wirkstoffs durch ein sparsames Auftragen eines Hilfsstoffs. Dies kann ebenfalls durch ein Sputtern erfolgen. Beide Schritte 70, 80 können als reaktives modifiziertes Sputterdispositionsverfahren ausgebildet sein.
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Nun folgt Phase C des Herstellungsverfahrens, die der Qualitätskontrolle gewidmet ist. Zunächst erfolgt ein Messen 90 der Partikelgröße, um festzustellen, ob bereits Partikel im gewünschten Größenbereich vorliegen. Sollte dies der Fall sein, ist das Herstellungsverfahren beendet. Sind die gebildeten, mit dem Wirkstoff und optional dem Hilfsstoff beschichteten Trägerpartikel jedoch zu groß, erfolgt ein weiteres Zerkleinern 100, das wie die vorherigen Zerkleinerungsschritte 30, 50 als Mahlen ausgestaltet sein kann. Je nach Menge des aufgetragenen Wirkstoffs und der dadurch erzielten Veränderung der Härte weicher Partikel 11 kann es vor dem abschließenden Zerkleinern 100 erforderlich sein, die aus entsprechenden Partikeln 11 gebildeten beschichteten Partikel erneut schockzugefrieren.
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Nach vollständigem Durchlaufen des Verfahrens liegen mit einem Wirkstoff und einem Hilfsstoff versehene schaumartig strukturierte Träger in der gewünschten Größe vor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 53505 [0017]
- DIN 7868 [0017]
